浅析超量抽取地下水引起苏锡常地区地面沉降的机理及防治措施

超量开采地下水引起苏锡常地区地面沉降的机理及防治措施
成都理工大学环境水文地质
摘要：我国已有70多个城市因地下水过量开采，造成地面严重下沉，沉降中心超过2米的有苏锡常地区、西安、上海、天津、太原等城市。

地面沉降是一个复杂的环境地质问题。

由于地下水的长期超量开采，地下水位长期下降，导致局部地区地面下沉，而不均匀沉降还导致地裂缝等地质灾害。

对人民生命财产安全构成严重威胁，严重制约工程建设和经济发展。

地面沉降的出现还与区域地层岩性结构、水文地质条件、土的类型、厚度、压缩性的大小、固结历史等因素有关。

本文结合前人研究成果，以苏锡常地区为例，对该区地面沉降的历史沿革、产生机理、空间分布等进行了简单的分析并提出一些防治措施。

关键词：苏锡常；地面沉降；地裂缝；地下水
1 概述
地面沉降作为一种缓变型地质灾害，是世界上许多国家、尤其是位于广大平原区并以开采地下水为主要供水水源的地区共同面临的问题【1】，苏锡常地区就是典型例子之一。

苏锡常地区位于长江三角洲地带江苏省南部，总面积17513km2，是我国经济最发达、城市工业化程度较高的地区之一，拥有江苏省40%的常住居民和创造了江苏省约40%的GDP，已成为长江三角洲经济区的核心地带。

随着工程经济活动强度和规模的不断扩大，地质灾害频繁发生，地质环境日趋恶化，
自然生态环境严重失衡。

其中在该地区分布最广、影响最大的地质灾害就是地面沉降。

所以开展地面沉降的规律和机理研究，采取可行的防治措施，有效控制地面沉降的继续发展对社会经济的可持续发展具有重大意义。

据2011年12月26日江苏媒体报道：2000年，江苏省人大立法在苏锡常地区实施限、禁采地下水。

监测表明，截至目前该地区禁采累计遏制了近900平方公里的地面沉降，已有地裂缝活动性明显减弱，未出现新的地裂缝。

地质调查研究院对苏锡常地区地下水禁采的最新调研显示，目前苏锡常地区地面沉降控制效果明显，地下水位全面回升。

2 历史沿革
苏锡常地区的地面沉降于20世纪60年代初见端倪；70年代末至8O年代中期，地面沉降主要发育在苏州、无锡、常州三个中心城市。

地下水位埋深一般为55～60 m，而地面沉降大于200 mm也仅分布在这3个中心城市区；80年代后期，随着外围乡镇地下水开采量的增加，区域水位降落漏斗开始形成；90年代以来，地下水开采量开始猛增，地面沉降漏斗向外扩展的速度增大，大于200 mm的地面沉降区已达到5000km2以上。

2004年苏州、无锡、常州3个中心城市地面累计沉降量已达1200 mm。

地面沉降量大于200 mm的等值线已将3个中心城市包围[2]。

3 区域地质环境及灾害特点
苏锡常地区基底岩性主要为石英砂岩、泥质石英砂岩、紫红色粉砂质泥岩、灰岩、白云岩、泥灰岩等。

其地貌格局主要奠定于中生代
末的燕山运动，褶皱和断裂作用强烈，构造错综复杂，凹陷和隆起相继形成，基底地形极其复杂。

该地区地质结构变化大，第四纪沉积物成因类型复杂，发育有多个含水砂层和软土层，在地质历史时期赋存了丰富的地下水，其中埋藏于70～130 m的第Ⅱ承压含水层富水性好、水质优良、分布广泛，是苏锡常地区地下水主要开采层。

基于此，苏锡常地区的地面沉降特点与上海、天津等城市的地面沉降有显著的不同，上海、天津地质构造及第四系地层分布稳定，地面沉降表现为较均匀性的整体下沉，而苏锡常地区基岩面起伏不平，高低落差大，松散地层的厚度与结构变化也大，地面沉降易产生不均匀性差异沉降，导致地裂缝和地面塌陷灾害发生。

因此，同样由于过量开采地下水所诱发的地质灾害，在苏锡常地区所造成的破坏性会更大、灾害更严重【3】。

4 地面沉降机理
地面沉降是指在自然因素或人为因素影响下发生的幅度较大、速率较大的地表高程垂直下降的现象。

已有研究资料表明：人类活动是诱发高速率地面沉降的重要因素,特别是抽取地下水与地面沉降的关系最为密切【4】。

当然还与其当地的地层岩性结构、水文地质条件、土的类型、厚度、压缩性的大小、固结历史等因素有关，这里重点分析地下水超量开采对地面沉降的影响。

4.1开采地下水的影响
4.1.1基本原理
（1）水平衡原理:
地下水总补给量-地下水总排泄量=容蓄量
地下水总补给量包括区域降雨人渗、灌溉人渗、河道、湖库侧渗。

