西安科技大学研究生考试试卷
学
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所在学院 学科、专业 考试科目 环境地质灾害与防治 考试日期 课程学时 开（闭）卷
地面沉降的国内外现状及案例分析 摘要：系统地介绍了国内外地面沉降的现状、引起沉降的原因、地面沉降的机理和地面沉降灾害预测与监测。地面沉降是影响城市发展的一大地质危害，在我国河北平原地面沉降尤为严重，本文详细介绍了河北平原的地面沉降现状，从其形成原因入手，探讨了一系列工程防治对策。
关键词：地面沉降;地质灾害;工程环境效应; 河北平原；降落漏斗；地下水超采
一、引 言
地面沉降是在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象,是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点,是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。地面沉降是我国乃至世界范围较为普遍的地质灾害,对社会经济的可持续发展影响巨大。
二、地面沉降现状
2.1 国外地面沉降现状
现有文献资料表明,1891年墨西哥城最早记录地面沉降现象,但当时由于地面沉降量不大,危害也不明显,所以没有引起人们的重视。目前平均沉降量达到0.3 cm/a ,最大累计沉降量超过7.5 m ,有的地区甚至超过15 m。
日本于1898年在新泻最早发生地面沉降,至1958年地面沉降速率达530 mm/ a ,1952 - 1956 年新泻是日本地面沉降最严重的地区。日本产生严重地面沉降的城市或地区还有东京、大阪和佐贺县平原,其它地区还有名古屋、川崎、山口、尼崎及西宫等。
上个世纪意大利的Ravenna地区发生了大面积的地面沉降。起初沉降不大,每年数毫米;第二次世界大战后,由于过度抽取地下水,以每年110 mm的沉降量剧增。
美国于1922 年最早在加州萨克拉门托San Joaquin 流域发现沉降,1920 - 1969年地下水位下降达137 m ,累积地面沉降达2.6 m ,影响范围9100km2。至20世纪70年代初期,美国已有37个州因开采地下流体而产生的不同程度的地面沉降现象;至1995年,美国50个州均有地面沉降发生。
据统计,目前世界上已有60 多个国家和地区发生地面沉降,包括美国、中国、日本、墨西哥、意大利、泰国、英国、俄罗斯、委内瑞拉、荷兰、越南、匈牙 利、德国、印度尼西亚、新西兰、比利时、南非等。
2.2 国内地面沉降现状
20世纪20年代初,中国最早在上海和天津市区发现地面沉降灾害,至20 世纪60 年代两地地面沉降灾害已十分严重。20世纪70年代,长江三角洲主要城市及平原区、天津市平原区、华北平原东部地区相继产生地面沉降;80 年代以来,中小城市和农村地区地下水开采利用量大幅度增加,地面沉降范围也由此从城市向农村扩展,在城市上连片发展。同时地面沉降地区伴生的地裂缝加剧了地面沉降灾
害。
自1921年上海市区最早发现地面沉降以来,至今中国已有90 多个城市和地区发生不同程度的地面沉降,到2003年沉降面积达93885 km2。代表性地区有上海,天津,浙江的宁波、嘉兴,江苏的苏州、无锡、常州,河北的沧州、唐山、衡水、保定、任丘、南宫,山东的菏泽、济宁、德州,安徽的阜阳,山西的临汾、太原、大同,河南的安阳、开封、洛阳、许昌、郑州,台湾的台北、彰化、屏东等8 个县市,陕西的西安,北京和松辽平原等。在这些地区中最为突出的是以上海为代表的长江三角洲、以天津为代表的环渤海区和西安等地。
三、 地面沉降灾害原因
地面沉降成因主要包括开发利用地下流体资源(地下水、石油、天然气等) 、开采固体矿产、岩溶塌陷、软土地区与工程建设有关的固结沉降等,此外还包括新构造运动、动土融化等因素。
3.1 开发利用地下流体资源
(1) 地下水开采引起的地面沉降
在许多国家和地区由于抽取地下水引起地面沉降。在台湾由于抽取地下水引
2起的地面沉降总面积达1890 km;美国加利福尼亚州San Joa2quin 峡谷开采地下
水产生了达9 m的地面沉降。20世纪20年代,上海、天津在市区集中开采地下水的地区发生地面沉降,到60年代两市地面沉降灾害已十分严重。
(2) 开发利用石油天然气资源
美国德克萨斯州等地由于碳氢化合物的开采诱发地面沉降;胜利油田开采区的平均沉降量10 mm/a左右,现河采油厂的耿家井附近15年下沉量为378 mm ,平均沉降25.2 mm/a;20 世纪80年代中期大庆油田为了增加原油产量采取了注水采油 的方法,从而产生区域性地面沉降,1978 - 1991 年期间累计地面沉降量达1.5 m。
(3) 开发利用地热资源
进入90 年代以来,昆明市地下热水的开采规模扩大,1999年达22000 m3/d 以上,累计开采量已超过1 亿m3。
3.2 岩溶塌陷
中国可溶岩分布面积达365 万km2,占国土面积的1/3以上,是世界上岩溶最发育的国家之一。近年来随着岩溶地区国民经济的飞速发展,岩溶区土地资源、水资源和矿产资源开发的不断增强,由此引发的岩溶塌陷问题日益突出,已成为岩溶地区主要地质灾害问题。仅广西、云南、贵州、四川和重庆等五个西南省区就已发生岩溶塌陷859次,占全国岩溶塌陷总数的78 %。
3.3 开采固体矿产
矿区采空塌陷分布在各矿区,以采煤塌陷最为突出。南斯拉夫吐斯拉城岩盐矿经过近100 年的开采,盐水层水压力下降,地面最大沉降量达10 m ;波兰最大铜矿莱格纳卡产生超越开采区的巨大沉降槽,地面最大沉降量达0. 8 m ;中国有20 个省区共发生采空塌陷180 处以上,塌陷面积大于1150km2 ,以黑龙江、山西、安徽、山东、河南等省最为严重。
