賈三滿 田芳 齊干

前言

地面沉降是因自然因素和人為活動引發(fā)松散地層壓縮所導(dǎo)致的地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象。隨著城市化進程的加快和人類工程活動的加劇，它已成為一個全球性的地質(zhì)環(huán)境問題和城市發(fā)展過程中的“慢性病”。目前世界上已有60多個國家和地區(qū)發(fā)生地面沉降，包括美國、中國、日本、意大利、泰國、英國等。我國有50多個城市正遭受地面沉降災(zāi)害影響，其中華北平原、長三角地區(qū)和汾渭盆地已成重災(zāi)區(qū)（圖1）。目前全國地面沉降量累計超過20cm的地區(qū)達到7.9萬km2，其中沉降中心累計最大沉降量超過2m的城市有天津、上海、西安、無錫、太原、滄州等。地面沉降可導(dǎo)致建筑物開裂破壞、城市內(nèi)澇、降低防潮抗洪能力、誘發(fā)地裂縫等（圖2～圖4）。據(jù)調(diào)查評估，長三角地區(qū)因地面沉降造成的經(jīng)濟損失約3千億元。其中上海地區(qū)最為嚴重，其經(jīng)濟損失高達2899億元；華北平原地面沉降所造成的直接經(jīng)濟損失達到404.42億元，間接經(jīng)濟損失達2923.86億元，累計損失約3.3千億元。地面沉降屬于緩變性地質(zhì)災(zāi)害，具有形成時間長、影響范圍廣、防治難度大、難以恢復(fù)等特點，不僅影響經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，還對人類的生命財產(chǎn)安全造成潛在威脅。

地面沉降成因

圖1 我國主要地面沉降分區(qū)

圖2 地面沉降導(dǎo)致井管抬升

圖3 地面沉降誘發(fā)地裂縫

圖4 地面沉降導(dǎo)致建筑物地基變形

地面沉降類型按地質(zhì)環(huán)境可分為斷陷盆地地面沉降、三角洲平原地面沉降和現(xiàn)代沖洪積平原地面沉降三種類型。造成地面沉降的原因很多，天然因素有新構(gòu)造活動的構(gòu)造沉降（西安）和近期沉積的欠固結(jié)土層的壓密（天津）；人為因素有地下水以及油氣的過量開采（大慶），工程建筑引起的土體變形等（圖5）。我國和世界上的主要地面沉降區(qū)大多是由過量開采地下水造成的（圖6）。此外，我國部分地區(qū)的地面沉降還和地?zé)崂?西藏羊八井)、城市高層建筑(上海)等有關(guān)。華北平原地面沉降產(chǎn)生的主要驅(qū)動因素是過量開采地下水。通過限制、甚至禁止地下水開采、人工回灌等措施后，一些地面沉降嚴重地區(qū)的地下水位逐步恢復(fù)，沉降速率減緩，但沉降范圍仍在擴展。沒有采取任何措施的地區(qū)則地面沉降隨著地下水開采量的加大而逐步加劇。

圖5 地面沉降成因機理示意圖

圖6 地下水超采導(dǎo)致的地面沉降示意圖

在采取限制開采地下水措施前，地面沉降的發(fā)展過程一般大體經(jīng)歷緩慢沉降、顯著沉降、急劇沉降等幾個階段，并與同期地下水的少量、大量、超量開采等幾個階段相對應(yīng)。限制開采后，隨著水位下降速度的減緩，沉降速率會相應(yīng)趨緩，如果進行人工回灌的話，有可能在一段時期內(nèi)出現(xiàn)地面回彈，如上海在1966—1971年，中心城區(qū)曾平均累計回彈18.1mm。此后會隨著開采地下水量、人工回灌量的變化，出現(xiàn)相應(yīng)的變化，如上海20世紀80年代處于微量沉降階段，年均沉降幾毫米；90年代后則出現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢，年均沉降達十幾毫米，甚至更多。這都和當時的開采量增加有關(guān)。

