中國地面沉降概況研究

1、中國地面沉降情況研究摘要中國有很多區(qū)域發(fā)生了地面沉降，主要都是地下水的不合理開采導致的，還有一些次要原因包括：石油的開采、溫泉開發(fā)以及大陸板塊的新構(gòu)造運動。在中國地面沉降的共同特點是進程緩慢、長年積累、不可逆轉(zhuǎn)以及其他特殊的特點。盡管已經(jīng)采取了很多措施，但是沉降面積仍在不斷擴大，沉降量也在不斷積累。補充含水層的地下水是控制地面沉降的一種輔助方式，但這并不能完全解決地面沉降的問題。地下水位變化到不同的位置，該位置土層的對總沉降的貢獻值取決于它的可壓縮性和厚度。我們觀察到，當?shù)叵滤灰阅撤N特定方式波動時，除了彈性土層，粘性土層與含水層會發(fā)生塑性蠕變，使得地面沉降會相對地下水位變化延遲一個時段。關(guān)鍵

2、詞：地面沉降；板塊縫隙；地下水過量開采；中國簡介地面導致地面不斷下沉，產(chǎn)生沉降的原因是有許多。嚴重時會演變成地質(zhì)災害，地下水過量開采與地質(zhì)運動是產(chǎn)生地面沉降的兩個主因。在東京、曼谷、威尼斯和休斯敦州的加爾維斯頓區(qū)，開采地下水已經(jīng)成為地面沉降的第一誘因。德克薩斯、墨西哥和中國都屬于沉降區(qū)。中國的地面沉降主要發(fā)生在大中型城市，已經(jīng)發(fā)展成一個嚴重的環(huán)境問題。本文將對中國地面沉降的特點進行介紹。1基本情況中國地面沉降主要發(fā)生在包括上海、天津、江蘇和河北等17個中東部省市?？偯娣e超過7萬平方公里，主要分布在以下地區(qū)（如圖1所示）：（1）長江三角洲，包括蘇州、無錫、常州和嘉興。（2）黃河-淮河-海河一帶，

3、包括：天津、滄州、衡水和安陽。（3）松花江平原與遼河下游地區(qū)，包括：大秦、哈爾濱、沈陽與營口。（4）河谷和山間盆地，如西安、太原、臨汾、汾渭河谷以及位于山間盆地的大同。（5）東南沿海平原，如寧波、泰州、海口、臺北等。這些沉降區(qū)域不僅有三角洲、沿海平原、洪沖擊平原，也有內(nèi)陸盆地，其中最嚴重的就是黃淮平原與長江三角洲。ofSnuthChinaSea*CitieswithIhinilstibNidence01000kmFiru1Mdinci.i岀LindsubsidenceinCtima地面沉降發(fā)生在沿海大城市，如上海和天津，在20世紀80年逐漸向發(fā)達的內(nèi)陸擴張，已經(jīng)形成了長江三角洲和黃淮平原兩大沉

4、降區(qū)。它們在地質(zhì)背景方面各有不同，其中最大的沉降累計已經(jīng)超過了3米。在某些海拔地于海平面的沿海地區(qū)，沉降率最大已經(jīng)達到100毫米/年。目前，大部分沉降區(qū)仍在繼續(xù)下沉且面積也在不斷擴大。即使是上海和天津已經(jīng)采取措施控制地面沉降，它們還是以10-15毫米/年的速率下沉。據(jù)報道，在黃淮平原、長江三角洲以及汾渭河谷，由于不均勻沉降，已經(jīng)有超過1000個的地面裂縫，它們分布在450個地區(qū)，導致房屋損壞，損失慘重。2長江三角洲長江三角洲是中國地面沉降的典型。上海市中國第一個發(fā)現(xiàn)地面沉降，也是受地面沉降影響最大的城市，第一次報導的地面沉降發(fā)生在1921年，在市中心，平均沉降量約1.93米，從1921年到20

