地面沉降是怎么造成的

地面沉降是怎么造成的？
半个多世纪以前，国外就发现，由于抽汲地下水引起了地面沉降。

1922年，日本东京的江东地区在高潮位时，大范围陆地被海水淹没，由此引起了注意，测量结果发现该地区存在着地面沉降问题。

据统计，墨西哥首都墨西哥城自1898～1956年中，地面沉降了5—7m。

泰国曼谷、日本东京、大皈都是世界上地面沉降严重的地区。

我国最早发现地面沉降的是上海市，这里有厚约300m的海际交互相第四纪沉积物。

主要采水层为顶界70m左右的砂层，由地面到主要采水层之间为淤泥质亚粘土与粗砂互层。

1922～1938年上海地面平均下沉26mm，至1965年沉降中心地面最大沉降值达2.37m。

此外，天津、宁波、常州、西安、台北及沧州等城市均已发现地面沉降。

地面沉降，造成地下管道扭曲折断，道路起伏不平，码头被淹，海水倒灌，建筑物因不均匀下沉产生裂缝甚至倒塌，给工业生产、城市建设和人们生活带来极大危害，已成为城市的一大公害。

据统计，从1961年到1970年的10年中，东京江东三角洲约47k㎡面积内，为了克服地面沉降造成的危害，筑堤防潮，整修港湾河道及下水道，修缮民房等，共计花费了820亿日元。

以同期该地区抽取的地下水总量为3.6亿t计算，则为消除不良后果每抽取1t地下水所支付的费用高达23 0日元。

在日本，正常情况下开采1t地下水所需费用仅为l～5日元。

开始发现地面沉降时，对其原因的揣测众说纷法。

后来发现，地面沉降的中心往往与水位开采中心一致，而且地面沉降又与地下水开采时间同步。

如日本东京第二次世界大战前发现地面沉降，战争期间开采地下水数量大幅度减少，地面沉降基本停止，战后开采水量增加，沉降则又发展。

由此认识到，大量开发地下水引起地层压密是地面沉降的原因，其中粘性土层压密是地面沉降的主要原因。

开采孔隙承压水为什么会引起地面沉降呢？长期大量的实际观测和研究发现，在抽取含水砂层中的地下水时，随着水位下降与上升，并附近地面的高程显示同步地微量下降与上升。

因此认为，开采含水层水位下降后，由于砂层压密而造成地面沉降，水位恢复后砂层回弹，沉降消除；砂层释水压密为弹性变形；所引起的地面沉降为暂时性的地面沉降。

对于粘性土的释水压密问题，尽管有效应力原理同样适用于粘性土层，但是却比砂层复杂得多。

首先，含水层抽水时，相邻粘性土层的释水压密程度由抽水层近侧向远侧变小。

其次，这种释水压密是由近抽水层一侧向远侧逐步发生的。

第三，由于粘性土颗粒间有较强连接力，形成的结构孔隙会因压密变形，应力去除后，变形不能恢复。

故含水层抽水时，粘性土层发生塑性释水压密，水位恢复后，土层不回弹，所引起的地面沉降是永久性的，不可消除的。

为了控制地面沉降，上海市在1965年以后通过钻孔进行人工补给，抬高含水层水位，结果地面大体上不再下沉，并略有回弹，
但原先发生沉降的地面基本上未能回弹复原。

此外，尽量使用地
表水，减少使用地下水，多植树造林，以便涵养水源，补充地下
水等，也能起到防止地面沉降的作用。

从水量角度看，采水时含水砂层与粘性土层所释出的水量均属储存资源。

但是，在水位回升恢复时，含水砂层能够回弹储水，弹性释水量也随
之得到补偿，而粘性土层基本上不能回弹储水；粘性土层一旦释水，便永
远不能得到补偿。

由此可知，被开采的孔隙承压含水系统水位复原时，并
不意味着储存水量的复原。

常州市地面沉降问题初探
张蓉
常州市水利局，常州，213001
摘要：本文围绕常州市因地下水过量开采引发地面沉降等地质灾害问题，通过分析沉降状况、成因及其造成的危害，提出了治理地面沉降的措施建议，为行政管理部门防治地面沉降等地质灾害提供一些新的思路。

关键词：常州地面沉降防治
一、常州市地面沉降状况
常州市自然地理条件优越，国民经济繁荣，开发利用地下水有着悠久的历史，民井遍及各个村镇。

改革开放以后，苏南乡镇企业遍地开花，城乡经济迅猛发展，创造了巨大的经济效益，同时也给环境带来了负面影响，地表水污染加重，河道水质普遍下降，以地表水入渗作为主要补给来源的潜水也遭受污染，生产生活用水逐渐转为以开采承压水为主。

