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