总排泄量包括潜水蒸发、河道、湖库排泄等【5】。

当降水量充沛，水资源量大，相应的排泄量少，供水量大于需水量;降水量少，地下水的补给满足不了其排泄量，这就造成地下水超量开采，容蓄量连年减少，必然导致区域地下水位不断下降，从而破坏天然地基土原有的水土应力平衡。

（2）太沙基有效应力原理：
σ =σ′+μ
式中:σ为平面上法向总应力, kPa;σ′为平面上有效法向应力, kPa;μ为孔隙水压力, kPa。

有效应力原理阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力—应变关系上的重大区别，有效应力原理表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙水压力三者之间的关系:当总应力保持不变时,孔隙水压力与有效应力可以相互转化,即:有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加。

以此理论，苏锡常地区含水层孔隙水压力要转嫁于砂层颗粒骨架承担，使含水层本身压密，产生似瞬时弹性变形，局部也会出现不同程度的塑性变形或永久变形；对含水层上下渗透性较差的饱和黏性土
隔水层而言，因孔隙水压力下降会产生以向含水层竖向排水为主的固结效应，形成不可逆的沉降变形；两种性质的变形量大小主要与水位下降程度、地层工程特性和厚度强相关。

因此，地面沉降主要源于含水层本身的释水压密和其上下黏性土隔水层的排水固结，前者具有部分可恢复的特征，而后者则不具有可逆性。

同时，因为地面沉降是由深部地层逐渐向地表发展，以及黏性土排水固结时间效应，地面沉降又表现为渐进性、累计性和滞后性。

4.1.2现状
且从以下三个地区来看本区的地下水开采情况和地面沉降的关系和现状,下图是三个地区潜水埋深的历史情况。

图1苏锡常地区潜水埋深随时间的变化请况
（1）苏州市地区
苏州市第Ⅱ承压水虽开采量不大，但在主开采层(Ⅲ上)的强烈开采影响下，Ⅱ承压水通过弱透水层或局部“天窗”越流排泄给第Ⅲ承压水层，水位逐年下降。

苏州市区20世纪6O年代以前深井总数不过8眼，60年代末为47眼，70年代以后井数猛增到234眼，日开采量也由原来的数千立方米增到10×104m3以上。

1980年至1982年日开采
量为18×104m2，1983年起由于压缩了开采量，地下水位下降趋于和缓。

目前深井数已达300多眼，中心区水位已降至-50 m高程以下。

苏州市区地面沉降最早始于20世纪60年代初，70年代日趋严重，市区沉降速率40～50 mm／a，市郊20—30 mm／a。

2008年市区沉降中心的最大累计沉降量超过1600 m【6】。

（2）无锡市地区
无锡市是本区地面沉降最严重的地区。

该市的第Ⅱ承压水历来是地下水重点开采层位。

50年代初，日开采量为2610 m3。

地下水位埋深3.66 m。

到1954年日开采量为1．03×104m3，地下水位埋深8．70m。

1965年日开采量达5．31×lO4m3，地下水位埋深38 m。

从6O年代中期至70年代末的15年内，无锡地下水开采量不断增加，用水期日开采量可达7．7×104m3。

地下水位急剧下降。

80年以后，政府采取了减少抽水量，增加回灌量的措施，地下水位下降得到缓和。

80年代末，Ⅱ承压水的日开采量为l5．O7×104m3。

2008年中心水位已降至高程-70 m左右。

无锡市1955～1964年已经产生地面沉降，但沉降速率较小，仅7 mm/a左右，从60年代中期至70年初，沉降速率加快，年平均38 mm／a；1975年以后为l0 ～25 mm／a。

