李文鵬，王龍鳳，郭海朋，王海剛，王云龍，朱菊艷，臧西勝

（中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，100081，北京）

地面沉降是由于自然因素或開采地下流體引發(fā)地下松散巖層固結(jié)壓縮導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程損失的地質(zhì)現(xiàn)象或過程，會引發(fā)海水倒灌、加劇洪澇災(zāi)害，不均勻沉降引發(fā)地裂縫、破壞建筑物地基。地面沉降災(zāi)害已對亞洲、歐洲、美洲、非洲、大洋洲世界五大洲的多個國家和地區(qū)產(chǎn)生了嚴重影響，成為全球性問題，加之全球氣候變化導(dǎo)致海平面上升，將對沿海城市和重大基礎(chǔ)設(shè)施安全構(gòu)成更大風(fēng)險。本文針對我國地面沉降特點，借鑒國際地面沉降防治經(jīng)驗啟示，分析我國地面沉降發(fā)生發(fā)展歷程和治理成效，提出對策建議。

一、國外地面沉降防治經(jīng)驗與啟示

國際上，美國、日本、荷蘭等發(fā)達國家地面沉降發(fā)生時間早，累計沉降量大，但經(jīng)科學(xué)防治，地面沉降災(zāi)害得到緩解。印度、伊朗等發(fā)展中國家地面沉降發(fā)生時間較晚，累計沉降量小，但大多尚未得到有效控制。

美國西部和南部盆地或濱海平原由于過量開采地下水引發(fā)嚴重的地面沉降。在加州薩克拉門托流域1922年最早發(fā)現(xiàn)地面沉降，至今50個州均有地面沉降發(fā)生。美國一方面通過制度、管理和監(jiān)測方面的行動防治地面沉降，另一方面通過地表水地下水聯(lián)合調(diào)蓄、人工回灌實施含水層存儲和恢復(fù)技術(shù)，推廣節(jié)水灌溉，擴大旱作種植面積，加固加高海岸帶堤防等措施推動地面沉降防治。加州圣克拉拉谷地通過在河流上建立蓄水壩收集雨水增加地下水補給，實施地表水地下水聯(lián)合調(diào)蓄，壓采深層地下水，1969年前后終止了地面沉降；亞利桑那州通過引用科羅拉多河水，減少對地下水需求，緩解地面沉降；加州中央谷地作為重要農(nóng)業(yè)區(qū)，20世紀50余年里地下水超采引發(fā)的地面沉降量高達9 m，雖然實施中央河谷工程調(diào)水，但水源豐枯不穩(wěn)定，時常難以滿足農(nóng)業(yè)灌溉，導(dǎo)致地下水仍在超采，地面沉降防治形勢依然嚴峻；墨西哥灣海岸帶平原地下水超采引發(fā)地面沉降，增大了洪澇風(fēng)險。

日本關(guān)東、大阪、野尾等平原地區(qū)都發(fā)生了嚴重的地面沉降災(zāi)害。位于關(guān)東平原的東京市1920—1970年累計地面沉降量高達4 m，1970年以后，通過實施工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)用水法及《東京都公害防治條例》，從法律角度嚴格限制地下水開采，并采取回灌措施，將河水、雨水及三級處理過的廢水注入含水層，還通過政府手段購買礦業(yè)權(quán)限制天然氣開采，地面沉降速率趨緩。

印度尼西亞首都雅加達因地下水超采，海岸帶年沉降量達28 cm，外加全球變暖海平面上升，致使海邊房屋建筑淹沒開裂，迫使政府計劃遷都。伊朗因地下水無序開采使部分城市沉降速率高達25 cm/a。

歐洲的荷蘭和意大利受地面沉降影響嚴重。荷蘭地面沉降使得25%的國土面積位于海平面以下，遭受洪澇風(fēng)險，自20世紀50年代，通過引萊茵河水處理達標回滲補給地下水，減采或停采深層地下水，保證城市供水，減少海水入侵，防止地面沉降。意大利波河平原地面沉降始于20世紀下半葉，目前威脅意大利30%的人口，最嚴重的威尼斯市漲潮時沿海地區(qū)經(jīng)常發(fā)生嚴重的洪澇災(zāi)害。

