中国地面沉降概况研究.doc

中国地面沉降情况研究摘要中国有很多区域发生了地面沉降，主要都是地下水的不合理开采导致的，还有一些次要原因包括：石油的开采、温泉开发以及大陆板块的新构造运动。在中国地面沉降的共同特点是进程缓慢、长年积累、不可逆转以及其他特殊的特点。尽管已经采取了很多措施，但是沉降面积仍在不断扩大，沉降量也在不断积累。补充含水层的地下水是控制地面沉降的一种辅助方式，但这并不能完全解决地面沉降的问题。地下水位变化到不同的位置，该位置土层的对总沉降的贡献值取决于它的可压缩性和厚度。我们观察到，当地下水位以某种特定方式波动时，除了弹性土层，粘性土层与含水层会发生塑性蠕变，使得地面沉降会相对地下水位变化延迟一个时段。关键词：地面沉降； 板块缝隙； 地下水过量开采； 中国简介地面导致地面不断下沉，产生沉降的原因是有许多。严重时会演变成地质灾害，地下水过量开采与地质运动是产生地面沉降的两个主因。在东京、曼谷、威尼斯和休斯敦州的加尔维斯顿区，开采地下水已经成为地面沉降的第一诱因。德克萨斯、墨西哥和中国都属于沉降区。中国的地面沉降主要发生在大中型城市，已经发展成一个严重的环境问题。本文将对中国地面沉降的特点进行介绍。1基本情况中国地面沉降主要发生在包括上海、天津、江苏和河北等17个中东部省市。总面积超过7万平方公里，主要分布在以下地区（如图1所示）：（1）长江三角洲，包括苏州、无锡、常州和嘉兴。（2）黄河-淮河-海河一带，包括：天津、沧州、衡水和安阳。（3）松花江平原与辽河下游地区，包括：大秦、哈尔滨、沈阳与营口。（4）河谷和山间盆地，如西安、太原、临汾、汾渭河谷以及位于山间盆地的大同。（5）东南沿海平原，如宁波、泰州、海口、台北等。这些沉降区域不仅有三角洲、沿海平原、洪冲击平原，也有内陆盆地，其中最严重的就是黄淮平原与长江三角洲。地面沉降发生在沿海大城市，如上海和天津，在20世纪80年逐渐向发达的内陆扩张，已经形成了长江三角洲和黄淮平原两大沉降区。它们在地质背景方面各有不同，其中最大的沉降累计已经超过了3米。在某些海拔地于海平面的沿海地区，沉降率最大已经达到100毫米/年。目前，大部分沉降区仍在继续下沉且面积也在不断扩大。即使是上海和天津已经采取措施控制地面沉降，它们还是以10-15毫米/年的速率下沉。据报道，在黄淮平原、长江三角洲以及汾渭河谷，由于不均匀沉降，已经有超过1000个的地面裂缝，它们分布在450个地区，导致房屋损坏，损失惨重。2长江三角洲长江三角洲是中国地面沉降的典型。上海市中国第一个发现地面沉降，也是受地面沉降影响最大的城市，第一次报导的地面沉降发生在1921年，在市中心，平均沉降量约1.93米，从1921年到2001年底，最大沉降量达到2.63米，上世纪80年代开始，由于地下水的抽取，沉降区已经扩张到上海的郊区。上海的含水层结构图如图2所示，从顶部含水层到底部含水层，有一个潜水含水层和五个承压含水层。这些含水层由粉砂、细中砂及粗砂组成。中间还包含6个弱透水层，由粘性土和粉质土组成。上海的地面沉降经历了如下阶段（如3所示）：1921年-1948年，沉降初始发展阶段；1949年-1956年，年地面沉降较为显著；1957年-1961年，沉降速率急剧上升；1962年-1965年；沉降速率放缓；1966年-1971年，地面回升；1972年-1989年，轻微沉降；1990年-2001年，缓慢沉降。相应的沉降速率分别是24,40,100,60,3,3.5和16，单位：毫米/年。沉降速率的变化与上世纪60年代开始采取的控制措施有关，包括减少地下水的开采，人工补给地下水以逐步提高含水层。