而市区主要开采深部孔隙第Ⅱ承压水。

到二十世纪八十年代初期，开采量已达到一定规模。

由于缺乏合理的规划及配置，开采井的布局不合理，再加上深层地下水具有“三集中”（开采地段集中、开采层位集中、开采时间集中）的开采特征，因而在长达20年的时间里，我市绝大部分开采区出现严重过量开采的情况，产生了地下水位急剧下降、水质恶化等问题，从而引发了地面沉降，并开始呈现出明显的地质灾害。

统计资料表明，历史上常州市深井密度最高达22眼/平方公里，深层水的开采强度最大达5500立方米/（日•平方公里）。

常州市与周边地区地下水开采形成的较大范围的地下水降落漏斗，漏斗中心水位埋深最深时达到80米以上。

我市地面沉降主要发生在最近30
年，1979—1983年市区平均沉降量为60—70毫米/年，最大沉降量达147毫米/年，短短4年间最大累计沉降量为558毫米，市区出现30多处井管上升，井台倾斜、开裂现象。

再如监测点徐窑1983—1998年15年间累计沉降914毫米，监测点电话机厂1989—1998年9年间累计沉降587毫米。

沉降发展至今已形成与武进、锡山、江阴等地区相连的区域性地面沉降漏斗，并形成了多个沉降中心，部分地区相应出现地面塌陷、地裂缝等地质灾害，给人民生产生活造成了巨大损失。

我市累计地面沉降超过600毫米的地区达399平方公里，市区的最大累计沉降量达1.10米，个别地区沉降量达1.5米，现仍以每年6-10毫米的速度下沉，给我市的国民经济和社会发展带来不利影响。

二、地面沉降的特征、成因和机理
常州市位于苏南中部长江三角平原及太湖冲积湖积平原区。

广阔平原地区为第四系湖相、河流冲积相等成因类型为主的沉积层，厚度一般在120—240米。

地层构造以砂岩为主，既具有供水能力不大的小而薄的潜水含水层，又存在储量丰富的、具有较大供水能力的深层承压含水层。

在常州这种特定的水文地质条件下，地面沉降是一种连续的、渐进的、累积式的地质灾害，这种变化通常不被人们所察觉，但当它以房屋开裂、管线折断、洪水淤积等形式暴露出来时，又是常州地区最严重的地质灾害，具有分布范围广、区域性地面沉降漏斗发展迅速，差异性沉降大的特点。

在我市特定的地质背景下，对地下水资源的集中超量开采是产生大幅度的、急剧的地面沉降的最主要因素。

而承压含水层地下水资源由于其补给周期长，是一种难以快速再生的资源。

长期以来，开采量超过补给量，造成消耗性开采，动用储存资源，从而使区域水位不断持续下降，破坏了原有的水、土应力平衡状态。

此时，一方面造成孔隙水压力转嫁于含水层骨架，加大了含水层颗粒间的有效应力，使含水砂层本身排水压密，产生弹性变形，局部可能出现程度不同的塑性变形或永久变形，前者在随地下水储量的可能恢复而复原，后者则不能恢复；另一方面，由于承压水头的下降，引起其顶板、底版的低渗透性及饱和粘土中的孔隙水或结合水产生排水或释水效应，使土颗粒间产生相对位置移动或重新排列。

