中国地面沉降情况研究
摘要
中国有很多区域发生了地面沉降，主要都是地下水的不合理开采导致的，还有一些次要原因包括：石油的开采、温泉开发以及大陆板块的新构造运动。在中国地面沉降的共同特点是进程缓慢、长年积累、不可逆转以及其他特殊的特点。尽管已经采取了很多措施，但是沉降面积仍在不断扩大，沉降量也在不断积累。补充含水层的地下水是控制地面沉降的一种辅助方式，但这并不能完全解决地面沉降的问题。地下水位变化到不同的位置，该位置土层的对总沉降的贡献值取决于它的可压缩性和厚度。我们观察到，当地下水位以某种特定方式波动时，除了弹性土层，粘性土层与含水层会发生塑性蠕变，使得地面沉降会相对地下水位变化延迟一个时段。
关键词：地面沉降； 板块缝隙； 地下水过量开采； 中国
简介
地面导致地面不断下沉，产生沉降的原因是有许多。严重时会演变成地质灾害，地下水过量开采与地质运动是产生地面沉降的两个主因。在东京、曼谷、威尼斯和休斯敦州的加尔维斯顿区，开采地下水已经成为地面沉降的第一诱因。德克萨斯、墨西哥和中国都属于沉降区。中国的地面沉降主要发生在大中型城市，已经发展成一个严重的环境问题。本文将对中国地面沉降的特点进行介绍。
1基本情况
中国地面沉降主要发生在包括上海、天津、江苏和河北等17个中东部省市。总面积超过7万平方公里，主要分布在以下地区（如图1所示）：（1）长江三角洲，包括苏州、无锡、常州和嘉兴。（2）黄河-淮河-海河一带，包括：天津、沧州、衡水和安阳。（3）松花江平原与辽河下游地区，包括：大秦、哈尔滨、沈阳与营口。（4）河谷和山间盆地，如西安、太原、临汾、汾渭河谷以及位于山间盆地的大同。（5）东南沿海平原，如宁波、泰州、海口、台北等。这些沉降区域不仅有三角洲、沿海平原、洪冲击平原，也有内陆盆地，其中最严重的就是黄淮平原与长江三角洲。
地面沉降发生在沿海大城市，如上海和天津，在20世纪80年逐渐向发达的内陆扩张，已经形成了长江三角洲和黄淮平原两大沉降区。它们在地质背景方面
各有不同，其中最大的沉降累计已经超过了3米。在某些海拔地于海平面的沿海地区，沉降率最大已经达到100毫米/年。目前，大部分沉降区仍在继续下沉且面积也在不断扩大。即使是上海和天津已经采取措施控制地面沉降，它们还是以10-15毫米/年的速率下沉。
据报道，在黄淮平原、长江三角洲以及汾渭河谷，由于不均匀沉降，已经有超过1000个的地面裂缝，它们分布在450个地区，导致房屋损坏，损失惨重。
2长江三角洲
长江三角洲是中国地面沉降的典型。上海市中国第一个发现地面沉降，也是受地面沉降影响最大的城市，第一次报导的地面沉降发生在1921年，在市中心，平均沉降量约1.93米，从1921年到2001年底，最大沉降量达到2.63米，上世纪80年代开始，由于地下水的抽取，沉降区已经扩张到上海的郊区。
上海的含水层结构图如图2所示，从顶部含水层到底部含水层，有一个潜水含水层和五个承压含水层。这些含水层由粉砂、细中砂及粗砂组成。中间还包含6个弱透水层，由粘性土和粉质土组成。
上海的地面沉降经历了如下阶段（如3所示）：1921年-1948年，沉降初始发展阶段；1949年-1956年，年地面沉降较为显著；1957年-1961年，沉降速率急剧上升；1962年-1965年；沉降速率放缓；1966年-1971年，地面回升；1972年-1989年，轻微沉降；1990年-2001年，缓慢沉降。相应的沉降速率分别是24,40,100,60,3,3.5和16，单位：毫米/年。沉降速率的变化与上世纪60年代开始采取的控制措施有关，包括减少地下水的开采，人工补给地下水以逐步提高含水层。上世纪60年代之前，地下水主要来自市区的第二和第三承压含水层，大约占总用量的86%；从1968年开始，逐步调整含水层的利用方式，第四和第五含水层的利用分别达到70%和15%。结果沉降速率迅速下降，甚至发生了少许的反弹（1966年-1971年，市中心地面回升了18.1毫米），上世纪90年代，由于地下水再次被过量开发，以及城市的飞速发展，各种高大建筑的建造，上海周边沉降速率涨到16毫米/年。