该市地区最大沉降量超过1100 mm【6】
（3）常州市地区
常州市1907年以前，平均日开采量小于10×lO4m3，市中心区地下水位埋深26．60 m。

1906年以后平均日开采量达20×10 m3，中心区地下水位达58 m。

1982年至1989年日开采量2O～23．6×104m3。

1990年至1997年日开采量从23．28×104m3降至14．98×104m3。

地下水开采趋于和缓，市区降落漏斗中心水位维持在-72．78～-75．71 m。

由于连年超量开采地下水，2008年各含水层的日总开采量为296960m3，而Ⅱ承压含水层的开采量占其中的90．2％。

降落漏斗中心从市区逐渐向马杭镇、戚墅堰镇、洛阳镇方向转移。

市中心地下水位达-78．96～-82．45 m(图1)[1]。

常州市发生地面沉降的时间稍晚，但发展迅速,波及面广。

1984～1991年地面沉降一直保持40～50mm/a的高速下沉。

城区2008年最大沉降超过1100mm【6】。

图1常州市历年地下水开采量、中心区地下水位标高、年沉降量曲线
以上数据表明地面沉降速率的加快与开采量的日益增加是密不可分的。

随着工程经济活动强度和规模的不断扩大，对地下水的需求量也在不断增大，长期超量开采地下水加剧了该地区地面沉降。

该区地面沉降具有分布范围广，区域性地面沉降漏斗发展迅速，差异性沉降大之特点。

累计地面沉降量超过200 mm的地面沉降除苏锡常三
市外还涉及到张家港、常熟、太仓、昆山、盛泽镇、吴江、吴县等市镇，范围已达5000 km 。

区域性地面沉降漏斗中心仍然沿京杭大运河发展。

其中苏州市区的地面累计沉降量最大，已超过1600 mE。

常州和无锡市区的最大累计沉降量也已超过了1100 mm。

20世纪90年代中后期是苏锡常地区地面沉降速率较大的时段。

尤其在锡山西部和江阴南部平原，不少乡镇区的年沉降量仍达100多mm。

3.2地面沉降的地质因素
3.2.1地层结构的影响
由于下伏地层结构的不同所产生的地面沉降也会不同。

地层结构一般可分为平原区和基岩起伏区。

在平原区由于下伏基岩埋深很大，它所产生的地面沉降一般为均匀沉降，这种沉降由于其均匀性对各种建筑物的影响是缓慢的均匀整体沉降。

而基岩起伏区则完全不同，由于其下伏基岩的起伏产生差异性地面沉降使地表产生地裂缝。

3.2.2地层岩性的影响
巨厚的第四系沉积物且分布复杂是该区地质灾害发生的物质基础。

连年超强度开采地下水，使地下水位持续下降是诱发因素。

地质灾害的类型受地质条件所制约，灾害的发育程度除与地下水位的下降幅度有关外，还与地层结构的物质组成有关。

粘性土层厚的地方，其沉降严重，狭长的第四系沉积带可以形成狭长的沉降洼地。

3.2.3固结历史的影响
从图1常州市历年地下水开采量、中心区水位、年沉降量曲线中可以看出常州市的地下水位从1989年至1997年一直呈下降趋势，但
平均年沉降量却不同。

1989年至1992年年均沉降量逐年增加，而1992年以后却逐年减缓。

产生这一现象的原因可能与粘性土层的压缩有关
4.地面沉降的时间效应
在地面沉降的发生和发展过程中，粘性土和无粘性土在时间效应上有很大差别。

一般认为：当水位下降后，砂层的沉降是瞬时完成的。

当水位从持续下降转入反复升降时，砂层的变形为弹性变形。

粘性土则不然，由于粘性土的渗透性小，孔隙水需经一定时间才能排出，故有一定滞后效应。

5.防治措施
(1)加强管理、统一规划、避免开采中的盲目性。

加强全区的地下水统一管理，制定地下水资源开采利用的长远规划，并坚决予以落实。

加强宣传，增强防灾意识：不断提高全民的防灾减灾意识，依法严格管理地下水资源，要合理开发利用地下水资源。

(2)控制地下水开采量，逐步调整供水水源结构。

限制或减少地下水开采量：可以以地表水代替地下水资源；以人工制冷设备代替地下水资源；实行一水多用，充分综合利用地下水资源。

(3)实行建设项目地质灾害危险性评估制度。

在城镇建设规划过程中，对于大规模城市建设活动，一方面应考虑建筑荷载增加所产生的新的附加沉降，另一方面应考虑地面潜在沉降量因素。

参考文献：
【1】赵文涛、李亮，2009，苏锡常地区地面沉降机理及防治措施，中国地质灾害与防治学报第20卷第1期.
【2】于军．王晓梅，武健强，等．苏锡常地区地面沉降特征及其防治建议[J]，高校地质学报，2006，12(o2)：179—18.
【3】王则任，1998，江苏省苏锡常地区地面沉陷灾害的发生与危害及防治，保护地质环境第一期.
【4】袁仁茂、陈锁忠、陶芸、徐海鹏，2001，苏锡常地区地下水开发中的问题及其可持续发展对策，北京大学学报(自然科学版),第37卷,第4期. 【5】张人权，梁杏，靳孟贵，万力等，2011，水文地质学基础。

【6】张落成，陈振光，吴楚材．2003，苏南太湖流域地下水过度开采引起的地面沉降及其防治对策，湖泊科学.。