3.4 工程环境效应
工程建设是近年来新的沉降制约因素,在地区城市化进程中不断显露,在部分地区的大规模城市改造建设中地面沉降效应明显。
四、地面沉降的危害
地面沉降是一种累进性地质灾害，会给滨海平原防洪排涝、土地利用、城市规划建设、航运交通等造成严重危害，其破坏和影响是多方面的。其中主要危害表现为：地面标高损失，继而造成雨季地表积水，防泄洪能力下降；沿海城市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水倒灌；海港建筑物破坏，装卸能力降低；地面运输线和地下管线扭曲断裂；城市建筑物基础下沉脱空开裂；桥梁净空减小影响通航；深井井管上升，井台破坏，城市供水及排水系统失效；农村低洼地区洪涝积水使农作物减产等。
五、 地面沉降机理
抽汲地下水(或石油与天然气)时,伴随着地下水从沉积含水层组中,尤其在那些厚层的半固结淤泥、粘土层(弱含水层) 组中排出,含水层的孔隙体积和总体蓄水能力大幅度减少,并且不能完全恢复,最终表现为地面沉降。这类沉降的成因有二种机理:一个是有效应力原理,另一个是水动力固结理论。这两个原理将含水层的压实分为两个过程,前者解释了含水层在抽水过程中的压实引发的地面沉降,后者解释了抽水以后的残余压实引发的地面沉降。根据有效压应力理论,抽水以前上覆土层和水的重力由孔隙水压力和粒间有效压力共同平衡;抽水后总压力不变,孔隙水压力降低,有效压力增加,这样颗粒骨架所受压力增加,土层被压缩,微观上表现为颗粒之间的孔隙度降低,宏观上表现为含水层变薄。抽水结束后,地面沉降并未停止,这可以用水动力固结理论来解释:在抽水过程中透水层的放水速度比弱透水层快,因而水位下降也快,停止抽水后,由于两类含水层之间水位高度不同,存在水位差,而表现为弱透水层向透水层渗水,弱透水层因而继续有压实作用，仍有沉降发生。
六、 地面沉降灾害预测与监测
6.1 地面沉降预测
国内外有关地面沉降的预测方法很多,主要有模糊神经网络、灰色理论等。例如王寒梅和唐益群等利用灰色理论建立非等时距GM(1,1) 模型,对上海路家嘴地区因工程环境效应因素引起的地面沉降进行了预测,并和实测数据进行了比较,预测值与实测结果基本相符,具有较好的精度。李涛和潘云等在分析天津市区地面沉降特点的基础上,结合人工神经网络原理,预测了2010 年天津市区地面沉降的情况。当沉降均匀平稳时,宜采用灰色预测,当沉降波动较大时,宜采用人工神经网络预测。沉降是一个受多方面因素影响的复杂过程,其影响因素与沉降之间存在复杂的非线性关系,正确选择预测方法和建立相应的模型,对于精确的预测沉降和防止事故的发生显得尤为重要。
6.2 地面沉降监测
地面沉降的监测技术日益先进,全球定位系统(GPS) 已经逐渐取代区域性水准测量得到广泛的应用。日本的Hiroshi利用GPS 技术量测了新泻的地面沉降,绘制了沉降变化图。上海市于20 世纪60 年代初期开始建立地面沉降监测网络,采取多种措施进行防治,使地面沉降得到了有效控制。90年代以来,由于大规模的城市建设,高层建筑荷载及市周边地区增加开采地下水,致使中心城区地面沉降处于新的加速沉降阶段。上海建立了长江三角洲统一的地面沉降GPS 监测网、完成了地面沉降信息系统(LSIS) 、编制了地面沉降有关图件等;美国正在研制用于探测地面沉降的干涉合成孔径雷达(INSAR) 监测技术。
七、河北平原地面沉降现状与防治对策
7.1 自然地理概况
(1) 地理位置
海河平原位于中国河北省境内，又称河北平原，北起燕山山脉，南到黄河，西起太行山脉，东到渤海，是华北平原的北部。本次研究范围只局限于河北省境内，分为冀东平原和京津以南平原两部分，包括石家庄、邢台、邯郸、保定、廊坊、沧州、唐山、衡水、秦皇岛9个地区，含119个县，总面积73129 km2。
(2) 地形特征
河北平原是一个大型的沉降盆地，地形平坦，总体地势自西北向东南缓缓倾斜，地面标高由山前100m逐渐下降到渤海沿岸2～3m，地面坡降由山前的2‰～1‰逐渐过渡到中部平原的1.0‰～0.5‰，至滨河的0.3‰～0.1‰。按成因类型、形态特征及水文地质条件可划分为山前冲积洪积倾斜平原、中部冲积湖积平原、滨海冲积海积平原。
(3) 气候状况
区内多年平均气温介于10～25℃之间，由北向南逐渐升高，且变化较大。降水量的季节分配很不均匀，年内降水量主要集中在夏季，冬季降水量稍多于春季。河北省多年平均降水量537mm。年内降水多集中在6～8月份，占全年降水量的70%～80%，10月份至翌年2月份气候干旱，仅占全年降水量的15%左右。
(4) 流域情况
河北平原的河流，分属于海河、滦河两个流域系统。其中，海河流域面积12.46万km2，海河是此区域最大河流，主要支流有北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河五大支流；滦河（包括陡河及冀东沿海诸小河）流域面积4.64 km2。河北平原多年平均径流量为31.60×108m3， 折合径流深81mm。多年平均径流深区域分布的总趋势与降水量的分布基本一致，由燕山、太行山迎风区的弧形高值带向 东南方向递减。径流的年内分配极度不均。
7.2 沉降现状及危害
(1) 沉降现状