除了上海，上世界60年代开始，长江三角洲的其他区域也发生了地面沉降，如：苏州、无锡、常州、南通、泰州、嘉兴和桐乡。到上世纪末，沉降量超过200毫米的区域面积已经达到10000平方公里，占整个区域的1/3。地面沉降有这样一个发展趋势：累计沉降量超过1米的城市如苏州、无锡和常州，它们其中沉降量最大的超过了2米，这些城市在历史上都是以美丽繁荣和无污染著称。然而，近30年来，随着城市工业的发展，地表水遭受污染，不适宜饮用，人们转而去开采地下水，导致地下水位急剧下降。起初，沉降漏斗位于三个不同的城市，随着其面积的扩张，它们最终连结在一起形成了一个巨大的沉降漏斗。同时地面沉降发生了，并且在时间和空间上与沉降漏斗的产生有一致性。这些现象表名，苏锡常地区地面沉降的主要原因就是地下水的过量开采。上海，嘉兴和湖州也是这个原因。如果不采取有效措施，地面沉降会迅速发展，整个三角洲的水位沉降漏斗会连在一起。虽然近年来，在美国和其附近地区，开采地下水已经被禁止，但地面还是以20-40毫米/年的速率在下沉，沉降区也在增加，更有甚者，已经发现了14个地面裂缝。由于不均匀沉降产生的裂缝，长度达几公里，其方向也有明显的走向，大致为沿东南向西北延伸。
3黄淮平原
天津位于中国北部沉降区，第四纪沉淀物的厚度从几百米到1000米不等。在沉积物下有固结土。从地质的角度，天津和上海的地面沉降性质有所不同。从1923年到1958年，地面沉降速度较为缓慢，那时的地下水开采量为1.2?107立方米每年，地面沉降速度从每年几毫米上升到20毫米。从1959年到1985年，地下水开发量达到了1.2?108立方米每年，降速率最大的达到100毫米/年，产生了许多沉降中心。1986年到2002年，由于人们采取措施减少地下水的开采，市区地下水的开采量被限制到(1.5~2)?107立方米/年，地面沉降速率也下降到了10-15毫米/年。目前，天津的沉降区已经与河北的沉降区连在一起，这个总的沉降区有数个沉降中心，虽然天津和塘沽区的沉降已经得到控制，但新的沉降中心还是在郊区出现，并且迅速扩张，从1959年到1999年，累计沉降区面积已经达到540平方公里，最大沉降量也达到了2.83米。
由于地下水的过量开采，河北平原已经形成了9个大的沉降漏斗和9个主沉降区，包括沧州和衡水市。沧州和衡水的沉降面积已经达到9363平方公里，在山东德州和菏泽、河南濮阳、许昌和新乡以及安徽阜阳也出现了中心沉降量超过2米的沉降区。它们几乎都发生在黄淮平原，在不同的城市，地面沉降速率有所不同。据报道，除了地面沉降，直到2004年，在河北平原也发现了200多个裂缝，它们的长度从几百米到1公里，宽度1-2厘米。
4河谷地区与山间盆地
西安是上世纪50年代末第一个被发现的位于渭河流域的沉降地区。随着地下水的开采，岛上世纪90年代初，累计沉降量已经超过了200毫米的区域多大150平方公里，超过1000毫米的区域达到了42平方公里。到2002年，累计沉降量最大已经达到了2.6米。西安的地面沉降不仅仅与水位漏斗有关，更重要的是它位于第11断裂带。沉降区域被限制在板块裂缝以内，这个现象在其他地区并没有，地球板块的垂直运动加速了地面沉降的进程。
在太原和临汾也发现了地面沉降，在汾河流域的榆次，分布着许多的地面裂缝。大同，是一个盆地城市，有10条地表裂缝，总长度达到了34.5公里，大致的走向为北偏东50度。造成这些裂缝的原因不仅仅是地面沉降，还有地表的水平位移。