沉降监测在保障南水北调工程安全方面的作用（余宣兴,陆日壮,辛守哲）

关键词：地面沉降　沉降监测　工程安全　南水北调工程

中图分类号：TV698.1 　　文献标识码　B 　　文章编号　1007-6980 (2007) 01-0042-03

科研资料表明, 华北平原已成为世界上超采地下水最严重的地区之一, 也是地下水降落漏斗面积最大、地面沉降面积最大、类型最复杂的地区之一, 其中又以京津冀鲁地区表现最为突出。大面积的地面沉降给人民生命财产安全造成了严重威胁,成为制约当地经济可持续发展的重要因素之一。为将地面沉降危害降到最低, 我国相关部门已经启动了华北地面沉降监测网建设项目。海河流域覆盖着整个京津冀鲁地区, 海河流域降雨量小, 蒸发量大。1990 年以来许多河流中下游基本常年干涸,为我国水资源最为短缺的地区。为了支撑经济社会的发展, 不得不大量开采地下水, 造成深层地下水位普遍下降。从而引起松散沉积地层的压缩, 导致地面沉降塌陷等地质灾害, 对人类经济活动和生存环境产生了极大的危害, 也给水利建设和防洪减灾造成了危害。为保证南水北调东线工程的顺利输水, 必须认真研究其出现地面沉降的现状, 沉降对输水工程的影响和如何进行沉降监测。本文着重针对南水北调东线的京津冀鲁地区地面分布广泛的各个河流的历年沉降观测进行系统的分析, 进而对南水北调东线的地面沉降安全监测问题进行论述。

1 南运河、卫运河等地的地面沉降现状

南水北调东线从长江下游扬州江都引水, 利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送, 沿洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖北上。出东平湖后分两路, 一路在位山过黄河往北一直到天津; 一路向东, 通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海。南运河和卫运河是东线工程流经的两条较长的河流, 海河水利委员会已于1989 年和2001 年分别对海河流域平原地区的河流进行了水准测量, 如将南运河和卫运河两次水准测量的部分重合水准点沉降值列于表1 和表2 , 分析12 年以来该地区的沉降情况。

表1 和表2 所列沉降值清楚地说明, 南运河和卫运河出现了严重的地面沉降。

南水北调东线沿途一些地区, 自1970 年以后,由于工农业生产的需要, 增加了不少深井, 使济宁、德州、沧州、青县、静海的漏斗不断扩大, 漏斗的形态也从单层发展到多层, 从单一漏斗发展到复合式漏斗, 从而破坏了天然水文地质条件下的受力平衡, 继而引发了地面沉降, 形成了以济宁、德州、沧州和青县、静海多个漏斗中心, 且漏斗之间又互为牵引出现大面积沉降。自1970 年以来, 沉降量大于2 m 的范围已经覆盖了整个沧州市, 造成水利工程防洪标准降低。南运河穿过该市中心, 原设计行洪标准为120 m3/ s , 降低42 % , 市内工业生产管线变形断裂, 测量标志失准, 排水不畅, 给水利、交通等带来了很大的困难。

2 海河流域各河流水准点沉降量汇总分析

南水北调东线和中线途经很多河流, 在京津冀鲁地区的河流沉降情况严重, 下面将其各河流水准点标石沉降量汇总统计见表3、4 , 以分析各河流总的沉降情况。

通过表3和表4各河流的年沉降量, 进而统计各河流沉降量大小的百分比统计如表5。

通过表5 得出年平均沉降量超过20 mm 的占42.8 %,超过50 mm 的高达14.3 %,由此得出南水北调经过海河流域的京津冀鲁地区沉降态势非常严重。

3 地面沉降影响南水北调东线的输水能力和输水工程的安全

国务院批准实施的南水北调东线工程拟分三期实施。

第一期工程: 主要向江苏、山东两省供水。施工总工期5 年, 2007 年建成输水。

第二期工程: 在第一期工程的基础上扩建, 输水线路至河北省东南部和天津市。计划2010 年建成输水。

第三期工程: 在第二期工程的基础上, 继续扩大抽水和输水规模。

南水北调东线的河北省至天津市段是利用原有京杭运河的南运河进行自流输水, 如取南水北调东线南运河的原部分设计指标表6 与受沉降值表1 影响后的河道输水能力的变化。

从表6 数据清楚看出, 南水北调东线的北运河采用自流输水, 设计坡度为1/ 2.5 万, 如果北运河受地面沉降(表1) 的影响后, 水流坡降变成1/ 3.5万～1/ 4.0 万, 坡降更平缓, 流速很慢, 则输水流量达不到设计标准, 如地面沉降再继续发展, 堤防的安全也要受到严重的危害。

根据国务院批准实施的南水北调东线工程总体规划第二期工程为2007 —2010 年建成输水。对地面沉降十分严重地区和河流, 我们应提出合理适时的规划设计指标, 并采取切实可行的沉降监测方法。

4 做好南水北调东线地面沉降的监测和建设工作

地面沉降一旦形成, 只能部分恢复, 大部分是不可逆转的。为扭转地面沉降的发展, 必须严格依法治理环境和保护水资源。防止和减少地面沉降,是实施可持续发展战略的当务之急。如何控制地面沉降需要政府部门实施操作, 本文不作叙述。而做好南运河和卫运河地面沉降的监测和河道治理, 保证南水北调东线输水正常运行是我们水利工作者的职责。鉴于南运河和卫运河已经发生大面积地面沉降的现实, 布设高精度的大地水准测量网, 利用高精度GPS 测量系统, 监测地面变形及其演化, 才能为南水北调东线输水设计、施工提供重要基础数据, 并为日后输水运行管理打下良好的基础。

大地水准测量是监测地面沉降的主要手段, 监测地面沉降水准网的各期观测值, 必须具有可比性, 可比性的资料必须有重合水准点, 只有以稳定的基准点为起始测出重合水准点各期不同的高程值才具有可比性, 具有可比性的资料才能得出可靠的沉降值。根据上述分析, 进行南水北调东线的南运河和卫运河的沉降观测必须先建立稳定的基准网,再建立水准网。平原地区的基准网点必须建筑在深埋于地下基岩上的钢管标, 这是一项费工费钱的项目。南水北调东线从长江取水一路到沧州、天津;一路到烟台、威海, 途径几个大的城市, 各个城市已经开始建立了沉降监测工作。天津市早已建造基准网点, 沧州也将开展这项工作, 济南已有1 个基岩标, 为此, 我们可以利用这些城市的基准点, 再在德州新建1 座基岩钢管标, 共4 个稳定点组成东线沉降区水准测量的基准网。

启动的地面沉降监测网建设项目, 将引进自动化监测和网络传输技术。南水北调东线基准网、地面沉降监测网和堤防原型观测断面都是保障南水北调工程工程安全设计的关键部分。建立地面沉降监测预警预报系统, 综合研究地面沉降的机理与发展趋势, 提出地面沉降防控对策建议, 可为该输水河流地面沉降监测和防治提供依据, 同时配套地面沉降监测可以建立地质环境监测。以保证南水北调东线输水工程的正常运行和对河流进行科学综合治理打下良好的基础, 同时也为区域经济社会可持续发展提供基础依据。

作者简介

余宣兴，男，工程师。中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津，30022。

陆日壮，男，工程师。中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津，30022。

辛守哲，男，工程师。中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津，30022。

来源：《水利水电工程设计》2007年第26卷第1期