中国地面沉降及其需要解决的几个问题
第23卷 第6期
2003年11月 第 四 纪 研 究 QUATERNARY SCIENCES Vol. 23, No. 6November, 2003中国地面沉降及其需要解决的几个问题*
薛禹群 张 云 叶淑君 李勤奋
( 南京大学地球科学系, 南京 210093; 上海市地质调查研究院, 上海 200072)
摘要 我国地面沉降主要出现在东、中部17个省市, 总面积超过5 104km 2, 同时在17个省市出现成因上与它有关的地裂缝, 危害是多方面的。沉降发生在经济高速发展的东部地区, 造成的危害和损失也更大。我国地面沉降有下列特点:过量开采地下水是主要原因; 各土层变形量既与其压缩性有关, 也与它本身的厚度有关; 砂土变形基本特征是压缩过程中总的应力与应变关系为非线性, 压缩变形以塑性变形为主并包含有蠕变; 水位恢复到开采前水平, 沉降仍在继续, 存在滞后等。从目前研究, 特别是模拟研究的现状出发, 指出存在8个方面的不足, 进而提出需要研究解决的6个科学问题, 为提高我国的研究水平献策。
主题词 地面沉降 地裂缝 地面沉降模型 塑性变形 蠕变
1 地面沉降的基本状况
地面沉降是一种可由多种因素引起的地面标高缓慢降低的环境地质现象, 严重时会成为一种地质灾害。人类活动和地质作用是造成地面沉降的主要原因, 其中过量抽取地下水是最主要的原因。我国和世界上主要的地面沉降区都是由过量开采地下水造成的。出现地面沉降的地区一般范围大, 沉降过程缓慢, 所以早期一般不易察觉, 也不易引起人们的重视。它多发生在大中城市, 对人们的生产、生活、交通等影响极大, 造成的损失和危害也大, 成为一种严重的环境地质问题, 影响和制约着当地国民经济的可持续发展。因此, 2002年10月1日时任副总理的温家宝曾批示 超采地下水造成地面沉降在许多地方呈加剧趋势, 已给经济建设和人民生活带来大的损失和危害, 并成为影响生态环境和可持续发展的一个重大问题, 必须引起足够重视并采取综合措施加以解决 。
我国由抽取地下水引起的地面沉降主要出现在上海、天津、北京、江苏、浙江、河北等17个省市的我国东、中部地区, 沉降总面积超过5 10km 。从地域分布来看, 地面沉降主要分布在下列地区:1) 长江三角洲, 包括上海、苏锡常(苏州、无锡、常州地区) 、嘉兴、湖州等地; 2) 黄淮海平原和松嫩平原, 如天津、衡水、沧州、安阳、哈尔滨和大庆; 3) 东南沿海平原, 如宁波、湛江、台北等地; 4) 河谷平原和山间盆地, 如西安、太原、大同。如果从地质角度看, 主要是三角洲和滨海平原、冲-洪积平原和内陆盆地这3种类型。需要特别指出的是西藏羊八井由于过量抽取地下热流体发电, 20世纪末期也发现在中心区有大于第一作者简介:薛禹群 男 71岁 教授、中国科学院院士 水文地质学专业 E mail:yuqunx@nj u. edu. cn *教育部博士点基金(批准号:0284002) 资助项目和国家自然科学基金(批准号:40172082) 资助项目
2003-05-13收稿, 2003-08-31收修改稿42[1]
20mm 的地面沉降, 最大达363. 8mm 1) 。在一些地方还出现另一种成因上与地面沉降有关的地质灾害 地裂缝, 分布地区有陕西、河北、江苏等17个省市, 约450处, 1000条以上, 总长超过350km 。在有些地区, 两者往往同时出现, 如西安、大同、无锡, 造成更大的危害。
在这些地区中, 最为突出的有以上海为代表的长江三角洲、以天津为代表的环渤海区和西安等地。上海是我国最早发生地面沉降, 也是危害最大的城市之一。1921年出现地面沉降, 至今沉降面积已达1000km 2, 最大累计沉降量超过2m 。20世纪60年代起, 苏锡常、杭嘉湖平原、南通等地相继出现地面沉降, 差不多整个长江三角洲都出现了地面沉降。无锡等地还伴生有13条地裂缝, 有的长达数百米。长江三角洲的地面沉降是随着这个地区地下水的大量开采后出现的, 苏锡常地区最为典型。历史上这儿绿水青山。最近30多年伴随着乡镇工业的发展, 地表水被污染, 开始大量开采地下水, 地下水位迅速下降, 形成区域性的降落漏斗。在降落漏斗的发展过程中, 出现了地面沉降。两者不仅在时间上一致, 在范围上也是吻合的。这充分说明过量开采地下水是造成这一地区地面沉降的最主要原因。至2000年苏锡常地区第2承压含水层的降落漏斗分布面积已达5356km , 漏斗中心的水位降深达87. 7m 2) 。