本地区地面沉降形成于上世纪50年代中期，1975年前，地面沉降仅发生在深层地下水降落漏斗的中心地带，沉降速率小于10mm/a；1975～1985年随着河北中东部平原深层地下水的大规模开采，出现了大面积深层地下水降落漏斗，含水量水层释水压缩，岩层力学平衡遭到破坏，粘性土层被压密，地面沉降的范围不断扩展，沉降速率不断增大，达到18～104mm/a；1986年之后，地面沉降继续发展，速度加快，影响范围进一步扩大，出现了地面沉降漏斗；1998年之后，除沧州市区的地面沉降有所缓和之外，其余地区仍在持续加速发展。
截止到2005年底，河北平原地面沉降重点区范围内，大于2000mm的沉降面积达7km2，仅分布在沧州市区；1000～2000mm的沉降面积达1500km2左右，分布在沧州、邢台、廊坊、保定、衡水、唐山等地；500～1000mm的沉降面积达20000 km2左右，广泛分布于沧州、衡水、邢台、廊坊、邯郸、保定、唐山等广大地区；300～
2500mm的沉降面积达15000km左右，除秦皇岛市之外，河北平原其余各市均有分
布。区内最大沉降量2005年为2.457m，2007年为2.518m，位于沧州市区。目前河北平原不同区域的沉降中心仍在持续发展，沉降量增大，沉降范围扩展，并且有连成一片的趋势。各地区自1975年开始观测至2007年沉降中心沉降量见表1。
(2) 沉降危害
其主要危害表现为地面标高损失，继而造成地表积水，泄洪能力下降；沿海域市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水倒灌；海港建筑物破坏，装卸能力降低；地面运输线和地下管线扭曲断裂；城市建筑物基础下沉脱空开裂；桥梁净空减少，影响通航；深井井管上升，井台破坏，城市供水及排水系统失效；农村低洼地区洪滞积水，使农作物减产；加剧地裂缝、风暴潮灾害，地面高程数据大范围失效。此外，地面沉降对于高层建筑、高速铁路、南水北调等国家重要建设工程威胁尤其严重。
7.3 形成原因及对策
引起地面沉降的因素可分成自然因素及人为因素。自然因素包括构造活动、软弱土层的自生压密固结，海平面上升等；人为因素包括过量开采地下水、地下热水及油气资源等。据地震数据，本区由于构造活动引起的地面沉降速率仅为1～3㎜/a。
7.3.1 自然因素
从地质因素看，自然界发生的地面沉降大致有下列三种原因：地表松散地层或半松散地层等在重力作用下挤压密而发生沉降；因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降；地震导致地面沉降。
(1) 自重压密固结
物质经过搬运、沉积后，在各种因素的综合作用下，地层将逐渐排水、固结、压密。地层在地质历史上所承受的最大垂直有效应力称为地层前期固结压力Pc，根据Pc和Po（自重应力）的相对大小，可交土层分为欠固结、正常固结和超固结三种状态，分类见表2。
地层的自重压密，是指地层中的欠固结土层在上覆载体的作用下，土体发生排水、固结和压密，最终导致地面沉降。河北平原分布在巨厚的第四系统散沉积层，固结程度较低，欠固结地层在自身重力作用下会产生自然压缩变形，从而易形成地面沉降。
(2) 地质构造运动引起的地面沉降
在地壳运动影响下，河北平原长期以来处于缓慢下降状态，第四纪以来的活动断裂和构造沉降，加剧了地面沉降的发生和危害，地壳垂直形变虽然与地面沉降有一定关系，但作为一种自然作用，在由人为因素引起的地面沉降影响分析中并不占据主导地位。
(3) 地震影响
新构造运动是导致现在山川起伏的主要原因，而升降运动是新构造运动中的一种构造运动形式，强烈地震是新构造运动力量的集中表现，在短期内可以引起较大的区域性地面垂直变形，从而导致软土地基震陷和古河道新近沉积液化，最终引起突发性地面沉降。
1966年3月8日邢台地区发生6.8级强烈地震，经观测发现两处明显较大的地面沉降，最大都超过了300mm，1976年7月8日唐山发生7.8级大地震，有充分完整的复测资料，调查发现在唐山市、滦县雷庄附近及宁河存在着三个地面沉降中心，其最大下沉量分别为711.9mm、1 007.7mm和1 343.7mm。
7.3.2 人为因素
(1) 超采地下水引起地面沉降
长期大量超采地下水，是形成地面沉降的主要原因。开采地下水会引起松散地层大量释水，使地层压缩、固结而产生沉降。
河北平原地下水超采始于上世纪60年代。60年代以前，地下水开采量小于地上水补给量，地下水降落漏斗未形成。自20世纪70年代以来，由于局部地段地下水开采集中，在城市和集中供水水源地地下超采地区形成了地下水水位下降漏斗，最早形成的地下水位降落漏斗有石家庄漏斗、保定漏斗、衡水漏斗、沧州漏斗等。80年代以来，随着开采量、开采深度的增加及开采层位的加深，河北平原 总开采量已经大于总补给量，出现了大面积的地下水位降落漏斗。开采深度从以前的小于100～200m加深到120～500m。为满足社会经济发展的水资源需求，1980年地下水开采量达到119.5×108m3, 1995年为130×108m3。90年代以后，随着国家加强管理，开采量基本未增大，呈现出波动的状态。浅层地下水水位总体呈下降趋势，水位降幅从山前倾斜平原到滨海平原由大变小，其变化范围为40—10—2m左右；深层地下水水位变化基本呈下降趋势，水位降幅一般较浅层地下水要大一些。
(2) 开采地热水、矿泉水引起地面沉降
河北省地热资源和矿泉水资源丰富。其地热田分布广泛且埋藏较浅，地热资源总量相当于标准煤418.91亿t，可采量相当于标准煤93.83亿t。全省共有地热井（泉）334眼，已开发利用的地热井（泉）有237眼。
在今后时期，河北省地热、矿泉水开发规模逐步加大，其中沧州地区地下热水开采量1 000万m3/a，矿泉水开采量1万m3/a。上第三系是本区矿泉水和地热水的主要产出层，属于承压水，底界埋深1350～2080m。大量开采势必引起水位下降，地层内孔隙水压力减少，有效应力增加，导致地层进一步压实，加重地面沉降。
