因超采地下水引起的地面沉降问题

人类工程活动与地质作用专题——因超采地下水引起的地面沉降问题现状、成
因以及防治对策
授课教师：杜广印教授
班级：217152班
学号：21715202
姓名：孙旭升
摘要：
地面沉降，是自然因素和人为因素综合作用下形成的地面标高损失。

在《地质灾害防治条例》中，被定义为“缓变性地质灾害”，具有形成时间长、影响范围广、防治难度大、不易恢复等特点。

本文介绍的主要因素是开发利用地下流体资源（地下水、石油、天然气等）。

地下水是我国有限水资源的重要组成部分，在严重缺水的我国，地下水的开采关系重大。

本文先指出地下水过度开采导致地面沉降这一地质作用的原因，再主要以我国北方三个因过度开采地下水导致地面沉降的三个地区为例，通过对个案分析，从文献中提炼、总结提出了相应解决方案以及治理与防御措施。

关键词：地下水；地面沉降；成因；合理开采；治理；预防。

Abstract：
Land subsidence is the loss of ground elevation caused by natural factors and human factors. In the "Regulations on the prevention and control of geological disasters", which is defined as "the geological disaster of slow change", has the characteristics of long formation time, wide influence range, difficult to control and difficult to recover. This paper introduces the development and utilization of underground fluid resources (groundwater, oil, natural gas, etc.). Groundwater is an important part of limited water resources in our country. This paper first points out the cause of the ground subsidence geological processes of groundwater over exploitation, mainly in northern China three for three regions over exploitation of groundwater caused by ground subsidence as an example, through the case analysis, from the literature summarized and put forward the corresponding solutions and governance and prevention measures.
Key words: groundwater; land subsidence; causes; rational mining; treatment; prevention.
目录
一、前言 (4)
二、概述： (5)
2.1我国地下水开采情况 (5)
2.2地面沉降概述 (5)
2.3我国因过度开采地下水导致地面沉降的现状 (6)
2.4超采地下水引起地面沉降的原因 (7)
三：文献综述 (8)
3.1贾口洼蓄滞洪区地面沉降分析 (8)
3.2陕西省西安市地下水超采及生态修复量研究 (9)
3.3广东省徐闻-新疆维吾尔自治区昌吉市居民水井超采地下水 (12)
四、问题分析与对策 (14)
4.1问题分析 (14)
4.2具体方案措施整理 (15)
4.2.1城市雨水渗透利用技术 (15)
4.2.2加压式人工回灌 (15)
4.2.3高效节水灌溉工程 (15)
4.2.4改种低耗水农作物 (16)
4.2.5推行农艺节水措施 (16)
4.2.6管理节水措施 (16)
五、综合防御治理方案总结 (17)
5.1回灌地下水复原地面高度 (17)
5.2南水北调工程减轻缺水状况 (17)
5.3严格执行环境成本内部化的经济政策 (17)
5.4加强地下水管理 (17)
六、参考文献 (18)
一、前言
学生来自于黑龙江哈尔滨市尚志县。

我的家乡黑龙江省也是我国北方地区的缺水大省，每至冬季，当地都会出现停水、限时供水等问题；而且松嫩平原存在地下水过度开采的问题，尤其是大庆地区由于石油的大量开采导致了较为严重的地面沉降问题。

由于该话题与生活密切相关，学生十分感兴趣，所以选取“因超采地下水引起的地面沉降”为主题。

在完成该论文期间我查阅了二十余篇相关文献与新闻通讯稿，列出主要引用文献十余篇，对过于的技术术语知识进行了过滤；对具体人类活动导致地质问题加强了感性认知；结合土力学对地质作用中的地质沉降作用机理加深了理解。