累计沉降量大于200mm 地面沉降区已达5000km 2, 累计沉降量500mm 的等值线已经将这3个城市连成一片, 最大累计沉降量超过2m 。杭嘉湖平原的沉降中心在嘉兴, 至2001年累计沉降量超过100mm 的地面沉降区面积在2500km 2以上, 中心的最大累计沉降量0. 837m 。目前苏锡常、上海、杭嘉湖三地无论地下水位降落漏斗、地面沉降区彼此都还是孤立的, 互不联系。但地面沉降发展迅速, 如不采取有效措施, 整个三角洲地区的地下水位降落漏斗、地面沉降区有迅速连成一片的趋势。近年来, 由于采取限制开采、禁采地下水和回灌地下水等措施, 地下水位得到逐步恢复, 沉降速率逐渐下降, 但值得注意的是至今沉降范围仍在扩大3) 4) 5) 。
天津市的地面沉降是20世纪50年代末发现的, 目前宝坻城关以南的广大平原区均有不同程度的地面沉降, 尤以南部和滨海地区最为明显, 并与河北省的沉降区连成了一片。在这个8000多平方公里的沉降区范围内, 又分别形成市区、塘沽区、汉沽区、大港区、海河下游工业区等几个沉降中心。近年来, 市区和塘沽区的沉降虽已得到基本控制, 平均沉降速率约10~15mm/a, 但最大累计沉降量仍超过2. 8m, 塘沽一些地区的标高仍低于平均海平面; 汉沽区最大累计沉降量也已超过2. 8m, 不少地区的标高低于平均海平面, 近年来的沉降速率虽较1995年已明显减缓, 但沉降速率仍超过30mm/a, 形势仍然严峻; 大港区的沉降速率也已明显减缓[2]6) 。应该指出, 武清、杨柳青等郊县地面沉降也相当严重, 如不迅速采取措施控制其发展, 必然会影响这些城镇的可持续发展。需要指出的是天津的一些地区通过禁采、限采地下水, 水位虽已恢复至开采前的水平, 但沉降仍在
1) 吴 钦. 在西藏发生的两种特殊原因的地面沉降. 2002
2) 江苏省水利厅. 江苏省深层地下水监测年报. 2000
3) 孙文盛. 长江三角洲地区地面沉降防治工作调研报告. 2002
4) 张阿根, 魏子新. 上海地面沉降研究的过去、现在和未来. 2002
5) 赵建康. 浙江省地面沉降现状及防治对策. 2002
6) 崔小东, 牛修俊, 白晋武. 天津市地面沉降防治. 20026) 2
继续。
西安的地面沉降也是20世纪50年代末发现的, 以后随着地下水开采量的增大, 地面沉降的范围和沉降量也相应地增加。到90年代初期, 累计沉降量超过200mm 的面积达150km 2; 超过1000mm 的面积达42km 2, 最大累计沉降量达2. 6m (1988年, 还只有1 33m) [3]1) 。沉降速度之快, 令人惊奇。西安地面沉降的特点不仅在于它的分布范围与地下水开采形成的降落漏斗一致, 更重要的是它的水平扩展受到先期存在的11条NEE 向隐伏断裂(地裂缝) 的限制, 被限制在这些断裂切割形成的块体内, 沿着NNE 方向发展, 这是其它地方很难见到的。地面沉降加剧了地裂缝的活动速率, 导致地裂缝垂向活动量的增加。据有关部门研究认为, 地裂缝垂向位移量主要是由地裂缝两侧由抽水引起的差异沉降造成的1) 。这种地裂缝垂向活动量的增加给当地城市建设带来重大的损失。
除上述地区外, 河北沧州市、山西太原市、安徽阜阳市无论地面沉降规模, 还是影响程度都是属于较为突出的地区。
地面沉降造成的危害是多方面的, 主要有:1) 损失地面高程, 使洪涝灾害加剧, 防洪、排涝工程效能下降。一些地区1991年、1998年的水情虽然没有1954年严重, 但灾情却远比1954年大得多即与此有关。上海因地面高程的损失, 使城市面临严峻的防汛压力, 不得不从1956年开始修建防汛墙以来, 已4次加高加固。沿海地区则降低抗风暴潮的能力, 从而加重风暴潮灾害, 发生风暴潮的频率也会增加。一些地区由于地面沉降地面已低于当地河水位, 靠堤抵挡河水, 室内室外地面潮湿, 给当地人民的生产、生活带来极大的困难。2) 地面沉降特别是不均匀沉降破坏建筑物地基, 严重影响建筑物的正常使用和寿命, 影响地铁、越江隧道、桥梁、高速公路、高架道路、城市供水、供气等地下管网和西气东输管线、高层建筑等的正常运营。3) 桥下净空减小, 内河通航能力下降。4) 水井设施报废。5) 地面水准点失准。
我国地面沉降严重的地区主要在经济高速发展的东部地区, 如长江三角洲、天津, 因此造成的危害和损失也更大。据有关部门估计, 上海地面每沉降1m m, 就会造成1000万元的经济损失。40年来, 上海因地面沉降造成的经济损失达2900亿元2) 。苏锡常地区也造成了数百亿元的损失。由于地面沉降天津塘沽沉降中心的高程已不足1m, 现有防潮堤不足以抵挡海水, 1992年9月1日潮位达5. 93m, 部分码头、库房、工厂、农田被淹, 仅这一次被淹的直接损失就达3. 99亿元。总之, 经济越发达的地区, 地面沉降造成的损失也越大。3)