二、我國地面沉降發(fā)生發(fā)展與防治成效

我國地面沉降最早發(fā)生于20世紀20年代的上海市和天津市，30年代北京市發(fā)現(xiàn)地面沉降，60年代西安、太原發(fā)現(xiàn)地面沉降，70年代起長江三角洲的蘇錫常、杭嘉湖等主要城市和華北平原東部地區(qū)也相繼出現(xiàn)地面沉降。80年代以來，我國地面沉降范圍從城區(qū)開始向農(nóng)村擴展，并伴生地裂縫災(zāi)害，沉降中心進一步擴大，危害加重。2019年我國地面沉降嚴重區(qū)（年沉降量大于50 mm）面積約為1.14萬km2，主要分布在華北平原、長江三角洲、汾渭盆地、淮北平原。另外，珠江三角洲分布有軟土自然固結(jié)引發(fā)的地面沉降，年沉降量一般小于20 mm；黑龍江省大慶市、哈爾濱市、三江平原的鶴崗市等轄區(qū)的礦區(qū)集中開采區(qū)和經(jīng)濟開發(fā)區(qū)發(fā)現(xiàn)有地面沉降現(xiàn)象。

我國政府高度重視地面沉降防治工作，自然資源部（原國土資源部）從“十二五”之初，部署全國范圍內(nèi)地面沉降持續(xù)調(diào)查監(jiān)測與防治，InSAR遙感監(jiān)測范圍達75萬km2。2012年，國土資源部、水利部會同國家發(fā)展改革委等十部委聯(lián)合印發(fā)《全國地面沉降 防 治規(guī)劃（2011—2020）》，2013年國家實行最嚴格水資源管理制度，2017年水利部會同國土資源部聯(lián)合印發(fā)《全國地下水利用與保護規(guī)劃（2016—2030）》，加強地下水超采區(qū)水資源管理。近年來，國家實施了地下水超采綜合治理相關(guān)的重大舉措，地面沉降進入全面防治階段，防治成效初顯，2019年我國地面沉降嚴重區(qū)面積相比2015年減少約1 000 km2。

1.華北平原

華北平原地面沉降主要發(fā)育在中東部平原，同深層地下水開采強度、地下水降落漏斗空間分布高度一致。1960年以前，華北平原地下水采補基本處于自然平衡狀態(tài)，只有局部地區(qū)出現(xiàn)超采，地面沉降出現(xiàn)并緩慢發(fā)展，為地面沉降萌芽期。

20世紀60年代中期至80年代中期，尤其是70年代規(guī)?；瘷C井發(fā)展，地下水開采進入深淺混合狀態(tài)，所在的海河流域地下水多年平均開采量由60年代的39億m3/a增加到80年代中期的206億m3/a，地面沉降進入快速發(fā)展期。

80年代中期至2000年，北京、天津、河北開始實施不同的地下水開采管理措施，但受農(nóng)業(yè)灌溉過度開采、郊區(qū)自來水管網(wǎng)覆蓋率低的影響，年均總超采量達30.4億m3，地面沉降發(fā)展出現(xiàn)區(qū)域性差異。天津市從1986年開始通過壓采地下水實施控沉計劃，地面沉降快速發(fā)展趨勢逐步得到遏制；北京市形成了一北一南兩大沉降區(qū)、五個沉降中心的格局；華北中東部平原中小城市和農(nóng)村地區(qū)地下水開采量大幅增加導(dǎo)致地面沉降范圍從城市向農(nóng)村擴展，并在區(qū)域上連片發(fā)展。

2001—2014年，華北平原降水量總體上減少，地下水開采量增加，年均總超采量達61.4億m3，水位大幅下降，深層地下水漏斗面積從2005年的0.91萬km2增大至2014年的1.17萬km2。天津市區(qū)通過地面沉降綜合治理，壓采深層地下水，中心城區(qū)、塘沽、武清楊村等地面沉降中心得到有效控制，市區(qū)周邊及郊縣地面沉降發(fā)展較快；北京市因遭遇連續(xù)十余年干旱地面沉降加速發(fā)展，2010年地面沉降嚴重區(qū)面積達4 281 km2；河北省滄州市2001年沉降速率雖整體有所減緩，但累計最大沉降量已達2.24 m，自2005—2007年市區(qū)關(guān)閉深層地下水自備井、限采地下水后，沉降速率明顯減小，從2000年的110 mm降至2012年的12 mm左右，但其他地區(qū)地面沉降仍在加速發(fā)展。