行文思路大体按照“发现问题”-“分析问题”-“解决问题”的方式进行展开。

在内容上，我主要通过文献整理综合的方式，最终选取了三个较有代表性的问题地区（贾口洼、西安、徐闻-昌吉）。

因为各地区的因超采地下水引起的地面沉降问题的原因各不相同，解决地面沉降问题的方案措施也不一而足。

总体来说，解决因过度开采地下水引起的地面沉降问题也应该因地制宜。

在第三部分文献综述的西安模式与河北模式中主要采用了人工回灌技术，但同时河北省有大量农业区，还应该重点发展与大力提倡节水灌溉措施，种植节水作物等；而对于徐闻、昌吉等水井过度适用地区除了封存措施以外还应辅以管理节水措施。

最后，感谢杜老师以最饱满的热情与严谨的态度教授了我们“工程地质”这门课程。

合理的分析与解决工程中的地质问题将我们道桥人受益终身。

二、概述：
2.1我国地下水开采情况
我国地下水资源分布呈现南多北少基本特征，且自然分配极不平衡，资源量最少和最多的地区分布量相差50倍，这也是我国北方部分地区极度缺水并导致超采地下水的主要原因。

根据中国地质科学院水文地质环境地质研究所承担的《华北平原地下水安全与可持续利用》项目成果，上世纪80年代以来，京津唐地区每年平均超采地下水近6亿立方米。

该所领衔的另一项《全国地下水资源及其环境问题综合评价及专题研究》显示，华北平原深层地下水超采状况居全国之首，开采程度(以实际开采量与允许开采量之比来表示)达到177.2%。

其中情况最糟糕的当属海河流域，根据官方数据，累计超采水量已有1000多亿立方米，而这相当于我国最大的淡水湖鄱阳湖近70%的蓄水量。

“排空雪浪奔腾远，得水鱼龙变化多”，古人曾这样称赞海河的浩荡恣肆，而如今，海河流域可利用的全部地表水源中，有1/3靠黄河输入。

按照海河水利委员会的统计，由于过度开采浅层地下水，虽然海河流域平原面积只有黄河流域的80%左右，但漏斗规模却是后者的15倍。

2.2地面沉降概述
据2012年2月20日获得国务院批复的《2011-2020年全国地面沉降防治规划》权威发布，中国发生地面沉降灾害的城市超过50个，全国累计地面沉降量超过200毫米的地区达到7.9万平方公里。

我国地面沉降较为严重的区域主要有三大片区：长江三角洲地区、华北地区，以及陕西和山西的汾渭地区。

地面沉降，是自然因素和人为因素综合作用下形成的地面标高损失。

在《地质灾害防治条例》中，被定义为“缓变性地质灾害”，因其反应滞后，且进程缓慢，以毫米为单位计算的沉降率，人们不易察觉，具有形成时间长、影响范围广、防治难度大、不易恢复等特点。

其中，自然因素包括构造下沉、地震、火山活动、气候变化、地应力变化
及土体自然固结等。

人为因素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。

具体原因如下：
第一是开发利用地下流体资源。

由于抽取地下水，在许多国家和地区产生了地面沉降。

20世纪20年代，我国上海、天津在市区集中开采地下水的地区发生地面沉降。

华北平原地下水降落漏斗和地面沉降已经引起广泛关注。

第二是岩溶塌陷。

中国是世界上岩溶最多的国家之一。

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。

第三是开采固体矿产。

矿山塌陷多分布在矿山的采空区，以采煤塌陷最为突出。

中国有约20个省区发生采空塌陷，以黑龙江、山西、安徽、山东、河南等省最为严重。

第四是工程环境效应。

密集高层建筑群等工程环境效应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。

作为地面沉降的最主要原因之一，研究过度开采地下水与地面沉降具有重大的意义。

2.3我国因过度开采地下水导致地面沉降的现状
根据水利部今年3月22日公布的数据，目前全国地下水超采区达30万平方公里，超采量约170亿立方米，主要集中在北方地区。

