地面沉降是指发生面积较大的地表高程降低、地面舒缓变形的现象和持续过程^[1]。地面沉降多发于新生代松散沉积物分布区，这些松散沉积物形成时间短，固结程度低，在抽取地下水、石油、天然气等流体时，原有的压力平衡被破坏，引起介质压密、体积缩小，从而导致地面下沉^[2]。

渤海湾西岸塘沽地区由于新生代厚度巨大，具备了产生地面沉降的物质基础。20 世纪50 年代末期，通过水准点高程测量异常分析发现地面沉降，1928—1957 年期间，天津市中心城区平均沉降速率为7~12mm/a。1958—1966 年，随着地下水的开采，年平均沉降速率为30~46mm/a，开始形成不同的沉降中心；1967—1985 年，由于地下水的大规模开采，地面沉降急剧发展，沉降速率达80~100mm/a；1985 年后，天津开始地面沉降治理，采取了减少地下水开采等多种措施控制地面沉降，取得了一定效果^[3]，中心城区和塘沽城区的地面沉降速率逐渐下降到10~15mm/a。2000 年以后，随着城市建设的快速发展，城市建设区地面沉降速率扩大到20~30mm/a^[4]。

图 1 所示的是渤海湾西岸塘沽地区地面沉降从20 世纪50 年代以来的变化过程，是自然和人为活动影响下各层位地面沉降的综合反映。渤海湾西岸新生代地层地面沉降影响因素较复杂，根据多年来的研究，渤海湾西岸地面沉降的影响因素主要包括构造下沉、地下水开采、地热水开采、城市建设、粘性土自然固结等。初期地面沉降主要是第四系地下水开采引起的^[5]，随着城市建设的发展和地热资源的开发，地面沉降层位发生了很大变化，城市建设和地热开发成为控制地面沉降的主要因素，现有的地面沉降治理措施效果不理想。同时对于深部地下水、地热水开采引起的地面沉降没有实测资料控制，沉降量一直没有定论^[6-7]。按当时的开采状况初步计算，开采热储层引起的地面沉降所引起的沉降约为6mm/a^[8-9]。由于不同年代地面沉降的层位不同，各层位地面沉降贡献难以准确判断，给地面沉降的防治带来困难。因此，对地面沉降层位进行精准识别，是有针对性地开展地面沉降防治的关键。

图  1  塘沽1957—2013 年地面沉降累积曲线（mm/a）

Figure  1.  Land subsidence cumulative curve of Tanggu during 1957-2013

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1.   渤海湾西岸新生代地层与地面沉降分层观测

1.1   渤海湾西岸巨厚沉降层特征

渤海湾西岸属华北地层大区晋冀鲁豫地层区的华北平原分区，处在断陷及坳陷盆地内，沉积了巨厚的新生代堆积物，厚度大于5000m，为地面沉降的产生提供了物质基础。其中新近系明化镇组厚度为628~1319m，第四系厚度280~410m，最厚约450m^[10]。

根据天津滨海新区G2 全取心钻孔揭露，在1226.22m 深度内，可划分沉积相分层346 层28 个段落。钻孔粘性土总厚度达756.93m，砂类土厚度为469.07m（表 1）。其中第二、第七含水组粘性土厚度最大，厚度分别为97.0m 和120.3m①（表 1）。根据水文地质特征和地下水开采情况，划分为9 个含水层组，其中第一—第四含水组为第四系地下水含水岩组，第五—第八含水组为新近系明化镇含水岩组，第九含水组及以下为新近系地热水储层。

表  1  G2 孔各含水组厚度及粘性土厚度统计

Table  1.  Statistics of the thickness for each aqueous stratum and the clay layers, Borehole G2