2014年年底南水北調(diào)中線通水后，水源置換使受水區(qū)地下水開采量顯著下降至年均188億m3，地下水供水量占年供水總量的比例由2014年的59%降至2019年的42%，北京、天津、河北大中城市地區(qū)城市和工業(yè)供水水源置換，地下水水位下降趨勢減緩，地面沉降發(fā)展趨勢逐步得到遏制，但郊區(qū)新城和廣大農(nóng)村地區(qū)用水依然開采深層地下水，地面沉降嚴重區(qū)依然存在。

2019年，天津市地面沉降嚴重區(qū)面積下降為253 km2，相比2015年800 km2減少547 km2，但武清、靜海、西青、北辰等地分布有地面沉降嚴重區(qū)。北京市地面沉降嚴重區(qū)面積下降為196 km2，相比2015年577 km2減少381 km2，但朝陽和通州接合地區(qū)分布有地面沉降嚴重區(qū)。華北中東部平原以往存在的衡水、德州、滄州、霸州、靜海等深層降落漏斗擴張形成“天津-滄州-衡水-德州深層復(fù)合漏斗”，深層漏斗總面積從2014年的1.17萬km2增大至2019年的2.57萬km2，累計地面沉降量大于1 000 mm的面積呈現(xiàn)逐年增大趨勢，形成了滄州-衡水-德州-邢臺-邯鄲等連片的沉降中心，其沉降速率超過100 mm/a的地區(qū)出現(xiàn)在高陽、南宮、巨鹿等地區(qū)。

此外，天津市濱海地區(qū)淺部軟土自然固結(jié)，深部新近系地下熱水開發(fā)以及中心城區(qū)高密建筑群荷載下基坑降水等因素引起的地面沉降，華北平原山前傾斜平原扇間洼地弱透水層分布區(qū)出現(xiàn)的局部地面沉降，均應(yīng)引起關(guān)注。

2.長江三角洲

長江三角洲地區(qū)因過量開采承壓水，歷史上曾形成了上海市區(qū)、蘇錫常及杭嘉湖等區(qū)域性沉降中心。地面沉降特征與趨勢隨著地下水壓采與人工回灌、城市發(fā)展進程而不斷發(fā)展。2013年后地面沉降嚴重區(qū)基本消失，2019年總體呈現(xiàn)微量沉降和微量回彈并行的格局，年沉降量以小于10 mm為主，但淺層軟土、沿海地區(qū)回填及工程性地面沉降仍有發(fā)生，應(yīng)成為當?shù)亟窈蠓乐喂ぷ鞯闹攸c。

上海市位于長江三角洲濱海地帶，發(fā)育潛水和5個承壓含水層，主要開采第Ⅲ承壓含水層，同時也開采第Ⅳ承壓含水層。1961—1965年中心城區(qū)地下水大量開采導(dǎo)致地面大幅沉降，5年時間內(nèi)累計沉降近250 mm，為地面沉降快速發(fā)展期；1966—1990年通過減少地下水開采量、增加含水層回灌量等措施，沉降速率明顯趨緩；1990年以來因基坑工程降水和地下結(jié)構(gòu)遮攔作用導(dǎo)致淺部軟弱土層變形成為引起地面沉降的重要因素。目前，上海地區(qū)年均地面沉降量總體控制在6 mm以內(nèi)，但以深基坑工程為代表的地下空間開發(fā)活動對淺層軟土造成的較大擾動引發(fā)的不均勻沉降對城市發(fā)展和安全產(chǎn)生了嚴重影響。