公开资料也显示，华北很多城市的地下水开采量已占总供水量的70%以上。

华北平原深层地下水已形成了跨冀、京、津、鲁的区域地下水降落漏斗，形成了沧州、衡水等13个沉降中心，甚至有近7万平方公里面
积的地下水位低于海平面。

以河北省为例，上世纪80年代以来，水资源短缺的阴影一直笼罩着这个省。

河北
省人均水资源不足300立方米，仅为全国平均水平1/7。

截至2013年年底，河北累计超采地下水1500亿立方米左右，面积达6.7万平方公里，均占全国的1/3。

地下水水位不断下降，全省形成7个较大地下水漏斗区。

据中国地质调查局公布的数据显示，自1959年以来，华北平原地面累积沉降超过200毫米的区域达6万多平方公里，超过华北平原总面积14万平方公里的40%。

其中，
天津地区的沉降中心最大累计沉降量一度高达3.25米。

长江三角洲地区最近30多年累计沉降超过200毫米的面积近1万平方公里，占区域总面积的1/3。

上海市、江苏省的苏锡常3市沉降中心区的最大累计沉降量分别达到了2.63米、2.80米，并出现了地裂缝灾害。

此外，位于世界最大的漏斗区上的环渤海经济圈占全国国民生产总值近30%，有首都北京、直辖市天津等重要城市。

水资源短缺带来的地面沉降，已成为该地区发展不可忽视的掣肘。

北京理工大学教授杨艳在《北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析》一文中透露，截至2009年底，北京市最大年沉降量达到137.51mm，最大累计沉降量1163mm。

沉降现象严重的地区，包括海淀、朝阳等经济、文化繁荣的城区。

目前，建筑、道路和基础设施相当密集的北京市区受沉降影响已逐渐显现，其中地下管道面临着最大挑战，易弯曲、变形甚至破裂。

拿自来水管来说，2000年以来，超过1/3的北京市自来水供水管线破损开裂是由地基下沉引起的，而且水管破损现象多集中在地面沉降发育较严重的朝阳区和东城区。

其他如燃气管破损、路面塌陷等市政设施的破坏事件，也有地面沉降的潜在影响。

2005年，《新京报》就北京地铁黄庄站发生沉降进行了报道，在距离地铁站二三十米处形成了一个直径约3米、深约2米的深坑。

除了北方，我国其他地方也存在因超采地下水引起地面沉降的情况;(1) 山东莱州湾海水倒灌毁田毁掉60万亩(2) 古都西安地面沉降裂缝撼动千年大雁塔
2.4超采地下水引起地面沉降的原因
土力学太沙基有效应力原理:由上覆地层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的，即总应力等于孔隙水压力与固体颗粒承担的有效应力之和。

抽取地下水造成地下水位下降，孔隙水压力降低，而总应力不变，有效应力必然随之增加，从而导致土层压密固结，地表因此发生沉降变形。

用土力学自重应力原理解释：当地下水位下降时，原水位以下自重应力增加，从而导致地表沉降。

按照正常合理的方式开采地下水不会造成地面沉降，因为地下水在开采之后会在地表水的渗透下进行补充，但如果短时间内开采量过大则会造成地下水水位下降，加上北方地表水缺乏会导致地下水补充量不足加剧水位下降，从而导致地面沉降。

三：文献综述
3.1贾口洼蓄滞洪区地面沉降分析
贾口洼蓄滞洪区内土地肥沃，有大量人口居住并从事生产活动，由于蓄滞洪区内多年没有发生过洪水，近年来区内人口剧增、经济迅速发展。

因发展的需要，人们大量超采地下水以及各种矿产资源，引起土体固结，致使地面沉降的范围得以扩大，沉降速率也有所增加。

简要分析贾口洼蓄滞洪区1977—2002、2002—2010 年间的地面沉降特征，以及地面沉降对滞洪区淹没面积及蓄水容量变化的影响。

（1）研究区域和地形资料
贾口洼蓄滞洪区地处静海县中部以及河北省大
城、青县境内，地理位置在北纬38°26′06″~39°02′48″、东经116/24′59″~116°55′09″。