(3) 开采石油、天然气引起地面沉降
华北油田、大港油田年产原油1 212万t，天然气7.7亿m3。当油气开发后，必将使流体压力降低，固体颗粒有效应力增加，使泥岩进一步固结压密，从而引起地面沉降。因此，在油区石油天然气的开采也是引起地面沉降不可忽略的因素之一。地下流体的产出经常与储层岩体的压缩相关联，这种压缩作用通过覆地层可以到达地表。
(4) 地表荷载加速地面沉降
伴随着社会经济的持续发展，城市基础设施建设迅猛发展，旧区改造、新居住区成片开发，大量高层、超高层建筑不断兴建，城市规模不断扩大，交通运输线路越来越密集，使得地表荷载加重，工程建设的地面沉降效应逐渐凸显，成为近年来新的沉降因素之一。高层建筑群造成城区地面沉降的特点是距建筑物一倍基础宽度范围内的地面沉降速率大于建筑物本身的沉降速率，尤以相邻建筑之间中心城区地表的沉降量最大，密集高层建筑群之间地表存在明显的应力叠加效应，并使沉降量超过容许值，从而带来不稳定因素。
7.3.3 应对措施
(1) 加强地面沉降监测
在加强地面沉降监测网络建设的同时，根据地面沉降现状、危害程度、发展趋势和重大工程分布等，合理确定地面沉降监测频率与监测精度。目前，地面沉降的监测主要依赖于华北平原地面沉降总体安排，但这远不能满足河北省当地发展的需求，这一工作亟待加强。
(2) 严格控制地下水开采量
河北平原地表水资源极其匮乏，几十年来，利用长期超量开采地下水尤其是深层地下淡水换取了经济社会的稳定发展，其代价就是加剧了水资源供需矛盾、产生了以地面沉降为代表的一系列环境地质问题，解决这些问题需要严格控制地下水开采量，而衡量标准则是确定并控制地下水位。
经过几十年的工作，河北平原水文地质条件和水资源家底已经基本查清，为控制地下水的开采奠定了基础。因此，应在合理调配区域水资源的基础上，确定各地区的可开采量并严格控制。同时，根据现有的调查研究成果，河北平原地面沉降与地下水位之间的关系基本搞清，以沧州衡水为代表的中东部平原地区，当深层地下水位下降至47～50m时，地面沉降开始明显产生。降至或超过70m埋深时 则进入快速下降阶段。与此相邻的德州、天津漏斗地下水头下降曲线也具有该特点。而山前全淡水区该临界值相应提高3m左右，即当水位降到44～45m时，地面沉降开始明显产生。据此确定河北平原中东部深层地下水约束条件的临界界限值为水位埋深50m，在该区域应该严格控制深层地下水的开采，将70m水位埋深作为严格控制界限，超过此水位应坚决关闭开采井，以防止地面沉降的扩展和加剧。由于控制了深层地下水位，使得其与上层咸水的水头压力差降低，咸水下移的趋势将得到一定程度的控制。
而在山前全淡水区，因开采深渡较浅、强度大，地层颗粒粗大、补充条件较好等特点，可将部分地区的临界限制水位确定为45m（目前该地区尚未出现水位埋深超过70m的监测数据），在控制地面沉降的同时，也为下游留下一定的地下水补给来源。
(3) 科学调配开采量，使区域均匀沉降
根据目前所观测到的资料，本区域基本还属于沉降阶段，暂未达到稳定，所以在完备地面沉降监测网络和监测制度的基础上，可以根据实时监测数据，判断可预见期内地层的下降速率，考虑地下相应岩层应力均衡，在严格控__制开采量
的前提下，合理调节分配开采量，从而尽可能达到区域小规模均匀沉降，减小沉降所带来的一系列危害。
(4) 调整开采层位
国内外大量的试验研究成果表明，采用优化地下水开采层位，避开可压缩性大的含水层是延缓和降低地面沉降的有效措施，可作为河北平原控制地面沉降的一项措施加以利用。以中东部平原为例，深层地下淡水层位较多、分布范围广，单井出水量差异大，且不同深度、不同年代、不同成因所形成的地层固结程度及其对地面沉降产生的影响有着十分明显的区别。当前，河北平原深层地下水具有 开采深度和层位高度集中的特点，对地面沉降的控制非常不利。鉴于河北平原地面沉降监测工作刚刚起步，有必要在继续深入研究的基础上，确定固结程度相对较高、对地面沉降影响相对较小的含水层位的调整，以期实现在不大幅度消减开采量的前提下减缓地面沉降的产生。
(5) 人工回灌
采用人工回灌控制地面沉降已有许多成功的范例可以借鉴，其效果值得肯定。开展深层地下水人工回灌来控制地面沉降，就河北平原而言，首先需要解决的是回灌水源问题，在无稳定的外来水源补充情况下，单纯依靠自身解决，除少数水质相对良好的循环冷却用水外，其它大部分工业废水经过处理使之能够达到回灌要求，其成本是任何一个企业都难以独自承担的，因此必须建立人工补给的鼓励政策，使用水、水处理和人工回灌成本基本达到平衡，才能使人工回灌得以推广。
(6) 充分利用山前冲洪积平原的地下调蓄库容
据张光辉等人的研究发现，太行山前滹沱河冲洪积平原具有良好的地下调蓄功能。其中滹沱河冲洪积扇轴第II含水组、石家庄地下水位降落漏斗区的地下调蓄库容约5亿m3左右，而整个冲洪积扇可利用的地下调蓄库容为19.1～37.8亿m3，裸露型渗水面积为350km2，完全可以在冲洪积扇部位进行大面积有步骤的汇水静水坑渗、井灌或者引水渠渗，达到地下调蓄的目的。作为华北平原地下水系统的一个重要补给区，能很大程度上缓解平原中下部的地下水严重超采的现状。
八、 总 结
本文对国内外地面沉降的现状、地面沉降灾害发生的原因、地面沉降机理以及地面沉降灾害预测与防治,作了系统全面的论述。指出随着大规模的城市建设,高层建筑群等工程环境效应成为地面沉降新的制约因素,有必要对此因素展开深入研究,降低地面沉降灾害造成的经济损失。此外，通过对河北平原地面沉降的案例分析，初步了解河北平原地面沉降的机理，经过一些防治措施的处理，也已经取得显著的成效。