2 地面沉降的一些特点
综观我国地面沉降除了缓变、累进和不可逆等共有特点外, 还有下列特点:
(1) 地面沉降的主要原因是过量开采地下水。此外, 部分地区的地面沉降还与石油开采(大庆) 、地热利用(西藏羊八井) 、城市高层建筑(上海) 、地壳构造活动(西安) 、欠固结土层的自然压密(天津) 等有关。即使在这些地区, 地面沉降主要还是由过量开采地下水引起的, 西安、天津和上海就是最好的例子。需要指出的是, 经过采取种种人工控制措施,
1) 索传, 李 辉. 西安地裂缝形成的地质环境与部分活动特征. 2002
2) 孙文盛. 长江三角洲地区地面沉降防治工作调研报告. 2002
3) 崔小东, 牛修俊, 白晋武. 天津市地面沉降防治. 2002
地面沉降进入微量沉降后, 一些次要因素如高层建筑引起的工程性沉降, 地层的自然压密、新构造活动、海平面上升等自然因素引起的沉降也不能不引起人们的注意了。
(2) 一些地区随着采用削减地下水开采量、禁采地下水, 人工回灌等措施, 水位逐步恢复, 沉降速率趋缓或有所下降, 但至今沉降范围仍在扩展。至于没有采取任何措施的地区则沉降会随着地下水开采量的增加而逐步加剧。地面沉降的发展过程在采取限制开采地下水措施前, 一般大体上经历缓慢、显著、急剧沉降等几个阶段, 并与同期地下水的少量、大量、超量开采等几个阶段相对应。采取限制开采措施后, 随着水位下降速度的减缓、恢复, 沉降速率会相应趋缓, 如果进行人工回灌的话, 有可能一段时间内出现地面回弹, 如上海在1966~1971年, 中心城区曾平均累计回弹18. 1mm 1) 。此后会随着开采地下水量、人工回灌量的变化, 出现相应的变化, 甚至出现沉降量的缓慢增长。
(3) 调整开采层次作为一种辅助措施, 在一定阶段有助于控制地面沉降, 但不能从根本上解决问题。关键还在于减少地下水开采量, 增加人工回灌量。上海早期主要开采第
2、第3承压含水层(1959年占全市总量的76%) , 以后采取压缩开采量、人工回灌、逐步调整开采层次(1968年) 等措施, 取得了较好的效果。如果地下水开采量不减少, 则随着开采层次的调整, 新的主采层的沉降量会逐步增加, 甚至成为形成沉降变形的主要层位。分析1986~1998年的上海实际观测资料不难发现, 1986~1991年, 第2承压含水层以上的浅部土层在总变形量中所占的比重较大, 沉降主要发生在浅部土层中。1992~1998年, 浅部土层变形所占的比例减小, 相应的深部土层会随着开采量的增大(如目前上海第4、第5承压含水层的开采量已分别占全市开采量的70%和15%左右) , 使第4承压含水层(对应于工程地质分层的第5砂层) 的变形在总变形量中所占的比重大幅提高, 平均达
表1 各土层的变形量占地面总沉降的百分数
Tabel 1 Percentage of the deformation of each layer in total settlement
土 层*
表土层
第1砂层
第1软土层
第2软土层
第2硬土层
第2砂层
第3软土层
第3砂层
第3硬土层
第4砂层
第4硬土层
第5砂层3. 718. 89. 670. 911. 723. 08. 151. 320. 252. 01. 00. 80. 15. 70. 24. 22. 13. 5标 3 标 4 标 16 标 13 标 17 1986~1992~1986~1992~1986~1992~1986~1992~1986~1992~1991年1998年1991年1998年1991年1998年1991年1998年1991年1998年25. 242. 43. 38. 84. 67. 424. 51. 26. 321. 01. 73. 315. 61. 11. 711. 420. 221. 845. 85. 122. 43. 58. 413. 20. 61. 30. 54. 48. 39. 624. 71. 02. 40. 20. 248. 133. 410. 846. 928. 36. 910. 30. 51. 31. 21. 13. 39. 818. 44. 113. 46. 08. 11. 31. 436. 9
*土层按当地习惯采用工程地质分层, 表中第5砂层相当于当地水文地质分层中的第4承压含水层, 第4砂层则相当于水文地质分层中的第3承压含水层, 余类推