大量監(jiān)測和研究顯示，北京地面沉降形成的最主要原因是長期超量開采地下水。北京平原區(qū)屬于沖洪積型平原，第四系松散沉積物顆粒組成和結(jié)構(gòu)提供了發(fā)生沉降的地質(zhì)條件。地面沉降主要發(fā)生在永定河沖洪積扇、溫榆河沖洪積扇和潮白河沖洪積扇中下部及其交接地帶、粘性土層累計厚度較大的地區(qū)。1999年以來北京遭遇連續(xù)干旱，近12年降水量減少19%。水資源供需矛盾突出，為保障首都供水安全，連續(xù)超采地下水。平原區(qū)地下水平均埋深從1999年末的14.2米下降到2015年末的25.75米，累計下降11.55米。超采區(qū)（評價期2001—2015年）總面積6613平方千米，其中嚴重超采區(qū)面積達到3422平方千米，加劇了地面沉降的發(fā)育程度。多年地面沉降和地下水動態(tài)監(jiān)測成果顯示：（1）地面沉降發(fā)展經(jīng)歷緩慢、顯著、急劇沉降幾個階段，與同期地下水開采少量、大量、超量相對應(yīng)；（2）地面沉降與地下水降落漏斗的分布在時間和空間上具有很好的一致性，地面沉降嚴重區(qū)域與地下水降落漏斗區(qū)基本吻合；（3）地面沉降主要壓縮層位隨著地下水主要開采層埋深的增大而增大。

地面沉降監(jiān)測

（一）地面沉降監(jiān)測技術(shù)

當前國際上應(yīng)用的地面沉降監(jiān)測方法可分為兩種：一是傳統(tǒng)方法，包括精密水準測量、基巖標—分層標組測量；二是現(xiàn)代監(jiān)測方法，主要包括GPS/GNSS技術(shù)、InSAR技術(shù)和光纖測量技術(shù)（圖7）。

1.傳統(tǒng)監(jiān)測方法

精密水準測量是最早出現(xiàn)的、全世界普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測手段，可以從宏觀上掌握區(qū)域沉降的特征，是地面沉降發(fā)育比較嚴重且監(jiān)測精度要求較高地區(qū)的首選監(jiān)測方法?；鶐r標—分層標組測量是掌握不同深度土層變形信息最主要的手段，可以定量分析地下水位變化、土層變形的動態(tài)規(guī)律和土層變形的影響因素，對地面沉降機理研究具有重要意義?；鶐r標—分層標自動化監(jiān)測是獲取單點連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的最佳監(jiān)測手段，具有可靠性高、外業(yè)工作量小、自動化程度高和運行成本低等優(yōu)點。

2.現(xiàn)代監(jiān)測方法

GNSS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）的簡稱，泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。理論與實踐表明，GNSS技術(shù)可以用于高精度的構(gòu)造沉降或地面沉降監(jiān)測。InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）技術(shù)是一種有效的遠程檢測和測量表面位移的技術(shù)，在城市地區(qū)具備厘米至毫米級的精度。大量工程實踐表明，InSAR能實現(xiàn)大范圍地面沉降調(diào)查與監(jiān)測，配合其他技術(shù)手段加以校正，可作為區(qū)域地面沉降長期監(jiān)測的重要技術(shù)手段。此外，分布式光纖傳感（DFOS）也是沉降監(jiān)測中極具發(fā)展前途的技術(shù)之一。

（二）北京地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

北京市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)站預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)一期、二期工程分別于2004年和2008年建設(shè)完成，形成了基本覆蓋平原區(qū)的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，包含地面沉降監(jiān)測站（基巖標—分層標監(jiān)測系統(tǒng)）網(wǎng)、高精度水準測量網(wǎng)、GPS測量網(wǎng)、InSAR測量網(wǎng)和地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)了地下、地表、空中的“三位一體”監(jiān)測。據(jù)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該網(wǎng)絡(luò)共包含7座地面沉降監(jiān)測站、400多個水準監(jiān)測點、100多個GPS測量點和600多眼地下水位監(jiān)測井（圖8）。