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所在学院 学科、专业 考试科目 环境地质灾害与防治 考试日期 课程学时 开（闭）卷
地面沉降的国内外现状及案例分析 摘要：系统地介绍了国内外地面沉降的现状、引起沉降的原因、地面沉降的机理和地面沉降灾害预测与监测。地面沉降是影响城市发展的一大地质危害，在我国河北平原地面沉降尤为严重，本文详细介绍了河北平原的地面沉降现状，从其形成原因入手，探讨了一系列工程防治对策。
关键词：地面沉降;地质灾害;工程环境效应; 河北平原；降落漏斗；地下水超采
一、引 言
地面沉降是在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象,是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点,是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。地面沉降是我国乃至世界范围较为普遍的地质灾害,对社会经济的可持续发展影响巨大。
二、地面沉降现状
2.1 国外地面沉降现状
现有文献资料表明,1891年墨西哥城最早记录地面沉降现象,但当时由于地面沉降量不大,危害也不明显,所以没有引起人们的重视。目前平均沉降量达到0.3 cm/a ,最大累计沉降量超过7.5 m ,有的地区甚至超过15 m。
日本于1898年在新泻最早发生地面沉降,至1958年地面沉降速率达530 mm/ a ,1952 - 1956 年新泻是日本地面沉降最严重的地区。日本产生严重地面沉降的城市或地区还有东京、大阪和佐贺县平原,其它地区还有名古屋、川崎、山口、尼崎及西宫等。
上个世纪意大利的Ravenna地区发生了大面积的地面沉降。起初沉降不大,每年数毫米;第二次世界大战后,由于过度抽取地下水,以每年110 mm的沉降量剧增。
美国于1922 年最早在加州萨克拉门托San Joaquin 流域发现沉降,1920 - 1969年地下水位下降达137 m ,累积地面沉降达2.6 m ,影响范围9100km2。至20世纪70年代初期,美国已有37个州因开采地下流体而产生的不同程度的地面沉降现象;至1995年,美国50个州均有地面沉降发生。
据统计,目前世界上已有60 多个国家和地区发生地面沉降,包括美国、中国、日本、墨西哥、意大利、泰国、英国、俄罗斯、委内瑞拉、荷兰、越南、匈牙 利、德国、印度尼西亚、新西兰、比利时、南非等。
2.2 国内地面沉降现状
20世纪20年代初,中国最早在上海和天津市区发现地面沉降灾害,至20 世纪60 年代两地地面沉降灾害已十分严重。20世纪70年代,长江三角洲主要城市及平原区、天津市平原区、华北平原东部地区相继产生地面沉降;80 年代以来,中小城市和农村地区地下水开采利用量大幅度增加,地面沉降范围也由此从城市向农村扩展,在城市上连片发展。同时地面沉降地区伴生的地裂缝加剧了地面沉降灾
害。
自1921年上海市区最早发现地面沉降以来,至今中国已有90 多个城市和地区发生不同程度的地面沉降,到2003年沉降面积达93885 km2。代表性地区有上海,天津,浙江的宁波、嘉兴,江苏的苏州、无锡、常州,河北的沧州、唐山、衡水、保定、任丘、南宫,山东的菏泽、济宁、德州,安徽的阜阳,山西的临汾、太原、大同,河南的安阳、开封、洛阳、许昌、郑州,台湾的台北、彰化、屏东等8 个县市,陕西的西安,北京和松辽平原等。在这些地区中最为突出的是以上海为代表的长江三角洲、以天津为代表的环渤海区和西安等地。
三、 地面沉降灾害原因
地面沉降成因主要包括开发利用地下流体资源(地下水、石油、天然气等) 、开采固体矿产、岩溶塌陷、软土地区与工程建设有关的固结沉降等,此外还包括新构造运动、动土融化等因素。
3.1 开发利用地下流体资源
(1) 地下水开采引起的地面沉降
在许多国家和地区由于抽取地下水引起地面沉降。在台湾由于抽取地下水引
2起的地面沉降总面积达1890 km;美国加利福尼亚州San Joa2quin 峡谷开采地下
水产生了达9 m的地面沉降。20世纪20年代,上海、天津在市区集中开采地下水的地区发生地面沉降,到60年代两市地面沉降灾害已十分严重。
(2) 开发利用石油天然气资源
美国德克萨斯州等地由于碳氢化合物的开采诱发地面沉降;胜利油田开采区的平均沉降量10 mm/a左右,现河采油厂的耿家井附近15年下沉量为378 mm ,平均沉降25.2 mm/a;20 世纪80年代中期大庆油田为了增加原油产量采取了注水采油 的方法,从而产生区域性地面沉降,1978 - 1991 年期间累计地面沉降量达1.5 m。
(3) 开发利用地热资源
进入90 年代以来,昆明市地下热水的开采规模扩大,1999年达22000 m3/d 以上,累计开采量已超过1 亿m3。
3.2 岩溶塌陷
中国可溶岩分布面积达365 万km2,占国土面积的1/3以上,是世界上岩溶最发育的国家之一。近年来随着岩溶地区国民经济的飞速发展,岩溶区土地资源、水资源和矿产资源开发的不断增强,由此引发的岩溶塌陷问题日益突出,已成为岩溶地区主要地质灾害问题。仅广西、云南、贵州、四川和重庆等五个西南省区就已发生岩溶塌陷859次,占全国岩溶塌陷总数的78 %。
3.3 开采固体矿产
矿区采空塌陷分布在各矿区,以采煤塌陷最为突出。南斯拉夫吐斯拉城岩盐矿经过近100 年的开采,盐水层水压力下降,地面最大沉降量达10 m ;波兰最大铜矿莱格纳卡产生超越开采区的巨大沉降槽,地面最大沉降量达0. 8 m ;中国有20 个省区共发生采空塌陷180 处以上,塌陷面积大于1150km2 ,以黑龙江、山西、安徽、山东、河南等省最为严重。
