我国地面沉降及控制方法探讨

我国地面沉降现状及控制方法探讨

摘要：地面沉降又称为地面下沉或地陷。它是在人类工程经济活动影响下，由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动。其主要原因是人类为了生产生活大量抽取地下水，开采地下流体等，发展缓慢，但一旦发生便很难恢复，会造成极大地经济损失。本文主要介绍我姑我国地面沉降现状及现在的监测方法，提出控制手段。

关键词：地面沉降，影响，对策

引言

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。是我国平原地区的主要地质灾害，在人口密集的城市，地面沉降最为严重。从国土资源部获悉，目前，中国一半省份存在地面沉降，五十多个城市地面沉降比较严重。地面沉降具有成长缓漫、持续时问长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点，是一种缓变型地质灾害，会造成地面高程损失、建筑物的下沉及破坏等危害。由于地面沉降造成的地质灾害对我国经济造成了很大的损失。[1]

地面沉降现状及危害

2.1现状

我国的地面沉降主要出现在上海、天津、江苏、河北等17个省市的东、中部地区，沉降总面积超过7×104 km2，最大累计沉降量已达3m，主要分布于长江三角洲、华北平原、松嫩平原和下辽河平原、汾渭河谷平原和一些山区盆地。其中，华北平原和长江三角洲是两个集中连片发展的地区，地面沉降十分严重。由于不均匀地面沉降，华北平原、长江三角洲、汾渭河谷平原以及某些内陆盆地的一些地区出现地裂缝，约450处，一千多条，所经之处建筑物遭到不同程度的破坏，造成巨大损失。我国地面沉降的特征有：

（1）地面沉降分布范围广；

（2）地面沉降涉及的深度较大；

（3）地面沉降发展的阶段性不均匀性。[2]

中国出现的地面沉降的城市较多。按发生地面沉降的地质环境可分为三种模式：

（1）现代冲积平原模式，如中国的几大平原。

（2）三角洲平原模式，尤其是在现代冲积三角洲平原地区，如长江三角洲就属于这种

类型。常州、无锡、苏州、嘉兴、肖山的地面沉降均发生在这种地质环境中。

（3）断陷盆地模式，它又可分为近海式和内陆式两类。近海式指滨海平原，如宁波；而内陆式则为湖冲积平原，如西安市、大同市的地面沉降可作为代表。

从地质因素上来看，自然界发生的地面沉降大致有三种原因：

一是地表地层松散而导致地面沉降；

二是地质结构作用导致地面凹陷而沉降；

三是因自然灾害中地震所导致地面沉降。

人为因素大致有三种：

（一）过量开采地下资源（石油、天然气、煤、水等液态矿体和气态物质），这已经被认为地面沉降的主要原因。在城市中，长期大量的开采地下水导致地面沉降，一座上千万人口的特大型城市的供水都是从哪里来的呢？这些水有三分之二是从地下抽上来的，每年开采地下水二十几亿立方米，过量的开采导致局部区域下降。

（二）开采地下的固体矿物质，导致地面下沉；

（三）重大的工程建筑物对地基施加的重量，使地基土地发生变性。

2.2危害

地面沉降之所以被称之为“一种沉默的土地危机”，是因为它是一种缓变型的地质灾害。表面上容易引起人们的忽视，但造成的后果极其严重，已经威胁到人们的生态环境、经济建设和生活。据统计，我国每年因地面沉降导致的直接经济损失达一亿元以上。而且地面沉降一旦形成便难以恢复，危害是持久的。

地面沉降的发展过程可以划分为3个阶段：

（1）地面沉降形成阶段，此阶段地面开始出现沉降，但是发展缓慢，沉降量不大，地面沉降发生的范围也较小；

（2）地面沉降发展阶段，此阶段地面沉降快速发展，沉降发展最快的地方形成地面沉降漏斗中心，此时地面沉降的不均匀性最为强烈；

（3）沉降扩展阶段，此阶段沉降区的沉降速度变慢，但是沉降区的面积越来越大，形成了一些新的沉降中心。地面最大不均匀沉降一般发生沉降发展中期，随后地面不均匀沉降程度有逐渐变小并最终趋于稳定的趋势。[3]

地面沉降的危害主要有：

（1）毁坏建筑物和生产设施;地面沉降导致了建筑物和城市基础设施的破坏，并影响到城市建设的布局和规划。建筑物会出现地基下沉、墙壁开裂或建筑物倾斜等现象，缩短了建筑物的寿命，而且抗震能力也相应降低。