蘇錫常地區(qū)歷史上第Ⅱ承壓含水層過量開采，形成區(qū)域性地下水降落漏斗面積約達5 400 km2，誘發(fā)嚴重的地面沉降，累計沉降量最大達3.0 m左右，最大沉降速率超過100 mm/a；受隱伏基巖面凸起、隱伏的長江古河道與周邊沉積相顯著差異的影響，產(chǎn)生明顯的不均勻沉降，誘發(fā)的地裂縫災(zāi)害對當?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施、城鄉(xiāng)建筑物造成了極大的破壞。2000年以來蘇錫常地區(qū)全面禁采深層地下水，水位大幅回升，2019年年底漏斗已全部消失，漏斗中心水位埋深從2000年的80 m左右回升至2019年的40 m以內(nèi)，全區(qū)平均沉降速率小于5 mm/a，地面沉降基本得到控制，地裂縫災(zāi)害趨于緩解。

杭嘉湖平原歷史上主要開采第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層，1964年前后地面沉降開始出現(xiàn)。20世紀70年代以前地下水年開采量小于2 000萬m3；80年代開始開采量逐年上升，至2005年累計開采量達33.3億m3，地下水水位不斷下降，區(qū)域平均水位埋深接近40 m，形成以嘉興市為中心，波及整個平原的地下水水位降落漏斗，漏斗中心水位埋深已超過50 m，地面累計沉降量大于100 mm的沉降面積約占杭嘉湖平原面積的54%。自2007年開始杭嘉湖平原嚴格限制地下水開采，2017年起地下水開采量基本為零。第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層水位以上升為主，局部小幅下降，杭嘉湖平原大部分地區(qū)年沉降量小于5 mm，地面沉降災(zāi)害得到有效控制。

3.汾渭盆地

汾渭盆地由于超采承壓水歷史上導(dǎo)致嚴重的地面沉降和地裂縫災(zāi)害。經(jīng)深層承壓水超采治理，目前地面沉降快速發(fā)展態(tài)勢得到初步遏制，地面沉降嚴重區(qū)面積從2016年的821 km2減少至2019年的550 km2，主要分布于山西省運城市及清徐縣、交城縣、文水縣、太谷縣、祁縣等，最大沉降速率達130 mm/a。陜西省地面沉降嚴重區(qū)基本消失，呈點狀零星分布，但個別點最大沉降速率仍達70 mm/a。此外，沉降區(qū)地?zé)衢_發(fā)可能引起地面沉降災(zāi)害，應(yīng)引起重視。

西安市歷史上地面沉降速率曾一度達到191 mm/a，同時出現(xiàn)大量地裂縫。2001年以來，隨著黑河供水樞紐、引乾濟石、山前群峪并聯(lián)等工程建成，供水系統(tǒng)由地下水轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘乇硭疄橹?，深層地下水開采量明顯減少，大多數(shù)地區(qū)承壓水位得到明顯回升，地面沉降趨于緩解，但部分城中村仍存在自備井開采深層地下水。2018年主城區(qū)的自備井全部關(guān)停，城區(qū)深層承壓水基本實現(xiàn)零開采，深層地下水供水量占總供水量的比例由2010年的15.79%減少至2019年的0.73%，地面沉降得到有效控制。

太原市承壓水開采量由1980年的0.79億m3增長至2000年 的4.5億m3，1993年深層地下水降落漏斗中心水位降深近百米，1956—2003年最大沉降中心累計地面沉降量達2 960 mm，地面沉降處于加速階段。2003年以來，隨著配套水利設(shè)施的完善，市區(qū)地下水水位回升，但由于實際開采總量仍在增加，郊區(qū)大部分地區(qū)承壓水水位仍持續(xù)下降。2008年以來，萬家寨引黃工程向汾河流域持續(xù)進行生態(tài)補水，2019年生態(tài)補水達2.55億m3，向太原市供水1.11億m3，地下水供水量占總供水量的比例由2010年的58%減少至2018年的29%，地下水水位逐步回升。2003—2019年，太原市中深層承壓水水位回升速率達3.7 m/a，地面沉降得到有效控制。