3.4 工程环境效应
工程建设是近年来新的沉降制约因素,在地区城市化进程中不断显露,在部分地区的大规模城市改造建设中地面沉降效应明显。
四、地面沉降的危害
地面沉降是一种累进性地质灾害，会给滨海平原防洪排涝、土地利用、城市规划建设、航运交通等造成严重危害，其破坏和影响是多方面的。其中主要危害表现为：地面标高损失，继而造成雨季地表积水，防泄洪能力下降；沿海城市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水倒灌；海港建筑物破坏，装卸能力降低；地面运输线和地下管线扭曲断裂；城市建筑物基础下沉脱空开裂；桥梁净空减小影响通航；深井井管上升，井台破坏，城市供水及排水系统失效；农村低洼地区洪涝积水使农作物减产等。
五、 地面沉降机理
抽汲地下水(或石油与天然气)时,伴随着地下水从沉积含水层组中,尤其在那些厚层的半固结淤泥、粘土层(弱含水层) 组中排出,含水层的孔隙体积和总体蓄水能力大幅度减少,并且不能完全恢复,最终表现为地面沉降。这类沉降的成因有二种机理:一个是有效应力原理,另一个是水动力固结理论。这两个原理将含水层的压实分为两个过程,前者解释了含水层在抽水过程中的压实引发的地面沉降,后者解释了抽水以后的残余压实引发的地面沉降。根据有效压应力理论,抽水以前上覆土层和水的重力由孔隙水压力和粒间有效压力共同平衡;抽水后总压力不变,孔隙水压力降低,有效压力增加,这样颗粒骨架所受压力增加,土层被压缩,微观上表现为颗粒之间的孔隙度降低,宏观上表现为含水层变薄。抽水结束后,地面沉降并未停止,这可以用水动力固结理论来解释:在抽水过程中透水层的放水速度比弱透水层快,因而水位下降也快,停止抽水后,由于两类含水层之间水位高度不同,存在水位差,而表现为弱透水层向透水层渗水,弱透水层因而继续有压实作用，仍有沉降发生。
六、 地面沉降灾害预测与监测
6.1 地面沉降预测
国内外有关地面沉降的预测方法很多,主要有模糊神经网络、灰色理论等。例如王寒梅和唐益群等利用灰色理论建立非等时距GM(1,1) 模型,对上海路家嘴地区因工程环境效应因素引起的地面沉降进行了预测,并和实测数据进行了比较,预测值与实测结果基本相符,具有较好的精度。李涛和潘云等在分析天津市区地面沉降特点的基础上,结合人工神经网络原理,预测了2010 年天津市区地面沉降的情况。当沉降均匀平稳时,宜采用灰色预测,当沉降波动较大时,宜采用人工神经网络预测。沉降是一个受多方面因素影响的复杂过程,其影响因素与沉降之间存在复杂的非线性关系,正确选择预测方法和建立相应的模型,对于精确的预测沉降和防止事故的发生显得尤为重要。
6.2 地面沉降监测
地面沉降的监测技术日益先进,全球定位系统(GPS) 已经逐渐取代区域性水准测量得到广泛的应用。日本的Hiroshi利用GPS 技术量测了新泻的地面沉降,绘制了沉降变化图。上海市于20 世纪60 年代初期开始建立地面沉降监测网络,采取多种措施进行防治,使地面沉降得到了有效控制。90年代以来,由于大规模的城市建设,高层建筑荷载及市周边地区增加开采地下水,致使中心城区地面沉降处于新的加速沉降阶段。上海建立了长江三角洲统一的地面沉降GPS 监测网、完成了地面沉降信息系统(LSIS) 、编制了地面沉降有关图件等;美国正在研制用于探测地面沉降的干涉合成孔径雷达(INSAR) 监测技术。
七、河北平原地面沉降现状与防治对策
7.1 自然地理概况
(1) 地理位置
海河平原位于中国河北省境内，又称河北平原，北起燕山山脉，南到黄河，西起太行山脉，东到渤海，是华北平原的北部。本次研究范围只局限于河北省境内，分为冀东平原和京津以南平原两部分，包括石家庄、邢台、邯郸、保定、廊坊、沧州、唐山、衡水、秦皇岛9个地区，含119个县，总面积73129 km2。
(2) 地形特征
河北平原是一个大型的沉降盆地，地形平坦，总体地势自西北向东南缓缓倾斜，地面标高由山前100m逐渐下降到渤海沿岸2～3m，地面坡降由山前的2‰～1‰逐渐过渡到中部平原的1.0‰～0.5‰，至滨河的0.3‰～0.1‰。按成因类型、形态特征及水文地质条件可划分为山前冲积洪积倾斜平原、中部冲积湖积平原、滨海冲积海积平原。
(3) 气候状况
区内多年平均气温介于10～25℃之间，由北向南逐渐升高，且变化较大。降水量的季节分配很不均匀，年内降水量主要集中在夏季，冬季降水量稍多于春季。河北省多年平均降水量537mm。年内降水多集中在6～8月份，占全年降水量的70%～80%，10月份至翌年2月份气候干旱，仅占全年降水量的15%左右。
(4) 流域情况
河北平原的河流，分属于海河、滦河两个流域系统。其中，海河流域面积12.46万km2，海河是此区域最大河流，主要支流有北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河五大支流；滦河（包括陡河及冀东沿海诸小河）流域面积4.64 km2。河北平原多年平均径流量为31.60×108m3， 折合径流深81mm。多年平均径流深区域分布的总趋势与降水量的分布基本一致，由燕山、太行山迎风区的弧形高值带向 东南方向递减。径流的年内分配极度不均。
7.2 沉降现状及危害
(1) 沉降现状