由此产生的土体变形在宏观上即表现为地面沉降，并具有不可逆性。

含水层本身的压缩是瞬时完成的、弹性的、可恢复的；而粘性土的排水固结过程具有时间上的滞后性，因而导致的地面沉降也具有滞后效应（可理解为惯性过程），是不可恢复的。

因此，过量开采地下水引发的危害是长期的、难以逆转的，已发生的地面沉降还将持续一段时间。

根据我市的地层构造特点，有专家预测，即使做到地下水全面禁采，我市的地面沉降也大约要到2020年才能完全停止。

但通过采取禁采和人工回灌地下水等措施，使地下水的补给量超过开采量，可控制地面下沉现象，减缓沉降速率。

城市单位面积建筑容量的增加、高层建筑过于密集是地面沉降的又一诱发因素，这在上海、北京等特大城市尤为明显。

有监测研究表明，目前上海地面沉降的原因，70%归因于地下水过量开采，30%来自高层建筑和市政重大项目建设的影响。

由于大规模的地表和地下工程建设，增加了地基的荷载，使得地面产生工程性沉降，且该沉降量与建筑规模的扩大呈正相关。

建筑规模增速越快，沉降越大；集中建设较分散建设地面沉降
量大；新建的建筑较之原有建筑改建具有更为明显的沉降效应。

这说明了为什么在1990年浦东新区大规模开发以来，上海地面下沉有加速且范围逐渐扩大的现象，同时也提出了单位面积建筑容积率问题。

建筑容积率在一定程度上反映了地面沉降的变化趋势。

对于同一地区而言，建筑容积率增加，沉降也随之加大。

建筑物密度高，地面沉降量也大。

由此，这一涉及城市建设规划的问题对地面沉降的防治工作提出了更为严峻的挑战。

三、地面沉降的危害
一是降低防洪排涝能力，加重洪涝灾情。

一些地方区域性水系被打乱，河床抬高，桥墩下沉，汛期河水上岸使道路积水，排水行洪不畅，原有水利工程失效，堤岸一再加高。

如武进前黄镇在1991年大水时受灾较轻，而因地面沉降的加速，在1999年洪涝期间，全镇淹水，最深的地方达1米以上，时间长达一个月，全镇人民的生产、生活和财产遭到不同程度的破坏；二是影响城乡建设环境，桥梁净空的减少直接影响航运，城市地下管道折断，对沪宁铁路、高速公路等重要基础设施构成直接或潜在威胁；三是恶化农业生态环境，增加低洼地，农业渍害加重；四是不均匀沉降造成建筑物变形或毁损，房屋墙体开裂甚至倒塌。

如武进横林镇成片农房严重毁坏，仅政府用于农民搬迁的经费就超过100万元，九十年代末期横林地裂缝所造成的直接经济损失在2000万元以上，间接经济损失达2亿元。

地面沉降是一种缓慢的地质变化，它最终的影响是造成国家测量标志失真、导致生态环境恶化。

因此，我市全面实施控制开采地下水，既是缓解地面沉降的需要，也是优化投资发展环境，确保水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展，维护广大人民群众切身利益的迫切需要。

四、地面沉降的防治措施和建议
地面沉降一旦形成一定的规模和产生明显的损坏，以人类现有的科技水平，治理和恢复起来都是极为困难的。

目前所能采用的手段，并不能将已经下沉的地面恢复至原貌，更不能将已受损的建筑物恢复如初（除非重建），只能减缓地面沉降速率或中止继续下沉的趋势，减少损失。

1、控制地下水开采，从根本上解决地面沉降问题
前面所述，特定的地质背景为地质灾害的发生和发展提供了内在因素，而超量开采地下水是导致地面沉降和地裂缝的主要外部诱发因素。

因此，在不可能改变地质背景的前提下，减缓和控制地面沉降，必须限制地下水开采量，消除地质灾害的人为因素。

（1）禁采深井水，减缓地面沉降速率
为解决因地下水过量超采引起地面沉降等地质灾害问题，市政府从1996年开始对地下水实行计划开采，逐年压缩开采量，加强对地下水开采的管理和控制。

特别是2000年8月26日省人大常委会《关于在苏锡常地区限期禁止开采地下水的决定》通过后，我市大力开展地下水封井禁采工作，按计划逐年填封深井，削减地下水允许开采计划，三年来累计填封深井872眼，压缩地下水开采量5000万立方米，加上二十世纪九十年代的
压缩开采量，我市共压缩开采地下水约9000万立方米。

通过切实有效的压采和禁采措施，有效地促进了常州市地下水资源的采补平衡，地下水位大范围回升，地面沉降等地质灾害的发生和发展初步得到控制。

地面沉降速度从过去的年平均沉降量40多毫米降至不到10毫米。

据常州市水文局监测数据，常州市城区2003年9个监测点平均地面沉降量8.0毫米，比2000年减少8.0毫米，监测点常州纺工学校2003年的年沉降量比2000年减少了14毫米，降幅达到53%，地面沉降速率明显趋缓。

（2）压采浅井水，加强浅层地下水管理
长期以来，由于浅层地下水开采点多、开采规模不大、开采方法简便和管理部门重视程度不够等原因，加上浅井水开采具有面广、隐蔽性强、管理难度大的特点，造成了对浅层地下水的管理比较薄弱。

随着水价的提高和深层地下水的禁采，浅层地下水开采呈逐年上升趋势，局部地区因大量开采浅层地下水而导致地面沉降不均匀，造成建筑物损坏等地质灾害发生。

同时，浅层地下水水质相对较差，根据常年监测资料，常州市浅层井水质劣于深层井，包括Ⅰ承压水在内的浅层井中绝大多数（约85%）受到不同程度的污染，主要污染物为氨氮、亚硝酸盐氮、总硬度、总铁等指标。