1) 张阿根. 上海城市可持续发展与地面沉降防治管理. 2002
49. 27%, 部分地区还要大, 如标3分层标的观测资料证实, 第4承压含水层的变形量1986~1991年仅占地面总沉降量的18. 8%, 而1992~1998年迅速增至70. 9%(表1) 。相反, 第2、第3承压含水层(对应于工程地质分层的第3、第4砂层) 所占的比重只有4 87%(1995年前。近年来因回灌量的减少, 增大至目前的12. 43%) 。
(4) 发生地面沉降的地区一般都由岩性不同的多个砂土、粉土、粉质黏土、黏土、淤泥质黏土等土层组成, 各土层的变形量不仅与它的压缩性有关, 也与它本身的厚度有关。如果土层的厚度很大, 即使其压缩性较小, 变形量也会很大。如前述, 上海第4承压含水层虽然是由细砂、砂砾石组成, 压缩性远不如那些黏土层, 但厚度大(逾80m) , 所以在标3分层标中其沉降量占地面总沉降量的70. 9%, 在标16中也占了52. 0%。反之, 厚度薄的那些压缩性大的第2软土层(10m 左右, 薄的地方如嘉定不足5m) , 其沉降量占同时期地面总沉降量的百分比不足8. 8%。因此不能笼统地认为砂砾土、砂土不会造成大的沉降, 沉降主要是由黏土层造成的。当然, 黏性土如果厚度很大像天津的海相黏土、淤泥质黏土那样, 它们的变形量必然很大, 沉降主要由它们造成。
(5) 黏性土(弱透水层) 的变
形具有塑性变形和蠕变的特点, 天
津的海相黏土、淤泥质黏土和淤泥
层就表现出这种性质。上海的黏
性土也表现出这种特点, 只是由于
岩性不同, 与天津的海相地层在量
上有所不同而已。但砂土(含水
层) 变形的复杂性一开始鲜为人
知。不同的砂土层在不同的应力
条件下会有不同表现。如上海的
第2、第3承压含水层在抽、灌水
的反复作用下表现出弹性变形的
特点, 甚至到目前还是这样。第4
承压含水层仅在早期一定应力范
围内反复加卸荷载作用下表现出
弹性变形的特征, 但它在压缩过程
中总的应力与应变的关系却是非
线性的, 压缩变形以塑性变形为主图1 上海第4承压含水层的变形量与其附近观测孔中该含水层水位的关系(a) 1986~1991年 (b) 1992~1998年Fi g. 1 Relation of the deformation of the 4th aquifer to its
water level in the nearby observation well 并包含有蠕变是它变形的基本特
征。图1反映了上海第4承压含水层的变形量与该层水位的关系。图1(a) 是1986~1991年的关系, 由于这段时间中水位在一个相对平稳的范围内波动, 下降幅度与上升幅度相差不大, 变形表现出一定的弹性性质, 当水位下降时, 变形量增大, 曲线向右上方发展, 当水位上升时, 产生回弹, 变形量减小, 曲线向左下方发展。在同一个下降过程中, 随着水位下降, 曲线斜率增加, 表示砂层的压缩性减小, 这说明砂土压缩过程中总的应力与应变之间的关系是非线性的。从图1(b) 可以看出, 在1992年和1993年, 水位上升时砂层的回弹
变形几乎为零, 从1994年开始水位上升时砂层不仅没有出现相应的回弹, 而且继续产生压缩变形, 这说明第4承压含水层不仅有塑性变形, 还有与时间有关的蠕变变形。因此以往普遍认为含水层变形是弹性变形的看法有必要加以适当修正。
(6) 天津、上海的观测资料证实, 含水层的地下水位不再下降, 基本稳定在某一高程后, 变形仍在继续, 甚至水位已经恢复到开采前的水平, 地面沉降仍在继续, 存在明显的滞后, 且目前还无法判别这种沉降还要持续多长时间。因此, 指望禁采地下水后地面沉降迅速停止的想法是不现实的。
3 地面沉降及其模拟研究的现状
从20世纪60年代中期起首先是上海, 接着是天津的地质矿产部门开展了地面沉降及其防治措施的研究, 并取得了显著的成效。如上海到90年代, 已有效控制沉降在年均十几个毫米左右, 受到国内外的一致好评。为此联合国教科文组织地面沉降工作组一致决定2005年10月在上海召开 第七届国际地面沉降学术讨论会 。天津地面沉降分布范围广、产生沉降的土层埋藏深, 很多在千米以上, 控制地面沉降的难度很大, 但也取得了很好的成果, 沉降速率有不同程度的明显下降, 如塘沽由早期的100mm/a 降至13mm/a 1) 。