5、01年底，最大沉降量達到2.63米，上世紀80年代開始，由于地下水的抽取，沉降區(qū)已經(jīng)擴張到上海的郊區(qū)。上海的含水層結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，從頂部含水層到底部含水層，有一個潛水含水層和五個承壓含水層。這些含水層由粉砂、細中砂及粗砂組成。中間還包含6個弱透水層，由粘性土和粉質(zhì)土組成。上海的地面沉降經(jīng)歷了如下階段（如3所示）：1921年-1948年，沉降初始發(fā)展階段；1949年-1956年，年地面沉降較為顯著；1957年-1961年，沉降速率急劇上升；1962年-1965年；沉降速率放緩；1966年-1971年，地面回升；1972年-1989年，輕微沉降；1990年-2001年，緩慢沉降。相應的沉降速率分

6、別是24,40,100,60,3,3.5和16,單位：毫米/年。沉降速率的變化與上世紀60年代開始采取的控制措施有關(guān)，包括減少地下水的開采，人工補給地下水以逐步提高含水層。上世紀60年代之前，地下水主要來自市區(qū)的第二和第三承壓含水層，大約占總用量的86%；從1968年開始，逐步調(diào)整含水層的利用方式，第四和第五含水層的利用分別達到70%和15%。結(jié)果沉降速率迅速下降，甚至發(fā)生了少許的反彈（1966年-1971年，市中心地面回升了18.1毫米），上世紀90年代，由于地下水再次被過量開發(fā)，以及城市的飛速發(fā)展，各種高大建筑的建造，上海周邊沉降速率漲到16毫米/年。ao.ooFig.2Theaquife

7、rstructureofShanghaiAl-firstconfinedaquiferA2-secondconfinedaquiferA3-thirdconfinedaquiferA4fourthconfinedaquilerA5fifthconfinedaquifer00o.0型-o.so-1.20-1.60-before196640陽20602.001920193019401950I960year2.00(UI)-L)oUQP-.5;qnsQAUJanum。??？o9790除了上海，上世界60年代開始，長江三角洲的其他區(qū)域也發(fā)生了地面沉降,如：蘇州、無錫、常州、南通、泰州、嘉興和桐鄉(xiāng)。到上世

8、紀末，沉降量超過200毫米的區(qū)域面積已經(jīng)達到10000平方公里，占整個區(qū)域的1/3。地面沉降有這樣一個發(fā)展趨勢：累計沉降量超過1米的城市如蘇州、無錫和常州，它們其中沉降量最大的超過了2米，這些城市在歷史上都是以美麗繁榮和無污染著稱。然而，近30年來，隨著城市工業(yè)的發(fā)展，地表水遭受污染，不適宜飲用，人們轉(zhuǎn)而去開采地下水，導致地下水位急劇下降。起初，沉降漏斗位于三個不同的城市,隨著其面積的擴張，它們最終連結(jié)在一起形成了一個巨大的沉降漏斗。同時地面沉降發(fā)生了，并且在時間和空間上與沉降漏斗的產(chǎn)生有一致性。這些現(xiàn)象表名，蘇錫常地區(qū)地面沉降的主要原因就是地下水的過量開采。上海，嘉興和湖州也是這個原因。如果

9、不采取有效措施，地面沉降會迅速發(fā)展，整個三角洲的水位沉降漏斗會連在一起。雖然近年來，在美國和其附近地區(qū)，開采地下水已經(jīng)被禁止,但地面還是以20-40毫米/年的速率在下沉，沉降區(qū)也在增加，更有甚者，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了14個地面裂縫。由于不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫，長度達幾公里，其方向也有明顯的走向，大致為沿東南向西北延伸。3黃淮平原天津位于中國北部沉降區(qū)，第四紀沉淀物的厚度從幾百米到1000米不等。在沉積物下有固結(jié)土。從地質(zhì)的角度，天津和上海的地面沉降性質(zhì)有所不同。從1923年到1958年，地面沉降速度較為緩慢，那時的地下水開采量為12x107立方米每年，地面沉降速度從每年幾毫米上升到20毫米。從1959年到