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1.2   地面沉降分层标观测

为了精准识别不同深度含水岩组地下水开采引起的地面沉降，一般采用分层标技术观测地面沉降各层位的贡献^[11-13]。2010 年，笔者在天津滨海新区建成G2 地面沉降分层标组，最大控制深度1218m，根据塘沽地区地面沉降影响因素和沉降层位^[14]，设置地面标1 个、分层标孔8 个，通过测量分层标标志点水准高程，可以得到地面建筑、地下水开采、地热开采等引起的8 个层位的地面沉降量和总沉降量（表 2）。

表  2  G2 分层标地面沉降监测层位

Table  2.  Monitoring layers of G2 Borehole extensometer

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1.3   地面沉降层位的精准识别

2011 年7 月—2014 年7 月的观测结果（表 3）表明，G2 分层标总地面沉降量126.56mm，其中城市建筑基础沉降量86.1mm，占总沉降量的68%，是G2 分层标目前第一主沉降层；咸水层沉降量4.69mm，占总沉降量的3.7%；第四系地下水二、三和四组地面沉降量5.93mm，占总沉降量的4.7%；古近系—新近系地下水第五含水组沉降量6.51mm，占总沉降量的5.14%；古近系—新近系地下水六—八含水组回升2.24mm，占总沉降量的-1.8%；地热开采层沉降量25.57mm，占总沉降量的20.2%，是G2 分层标目前的第二主沉降层。

表  3  G2分层标2011—2014 年地面沉降监测结果

Table  3.  Monitoring results of G2 Borehole extensometer from 2011 to 2014

时间/年	基础沉降/mm	咸水层沉降/mm	二、三组沉降/mm	四组沉降/mm	五组沉降/mm	六—八组沉降/mm	地热沉降/mm	总沉降量/mm
2011—2012	-28.79	-2.44	1.34	-2.94	-1.6	1.71	-16.2	-48.92
2012—2013	-23.29	-1.43	0.19	-1.74	-0.96	0.11	-5.12	-32.24
2013—2014	-34.02	-0.82	-1.77	-1.01	-3.95	0.42	-4.25	-45.4
2011—2014	-86.1	-4.69	-0.24	-5.69	-6.51	2.24	-25.57	-126.56

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由监测结果可以看出，由于多年来塘沽地区采取了限采和禁采地下水的措施，第四系和古近系—新近系地下水开采引起的地面沉降比重已显著下降。而2000 年以来，由于天津滨海新区城市建设的快速发展和地热资源的开发利用，城市建设和地热开采引起的地面沉降所占比重明显增大（图 2）。

图  2  G2 分层标各沉降层对地面沉降的贡献

Figure  2.  Contributions of each layer to land subsidence of G2 Borehole extensometer

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2.   分层地面沉降过程重建

2.1   地面沉降的层间转换

综合天津滨海新区不同深度地面沉降分层标观测资料，笔者确定了不同时期地面沉降的主要层位和各层位地面沉降量（表 4）。

表  4  1985 年以来不同沉降层位的沉降量变化

Table  4.  Land subsidence changes in different layers since 1985

沉降层	1985 年沉降量/mm	占比/%	1989 年沉降量/mm	占比/%	1999 年沉降量/mm	占比/%	2014 年沉降量/mm	占比/%
基础沉降			3.5	9.2	7.2	27.3	34.02	74.93
Ⅰ组							0.82	1.81
Ⅱ组	36	36	6.6	17.3	+0.5	+1.9	1.77	3.90
Ⅲ组	23	23	13.3	34.9	0.7	2.7	4.54	9.99
Ⅳ组以下	38	38	14.7	38.6	19.0	72.0	4.25	9.36
地热沉降
合计	100		38.1		26.4		45.4

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研究表明，1985 年前引起地面沉降的层位主要是200~300m 以上地层，占总沉降量的74%以上，这与开采第二、三含水组地下水为主相对应。1985年，随着控沉措施的实施，主要减少第二、三含水组地下水的开采量，这段地层的压缩变形量减少，从而总沉降量减少，地面沉降减缓，导致深部地层压缩引起的沉降量在总沉降量中所占的比重增加^[15]。