該系統(tǒng)自2004年起連續(xù)運行，每年度開展各地面沉降監(jiān)測站內(nèi)基巖標、分層標、地下水動態(tài)、孔隙水壓力、氣象監(jiān)測，累計數(shù)據(jù)達數(shù)十萬組次；每年完成高精度水準測量3500km和100點次的GPS聯(lián)測以及相關(guān)成果數(shù)據(jù)解譯；每年InSAR解譯約1萬km2；區(qū)域地下水動態(tài)監(jiān)測井水位監(jiān)測累計50多萬次，取得了豐富的監(jiān)測和研究成果，在城市規(guī)劃、水務(wù)規(guī)劃、水資源調(diào)控、地下水禁采、限采區(qū)劃定、重大線性工程選址和運營安全影響分析、重要建設(shè)場地適宜性評價等領(lǐng)域中得到廣泛運用；為政府相關(guān)部門的地質(zhì)災(zāi)害防治、水資源保護利用等決策制定起到了重要的技術(shù)支撐，提高了規(guī)劃決策的科學(xué)性和可操作性；為確保重要城市規(guī)劃區(qū)建設(shè)和重大工程規(guī)劃建設(shè)、運營的地質(zhì)環(huán)境安全提供了有力技術(shù)保障；為區(qū)內(nèi)重大線性工程地面沉降防控工作提供了標準化的實施依據(jù)。

圖8 北京市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

地面沉降綜合防控

歷史上，日本出現(xiàn)地面沉降的時間最早。日本新瀉平原最早在1898年就發(fā)生了地面沉降，美國則是在1922年加州薩克拉門托（San Joaquin）流域發(fā)現(xiàn)沉降。這兩個國家在地面沉降治理和防控方面積累了豐富的經(jīng)驗，提供了成功范例，值得其他地區(qū)在地面沉降監(jiān)測和防治工作中進行借鑒。上海是我國最早發(fā)生地面沉降的地區(qū)，目前也形成了相對比較成熟且富有成效的地面沉降防控體系。

（一）國外地面沉降防控

日本地面沉降發(fā)展較早且累積沉降量大。20世紀六七十年代，由于地下水開采由淺層向深層發(fā)展，導(dǎo)致日本全境出現(xiàn)了多個地面沉降中心，局部地區(qū)的地面標高甚至低于海平面。1975年以后，日本對地下水開采采取了一系列控制措施，地面沉降趨勢得到緩解，局部地區(qū)甚至出現(xiàn)少量回彈。

日本政府防治地面沉降的管理措施和技術(shù)經(jīng)驗值得借鑒，可以歸納為四個方面：（1）嚴格控制地下水開采量，包括控制井位、井徑、井數(shù)和出水量；（2）采取回灌措施，將河水、雨水及三級處理過的廢水注入含水層；（3）轉(zhuǎn)移開采層次，如減少上部含水層的集中開采，將部分開采轉(zhuǎn)移到下部含水層；（4）頒布并嚴格實施工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水法。

此外，日本政府還在20世紀初建立了“Ka-bu-ido”地下水管理系統(tǒng)。無論是何種用途的地下水開采，都必須在“Ka-bu-ido”系統(tǒng)內(nèi)提出申請，交納地下水開采費，同時還必須采取地下水補償措施。