上世纪60年代之前，地下水主要来自市区的第二和第三承压含水层，大约占总用量的86%；从1968年开始，逐步调整含水层的利用方式，第四和第五含水层的利用分别达到70%和15%。结果沉降速率迅速下降，甚至发生了少许的反弹（1966年-1971年，市中心地面回升了18.1毫米），上世纪90年代，由于地下水再次被过量开发，以及城市的飞速发展，各种高大建筑的建造，上海周边沉降速率涨到16毫米/年。除了上海，上世界60年代开始，长江三角洲的其他区域也发生了地面沉降，如：苏州、无锡、常州、南通、泰州、嘉兴和桐乡。到上世纪末，沉降量超过200毫米的区域面积已经达到10000平方公里，占整个区域的1/3。地面沉降有这样一个发展趋势：累计沉降量超过1米的城市如苏州、无锡和常州，它们其中沉降量最大的超过了2米，这些城市在历史上都是以美丽繁荣和无污染著称。然而，近30年来，随着城市工业的发展，地表水遭受污染，不适宜饮用，人们转而去开采地下水，导致地下水位急剧下降。起初，沉降漏斗位于三个不同的城市，随着其面积的扩张，它们最终连结在一起形成了一个巨大的沉降漏斗。同时地面沉降发生了，并且在时间和空间上与沉降漏斗的产生有一致性。这些现象表名，苏锡常地区地面沉降的主要原因就是地下水的过量开采。上海，嘉兴和湖州也是这个原因。如果不采取有效措施，地面沉降会迅速发展，整个三角洲的水位沉降漏斗会连在一起。虽然近年来，在美国和其附近地区，开采地下水已经被禁止，但地面还是以20-40毫米/年的速率在下沉，沉降区也在增加，更有甚者，已经发现了14个地面裂缝。由于不均匀沉降产生的裂缝，长度达几公里，其方向也有明显的走向，大致为沿东南向西北延伸。3黄淮平原天津位于中国北部沉降区，第四纪沉淀物的厚度从几百米到1000米不等。在沉积物下有固结土。从地质的角度，天津和上海的地面沉降性质有所不同。从1923年到1958年，地面沉降速度较为缓慢，那时的地下水开采量为立方米每年，地面沉降速度从每年几毫米上升到20毫米。从1959年到1985年，地下水开发量达到了立方米每年，降速率最大的达到100毫米/年，产生了许多沉降中心。1986年到2002年，由于人们采取措施减少地下水的开采，市区地下水的开采量被限制到立方米/年，地面沉降速率也下降到了10-15毫米/年。目前，天津的沉降区已经与河北的沉降区连在一起，这个总的沉降区有数个沉降中心，虽然天津和塘沽区的沉降已经得到控制，但新的沉降中心还是在郊区出现，并且迅速扩张，从1959年到1999年，累计沉降区面积已经达到540平方公里，最大沉降量也达到了2.83米。由于地下水的过量开采，河北平原已经形成了9个大的沉降漏斗和9个主沉降区，包括沧州和衡水市。沧州和衡水的沉降面积已经达到9363平方公里，在山东德州和菏泽、河南濮阳、许昌和新乡以及安徽阜阳也出现了中心沉降量超过2米的沉降区。它们几乎都发生在黄淮平原，在不同的城市，地面沉降速率有所不同。据报道，除了地面沉降，直到2004年，在河北平原也发现了200多个裂缝，它们的长度从几百米到1公里，宽度1-2厘米。4河谷地区与山间盆地西安是上世纪50年代末第一个被发现的位于渭河流域的沉降地区。随着地下水的开采，岛上世纪90年代初，累计沉降量已经超过了200毫米的区域多大150平方公里，超过1000毫米的区域达到了42平方公里。到2002年，累计沉降量最大已经达到了2.6米。西安的地面沉降不仅仅与水位漏斗有关，更重要的是它位于第11断裂带。沉降区域被限制在板块裂缝以内，这个现象在其他地区并没有，地球板块的垂直运动加速了地面沉降的进程。在太原和临汾也发现了地面沉降，在汾河流域的榆次，分布着许多的地面裂缝。大同，是一个盆地城市，有10条地表裂缝，总长度达到了34.5公里，大致的走向为北偏东50度。