贾口洼位于北温带，主要受季风环流气候影响，属暖温带半湿润大陆性
季风气候。

贾口洼的多年平均年降水量约516 mm，年均蒸发量1 600~1 912 mm，最大蒸发量2 673 mm。

区内主要水系有南运河、子牙河以及黑龙港河。

以滞洪区内1977、2002以及2010年的地形高程数据作为基础数据对贾口洼蓄滞洪区地面沉降情况进行分析，同时对地面沉降影响下蓄滞洪区的淹没面积和蓄水容量的变化情况进行具体分析。

（2）地面沉降分析
对贾口洼蓄滞洪区1977—2002、2002—2010 年的地面沉降进行具体分析，表1、2 分别为贾口洼1977—2002、2002—2012 年的地面沉降值的统计情况。

贾口洼蓄滞洪区发生地面沉降的面积达1 010.2 km2。

1977—2002年的25年间，贾口洼蓄滞洪区平均累计沉降量为868.6 mm，平均沉降速率为34.7mm/a；累计沉降量在0~1 500 mm之间的面积较大，为943.6 km2，占总沉降面积的93.41%。

2002—2010 年的8 年间，贾口洼蓄滞洪区平均累计沉降量为315.7mm，平均沉降速率为39.5 mm/a；累计沉降量在0~1 000 mm之间的面积较大，为985.7 km2，占总沉降面积的97.58%。

与1977—2002年间相比，2002—2010年间的地面沉降平均沉降速率显著增加，年均沉降量增加幅度达到 4.8 mm，年均沉降量约上升12.15%。

3.2陕西省西安市地下水超采及生态修复量研究
西安是我国40个严重缺水的城市之一，以下三个图表概括了西安地下水开采状况。

多年以来对地下水的超采，使地下水位严重下降，并诱发了地面沉降和地裂缝等环境地质问题，
导致许多古建筑物受损，一些供水、供气、排水管道断裂，人们的正常生产生活受到了严重影响。

为了保护和涵养地下水资源，防止地下水水位下降引起的环境地质问题继续
恶化，治理出现的环境地质问题，西安市采取了一系列地下水保护利用的措施，其中包括开发利用地表水资源、封停自备井等措施。

为了更为科学的保护和修复地下水，本文对西安市地下水超采区进行划分，并对超采区生态回灌量的计算与生态回灌对地面沉降的修复效果等问题进行研究，为地下水的修复和管理提供可靠的科学依据。

在对西安市地下水超采区进行调查和资料收集的基础上，本文应用概率神经网络、Mapgis等方法和技术手段，通过对研究区各个指标的分析与计算，对地下水超采区进行划分，并对划分结果进行分析。