本地区地面沉降形成于上世纪50年代中期，1975年前，地面沉降仅发生在深层地下水降落漏斗的中心地带，沉降速率小于10mm/a；1975～1985年随着河北中东部平原深层地下水的大规模开采，出现了大面积深层地下水降落漏斗，含水量水层释水压缩，岩层力学平衡遭到破坏，粘性土层被压密，地面沉降的范围不断扩展，沉降速率不断增大，达到18～104mm/a；1986年之后，地面沉降继续发展，速度加快，影响范围进一步扩大，出现了地面沉降漏斗；1998年之后，除沧州市区的地面沉降有所缓和之外，其余地区仍在持续加速发展。
截止到2005年底，河北平原地面沉降重点区范围内，大于2000mm的沉降面积达7km2，仅分布在沧州市区；1000～2000mm的沉降面积达1500km2左右，分布在沧州、邢台、廊坊、保定、衡水、唐山等地；500～1000mm的沉降面积达20000 km2左右，广泛分布于沧州、衡水、邢台、廊坊、邯郸、保定、唐山等广大地区；300～
2500mm的沉降面积达15000km左右，除秦皇岛市之外，河北平原其余各市均有分
布。区内最大沉降量2005年为2.457m，2007年为2.518m，位于沧州市区。目前河北平原不同区域的沉降中心仍在持续发展，沉降量增大，沉降范围扩展，并且有连成一片的趋势。各地区自1975年开始观测至2007年沉降中心沉降量见表1。
(2) 沉降危害
其主要危害表现为地面标高损失，继而造成地表积水，泄洪能力下降；沿海域市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水倒灌；海港建筑物破坏，装卸能力降低；地面运输线和地下管线扭曲断裂；城市建筑物基础下沉脱空开裂；桥梁净空减少，影响通航；深井井管上升，井台破坏，城市供水及排水系统失效；农村低洼地区洪滞积水，使农作物减产；加剧地裂缝、风暴潮灾害，地面高程数据大范围失效。此外，地面沉降对于高层建筑、高速铁路、南水北调等国家重要建设工程威胁尤其严重。
7.3 形成原因及对策
引起地面沉降的因素可分成自然因素及人为因素。自然因素包括构造活动、软弱土层的自生压密固结，海平面上升等；人为因素包括过量开采地下水、地下热水及油气资源等。据地震数据，本区由于构造活动引起的地面沉降速率仅为1～3㎜/a。
7.3.1 自然因素
从地质因素看，自然界发生的地面沉降大致有下列三种原因：地表松散地层或半松散地层等在重力作用下挤压密而发生沉降；因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降；地震导致地面沉降。
(1) 自重压密固结
物质经过搬运、沉积后，在各种因素的综合作用下，地层将逐渐排水、固结、压密。地层在地质历史上所承受的最大垂直有效应力称为地层前期固结压力Pc，根据Pc和Po（自重应力）的相对大小，可交土层分为欠固结、正常固结和超固结三种状态，分类见表2。
地层的自重压密，是指地层中的欠固结土层在上覆载体的作用下，土体发生排水、固结和压密，最终导致地面沉降。河北平原分布在巨厚的第四系统散沉积层，固结程度较低，欠固结地层在自身重力作用下会产生自然压缩变形，从而易形成地面沉降。
(2) 地质构造运动引起的地面沉降
在地壳运动影响下，河北平原长期以来处于缓慢下降状态，第四纪以来的活动断裂和构造沉降，加剧了地面沉降的发生和危害，地壳垂直形变虽然与地面沉降有一定关系，但作为一种自然作用，在由人为因素引起的地面沉降影响分析中并不占据主导地位。
(3) 地震影响
新构造运动是导致现在山川起伏的主要原因，而升降运动是新构造运动中的一种构造运动形式，强烈地震是新构造运动力量的集中表现，在短期内可以引起较大的区域性地面垂直变形，从而导致软土地基震陷和古河道新近沉积液化，最终引起突发性地面沉降。
1966年3月8日邢台地区发生6.8级强烈地震，经观测发现两处明显较大的地面沉降，最大都超过了300mm，1976年7月8日唐山发生7.8级大地震，有充分完整的复测资料，调查发现在唐山市、滦县雷庄附近及宁河存在着三个地面沉降中心，其最大下沉量分别为711.9mm、1 007.7mm和1 343.7mm。
7.3.2 人为因素
(1) 超采地下水引起地面沉降
长期大量超采地下水，是形成地面沉降的主要原因。开采地下水会引起松散地层大量释水，使地层压缩、固结而产生沉降。
河北平原地下水超采始于上世纪60年代。60年代以前，地下水开采量小于地上水补给量，地下水降落漏斗未形成。自20世纪70年代以来，由于局部地段地下水开采集中，在城市和集中供水水源地地下超采地区形成了地下水水位下降漏斗，最早形成的地下水位降落漏斗有石家庄漏斗、保定漏斗、衡水漏斗、沧州漏斗等。80年代以来，随着开采量、开采深度的增加及开采层位的加深，河北平原 总开采量已经大于总补给量，出现了大面积的地下水位降落漏斗。开采深度从以前的小于100～200m加深到120～500m。为满足社会经济发展的水资源需求，1980年地下水开采量达到119.5×108m3, 1995年为130×108m3。90年代以后，随着国家加强管理，开采量基本未增大，呈现出波动的状态。浅层地下水水位总体呈下降趋势，水位降幅从山前倾斜平原到滨海平原由大变小，其变化范围为40—10—2m左右；深层地下水水位变化基本呈下降趋势，水位降幅一般较浅层地下水要大一些。
(2) 开采地热水、矿泉水引起地面沉降
河北省地热资源和矿泉水资源丰富。其地热田分布广泛且埋藏较浅，地热资源总量相当于标准煤418.91亿t，可采量相当于标准煤93.83亿t。全省共有地热井（泉）334眼，已开发利用的地热井（泉）有237眼。
在今后时期，河北省地热、矿泉水开发规模逐步加大，其中沧州地区地下热水开采量1 000万m3/a，矿泉水开采量1万m3/a。上第三系是本区矿泉水和地热水的主要产出层，属于承压水，底界埋深1350～2080m。大量开采势必引起水位下降，地层内孔隙水压力减少，有效应力增加，导致地层进一步压实，加重地面沉降。