受到污染的浅井水影响取水户生产效益和广大人民群众的身体健康。

根据《江苏省水资源管理条例》和省水利厅关于加强浅层地下水管理的有关规定，水行政主管部门应当尽快加强对浅层水的管理。

一是做好浅层地下水开发利用规划。

水行政主管部门要抓紧组织编制浅层地下水开发利用规划，在摸清浅层地下水开采现状、时空分布特征和补、迳、排条件的基础上，确定浅层地下水允许开采限量和合理的井网布局，研究浅层地下水开发利用的技术途径，明确不同用水对象的水质要求，优化配置浅层地下水和地表水，实现优水优用，促进水资源的合理开发和可持续利用；二是浅层地下水开采也要严格实行总量控制、计量管理和计划用水、节约用水，依法征收浅层地下水水资源费，鼓励企业进行河水净化或节水技改，以减少浅层地下水的开采量；三是依法加强浅层地下水取水许可管理，明确管理重点。

凡利用机械提水设施直接取用浅层地下水用于生产经营、商业、服务业和水温空调的用户均应被列入管理对象，通知其限期到所在地水行政主管部门办理取水许可登记手续；四是加强水温空调取水管理。

在市区范围内建筑物密集地区，禁止任何单位和个人开采浅层地下水用于水温空调；五是加强浅层地下水监测和保护。

在开采密集区布设监测站网，定期开展浅层地下水水量、水位、水质、水温监测；六是加大宣传力度，包括对水质污染现状等方面的宣传，充分发挥新闻媒体的宣传作用，及时报道节水典型，对水事违法案件进行曝光，制订违章凿井举报奖励措施，公布举报监督电话，增强全民参与意识，使全社会关注地下水问题，提高社会对加强浅层地下水管理的理解和支持。

2、继续开展地下水人工回灌
在分析总结地下水人工回灌系统资料的基础上，编制人工回灌计划，逐步扩大人工回灌的范围，增加回灌量。

实践证明，人工回灌地下水可实现局部超采区的灌采平衡，对控制地下水超采，减缓地面沉降速率，能起到一定的作用。

近年来，我市已在国棉一厂、常州色织厂等9个单位布设人工回灌点11处，定期进行人工回灌，年回灌水量均在100万立方米以上，使局部地区地下水水位有较大回升，地面沉降速率得到了有效控
制。

3、扩大地质灾害的防灾、减灾宣传范围
由于地面沉降的滞后性、缓慢性和隐蔽性，对城市建设、农田水利、交通航运的影响不象地震、泥石流那样容易被人察觉。

为了子孙后代的生存环境，应经常适时地开展地质灾害防灾、减灾的科普宣传，争取得到广大市民的理解、支持和配合。

4、完善监测机制，健全地面沉降监测体系
有关部门应落实人员、设备和经费，加强地面沉降监测，详细查明地面沉降现状，预测地面沉降发展趋势，提出相关防控对策。

组织建设地面沉降预警预报系统，定期向主管部门提供监测数据，同时向社会各界发布地面沉降信息，必要时对沉降发展速度较快、易对人民生命财产造成危害的地区，要象发布台风警报一样及时发布，提醒人们引起足够的重视，尽早采取有效措施，减少受灾损失。

5、做好高层建筑规划，降低市政工程建设的单位面积容量，缓解工程性地面沉降
由于近年来我市建设特大型城市的需要，根据城市建设规划要求，市区高层建筑和市政重大项目建设规模越来越大，上海的典型例子足以引起我们的高度重视。

在高层（18层以上）或超高层建筑中使用长桩或超长桩，能有效减少沉降，使建筑物荷重的增加不致引起地面沉降的同比例递增和差异性沉降的发生。

6、开展地质灾害危险性评价论证
根据《江苏省地质灾害防治管理办法》和省、市政府关于加强地质灾害防治工作的要求，建议今后在地面沉降易发区建设重大工程时，先期进行地质灾害危险性评价论证，防患于未然。

关注海岸带地质环境六大问题
日前召开的海岸带地质环境与城市发展研讨会上，国内外近四十名专家围绕着海岸带地质环境变化对城市发展的制约和人类活动对海岸带地质环境的影响做了专题报告。