10、1985年，地下水開發(fā)量達到了1.2x108立方米每年，降速率最大的達到100毫米/年，產(chǎn)生了許多沉降中心。1986年到2002年，由于人們采取措施減少地下水的開采，市區(qū)地下水的開采量被限制到（152）x107立方米/年，地面沉降速率也下降到了10-15毫米/年。目前，天津的沉降區(qū)已經(jīng)與河北的沉降區(qū)連在一起，這個總的沉降區(qū)有數(shù)個沉降中心，雖然天津和塘沽區(qū)的沉降已經(jīng)得到控制，但新的沉降中心還是在郊區(qū)出現(xiàn)，并且迅速擴張，從1959年到1999年，累計沉降區(qū)面積已經(jīng)達到540平方公里，最大沉降量也達到了2.83米。由于地下水的過量開采，河北平原已經(jīng)形成了9個大的沉降漏斗和9個主沉降區(qū)，包括滄州和衡水

11、市。滄州和衡水的沉降面積已經(jīng)達到9363平方公里，在山東德州和荷澤、河南濮陽、許昌和新鄉(xiāng)以及安徽阜陽也出現(xiàn)了中心沉降量超過2米的沉降區(qū)。它們幾乎都發(fā)生在黃淮平原，在不同的城市，地面沉降速率有所不同。據(jù)報道，除了地面沉降，直到2004年，在河北平原也發(fā)現(xiàn)了200多個裂縫，它們的長度從幾百米到1公里，寬度1-2厘米。4河谷地區(qū)與山間盆地西安是上世紀50年代末第一個被發(fā)現(xiàn)的位于渭河流域的沉降地區(qū)。隨著地下水的開采，島上世紀90年代初，累計沉降量已經(jīng)超過了200毫米的區(qū)域多大150平方公里，超過1000毫米的區(qū)域達到了42平方公里。到2002年，累計沉降量最大已經(jīng)達到了2.6米。西安的地面沉降不僅僅與

12、水位漏斗有關(guān)，更重要的是它位于第11斷裂帶。沉降區(qū)域被限制在板塊裂縫以內(nèi)，這個現(xiàn)象在其他地區(qū)并沒有，地球板塊的垂直運動加速了地面沉降的進程。在太原和臨汾也發(fā)現(xiàn)了地面沉降，在汾河流域的榆次，分布著許多的地面裂縫。大同，是一個盆地城市，有10條地表裂縫，總長度達到了34.5公里，大致的走向為北偏東50度。造成這些裂縫的原因不僅僅是地面沉降，還有地表的水平位移。地面沉降的危害主要包括：（1）地面的下沉，導致地表的抗洪排澇功能受損；（2）地表裂縫對建筑物基礎的影響會減少建筑物的壽命。地面不均勻沉降會對公路、鐵路、隧道、橋梁以及地下管道造成破壞，安全性降低；（3）地面沉降會導致橋梁下空間減小，通行能力降

13、低；（4）水的供應能力受到破壞；（5）地標性建筑遭破壞失效。近40年內(nèi)，上海因地面沉降造成的損失已超過350億美元。5基本特點中國地面沉降的特點在于速度慢，持續(xù)時間長，不可恢復。相對于機械因素導致的地面沉降，因地下水位下降造成的地面沉降速度較為緩慢。例如上海的地下水位變化最大速率為10米每年，盡管速度緩慢，但是隨著時間的積累，這個積累值會很大。由于土層的塑性蠕變，當有效應力降低時，它只能少量甚至沒有回彈。如：從1962年到1971年，盡管給上海大量補給地下水（64106立方米/年），從1966年到1971年，也僅僅回彈了3毫米。除此之外，還有其他特點。自然因素和人為因素是地面沉降的兩大主要誘因