造成这些裂缝的原因不仅仅是地面沉降，还有地表的水平位移。地面沉降的危害主要包括：（1）地面的下沉 ，导致地表的抗洪排涝功能受损；（2）地表裂缝对建筑物基础的影响会减少建筑物的寿命。地面不均匀沉降会对公路、铁路、隧道、桥梁以及地下管道造成破坏，安全性降低；（3）地面沉降会导致桥梁下空间减小，通行能力降低；（4）水的供应能力受到破坏；（5）地标性建筑遭破坏失效。近40年内，上海因地面沉降造成的损失已超过350亿美元。5基本特点中国地面沉降的特点在于速度慢，持续时间长，不可恢复。相对于机械因素导致的地面沉降，因地下水位下降造成的地面沉降速度较为缓慢。例如上海的地下水位变化最大速率为10米每年，尽管速度缓慢，但是随着时间的积累，这个积累值会很大。由于土层的塑性蠕变，当有效应力降低时，它只能少量甚至没有回弹。如：从1962年到1971年，尽管给上海大量补给地下水（立方米/年），从1966年到1971年，也仅仅回弹了3毫米。除此之外，还有其他特点。自然因素和人为因素是地面沉降的两大主要诱因。前者包括新构造运动与自然欠固结土沉降；后者包括过度开采地下水、石油、天然气以及地下温泉，工程的施工等。在一些地区新构造运动是很小的（1-2毫米/年），在几十年或100年的研究期内，几乎可以忽略不计。中国地面沉降可以分为两类：过量开采地下水引起的地面沉降，如：长江三角洲地区。石油、地下温泉开采造成的地面沉降，是叠加在由新构造运动与土层自然固结沉降上的，如天津市。近1万年内，在天津因新构造运动造成的地面沉降速率为1-2毫米/年，但1985年，市区的沉降量速度达到了85毫米/年，塘沽区更是高达100毫米/年。采取措施减少地下水使用后，市区的沉降速率为11毫米/年，塘沽区的速率也降到了11毫米/年。由此可见，过量开采地下水是天津产生沉降的主要原因。此外，近10年来，欠固结土自然沉降的速率为10-20毫米/年；地下温泉与石油的开采造成的沉降为6毫米/年。黄淮地区的沉降情况也是如此。地面沉降速度较快也有一些次要原因，如因高层建筑的压实造成的机械性沉降、土层的自然压缩固结、新构造运动、海平面上升等，当采取措施控制人为因素导致的地面沉降后，沉降会进入缓慢发展阶段，这些因素会是沉降的主要原因。近些年，随着经济的飞速发展，在上海、天津等城市工程建筑造成的沉降，特别是超高层建筑造成的沉降又日渐显著。如在上海陆家嘴，当三栋高层建筑完工之后，从2000年4月到2001年4月，这三个建筑附近区域分别沉降了23.1毫米，26.4毫米和63.3毫米。地表裂缝同样有两种类型，一是基岩面和不同厚度的第四纪沉积物不均匀沉降造成的裂缝，这种裂缝在很多地方都有，如：无锡和常州。另一个是因地质因素和过量开采地下水导致的，如西安太原等城市。区域构造应力对裂缝的形成有重要作用，它控制着裂缝的生长模式，但主要原因还是过量开采导致的地面沉降造成的。人们在沉降严重的区域限制或者禁止地下水开采，并人工补给地下水，虽然水位已经恢复，沉降速度已经放缓，但沉降的面积依然在扩大。地面加速沉降是因为地下水的无节制开采。在限制开采量之前，地面沉降会遵循“略有沉降明显地沉降迅速沉降”的发展阶段，这与地下水的开采量呈正相关。在采取措施限制地下水的开采量时，因为地下水位下降速度放缓或回升，地面沉降量也会减少，甚至会随着人工回灌而产生反弹。但日后随着地下水的补给与开采，地面沉降会发生改变，甚至可能会缓慢增加。调整地下水的开采曾作为一种辅助方式在一定的阶段内对控制地面沉降是有一定的作用的，但治标不治本，关键还是在于减少地下水的开采量并增加补给。