（2）不利于建设事业和资源开发。发生地面沉降的地区属于地层不稳定的地带，在进行城市建设和资源开发时，需要更多的建设投资，而且生产能力也受到限制; 地面沉降导致

了建筑物和城市基础设施的破坏，并影响到城市建设的布局和规划。建筑物会出现地基下沉、

墙壁开裂或建筑物倾斜等现象，缩短了建筑物的寿命，而且抗震能力也相应降低。

（3）造成海水倒灌。地面沉降区多出现在沿海地带。地面沉降到接近海面时，会发生海水倒灌，海水入侵的直接后果是地下淡水受到海水的污染，水源受到破坏，使土壤和地下水盐碱化。由于温室效应导致的海面上升，加上地面沉降的作用，那么，沿海大片低洼地将可能有被海水淹没的危险。

地面沉降造成的经济损失主要有：

（1）原水准点建设的一些地面设施不能发挥应有的功能。同时新的建筑群体抬高地基直接增加建筑物的成本，由于高程的损失，形成较多的“悬河”使防洪堤坝失去应有的功能，江、河、湖泊的泄洪能力减弱，加剧洪涝灾害。

（2）毁坏地面建筑物和生产设施，破坏地下公用设施。

（3）加速水土污染度。由于地面沉降的发生，使地表水的自净能力降低，污水局部积

累，环境承污能力降低，从而不可避免地加重水土环境污染恶化，增加污染防治工程的难度。

（4）影响河道运输业，地面沉降使桥梁净空减少，加速河道淤积，严重影响河道运输业发展。加重农田渍害。地面逐年下沉，潜水位相对上升，农田渍害逐年加重，使农作物减产造成损失。[3]

3.模拟与监测方法

地面沉降监测即观测和分析地面沉降灾害动态变化的工作。主要内容和方法是：

①地面沉降发展过程监测,主要是通过卫星定位系统(GPS)和布设水准测网,定期进行高精度水准测量,监测地面高程变化情况；

②地下水和油气等资源开采、回灌状况与动态监测,主要是建立地下水动态监测网,调查和分析地下水开采量、地下水水位埋深和标高、地下水水质变化；

③构造沉降量与土层压缩量监测,主要方法是埋设基岩标、分层标,定期测量高程变化,

同时结合高压固结试验、模拟试验等进行；

④房屋、桥梁、码头、道路等建筑设施变形与破坏监测；

⑤海滨地区的海面动态监测。

传统的地面沉降测量方法包括水准测量、基岩标和分层标测量。这些方法精度很高，但只能在比较小的范围内开展工作。

地面沉降的监测方法除了常规的大地测量法之外，近年来GPS全球定位系统表现出明显的优势，相对传统方法，它测量速度快，费用低廉。GPS三维定位以其精度高、范围广、全天候、易选点等诸多优点在大地测量、工程测量、形变监测等领域得到广泛应用，可以说为测量理论和应用都带来了巨大的变化。随着GPS定位精度的不断提高，尤其是高程分量精度的不断提高，可以建立GPS基准网和监测网，从中获得沉降监测点的高程分量信息，差分

GPS技术在监测大范围地面沉降方面已经有一些成功的例子。

差分GPS监测地面沉降的工作原理：差分GPS是将一台定位仪安置在地面某一坐标已知的基准点上，同时，另一台定位仪安置于地面监测点上，在测区的一定范围内，两台定位仪的共有系统误差基本相等，因此，在测得基准点的共有系统误差值(实测坐标与其已知坐标之差)之后，就可求得每个观测时刻由于上述误差而造成的影响。以此对监测点的坐标进行改正，则可得到监测点的精确坐标值，其定位精度就能大幅提高，这就是差分GPS的基本原理。GPS定位测量误差来源主要有：卫星星历误差，卫星钟误差，电离层传播误差，对流层传播误差，多路径误差，接收机钟差，天线相位中心误差。利用差分GPS可以消去卫星钟差、接收机钟差和电离层延迟误差，同时也大大削弱了对流层传播误差的影响。在对GPS地面沉降监测网进行数据处理时，需要选择高精度的GPS数据处理软件和合理的框架基准，才能满足地面沉降监测高精度的要求。[4]