然后分析超采区形成过程，选择合适的计算方法，对研究区的生态回灌量进行分析计算。

主要取得了以下成果：
①通过对地下水超采区定义和判别方法的分析研究，本文在划分时综合考虑渗透系数、地下水埋深、入渗量等水文地质条件对地下水超采的影响。

②利用地下水脆弱性评价中的分类方法，选用概率神经网络法对地下水超采区进行划分。

③通过分析计算将西安市地下水超采区划分出十个不同开采程度的超采区，并将划分结果与传统方法的划分结果进行对比分析。

④通过对西安市地下水开采历史和现状的分析，结合西安市实际情况，采用疏干体积法对研究区进行了生态回灌量计算，得到需要的生态回灌量为11．44亿m3。

地下水的人工补给，就是通过工程设施用地表水补充地下水的方法。

即用人工的方法将选用的水注入(或渗入)含水层中，使地下水得到补给。

目的在于：(1)增加地下水补给量。

使过量开采造成的地下水资源减少和枯竭现象定期地得到缓解。

(2)改善地下水水质。

地下水水质不良的地区(包括己受污染区、海水侵入区)，用人工补给的方法往含水层灌入清洁水，加速受污染水层的稀释和净化。

(3)阻挡海水入侵。

在沿海地区过量开采地下淡水，常发生海水入侵。

为此，距海岸线一定距离布设一排或数排注水井，补入淡水，形成一条压力水墙，以阻止海水向内陆侵入。

(4)减缓地面沉降。

开采地下水造成含水层部分疏干，易引发地面沉降和塌陷，通过向开采的含水层注水，可减缓地面沉降，甚至还可引起回升。

(5)节约能源。

利用地下水温差小的特点，在含水层中蓄水贮能。

如冬灌夏用，作降温用；夏灌冬用，作取暖用。

目前回灌的分类较多，根据地质、水文地质条件，地下水人工补给的方法有：
(1)地面渗入补给法。

利用坑塘、洼地、采矿场等引蓄地表水和汛期洪水，以增加对地下的渗入补给。

它适用于包气带地层的透水性较好，且没有相对隔水层存在的浅埋含水层地区。

(2)沟渠渗入补给法。

开挖沟渠至含水层，引水入沟渠进行地下水人工补给。

它适
用于地表有不厚粘性土层的浅埋含水层地区。

(3)井内灌注补给法。

通过钻孔和井等将水
加压注入含水层以增加补给。

它适用于埋藏较深的含水层。

根据回灌方式可分为地表回灌、管井回灌和地表回灌与管井回灌相结合3种方式，其中管井回灌按注水方式的不同可分为常压回灌、加压回灌和真空回灌等。

据回灌水源的不同，人工地下水回灌可分为自来水管网水回灌、地表水回灌、雨洪回灌和再生水回灌。

3.3广东省徐闻-新疆维吾尔自治区昌吉市居民水井超采地下水
（1）素有“十年九旱”之称的徐闻县，很多企业单位及居民农民习惯于饮用地下水，该县城区更成为地下水超采区，竟出现了5000多口自备井。

当地人说，几年前打井一般到二三十米就可以了，现在打到50多米都没有水。

过度的开采地下水已引起徐闻地下水位下降。

“我们从上个月16日开始，由水利局牵头组织国土、环保、公安、工商等部门联合执法，目前已封存自备水井66口。

”7月4日，针对地下水过度开采造成水位下降问题，徐闻县水利局副局长吴晓捷向羊城晚报记者介绍了该县整治的情况。

水资源对徐闻来说弥足珍贵。

徐闻县人大的调研报告显示，当地地下水储藏量为8.74亿立方米，每年饮用地下水、农业灌溉、工业用水加县城各种旅业、饮食业和洗车台，就要抽取3.41亿立方米。

县城情况更严重，每年城区地下水资源每年可开采量为355万立方米，但自备井年采水量竟达368.6万立方米。

省内有专家已对徐闻发出“县城地下水会形成漏斗形”的警告。

据了解，地下水一旦超采过量，除了影响水资源的补给，还会导致地下“漏斗”，严重威胁地面的建筑，影响降水对地下水的正常补给，引起当地地下水资源萎缩和枯竭。

广东省地质局专家表示，徐闻地处沿海，超量开采地下水还有可能导致海水入侵，直接导致地下淡水资源被破坏、减少、变咸，水质恶化，甚至完全丧失供水功能。

记者在采访中发现，徐闻县城的地下水位下降，危及用水安全，但是，该县城自来水用量却不到日产量三分之一。

据了解，徐闻自来水公司有大水桥和城北两座水厂，日产量为3.8万吨，而居民日用水量不到1.2万吨。

据自来水公司有关人员称，不少单位在使用井水后，自来水用水量明显减少，甚至不少行政企事业和经营性质单位单月用水量为零。

徐闻自来水公司有关人员称，当地水价接近2元/吨，已是湛江地区的最低价格，但还是有很多人不愿意用自来水。

因为用地下水除了挖井花点钱，以后只是花一些抽水时用的电费，基本没其他成本。

自今年6月中旬以来，徐闻开展了一场整顿自备井的全民行动，目前已封存66家自备水井。

记者在徐闻第一中学、人民医院、徐闻中学等企事业单位看到，长年使用的多口水井已被水泥等封住。

徐闻县水利局有关领导说，这次整顿自备井行动，将减少抽取县城地下水三分之二以上，有效地保护城区地下水资源。

不过，记者发现，按照徐闻县政府关于清理整顿城区自备水井工作实施方案，要尽快关闭包括行政事业单位在内的5000多口自备水井，任重而道远。

（2）记者近日从新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州水政部门了解到，“十二五”期间，昌吉州将实施城镇公共供水管网覆盖范围内的自备井、农业灌溉机电井关停计划，希望在“十二五”末将地下水开采总量控制在9亿立方米以下。