这些报告涉及众多问题，在会议闭幕式上，陈梦熊院士将这些问题总结为六大类。

海岸带地质环境问题一：海平面上升引发的各类地质灾害。

由海平面上升引发的环境地质问题有风暴潮、海水入侵、河道淤塞、海岸侵蚀、对海滩和湿地的破坏等。

渤海湾沿岸是我国风暴潮最为严重的地区之一，历史上两千多年前就有对这一地区风暴潮的记载，建国后，渤海湾沿岸发生过6次严重风暴潮。

风暴潮给沿海地区带来巨大经济损失，而且随着社会经济发展，风暴潮灾害损失将越来越严重。

防治风暴潮，要加强对其成灾规律的研究，同时要在沿海地区修筑防潮堤坝。

海水入侵是海岸地区的普遍问题。

在大连市，越是工农业建设比较集中的场所，海水入侵越是严重。

海水入侵引起的水质恶化直接影响了工业产品的质量。

用这样的咸水浇灌农田，造成了土地板结，粮食蔬菜枯萎减产。

近30年来，海水入侵防治在我国经历了调查研究、试验探索和全面实施三个历史阶段。

对海水入侵的防治，我国现有入侵类型差别防治论（即针对中国存
在现代海水入侵和咸卤水入侵两种不同类型采取不同措施）、入侵层次防治论、灾害阶段防治论、地下水限采论、人工补源论、刚性工程论、客水论、抽咸补淡论等。

这些理论在防治实践中，存在着对承压含水层和多层含水层的入侵，尤其是咸卤水地区，第四系埋藏厚度较大，存在多个咸水层入侵问题，目前还缺乏有效的防治实践措施；防治工程的规划和设计沿用老规范标准，缺乏创新和系统性；措施比较简单，缺乏高技术含量；目标单一，考虑对生态环境的影响少等弊端。

由于传统的海水入侵防治存在着种种缺点，近年来我国提出了生态防治理论。

所谓海水入侵的生态防治理论，是以防治海水入侵和海岸生态恢复为双重目标，综合运用各种工程的和非工程的措施，集成一个立体的防治体系，维持咸淡水界面达到一种生态的平衡，把海水入侵控制在一个可容忍的程度。

海岸带地质环境问题之二：地下水资源的合理开发利用，包括微咸水、咸水、卤水以及矿泉水的开发利用，地下水库、应急水源地的建立。

建设地下水库，可以实现水资源丰枯调蓄，有效解决淡水资源不足，还能防止海水入侵。

以大连市为例。

大连市人均水资源占有量697立方米，仅相当于全国人均水量的四分之一，为我国严重资源型缺水地区。

为了解决水资源紧缺问题，大连市利用现有22条滨海河谷建设地下水库。

在滨海河谷建设地下水库具有不占地、不动迁、周期短、水资源调节作用强、改善流域生态环境、防止海水入侵、提高抗旱防洪能力等优点。

地下水库工程作为一项新兴的系统工程，具有较高的科学研究价值。

在流域水资源综合管理的前提下，进行地表水库、地下水库的统一规划，并实现联合调度，逐步实现流域水资源合理开发和可持续利用，对地下水资源开发和海水入侵治理都必将发挥作用。

海岸带地质环境问题之三：地下水资源超量开采造成的地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷等灾害。

引起地面沉降、地裂缝等灾害有自然因素和人为因素。

自然因素中，包括构造活动、海平面上升等；人为因素包括大规模工程建设、地下热水及油气资源开发等。

其中，人为过量开采地下水是造成灾害的重要原因。

过量开采地下水资源会诱发许多环境问题，比如地下水位下降、地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷、水质恶化等。

以广东省湛江市为例。

自50年代以来，湛江市开始大规模开采地下水。

由于开采处于无政府状态，再加上城市规划、工业布局与水资源条件不相适应，没有进行水文地质调查之前就确定了工业布局，加大了用水的紧张度。

另外，开采层次、开采时间、开采地段的三集中，加重了湛江市的地面沉降。

湛江市地面沉降主要是由人为过量开采地下水造成的。

上海、天津等城市也同样面临地面沉降问题。

为了控制地面沉降，各地根据实际分别采取了措施。

近年来，上海采取严格压缩地下水开采量、含水层人工回灌、调整开采层次与开采量布局三项措施，并调节地下水采灌，有效控制了上海市区地面沉降。

天津市自1986年以来严格实施控制沉降计划，控制和压缩天津市区、海岸带地下水开采量，市区和塘沽区地面沉降基本得到了控制。

湛江市提出以下措施防治地面沉降：在不同层次、不同时间、不同地区开采，对超采区地下水资源进行保护；强化地下水资源管理，发挥水价的经济杠杆作用；依法治水，完善地下水资源保护法规；建立节水型经济。