水文地质学论文1

水文地质学论文

过度开采地下水导致的地面沉降问题

摘要：人类的工农业生产需要消耗大量的天然水资源，其中对于地下

水的开采在一些缺少河流和湖泊的地方尤为严重。但一个不容忽视的问题是，地下水开发利用不当，不仅会造成土壤盐渍化、植被退化等生态环境问题，而且由于过量开采地下水，因而引发严重环境质量问题。本文对于地下水过度开采引起的环境问题主要讨论了地面沉降。地面沉降是一种缓变型地质灾害，为沿海平原城市常见的地质灾害，许多地区的地面形变监测资料表明，地面沉降中心与地下水漏斗分布范围有较好的对应关系。对于地面沉降，本文主要从三个方面来讨论，首先介绍地面沉降的形成机制及其主要危害，第二介绍近期发生在我国的一些地下水过度开采导致地面沉降的实例，第三简单介绍地面沉降的控制和治理。

关键词：地面沉降；形成机制；实例分析；防治对策

一、绪言

地面沉降是指某一区域内由于各种原因导致的地表浅部松散沉积物压实加密引起的地面标高下降现象，又称作地面下沉或地陷。地面沉降的特点是波及范围广、下沉速率缓慢、以垂直运动为主，往往不易察觉，但它对于建筑物、城市建设和农田水利危害极大。联合国教科文组织地面沉降工作组是地面沉降的国际研究机构，从1965年以来通过研讨会的形式，将世界各国或地区的地面沉降工作者组织到一起，从地面沉降的原因、危害、防治和监测等角度进行了深入的探讨。我国目前已经有96个城市或地区发生不同程度的地面沉降，而各地经济的快速发展又加大了用水的需求量，使得用水现状进一步恶化。

二、地面沉降的形成机制及主要危害

2.1地面沉降的形成机制

对于地下水开采造成的地面沉降的机理解释主要是土力学中的有效应力原理和水动力固结原理。由于开采地下水引起含水层水位下降，因而引起相邻黏土层中孔隙水压力降低。根据太沙基的有效应力原理及固结理论可知，土中由覆盖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。假定粘土地层内应力保持不变，如果孔隙水压力降低，必将引起粘土间有效应力增加，从而使颗粒间距减小，引起孔隙体积减小，而导致地面沉降。

由于透水性能的显著差异，上述孔隙水压力减小、有效应力增大的过程，在砂层和黏土层中时截然不同的。在砂层中，随着承压水头降低，有效应力迅速增至与承压水位降低后相平衡的程度，砂层压密是在“瞬时”完成的。在粘性土层中，压密过程进行得十分缓慢，往往需要几个月、几年甚至几十年的时间；因而直到应力转变过程最终完成之前，黏土层中始终存在有超孔隙水压力。它是衡量该土层在现存应力条件下最终固结压密程度的重要指标。相对而言，在较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性、可逆的，而粘土层的压缩性则大得多且主要是非弹性的永久变形。因此，在较低的有效应力增长条件下，粘性土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹则具有决定意义。

2.2地面沉降的危害

地面沉降常产生于那些具备特定地质环境的工业化和城市化地区，给当地的社会经济发展和人们生活带来危害。地面沉降所引起的不良后果包括：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，城市供水及给排水系统失效；农村低洼地区洪涝积水，使农作物减产等。它是一种威胁人类生活和生存的环境地质问题或地质灾害。在中国许多大中城市都程度不同地出现了地面沉降。如天津市在100k ㎡的范围内，地面沉降量已超过一米；太原市最大沉降量也已达1.38米，并出现看房屋裂缝、地下管道断裂等现象；榆次市由于地下水位下降，使潇河大坝产生不均匀沉陷，严重影响到枢纽工程的安全。

三、地面沉降实例分析

3.1苏南太湖地区地面沉降

苏南太湖流域在经济快速发展过程中，生态环境问题也日益突出，其中，地下水位下降以及地面沉降是生态破坏的突出表现形式之一。

据二十世纪八十年代调查，常州市1970年代以来，地下水位平均每年下降4m，漏斗中心潜水位已经达到60多米深，苏州、无锡、常州三市50-80年代多年平均地下水位下降速度分别为2.0m、1.8m和2.8m，并已形成多个以诚实为中心的地下水位降落漏斗，其中，苏锡常三城市中心附近，常熟、昆山、太仓等市区，1991年以来地下水位下降速度为1m/a。