美國至今有50個州發(fā)生地面沉降，許多地區(qū)采取法制措施來防治地面沉降，例如1975年，得克薩斯州議會成立美國第一個地面沉降管理機構(gòu)——“哈里斯·加爾維斯頓沿岸地面沉降管理區(qū)”；1980年亞歷桑那州通過了《亞歷桑那地下水管理法案》；加利福尼亞州圣克拉拉山谷成立了一個專門的水資源管理機構(gòu)來管理該區(qū)的用水。在地面沉降監(jiān)測方面，美國構(gòu)建了以鉆孔伸長計、水準測量、GPS測量和InSAR測量構(gòu)成的監(jiān)測網(wǎng)。除了制度、管理和監(jiān)測方面的行動，美國目前緩解地面沉降的技術(shù)措施主要有含水層存儲和恢復(fù)技術(shù)(ASR）、人工補給地下水、改變土地利用類型、節(jié)水、加固堤防、建立地表水—地下水聯(lián)合管理模型等。ASR技術(shù)在美國各州得以廣泛的應(yīng)用，如得克薩斯、新墨西哥、內(nèi)華達、亞利桑那、加利福尼亞和佛羅里達等州。加州圣克拉拉谷地的成功經(jīng)驗已成為全世界防治地面沉降的經(jīng)典案例。

（二）上海地面沉降防控

我國最早于20世紀20年代初在上海市區(qū)發(fā)現(xiàn)地面沉降。一百多年來，在應(yīng)對地面沉降的長期實踐過程中，上海在制度、技術(shù)和管理層面形成了相對比較成熟且富有成效的地面沉降防控體系。

上海市在地面沉降防治方面制定了多項管理辦法或者條例。2006年10月1日開始施行《上海市地面沉降防治管理辦法》，后廢止，于2013年7月1日開始施行《上海市地面沉降防治管理條例》。該條例對地面沉降防治管理的行政主管單位、責(zé)任單位，地面沉降防治年度工作計劃編制，地下水開采總量控制等均進行了明文規(guī)定，使得地面沉降的防治更有法可依。

目前，上海市已建成空間立體分布的、融合各種監(jiān)測技術(shù)優(yōu)勢的綜合性地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，基本滿足地面沉降研究中各個層次（不同控制區(qū)域、不同監(jiān)測頻率、不同精度、不同深度土層、不同深度含水層）的需求。

20世紀60年代，上海市在地面沉降快速發(fā)展階段，采取了大幅減少地下水開采量并同時進行人工回灌的措施，從而使地面沉降速率得到了有效控制。地下水采灌量動態(tài)總體上呈現(xiàn)出年開采量逐年減少和年回灌量逐年增加的態(tài)勢，年開采量由最高的近2億m3逐年減少到目前的1000萬m3以下，年回灌量由早期的390萬m3增加到目前的2000萬m3左右。目前，上海地面沉降防治進入了微量沉降控制的新階段，地面沉降防治管理施行分區(qū)管控，主要從區(qū)域地面沉降、地下水資源開發(fā)利用、深基坑工程減壓降水地面沉降、重大市政工程設(shè)施沿線地面沉降四個方面入手深入研究分區(qū)管控方法。

（三）北京地面沉降防控

地面沉降也是北京市平原區(qū)最為突出的一種地質(zhì)災(zāi)害。北京地面沉降危害主要體現(xiàn)在破壞和影響建筑物結(jié)構(gòu)，降低其抗震能力；破壞市政設(shè)施；損失地面高程，降低防洪排澇能力；威脅軌道交通安全；加劇地裂縫災(zāi)害；降低綜合土地利用價值等。北京早在1935年西單至東單—帶就已發(fā)生了地面沉降，1935—1952年局部地面累計最大沉降量為58mm。新中國成立后，隨著北京城市建設(shè)和工農(nóng)業(yè)發(fā)展，地面沉降的范圍和沉降面積擴展速率也在逐步擴大。北京平原區(qū)地面沉降按其發(fā)展過程可劃分為四個階段，即形成階段（1955—1973年）、發(fā)展階段（1973—1983年）、擴展階段（1983—1999年）和快速發(fā)展階段（1999—2014年）。1955年至2014年底北京市平原區(qū)累計沉降量大于50mm的區(qū)域面積超過4000km2，最大累計沉降量達1.97m，部分沉降中心年沉降速率連續(xù)五年超過100mm/a。自2014年底南水進京后，隨著地下水替代水源增加以及自備井限采等一系舉措的實施，北京平原區(qū)地下水得到了一定的涵養(yǎng)，地下水位下降趨勢得到緩解，區(qū)域沉降速率呈減小趨勢，但地面沉降發(fā)育程度嚴重區(qū)的面積未見明顯減少，主要沉降中心的年沉降速率仍然居高不下，凸顯了地面沉降防控的復(fù)雜性和緊迫性。