美国对地面沉降的监测采取了三种方法，即传统的监测、GPS监测、合成孔径干涉雷达监测。

合成孔径雷达SAR是近20年发展起来的一种空间对地观测技术，目前被广泛用于获取地面起伏的信息。其工作原理就是用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理的侧视雷达。合成孔径雷达是近20年发展起来的一种空间对地观测技术，目前被广泛用于获取地面起伏的信息。利用SAR获取的信息同构InSAR和D-InSAR可以进一步获取地面高程模型和地面高度的变化。特点：在目前的技术条件下，在雷达影像相干性好的地区，有可能以与水准测量相当的精度监测地面的垂直变形。这一条件是相当苛刻的；即使在通常认为地面反射条件较好的地区，也并不是每次相邻两次通过得到的SAR影响都能得到很好的想干；要利用D-InSAR技术取代水准测量监测微笑的地面垂直变形还需要克服许多技术难点，其中最重要的是克服相干性的限制和突破相位解缠的障碍。InSAR技术对我们还是一个新的领域，所以关键技术和软件都不是自己的，需要进一步的改进和推广。首先在目前的技术条件下，雷达影像相干性好的地区有可能与水准测量，有可能以与水准测量相当的精度监测地面的垂直变形。这一条件是相当苛刻的。然后，）即使是在通常认为地面反射条件较好的天津市区，也并不是每相邻两次通过得到的SAR 影像都能得到很好的相干。最后，用SAR技术监测地面垂直变形的优点是不言而喻的，但要实际用来取代水准测量监测微小的地面垂直变形还需要克服许多技术难点，其中最重要的是克服相干性的限制和突破相位解缠的障碍。[5]

地面沉降的计算方法很多，归纳起来大致有理论计算方法、半理论半经验方法和经验方法等三种。土水模型，包括水位预测模型，土力学模型两部分。水位预测模型可利用相关法、解析法和数值法等进行地下水位预测分析；土力学模型包括含水层弹性计算模型、枯性土层最终沉降量模型．太沙基固结模型，流变固结模型，比奥(Biot)固结理论模型、弹塑性固结模型、回归计算模型及半理论半经验模型(如单位变形量法等)和最优化计算方法等。生命旋

回模型，该模型直接由沉降量与时间的相关关系构成。如泊松旋回模型。Verhulst生物模型和灰色预测模型等。[5]

4.防治措施

地面沉降的控制与防治措施主要有以下几点。

一、加强宣传，增强防灾意识。由于淡水资源比较宝贵，因此，制定地下水合理开采和维持采灌平衡的规章制度，对过量开采者，盲目开采者进行法律制裁。要加强宣传，从思想上增强防灾意识，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。

二、限制或减少地下水开采量。我国人口众多，水资源的需求量较大，但是由于水资源短缺，同时，地表水的时空分布又极不均匀。因此许多地方大量开采利用地下水资源。长期过量开采地下水由于地面沉降具有累进不可逆性的特点，因此限制和减少地下水开采量以防止和减缓地面沉降，具体可以采取三种措施：可以用地表水资源代替地下水资源，以人工制水设备代替地下水资源，实行一水多用，充分综合利用地下水。

三、采用地表水人工补给地下水。对于已明显出现地面沉降的地区要采取合理的措施使地面沉降量减少，使沉降的地面得以恢复，可以采用地表水人工补给地下水，以便抬升地下水位，从而使地面回升。

四、调整地下水开采层次。地面沉降的主要原因是地下水的集中开采(开采时间集中、地区集中、层次集中)，因此适当调整地下水的开采层和合理支配开采时间，可以有效的控制地面沉降。

五、加强地面沉降监测体系，深入研究地面沉降的形成机理和防治对策。[6]

5.结语

地面沉降是我国在经济快速发展过程中，由于过量开采地下水产生的一个环境地质问题。通过研究掌握规律，地面沉降是可以控制和可以预防的。

地面沉降研究涉及多个领域，需要各学科的真正交叉，我们所以能取得一些成果也和学科交叉分不开的，另外也需要生产、教学、科研单位的通力合作。至于地面沉降的防治则是一个系统工程，更需要各个部门的通力合作，特别是当地政府的重视，统一规划，综合防治。在各项措施中最根本的是要设法把地下水开采量降下来。

6.参考文献

[1] 薛禹群,张云,叶淑君,吴吉春,魏子新,李勤奋,于军.我国地面沉降若干问题研究[J].高校地质学报，2006，12(2):15.-160.

[2] 李国和,孙树礼,许再良,张建民.地面沉降对高速铁路桥梁工程的影响及对策[J].铁道工程学报，2008，(4):37-41.

[3] 徐丹青,郭春香.常州市区地面沉降分析及防治[J].能源技术与管理，2006，(6):46-49.

[4] 王珍.利用差分GPS进行地面沉降监测的研究[D].北京：北京建筑工程学院，2010:1-59.

[5] 路旭,匡绍君,贾有良.用INSAR做地面沉降监测的实验研究[J],大地测量与地球动力学,2002,22(4):66-73.

[6] 吴晓芳,地面沉降[J].城市规划建设,2008,(4):40-43.