我国有关地面沉降的研究主要做了下列几方面的工作:1) 地面沉降机理的研究, 一致认为主要是由过量开采地下水造成的, 并探讨了相应的机理; 2) 上海、天津建立了数学模型, 进行了数值模拟和初步的预报; 3) 上海初步建立了地面沉降灾害经济损失的评估原则、方法, 天津做了经济损失的风险评估, 最近苏锡常也做了经济损失评估; 4) 上海、天津建立了地面沉降的监测体系(上海最近还建成了一套完整的自动监测及基于GIS 的地面沉降信息系统) , 近年在江苏省南部也着手建立以基岩标和分层标为主的监测体系, 此外一些新技术如GPS 和InSAR 等在各地也得到了应用; 5) 探索出了一套以减少地下水开采、人工回灌、调整地下水主要开采层次等为主的综合防治措施来控制地面沉降, 实践证明行之有效, 并在全国很多地方逐步推广; 6) 上海等城市制定了相应的如 深井管理办法 、 取水许可制度实施细则 、 地面沉降监测设施管理办 等行政法规, 正在制定的还有 地面沉降防治管理办法 , 通过健全法制、规范管理来加强地面沉降的综合防治。
为了预警预报, 一个地面沉降模型是必不可少的。我国现有模型[4~6]有下列特点:
1) 水流模型都是准三维模型, 对含水层之间的弱透水层一般不建立方程, 其释水量作源汇项处理或由估算得, 即使建立方程, 也只是垂向一维水流模型; 2) 水流模型中的参数都是常数; 3) 沉降模型采用线弹性模型; 4) 水流模型与沉降模型的耦合分二步走。
这类模型存在下列不足:1) 难以精确刻画由弱透水层释水引起的地面沉降; 2) 准三维模型要求弱透水层是均质、各向同性的, 但上海、天津以及我国很多地区并不符合这种情况, 是各向异性的, 不符合准三维模型各向同性的应用条件, 也不满足为弱透水层建立的垂向一维水流模型要求忽略水平方向流动的要求。勉强使用, 误差显然就会很大; 3) 随着压缩沉降, 土层的孔隙度必然不断减小, 渗透系数、贮水率也会随之减小, 因此水流方程应该是一个变系数的动态水流方程, 渗透系数、贮水率都不应视为常数; 4) 土层的压缩是非
1) 崔小东, 牛修俊, 白晋武. 天津市地面沉降防治. 2002
线性的, 有蠕变、塑性变形存在。沉降模型采用线弹性模型显然不适合; 5) 土层变形模型采用一维模型对土层厚度变化小的区域(如上海) 研究区域性沉降是合适的, 但对土层厚度变化大的地区(如无锡) 就不合适了, 因为那儿的沉降模型必须是三维的, 才能反映厚度不同引起的差异性沉降; 6) 水位下降与沉降变形并不同步, 有明显的滞后存在, 如何用数学表达式来描述这种滞后现象是模拟这些地区地面沉降必须克服的一个难题; 7) 地裂缝问题, 如何描述引起地裂缝的水平位移; 8) 分两步走的耦合不合适, 如何做到水流模型与沉降模型的真正耦合, 随着土层的压缩沉降, 孔隙度不断减小, 渗透系数、贮水率也不断自动改变, 从而改变水流方程的模拟结果是下一步要研究解决的。
4 需要解决的几个科学问题
我国地面沉降虽然取得了很多成果, 但总的说来地面沉降仍在继续发展, 形势相当严峻。尽管各地都在开展或准备开展有关地面沉降的防治工作, 但工作进展很不平衡, 防治效果还不理想。从学术角度看, 下列几个问题是迫切需要解决的。
(1) 地面沉降区域监测网的建立。目前全国各地还没有一个统一的区域性地面沉降监测网, 所以难以掌握整体的变化规律, 即使条件最好的长江三角洲地区也只是按省市行政区在逐步建立。除了上海市已建立了覆盖全市的较为完善的由基岩标、分层标和地面水准点等组成的地面沉降监测网外, 江苏省南部和浙江省宁波等地正在建立, 长江三角洲其它很多地区还是空白。另一个问题是各地彼此缺乏联系、沟通, 更没有信息共享, 地下水监测资料、地面沉降监测资料目前还难以做到共享。因此, 需要在调查研究的基础上, 以掌握整个地区地面沉降整体变化规律为目的, 提出地面沉降监测网的优化方案, 然后付诸实施, 以加强对区域性整体地面沉降的严密监测。国家有关部门应着手考虑这种规划, 逐步完成, 同时也要考虑如何解决困扰我国多年的观测资料无法共享的问题。
(2) 地面沉降形成的机制和地质环境。不同的地质环境对地面沉降的发生、发展有着不同的影响和控制, 查明不同类型地区地面沉降形成的地质环境、沉降机理。对于一些非抽水因素和非地质因素对地面沉降的影响及其形成机理也需要研究, 如20世纪90年代以来, 上海地面沉降速率又有上升, 除了主要与过量开采地下水有关外, 还与叠加了高层建筑引起的工程性地面沉降有一定的关系。这种工程性沉降研究不够, 各人说法不一, 需要从机理研究抓起, 在此基础上研究相应的评估方法, 并就尽可能减少因工程建设产生地面沉降提出相应的措施。沿海地区地面沉降与海平面上升耦合将产生更大的危害, 有必要分析这种耦合关系, 并预测未来这种耦合对地区生态环境的影响和危害。