据了解，昌吉州正在制定水量分配初步方案，以建立流域和县市、园区取水许可总量控制初步指标，将用水指标逐级分解到企业、灌区、机井，做到亩有定额、户有总量、井有总量；尽快核定并公布禁采和限采范围；严格取水许可审批管理，加强新改扩建工程项目的水资源论证；进一步实行“井田双控”，严禁打井开荒；按地下水开采总量控制和机井合理布局等原则，关闭农业高效节水覆盖范围内、地下水超采区和沙漠边缘生态脆弱区域内的部分机电井。

昌吉州是新疆最缺水的3个地(州)之一，人均拥有地表水资源量仅1597立方米，低于全国2200立方米、新疆维吾尔自治区4507立方米的平均水平。

昌吉州地下水开采严重，年开采量10亿立方米，局部地区地下水严重超采，形成了2400余平方公里的地下水降落漏斗。

四、问题分析与对策
4.1问题分析
因为各地区的因超采地下水引起的地面沉降问题的原因各不相同，解决地面沉降问题的方案措施也不一而足，总体来说，在第三部分的西安模式与河北模式中主要采用了人工回灌技术，河北省因存在大量农业区，应该重点发展与大力提倡节水灌溉措施，种植节水作物等；而对于徐闻、昌吉等水井过度适用地区除了封存措施以外还应辅以管理
节水措施。

4.2具体方案措施整理
4.2.1城市雨水渗透利用技术
城市雨水渗透利用技术主要包括透水性路面、渗透井、渗透池、渗透渠和下凹式绿地等。

渗透设施通常是挖掘土壤后，填上特殊渗滤介质（如碎石、沙砾等）。

有时，为防止侵蚀周边土壤，用土工布包裹。

雨水渗透利用早在我国一些古城的建筑中就有体现。

如，南方老城区庭院中间的天井沟和矩形渗坑，用于储蓄雨水；苏州园林宅内和后花园均有雨水渗井。

这种技术的优点是，能补充涵养地下水、缓解地面沉降、减少水涝和海水倒灌、减少地表径流、减少雨污管道负荷等，具有良好的经济、环境和社会效益。

缺点是，雨水渗透利用效益投资比相对较高，运行中也存在一些问题。

如，雨水径流中的悬浮污染物对渗透利用设施以及土壤层的堵塞，下渗雨水中的重金属和难降解有机物对土壤及地下水的潜在威胁等。

由于我国雨水径流污染严重，这些问题尤为突出。

目前，各种人工渗透设施未能根据其适用条件进行科学优化组合，也未针对场地特点，对雨水利用的目的进行详尽分析，从而确定对应的雨水人工渗透设施规模。

4.2.2加压式人工回灌
加压式人工回灌井通常用于补给深层地下水。

加压回灌井占地面积小，回灌速度快，既可用于回灌，又能用于抽水，实现水量的季节调节。

因此，该技术适用于城市中地价昂贵或空地少的地区。

但是，加压式人工回灌井需要专人管理。

这是因为，在回灌过程中，若进入空气会形成空气阻塞，并降低回灌速度。

在长期运行过程中，回灌水中的固体物质会阻塞透水层，降低渗透系数。

4.2.3高效节水灌溉工程
大力发展高效节水灌溉面积，推广微喷灌、滴灌等高效节水灌溉技术，在土地流转规模集中、现代农业产业园区、设施蔬菜、经济林果集中连片的区域，实施高效节水灌溉工程建设。

总投资4．64亿元，节水0．4亿m3。

2014年发展高效节水灌溉面积30。