北京市地面沉降的防治是一項系統(tǒng)性強的復(fù)雜工程，應(yīng)從管理和技術(shù)層面出發(fā)，多層次全方位采取防治措施。在管理層面上，第一是要形成地面沉降防治的專門條例或法規(guī)，使防治工作“有法可依”；第二是要基于地面沉降監(jiān)測、調(diào)查和機理分析等基礎(chǔ)性工作，形成科學(xué)合理的地面沉降防治決策及實施方案；第三是要形成京津冀區(qū)域聯(lián)動的防控機制。在技術(shù)層面上，應(yīng)繼續(xù)夯實地面沉降調(diào)查、監(jiān)測和研究方面的基礎(chǔ)工作，抓住地下水控采這個關(guān)鍵因素，尋找積極探索新的控沉辦法，逐步形成制度化、部門化和區(qū)域化的防控體系。

1.管理層面

（1）法治建設(shè)是地面沉降防治工作的制度保障

制定北京市地面沉降防治工作的地方性法規(guī)，把地面沉降防治工作推向正規(guī)化、法制化和規(guī)范化的良性軌道上來。上海市在地面沉降防治法制建設(shè)方面的成功經(jīng)驗表明，“有法可依”在地面沉降防治工作中具有重要作用。在地方性法規(guī)的基礎(chǔ)上，可以制定適合北京的地面沉降防治規(guī)范標準，建立一套完整的地面沉降防治體系，能夠整合行業(yè)優(yōu)勢，集中資源開展地面沉降防治。

（2）科學(xué)合理的防治決策和實施方案是地面沉降防治的重要技術(shù)支撐

在已有北京市地面沉降防治區(qū)劃基礎(chǔ)上，結(jié)合全市地下水管理中禁采區(qū)和限采區(qū)劃定工作，根據(jù)分級控制區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道不同特點和地面沉降差異性特征，制定停采深層地下水、壓采深層地下水與置換深層地下水相結(jié)合的差異化措施，并將控制措施進行量化來控制地下水開采。

（3）區(qū)域聯(lián)動和多部門配合是系統(tǒng)防治地面沉降的重要途徑

北京市地面沉降與河北、天津交界地區(qū)聯(lián)系緊密，尤其在北京市東部和南部，地面沉降發(fā)育區(qū)早已超越行政界限而連成一片。目前，省際間的“京津冀地區(qū)地面沉降防治一體化”和“華北平原地面沉降聯(lián)防聯(lián)控”已成為地面沉降防控工作新常態(tài)。未來，在地面沉降和地下水監(jiān)測、研究和防控方面仍需加大共享和聯(lián)防聯(lián)控力度。

2.技術(shù)層面

（1）加強地面沉降調(diào)查、監(jiān)測和基礎(chǔ)研究

地面沉降調(diào)查和監(jiān)測可提供豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的分析和整理，能夠掌握地面沉降的最新變化情況，其發(fā)展程度、變化趨勢、演變規(guī)律正是地面沉降防治工作決策最重要的參考依據(jù)?；谡{(diào)查成果和監(jiān)測數(shù)據(jù)而開展的基礎(chǔ)研究，是真正揭示地面沉降本質(zhì)的重要途徑，能為地面沉降防治工作提供針對性強的、行之有效的技術(shù)支撐和決策依據(jù)。