到1989 年，地面沉降主要由第三、四含水组地下水开采引起，占总沉降量的74%。到1999 年，地下水开采引起的地面沉降进一步减小，而随着城市建设的不断发展，城市建筑基础沉降逐渐显现，成为主要的沉降层位，占总沉降量的69%。到2014 年，城市建筑引起的地面沉降进一步增大，占总沉降量的75%，其他因素引起的地面沉降均小于10%。

2.2   分层地面沉降过程重建

以上分析表明：随着地下水开采、地热水开采、城市建设在不同年代的开采区域、开采深度、开采量、城市建设规模等不断变化，地面沉降是多层叠加且沉降层位及其比重也不断变化。精准识别这个变化过程，确定不同阶段的主沉降层位，是进行地面沉降防治的前提。

根据多年来的地下水开采量、开采层位统计和20 世纪80 年代以来地面沉降分层标观测资料，重建了不同层位地面沉降在不同年代的沉降过程^[16] 图 3）。建筑基础沉降过程：塘沽地区大规模城市建设是在2005 年天津滨海新区成立以后，G2 分层标所在位置位于塘沽城区周边，2009 年之前，场地周边还没有开始建设，因此没有建筑基础引起的地面沉降。2009 年以后该区域开始建设，建筑基础开始出现，根据分层标监测，2011 年7 月—2014 年7 月，地下50m 以内地层沉降量为86.10mm，平均每年沉降28.7mm，占同期总地面沉降的68.03%。

图  3  1960 年以来各沉降层的沉降速率曲线

Figure  3.  Land subsidence curves of each layer since the 1960s

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第四系地下水沉降过程：第四系地下水开采层主要包括第二、三、四含水组，在地面沉降初期的1968—1975 年，第二含水组是地下水的主要开采层，因此成为主要沉降层位，年均沉降量达20~25mm 以上，占当时总地面沉降的90% 以上。

1976—1985 年，第二、三、四含水组地下水开采量逐渐增大，开采深度逐渐加深，地下水水位大幅度下降，第四系地下水开采层沉降达到最高峰的80mm以上，占当时总地面沉降的90%以上。1985 年以后开始对第四系地下水开采进行了限制，地下水开采量逐渐减小，地下水水位迅速回升，沉降开始减缓，到1999 年，第四系地下水开采层沉降下降到10mm以下；2011 年7 月—2014 年7 月，第四系第二、三、四含水组年均沉降2.31mm，占总沉降量的4.69%。

古近系—新近系地下水沉降过程：塘沽地区古近系—新近系地下水开发时间较晚，开采规模也不大，尚未形成区域性沉降。在局部开采第五含水组地下水，近年来在第六、七含水组建立了应急水源地。但由于上覆第四系地下水开采和下伏地热开采的影响，古近系—新近系地下水水位下降幅度也较大，沉降量一直在10mm 以内，2011 年7月—2014 年7 月，古近系—新近系地下水第五含水组沉降量6.51mm，占总沉降量的5.14%，第六—第八含水组回升2.24mm。

地热开采层沉降过程：塘沽地区地热开采开始于20 世纪80 年代末，随着地热开发规模的逐渐增大，地热储层地下水水位大幅度下降，但地热开采引起的沉降量一直没有结论。根据本次1218m 沉降分层标观测数据，2011 年7 月—2014 年7 月，明化镇组地热开采层以下沉降量25.57mm，年均沉降量8.52mm，占总沉降量的20.20%。其中2013 年、2014年沉降量分别为5.12mm 和4.25mm。

3.   地面沉降精准防治

不同时期地面沉降的影响因素不同，产生沉降的层位及其贡献也不同，因此防治对策也要有针对性。

（1）在地面沉降初期，由于主要是开采二、三组地下水引起的地面沉降，且开采量不大，开采范围集中。只要针对集中开采区二、三组地下水进行控制，就能有效地防治地面沉降的增大和扩展。