(3)不同类型地区, 各类土(含水砂层、粉土、粉质黏土、黏土等) 在不同应力条件下, 特别是反复抽、灌水造成的反复加载、卸载条件下复杂的变形特征, 如土的流变特性、塑性变形特性等探索与之相应的变形表达式, 以及包括水位恢复后土体变形继续发展, 即所谓滞后的数学表达式。
(4)正确描述我国不同类型地区地面沉降特征、并能较好地解决前述问题的区域性地面沉降模型(由水流模型与沉降模型耦合而成) , 为地面沉降和地裂缝的预警预报提供有效手段。在进行数值模拟的同时, 辅之以必要的室内模型试验, 不仅可以作为检验数值模拟的一个有效方法, 还可以帮助人们进一步深入研究沉降机理。
(5) 地面沉降发展趋势预测和地下水资源的合理开采及可持续发展。首先迫切需要做的是把长江三角洲和华北平原作为一个整体, 在宏观上对这一经济高速发展地区地面沉降发展趋势做出预测, 从可持续发展和对环境影响最小的角度出发提出地下水资源开发利用的最优调度和控制方案, 为这个地区国民经济的可持续发展提供科学依据。
(6) 地面沉降综合防治措施和区域性地面沉降防治规划的制定。前一阶段各地行之有效的一些方法如限制地下水开采量、人工回灌、调整开采层次等需要总结提高, 并与节约用水、建设替代水源、地表水污染治理以及有关有利于地面沉降综合防治的相应法律、法规的制订结合起来。此外, 应注意前一阶段虽然在地面沉降的防治方面取得了不少很好的成果, 但地面沉降是一个区域性的现象, 仅靠一个地区、一个单位是难以解决区域性地面沉降问题的, 如长江三角洲地区地面沉降的防治有赖于从全局、整体出发, 考虑制订控制地面沉降的规划和切实可行的措施, 然后两省一市联合行动才能较好地解决, 否则难以很好奏效。当然后面一个问题已不单纯是一个科学问题了。
5 结语
我国的地面沉降是在经济快速发展过程中, 过量开发利用地下水产生的环境地质问题。地面沉降是制约一个地区经济可持续发展的重要因素之一, 地面沉降的防治不仅是地质环境保护的需要, 也是保证区域水资源可持续利用、地区经济可持续发展的必不可少的先决条件。全面禁采地下水作为地面沉降很严重的某一局部地区在一段时间内采取的一种特殊措施可以考虑, 但作为一个范围很大的地区的长期措施或者全国或一个省的措施就值得斟酌了, 因为地下水是一种优质淡水资源, 不利用最终也白白流掉了。优质的地下水应该得到优用(作为饮用水、食品工业用水) , 实行分质供水, 尽量减少作为一般工农业的用水量。
地面沉降的研究涉及多个学科领域:水文地质学、工程地质学、土力学, 只有在学科真正交叉的基础上, 通过生产、教学、科研单位的协作, 发挥各自优势才有可能解决前面提出的问题。做好这项工作, 实现信息的某种共享是必不可少的。至于地面沉降的防治则更是一个系统工程, 除上述学科外, 还涉及法律(有关法规、规章的制订) 、行政管理、高新技术的引进和应用等领域, 需要政府有关部门重视, 列入议事日程, 并争取全社会的支持, 统一规划, 综合防治。期待着新的世纪, 我国能在地面沉降研究和防治中取得更多新的处于世界先进, 甚至领先水平的成果, 来迎接第七届国际地面沉降学术讨论会在上海召开。
参 考 文 献
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LAND SUBS IDENC E IN C HINA AND ITS PROBLEMS
Xue Yuqun Zhang Yun Ye Shujun Li Qinfen
( De pa rt men t o f Ea rth Scie nce s , Na n jing U ni versit y , Na n jing 210093;
Shan gh ai Institu te o f Geolog y Surve y , Sh an gha i 200072)
Abstract