地質(zhì)環(huán)境在人類劇烈活動的當前，可能在有限的時間內(nèi)發(fā)生較大的變化，這使得地質(zhì)工作必須要著眼于時間的變化，把握不同的時點的地面沉降變化，這要求地面沉降調(diào)查和監(jiān)測在一定時間間隔內(nèi)重復(fù)開展。

北京市地面沉降監(jiān)測工作基礎(chǔ)和連續(xù)性較好，可實現(xiàn)實時監(jiān)測。但隨著京津冀協(xié)同發(fā)展、北京城市副中心和大興新航城等國家戰(zhàn)略實施及重大工程建設(shè)，當前地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、監(jiān)測設(shè)施密度和監(jiān)測精度無法滿足新時代、新形勢、新條件對地質(zhì)環(huán)境安全穩(wěn)定性的更高要求，需要進一步優(yōu)化地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從監(jiān)測網(wǎng)形、監(jiān)測密度、監(jiān)測精度、移動互聯(lián)、信息化等方面進行全面提升。因此，需以地面沉降成因成災(zāi)機理、預(yù)測和預(yù)警為重點，開展地面沉降調(diào)查、監(jiān)測、基礎(chǔ)研究相結(jié)合的綜合研究。

（2）建設(shè)深層地下水回補試點工程

建設(shè)針對地面沉降防控的深層地下水回補試點工程。為遏制目前北京市地面沉降快速發(fā)展態(tài)勢，尤其是防止差異性沉降的嚴重危害，在地面沉降中心區(qū)范圍最為嚴重的地區(qū)，可以針對地面沉降主要壓縮層位，從實踐層面開展深層地下水回補試點工程，探索深層地下水回灌措施可行性。

（3）優(yōu)化地下水開采

調(diào)整在地面沉降中心區(qū)的集中地下水水源地建設(shè)，將其布置在地下水恢復(fù)能力強、可壓縮地層厚度小的北京平原沖洪積扇中上部。針對零散單井深層地下水開采，在不具備關(guān)停的情況下，結(jié)合全市平原區(qū)地下水分層資源量和水質(zhì)評價成果，優(yōu)化開采層位和不同層位的開采量。

（4）預(yù)警防控地面沉降的工程性危害

地面沉降的顯著危害之一就是對高鐵、地鐵等線性工程的影響。眾多大型線性工程往往橫穿地面沉降區(qū)，甚至跨域多個地面沉降區(qū)，不同地區(qū)地面沉降的變化均能體現(xiàn)到跨區(qū)域線性工程上。尤其在地面沉降變化明顯、沉降量等值線密集的地區(qū)，線路工程的橫向穿越可能導(dǎo)致在一定的距離內(nèi)積累較大的形變，造成損失。北京市擁有地鐵、輕軌和環(huán)線高速等眾多的線路工程，地下埋設(shè)有大量各種管線，還有京津、京滬、京張等城際高速鐵路的重要節(jié)點。特別是隨著高鐵運速的快速提升，地面沉降對于高速鐵路的影響應(yīng)引起足夠的重視，應(yīng)將其作為地面沉降防治工作的重點和突破口。

結(jié)語

地面沉降作為城市“慢性病”，是伴隨城市化進程和人類工程活動而出現(xiàn)的一種“沉默”的“土地危機”，其防控是一項長期且艱巨的任務(wù)，需從調(diào)查、監(jiān)測、研究和防控多方面持續(xù)大力推進。開展不同尺度、精度上的地面沉降定期調(diào)查，優(yōu)化地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提升地面沉降監(jiān)測精度，加強地面沉降的成因成災(zāi)機理研究，引入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)新方法，建設(shè)地面沉降預(yù)警和防控平臺，加大成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用力度，促進數(shù)據(jù)共享和區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，形成制度、技術(shù)和管理的多維度防控體系。