（2）在20 世纪70 年代初—80 年代中期，由于地下水开采的范围逐渐扩大，第二、三、四组地下水开采量集中，地面沉降速率很快，因此对二、三、四组地下水实施限采和禁采是当时控制地面沉降最有效的措施。

（3）20 世纪90 年代以后，随着地下水的限采和禁采，地下水水位有所回升，地面沉降得到有效缓解，地下水开采引起的地面沉降逐渐减小，此时继续加大地下水限采和禁采的力度，对地面沉降防治的效果已很不显著。

（4）2000 年以来，城市建设引起的浅层地面沉降逐渐增大，地面沉降的层位转化为以浅层地面沉降为主，同时随着地热资源的开发，深部热储层沉降突出，局部地区地面沉降又呈增大趋势。此时地面沉降控制措施应转化到城市建设和地热开采引起的地面沉降上来。

在精准识别沉降层位的基础上，针对地面沉降层位实施分层治理。在城市建设区、海岸带、地热开发区、农业种植区、盐田区等不同区域，地面沉降的影响因素不同，沉降的层位也有较大差异。应针对第四系地下水开采层、古近系—新近系地下水开采层、地热开采层、城市建设影响层等不同层位的沉降贡献，采取相应的地面沉降防治措施。

（1）第四系地下水开采引起的地面沉降防控：目前塘沽地区第四系地下水开采引起的地面沉降已经不大，第二、三、四含水组年均沉降2.31mm，占总沉降量的4.69%。再加上经过多年的沉降压缩，粘性土压缩性已有所减小，因此在控制地下水水位高于临界水位的前提下，适当开发利用第四系地下水资源，有利于缓解当地严重的缺水形势。

（2）古近系—新近系地下水开采引起的地面沉降防控：塘沽地区古近系—新近系地下水含水砂层厚度大、水量大、水质较好，2011—2014 年地面沉降量速率1.42mm/a。但古近系—新近系地下水补给条件较差，大规模开采引起的地面沉降风险较大。

可以在远离城市的周边地区建立古近系—新近系地下水应急供水水源地，如黄港洼、七里海等地下水应急水源地，以保障城市供水安全。

（3）地热开采引起的地面沉降防控：塘沽地区主要开采明化镇组、馆陶祖和东营组地热，地热水开采量逾4000×104m3/a。2011—2014 年开采地热水引起的地面沉降量为8.52mm/a，其中2013 年和2014 年开采地热引起的地面沉降量为5.12mm、4.25mm。鉴于1000m 以下粘性土压缩性较低，在加大地热回灌力度的前提下，地热资源开采量可以保持现有的开采规模。

（4）城市建设引起的地面沉降防控：2004 年国务院批准天津滨海新区为国家级开发区后，塘沽进入了城市建设的高速发展期，城市建筑基础沉降逐渐成为主要的地面沉降因素，2011—2014年城市建筑基础沉降量达28.7mm/a。建筑基础沉降的衰减过程较快，一般在建筑建成后的10a，地面沉降将完成80%^[17]。因此高层建筑建成后的10a 内，应作为建筑基础沉降的重点防控期，采取适当的工程措施，防治因不均匀沉降造成的建筑物破坏。

4.   结论

根据G2 分层标组观测资料对各层位地面沉降的精准识别，塘沽地区2011—2014 年地下水开采引起的地面沉降已减小到10%以下；随着城市建设的快速发展，城市建筑基础沉降已成为主要的沉降层位，占总沉降量的68%；地热开发引起的地面沉降量约5mm/a，占总沉降量的20%，是当前的第二主沉降层。综合分析表明，塘沽地面沉降过程中主沉降层经历了第四系二、三含水组-第四系三、四含水组-第四含水组以下-城市建设基础层的层位转化。因此，地面沉降防治应根据沉降层位的不断变化，不同时期采取不同的防治对策，不同层位采取不同的防治措施，才能既取得较好的防治效果，又能适当开发利用地下水资源和地热资源。