最初，上海的地下水开采是从第二和第三承压含水层抽取；1968年开始，人们采取了减少开采量，人工增加补给并调整开采水层的方式，如果总的开采量没有下降，新的开采层水位也是会逐渐下降的甚至会成为另一个主沉降区。根据上海从1986年到1998年采集的数据，不难发现第二承压含水层上方的浅水层占到了总开采量的很大的比例，这表明这一时段内沉降主要发生在浅土层。从1992年到1998年，浅层土的沉降量减少；位于第三承压含水层以下的深层土的沉降随着随着第四和第五承压含水层的开采量的增加相应地增加。例如，当前第四和第五承压含水层的开发已经达到70%，占总数的15%，第四承压含水层（第五含砂层）平均沉降比例上升到49.27%。1986年到1991年，第四含水层沉降量仅占总量的18.8%，但从1992年到1998年已经攀升到了70.9%，根据表1给出的观测数据，相比之下，第二和第三承压含水层在1995年之前仅占4.87%，但由于近些年人工补给的减少，已经增加到目前的12.43%。沉降区的土层一般由沙子、淤泥、淤泥质粉质粘土、黏土和淤泥质黏土组成。各土层的沉降量不仅取决于其压缩性，也取决于其厚度，如果这部分土层较厚，即使其压缩性较差也会产生较大的沉降，例如，上海的第四承压含水层由细砂，砂，砂砾石组成，其压缩性远低于软粘土层，但其厚度较大（大于80米）。因此，其沉降量分别占总量的70.9%和52%。还有，由于第二软土层较薄，虽然其压缩性很大，但它的沉降量也仅占总沉降量的8.8%。当然，我们并不能因此想当然人为沉降就发生在粘土层而不再砂层或者碎石层。如果粘土的厚度很大，它的沉降量也会很大，比如天津海洋粘土和淤泥质粘土层。众所周知，粘性土层（弱透水层）的变形是塑性蠕变，而天津海洋黏土就是又淤泥质黏土和淤泥层组成，上海粘土层的变形与天津类似。但砂土层变形的复杂性一开始很少被发现，不同的砂层在不用的应力条件下，其变形情况就有所不同。例如，重复性地抽水和补水会使第二和第三承压含水层发生弹性形变。第四承压含水层尽在应力较小的时候发生弹性应变，当应力较大，其变形主要就是塑性蠕变，应力与应变呈现非线性关系。从上海和天津采集到的数据显示，尽管地下水位停止下降，但沉降还在继续，但总体会保持在一个稳定值。并且，当地下水位恢复到开采前的状态，沉降还是会继续的，换句话说沉降有一定的延迟性。目前长时间估计沉降量是一个难题。地面沉降不仅会发生在中东部地区，在西部只要达到一定的条件，也会发生沉降。例如，上世纪80年代以来，昆明由于过度开采地下水与地下温泉，就曾发生过地面沉降；西藏因为过度开采地下温泉进行发电，羊八井附近也发生了地面沉降，20世纪末，羊八井附近的平均沉降量已经超过了20毫米，在其中心区域最大达到了363.8毫米。6发展趋势在中国，地面沉降十分迅速，与90年代末相比，已经增长了三分之一。众所周知，地下水的过量开采是产生地面沉降与地面裂缝的主要原因，减少开采量，理性使用时减少其损失的主要途径。水供不应求在短期是一个难题，迅速扭转地面沉降不断扩大的现状也是不现实的。在许多地区，沉降率将在一定的时段内保持在一个较高的水平，地表裂缝与沉降将更加严重。在北方地区，特别是河北省，地下水是重要的，有时也是主要的水源。要提供工业，农业和生活用水，地下水开采量在短时间内可几乎没有减少的可能。在某些干旱的年份，开采量甚至是暂时升高。河北的形势就很严峻了。以中国南部长江三角洲为例，该地区曾有充足的水源，但近20多年来，地表水已经遭受严重污染，地下水就成了唯一的水源，过度地开采地下水也造成了严重的地面沉降。现在，一小部分大城市如上海、苏州、无锡和常州都出台了一系列严格的措施来控制地下水的开采，使得之前迅速下沉的地面放缓了沉降速度。对农村和小城镇而言，它们