(3) 开采石油、天然气引起地面沉降
华北油田、大港油田年产原油1 212万t，天然气7.7亿m3。当油气开发后，必将使流体压力降低，固体颗粒有效应力增加，使泥岩进一步固结压密，从而引起地面沉降。因此，在油区石油天然气的开采也是引起地面沉降不可忽略的因素之一。地下流体的产出经常与储层岩体的压缩相关联，这种压缩作用通过覆地层可以到达地表。
(4) 地表荷载加速地面沉降
伴随着社会经济的持续发展，城市基础设施建设迅猛发展，旧区改造、新居住区成片开发，大量高层、超高层建筑不断兴建，城市规模不断扩大，交通运输线路越来越密集，使得地表荷载加重，工程建设的地面沉降效应逐渐凸显，成为近年来新的沉降因素之一。高层建筑群造成城区地面沉降的特点是距建筑物一倍基础宽度范围内的地面沉降速率大于建筑物本身的沉降速率，尤以相邻建筑之间中心城区地表的沉降量最大，密集高层建筑群之间地表存在明显的应力叠加效应，并使沉降量超过容许值，从而带来不稳定因素。
7.3.3 应对措施
(1) 加强地面沉降监测
在加强地面沉降监测网络建设的同时，根据地面沉降现状、危害程度、发展趋势和重大工程分布等，合理确定地面沉降监测频率与监测精度。目前，地面沉降的监测主要依赖于华北平原地面沉降总体安排，但这远不能满足河北省当地发展的需求，这一工作亟待加强。
(2) 严格控制地下水开采量
河北平原地表水资源极其匮乏，几十年来，利用长期超量开采地下水尤其是深层地下淡水换取了经济社会的稳定发展，其代价就是加剧了水资源供需矛盾、产生了以地面沉降为代表的一系列环境地质问题，解决这些问题需要严格控制地下水开采量，而衡量标准则是确定并控制地下水位。
经过几十年的工作，河北平原水文地质条件和水资源家底已经基本查清，为控制地下水的开采奠定了基础。因此，应在合理调配区域水资源的基础上，确定各地区的可开采量并严格控制。同时，根据现有的调查研究成果，河北平原地面沉降与地下水位之间的关系基本搞清，以沧州衡水为代表的中东部平原地区，当深层地下水位下降至47～50m时，地面沉降开始明显产生。降至或超过70m埋深时 则进入快速下降阶段。与此相邻的德州、天津漏斗地下水头下降曲线也具有该特点。而山前全淡水区该临界值相应提高3m左右，即当水位降到44～45m时，地面沉降开始明显产生。据此确定河北平原中东部深层地下水约束条件的临界界限值为水位埋深50m，在该区域应该严格控制深层地下水的开采，将70m水位埋深作为严格控制界限，超过此水位应坚决关闭开采井，以防止地面沉降的扩展和加剧。由于控制了深层地下水位，使得其与上层咸水的水头压力差降低，咸水下移的趋势将得到一定程度的控制。
而在山前全淡水区，因开采深渡较浅、强度大，地层颗粒粗大、补充条件较好等特点，可将部分地区的临界限制水位确定为45m（目前该地区尚未出现水位埋深超过70m的监测数据），在控制地面沉降的同时，也为下游留下一定的地下水补给来源。
(3) 科学调配开采量，使区域均匀沉降
根据目前所观测到的资料，本区域基本还属于沉降阶段，暂未达到稳定，所以在完备地面沉降监测网络和监测制度的基础上，可以根据实时监测数据，判断可预见期内地层的下降速率，考虑地下相应岩层应力均衡，在严格控__制开采量
的前提下，合理调节分配开采量，从而尽可能达到区域小规模均匀沉降，减小沉降所带来的一系列危害。
(4) 调整开采层位
国内外大量的试验研究成果表明，采用优化地下水开采层位，避开可压缩性大的含水层是延缓和降低地面沉降的有效措施，可作为河北平原控制地面沉降的一项措施加以利用。以中东部平原为例，深层地下淡水层位较多、分布范围广，单井出水量差异大，且不同深度、不同年代、不同成因所形成的地层固结程度及其对地面沉降产生的影响有着十分明显的区别。当前，河北平原深层地下水具有 开采深度和层位高度集中的特点，对地面沉降的控制非常不利。鉴于河北平原地面沉降监测工作刚刚起步，有必要在继续深入研究的基础上，确定固结程度相对较高、对地面沉降影响相对较小的含水层位的调整，以期实现在不大幅度消减开采量的前提下减缓地面沉降的产生。
(5) 人工回灌
采用人工回灌控制地面沉降已有许多成功的范例可以借鉴，其效果值得肯定。开展深层地下水人工回灌来控制地面沉降，就河北平原而言，首先需要解决的是回灌水源问题，在无稳定的外来水源补充情况下，单纯依靠自身解决，除少数水质相对良好的循环冷却用水外，其它大部分工业废水经过处理使之能够达到回灌要求，其成本是任何一个企业都难以独自承担的，因此必须建立人工补给的鼓励政策，使用水、水处理和人工回灌成本基本达到平衡，才能使人工回灌得以推广。
(6) 充分利用山前冲洪积平原的地下调蓄库容
据张光辉等人的研究发现，太行山前滹沱河冲洪积平原具有良好的地下调蓄功能。其中滹沱河冲洪积扇轴第II含水组、石家庄地下水位降落漏斗区的地下调蓄库容约5亿m3左右，而整个冲洪积扇可利用的地下调蓄库容为19.1～37.8亿m3，裸露型渗水面积为350km2，完全可以在冲洪积扇部位进行大面积有步骤的汇水静水坑渗、井灌或者引水渠渗，达到地下调蓄的目的。作为华北平原地下水系统的一个重要补给区，能很大程度上缓解平原中下部的地下水严重超采的现状。
八、 总 结
本文对国内外地面沉降的现状、地面沉降灾害发生的原因、地面沉降机理以及地面沉降灾害预测与防治,作了系统全面的论述。指出随着大规模的城市建设,高层建筑群等工程环境效应成为地面沉降新的制约因素,有必要对此因素展开深入研究,降低地面沉降灾害造成的经济损失。此外，通过对河北平原地面沉降的案例分析，初步了解河北平原地面沉降的机理，经过一些防治措施的处理，也已经取得显著的成效。