Land subsidence mainly occurs in the eastern and central part of China, and the total area is over fifty thousand square kilometers. At the same time, ground fissures occur in seventeen provinces and cities o wing to land subsidence. Land subsidence causes da mages in many aspects. It caused severe damage and loss in china, because serious subsidence areas mainly lie in the eastern part of China with rapid economic development. There are six characteristics related to land subsidence in China. (1) Land subsidence is mainly caused by excessive pumping of ground water;
(2) Subsidence rate can decrease by controlling pumping rate and recharge, but subsidence area still increases; (3) The method of changing pumped aquifer is adopted to mitigate land subsidence;
(4) The deformation of each layer of sediment is not only related to its compressibility but also to its thickness; (5) The deformation of sand layer reveals nonlinear relationship between total stress and strain during compression, which c omposed of mainly plastic and partly creep deformations; (6) Subsidence continues even the water levels restore to the levels before pumping, which indicates obvious delay. Finally, for the purpose of giving some advice to improve the research on land subsidence in China, six scientific issues need to be resolved:(1) establishing the regional monitoring networks; (2) understanding causa tive mechanism and geological environment for the occurrence of land subsidence; (3) examing complicated deformation characteristics of different types of soil in different areas under different conditions of stress, and relevant deformation e xpression; (4) de veloping regional land subsidence model which can properly desc ribe land subsidence and ground fissures in different areas in China; (5) forecasting the tendency of land subsidence and rational exploitation and sustainable development of ground water resources in China; (6) laying do wn the comprehensive measures and planning for prevention and control of land subsidence.
Key words land subsidence, ground fissure,
defor mation, creep land subsidence model, plastic