4.淮北平原

20世紀80年代后，淮北平原供水水源高度依賴承壓水開采；90年代后，平原西部各集中開采井群區(qū)地下水水位進一步下降并迅速外展，形成了阜陽-界首-亳州-渦陽-蒙城區(qū)域性降落漏斗。2005—2010年期間，為解決農(nóng)村飲水安全問題，淮北平原中深層地下水開采量一度高達4.6億m3/a，2018年仍高達4.09億m3，區(qū)域性水位持續(xù)下降，形成降落漏斗6處。其中，亳州市深層漏斗中心埋深從2010年的41 m下降至2019年的近70 m；阜陽城區(qū)中層漏斗中心埋深從2011年的30.5 m下降至2019年的48.0 m，深層漏斗中心埋深從2011年的61.4 m下降至2019年的82.6 m。由于長期超采中深層地下水，阜陽市、亳州市等中心城區(qū)地面沉降呈不斷發(fā)展趨勢，如阜陽市沉降中心最大累計沉降量從1980年的83.7 mm增大至1999年的1.34 m，目前已高達1.8 m，年沉降量大于30 mm。目前，以阜陽市、亳州市、宿州市等城鎮(zhèn)為中心仍開采中深層承壓水，地面沉降依然嚴峻。此外，淮北平原西部新近紀孔隙型熱儲開采深度可達千余米，開采地?zé)豳Y源潛伏著地面沉降隱患。

三、結(jié)論與對策建議

1.結(jié)論

國際上發(fā)達國家地面沉降災(zāi)害發(fā)生早，累計沉降量大，現(xiàn)已得到有效控制，并形成較為成熟的地下水超采區(qū)治理和地面沉降防治措施，主要包括立法加強含水層管理，改變土地利用類型、擴大旱作種植面積、推廣節(jié)水技術(shù)降低用水需求，實施地表水地下水聯(lián)合調(diào)蓄、外調(diào)水源及雨洪水回灌開展含水層存儲與修復(fù)，加固加高海岸帶堤防等。

我國地面沉降分布廣，危害嚴重，主要發(fā)育在華北平原、長江三角洲、汾渭盆地和淮北平原的深層承壓水區(qū)。區(qū)域地面沉降與深層承壓水降落漏斗空間分布高度一致，沉降趨勢與其開采強度階段性變化基本一致，并有一定的滯后性。國內(nèi)外實踐都證明地面沉降主要原因是松散層深層承壓水過量開采，而且是一種幾乎不可逆的緩變地質(zhì)災(zāi)害，松散層深層承壓含水層超采治理是區(qū)域地面沉降防治的關(guān)鍵。

隨著我國地下水超采治理的推進，地面沉降防治成效初顯。長江三角洲地面沉降得到有效遏制，汾渭盆地地面沉降快速發(fā)展態(tài)勢得到初步遏制，但華北平原地面沉降防治形勢依然嚴峻，淮北平原仍有加速趨勢，珠江三角洲軟土分布區(qū)存在自然固結(jié)引發(fā)的地面沉降。

表層天然土體自然壓密引起的天然沉降、城市建設(shè)深基坑降水引起的淺表層土體固結(jié)壓密及地下熱水開采引發(fā)的地面沉降也需引起重視。

2.對策建議

優(yōu)化地下水與地面沉降立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，重視基巖標、分層標建設(shè)，加強主要城市建成區(qū)和高速鐵路、機場、南水北調(diào)等重大線性工程地面沉降監(jiān)測；開展地面沉降預(yù)測與風(fēng)險評估，動態(tài)識別地面沉降重點防治區(qū)，作為地下水超采治理優(yōu)先地區(qū)。

加強地下水超采治理與地面沉降防治一體化管理，明確以地面沉降為約束的中深層地下水水位管控指標，科學(xué)配置水土資源，建立節(jié)水壓采、水源置換、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、休耕輪耕等長效機制和激勵機制，生態(tài)補水與行業(yè)用水價格調(diào)節(jié)機制，實施地表水地下水聯(lián)合調(diào)蓄、人工回灌等含水層回補與修復(fù)工程，科學(xué)防治區(qū)域性地面沉降。

加快國家地面沉降防治立法進程，建立地下水開采計量管控機制，推動地下水禁采限采；加強地?zé)衢_發(fā)監(jiān)測與監(jiān)管，堅持采熱不采水原則，確保熱儲層采灌平衡；加強城市建設(shè)降水管理，防止建筑荷載作用下淺表層土體壓密引起的地面沉降；軟土地區(qū)應(yīng)科學(xué)規(guī)劃城市建設(shè)，有序防范軟土自然固結(jié)引起的地面沉降，實現(xiàn)依法防治地面沉降災(zāi)害。 ■