14、。前者包括新構(gòu)造運動與自然欠固結(jié)土沉降；后者包括過度開采地下水、石油、天然氣以及地下溫泉，工程的施工等。在一些地區(qū)新構(gòu)造運動是很小的（1-2毫米/年），在幾十年或100年的研究期內(nèi)，幾乎可以忽略不計。中國地面沉降可以分為兩類：過量開采地下水引起的地面沉降，如：長江三角洲地區(qū)。石油、地下溫泉開采造成的地面沉降，是疊加在由新構(gòu)造運動與土層自然固結(jié)沉降上的，如天津市。近1萬年內(nèi)，在天津因新構(gòu)造運動造成的地面沉降速率為1-2毫米/年，但1985年，市區(qū)的沉降量速度達到了85毫米/年，塘沽區(qū)更是高達100毫米/年。采取措施減少地下水使用后，市區(qū)的沉降速率為11毫米/年，塘沽區(qū)的速率也降到了11毫米/年。

15、由此可見，過量開采地下水是天津產(chǎn)生沉降的主要原因。此外，近10年來，欠固結(jié)土自然沉降的速率為10-20毫米/年；地下溫泉與石油的開采造成的沉降為6毫米/年。黃淮地區(qū)的沉降情況也是如此。地面沉降速度較快也有一些次要原因，如因高層建筑的壓實造成的機械性沉降、土層的自然壓縮固結(jié)、新構(gòu)造運動、海平面上升等，當采取措施控制人為因素導致的地面沉降后，沉降會進入緩慢發(fā)展階段，這些因素會是沉降的主要原因。0&199o19詢1r9*r9孰G*Jr-4dV2nT2|rrg9TS&19a4胃-土5r9ur*jdA需-*kTi詔口rdFr19tr：呂r-rF*1%1919rITiITi9孚3w.d119d1也K93虛

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17、oiSzjktuj:dk!=2!-!qGmJ-PF:石蘭X毎樂芝掘岳一一WE蠱-sffikn2LW3mf:E5L!中一-f近些年，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，在上海、天津等城市工程建筑造成的沉降,特別是超高層建筑造成的沉降又日漸顯著。如在上海陸家嘴，當三棟高層建筑完工之后，從2000年4月到2001年4月，這三個建筑附近區(qū)域分別沉降了23.1毫米，26.4毫米和63.3毫米。地表裂縫同樣有兩種類型，一是基巖面和不同厚度的第四紀沉積物不均勻沉降造成的裂縫，這種裂縫在很多地方都有，如：無錫和常州。另一個是因地質(zhì)因素和過量開采地下水導致的，如西安太原等城市。區(qū)域構(gòu)造應力對裂縫的形成有重要作用，它控制著裂縫的

18、生長模式，但主要原因還是過量開采導致的地面沉降造成的。人們在沉降嚴重的區(qū)域限制或者禁止地下水開采，并人工補給地下水，雖然水位已經(jīng)恢復，沉降速度已經(jīng)放緩，但沉降的面積依然在擴大。地面加速沉降是因為地下水的無節(jié)制開采。在限制開采量之前，地面沉降會遵循“略有沉降一明顯地沉降一迅速沉降”的發(fā)展階段，這與地下水的開采量呈正相關(guān)。在采取措施限制地下水的開采量時，因為地下水位下降速度放緩或回升，地面沉降量也會減少，甚至會隨著人工回灌而產(chǎn)生反彈。但日后隨著地下水的補給與開采，地面沉降會發(fā)生改變，甚至可能會緩慢增加。調(diào)整地下水的開采曾作為一種輔助方式在一定的階段內(nèi)對控制地面沉降是有一定的作用的，但治標不治本,關(guān)

19、鍵還是在于減少地下水的開采量并增加補給。最初，上海的地下水開采是從第二和第三承壓含水層抽??；1968年開始，人們采取了減少開采量，人工增加補給并調(diào)整開采水層的方式，如果總的開采量沒有下降，新的開采層水位也是會逐漸下降的甚至會成為另一個主沉降區(qū)。根據(jù)上海從1986年到1998年采集的數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)第二承壓含水層上方的淺水層占到了總開采量的很大的比例，這表明這一時段內(nèi)沉降主要發(fā)生在淺土層。從1992年到1998年，淺層土的沉降量減少；位于第三承壓含水層以下的深層土的沉降隨著隨著第四和第五承壓含水層的開采量的增加相應地增加。例如，當前第四和第五承壓含水層的開發(fā)已經(jīng)達到70%,占總數(shù)的15%，第四承壓