由于地面沉降，使苏南太湖流域圩区面积增加，防洪功能丧失或失效，防洪任务加重，每一届政府在防洪上面的投入逐年增加。无锡前洲镇28km圩岸，1991年以后每年投资600多万元加高堤防，到目前已投入4200万元。据不完全统计，无锡市因为地面沉降造成的直接经济损失约3.5亿元，因为地面沉降需要翻建、重建的水闸294座，排涝泵站、涵洞600个，需加高、加固的堤防长度达572km，出现“小雨中水位，中雨高水位，大雨要漫堤”的严峻局面。整个太湖流域1999年的洪涝损失明显高于1991年。[1]

3.2上海市地面沉降问题

对于上海市，在厚达300m的第四系疏松沉积物中蕴藏着丰富的深层地下水资源。自1860年开凿第一口深井以来，已有100多年开采地下水的历史。1921年近代工业形成以后，由于地下水开采量逐渐增大，开始出现地面沉降。到解放前平均开采量为4×104m³/d，而地面沉降量为23.7mm，市区平均累积沉降量0.639m，个别最大沉降地区已达1.136m。解放后，随着工业生产对地下水需求量的日益增多，地面沉降愈来愈严重，至1958年地下水开采量从1949年的21.4×104m³/d增至37×104m³/d，地面沉降量亦从35mm增至105mm。1958年后日开采量略有减少，1963年后逐步采用了压缩用水措施。至1965年开采量已减至13×104m³/d，年沉降量也相应减至22.1mm，市区地面平均累积沉降量1.76m，最大累积沉降量为2.63m，针对这一情况，1965年提出了压缩用水，调整开采层次和开展人工回灌地下水等措施，收到了明显的效果，从1966年起基本控制了上海地面沉降。近期市区处于微量沉降状态，年平均沉降量为2.65mm远远小于采取措施前的沉降量，近郊工业区因地下水开采量逐年增加，每天地面平均沉降量为10-20mm。[2]

四、地面沉降的控制和治理

地面沉降与地下水开采紧密相关，只要地下水位以下存在可压缩底层就会因过量开采地下水而出现地面沉降，而地面沉降一旦出现则很难治理，因此地面沉降主要在于预防。

（1）限制和压缩地下水开采量：地面沉降可通过调整取水工程布局和削减开采量来控制地下水位的下降。在进行开采设计时应根据允许降深值来确定开采量。已经发生地面沉降的地区，应不超过造成沉降的允许水位降来计算降深沉降值，限制和压缩地下水开采，采取了许多可行的措施——以地表水代替地下水；以人工制冷设备代替地下水冷源，即在夏季增加人工制冷设备，作为工业空调辅助冷源，减少夏季地下水开采量；综合利用，采用深井联络网实行地下水重复利用，调整地下水开采层次，合理分配各含水层的供水量。

（2）人工补给地下水（人工回灌）：这是用于防止地面沉降和增加地下水开采量的最积极的措施。选择适宜的地点和部位向被开采的含水层、含油层施行人工注水，使含水（油、气）层中孔隙液压保持初始平衡状态，最大限度地减少因抽液而产生的有效应力增量。把地表水的蓄积储存与地下水回灌结合起来，建立地面及地下联合调节水库，一方面利用地面蓄水体有效补给地下含水层，扩大人工补给来源；另一方面利用地层孔隙空间储存地表水，形成地下水库，以增加地下水储存资源。

（3）地面沉降区治理措施：对已产生地面沉降的地区，根据其灾害规模和严重程度采取地面整治措施，主要方法有：①在沿海低平原地带修筑或加高挡潮堤、防洪堤，防止海水倒灌、淹没低洼地区；②改造低洼地形，人工填土加高地面；③改建城市给、排水系统和输油、气管线，整修因沉降而将破坏的交通线路等线性工程，使之适应地面沉降后的情况；④修改城市建设规划，调整城市功能分区及总体布局，规划中的重要建筑物要避开沉降区。[3]