20、含水層（第五含砂層）平均沉降比例上升到49.27%。1986年到1991年，第四含水層沉降量僅占總量的18.8%，但從1992年到1998年已經(jīng)攀升到了70.9%，根據(jù)表1給出的觀測數(shù)據(jù)，相比之下，第二和第三承壓含水層在1995年之前僅占4.87%，但由于近些年人工補給的減少，已經(jīng)增加到目前的12.43%。沉降區(qū)的土層一般由沙子、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、黏土和淤泥質(zhì)黏土組成。各土層的沉降量不僅取決于其壓縮性，也取決于其厚度，如果這部分土層較厚，即使其壓縮性較差也會產(chǎn)生較大的沉降，例如，上海的第四承壓含水層由細砂，砂，砂礫石組成，其壓縮性遠低于軟粘土層，但其厚度較大（大于80米）。因此，其沉降量分

21、別占總量的70.9%和52%。還有，由于第二軟土層較薄，雖然其壓縮性很大，但它的沉降量也僅占總沉降量的8.8%。當然，我們并不能因此想當然人為沉降就發(fā)生在粘土層而不再砂層或者碎石層。如果粘土的厚度很大，它的沉降量也會很大，比如天津海洋粘土和淤泥質(zhì)粘土層。眾所周知，粘性土層（弱透水層）的變形是塑性蠕變，而天津海洋黏土就是又淤泥質(zhì)黏土和淤泥層組成，上海粘土層的變形與天津類似。但砂土層變形的復雜性一開始很少被發(fā)現(xiàn)，不同的砂層在不用的應力條件下，其變形情況就有所不同。例如，重復性地抽水和補水會使第二和第三承壓含水層發(fā)生彈性形變。第四承壓含水層盡在應力較小的時候發(fā)生彈性應變，當應力較大，其變形主要就是塑

22、性蠕變，應力與應變呈現(xiàn)非線性關(guān)系。從上海和天津采集到的數(shù)據(jù)顯示，盡管地下水位停止下降，但沉降還在繼續(xù)，但總體會保持在一個穩(wěn)定值。并且，當?shù)叵滤换謴偷介_采前的狀態(tài)，沉降還是會繼續(xù)的，換句話說沉降有一定的延遲性。目前長時間估計沉降量是一個難題。地面沉降不僅會發(fā)生在中東部地區(qū)，在西部只要達到一定的條件，也會發(fā)生沉降。例如，上世紀80年代以來，昆明由于過度開采地下水與地下溫泉，就曾發(fā)生過地面沉降；西藏因為過度開采地下溫泉進行發(fā)電，羊八井附近也發(fā)生了地面沉降，20世紀末，羊八井附近的平均沉降量已經(jīng)超過了20毫米，在其中心區(qū)域最大達到了363.8毫米。6發(fā)展趨勢在中國，地面沉降十分迅速，與90年代末相比

23、，已經(jīng)增長了三分之一。眾所周知，地下水的過量開采是產(chǎn)生地面沉降與地面裂縫的主要原因，減少開采量，理性使用時減少其損失的主要途徑。水供不應求在短期是一個難題，迅速扭轉(zhuǎn)地面沉降不斷擴大的現(xiàn)狀也是不現(xiàn)實的。在許多地區(qū)，沉降率將在一定的時段內(nèi)保持在一個較高的水平，地表裂縫與沉降將更加嚴重。在北方地區(qū)，特別是河北省，地下水是重要的，有時也是主要的水源。要提供工業(yè)，農(nóng)業(yè)和生活用水，地下水開采量在短時間內(nèi)可幾乎沒有減少的可能。在某些干旱的年份，開采量甚至是暫時升高。河北的形勢就很嚴峻了。以中國南部長江三角洲為例，該地區(qū)曾有充足的水源，但近20多年來，地表水已經(jīng)遭受嚴重污染，地下水就成了唯一的水源，過度地開采地下水也造成