美国的地面沉降及其对策

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第４期　２００２年１　２月　西安工程学院学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＸＩ’ＡＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＶＯ１．２　４　ＮＯ．４　Ｄｅｃ．２　０　０　２　美国晌地面沉降及其又刁策　开军强，　施　斌，　蔡　奕，　丁　勇，　邰　丽　（南京大学地球科学系，南京大学地球环境计算工程研究所，江苏南京２１００９３）　［摘要］简要介绍了美国地面沉降研究的现状，包括沉降的类型、机理、治理措施和监测手段，以期对我　国的地面沉降研究和防治起到借鉴作用。　［关键词］地面沉降；类型；机理；对策　［中图分类号］Ｐ６４２．２６　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００７—９９５５（２００２）０４—００５８—０５　［作者简介］亓军强（１９７７一），男，硕士研究生，以地球环境计算工程为研究方向。　地面沉降是地面由于地下物质运移而发生的渐　抽汲地下水（或石油与天然气）时，伴随着地下　进下陷或急剧下沉。这是一个全球性问题。仅在美　水从沉积含水层组中，尤其在那些厚层的半固结淤　国，已经有遍及４５个洲超过４４　０３０　ｋｍ２的土地受　泥、粘土层（弱含水层）组中排出，含水层的孔隙体积　到了地面沉降的影响，相当于新汉布什尔州与佛蒙　和总体蓄水能力大幅度减少，并且不能完全恢复，最　　特州的总和。由此引发的经济损失更是惊人：仅在　终表现为地面沉降。这类沉降的成因有二种机理：圣克拉拉山谷，沉降所造成的直接经济损失，在　一个是有效应力原理，另一个是水动力固结理论。　１９７９年大约为１．３１亿美元，而到了１９９８年则高达　这两个原理将含水层的压实分为两个过程，前者解　３亿美元。造成这一灾害的原因主要有含水层的压　释了含水层在抽水过程中的压实引发的地面沉降，　实、有机质土的疏干排水、地下采矿、水压实、自　后者解释了抽水以后的残余压实引发的地面沉降。　然压实、溶坑以及永冻土的解冻等。随着对地下水　根据有效压应力理论，抽水以前，上覆土层和水　的进一步开发，现有的地面沉降问题将会更加恶化　的重力由孔隙水压力和粒间有效压力共同平衡；抽　并可能引发新的沉降问题，而由此所直接引发的沉　水后总压力不变，孔隙水压力降低，有效压力增加；　降占美国已确认地面沉降的８０％。笔者根据Ｄｅｖｉｎ　这样，颗粒骨架所受压力增加，土层被压缩，微观上　Ｇａｌｌｏｗａｙ，Ｄａｖｉｄ　Ｒ．Ｊｏｎｅｓ和Ｓ．Ｅ．Ｉｎｇｅｂｒｉｔｓｅｎｔ等人　表现为颗粒之间的孔隙度降低，宏观上表现为含水　编写的ＬＡＮＤ　ＳＵＢＳＩＤＥＮＣＥ　ＩＮ　ＴＨＥ　ＵＮＩＴＥＤ　层变薄，其过程见图１。抽水结束后，地面沉降并未　ＳＴＡＴＥＳ等资料对美国的地面沉降研究作一综述，　停止，这可以用水动力固结理论来解释，在抽水过程　以期对国内地面沉降的研究起到借鉴作用。　中透水层的放水速度比弱透水层快，因而水位下降　也快，停止抽水后，由于两类含水层之间水位高度不　１地面沉降类型　根据土质条件，美国的地面沉降主要可以分为　同，存在水位差，而表现为弱透水层向透水层渗水，　弱透水层因而继续有压实作用．仍有沉降发生。　此类沉降主要发生在￣ＩＶｋＨ硅谷、圣琼魁因山谷、　三大类：第一类，含水层压实引发的地面沉降；第二　德克萨斯的休斯敦一加尔维斯敦地区，还有拉斯维　类，有机土的疏干引发地面沉降；第三类，洞穴塌陷　加斯山谷和亚历桑那州的中南部。　引发的地面沉降，现详述如下。　１．１水层压实引发的地面沉降　［收稿日期］２００２一Ｏ６—１Ｏ　１．２有机质土的疏干引发的地面沉降　在自然条件下，有机质土含水量高，土层处于缺　氧状态．这时碳质有机质的积累速度要快于它的分　解速度。土层中的水被抽排出之后，便处于富氧状　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　亓军强等：美国的地面沉降及其对策　５９　ｒ　、Ｌ厂　●●●　、Ｙ、●●　一一一　一’　蹬　地表＿●－上ｌ　一　二　：　］　弱透水层的压缩　ｒ　凝　噬　加　幽　ｌ１　ｂ　ａ一弱透水层的颗粒骨架中的空晾解释了其蓄水性；ｂ一弱透水层的颗粒骨架压实重组后。空晾度减小，蓄水能力降低　图１　含水层压实引发的地面沉降的原理示意图　态。富氧状态下，土中的微生物变的较为活跃，分解作用的速度明显加快。土层中因分解作用而失去的碳大部分转化为二氧化碳气体进人大气中。除此之　素。全美有机质土的总面积约为２０７　２００　ｋｍ　，其中的有机质土，大约７０％分布在受过冰河作用、苔类土沉降，其分解过程如图２。　１．３洞穴塌陷引发的地面沉降　与地下洞穴（溶洞）有关的地面沉降，其发生比　地下水水位的下降所引发。某些岩石，如蒸发盐矿　石）具有易溶于水的水文地质特性。盐和石膏在水　外，压实、干燥、风蚀、水蚀和燃烧也是分解的重要因　较突然，有时还会带来灾难性的后果。它一般是由　近一半是阿拉斯加的苔类泥炭。美国本土４８个州　物（盐，石膏和硬石膏）和碳酸盐矿物（方解石和白云　泥炭较为常见的北方地区。苔类泥炭主要由泥炭藓　中的溶解能力分别是方解石的７　５００和１５０倍。美　及相关物种构成，具有较高的酸度，即便是经过排水　国大约３５％～４０％的国土是以为蒸发岩基础的。　作用也并不会轻易分解。但农业改造后，比如说施肥和使用重度石灰提高了其ｐＨ值，那么苔类泥炭就会迅速分解。在有机质土沉降的案例中，有些快速沉降（２５．４～７６．２　ｍｍ／ａ）是浅水莎草和芦苇残渣分解造成的。在萨克拉曼多一加利弗利亚圣琼魁三与溶解相关的沉降遍及全美各主要盐盆。以喀斯特　著称的特殊风化地形有助于碳酸盐岩石的溶解。碳　酸盐喀斯特地貌覆盖了美国俄克拉荷马州塔尔萨以　东４０％的潮湿地区。尽管此类塌陷仅限于局部区　域，但它们可以通过把污染物引人地下水系统而影　角洲和佛罗里达沼泽区的地面沉降是典型的有机质　响塌陷以外的地区。纽约瑞茨奥佛和佛罗里达中西　ｂ　ａ一在水淹状态下，有机质分解缓慢。主要生成ｃＯ　ｃＨ４；ｂ一与空气　接触时。０２会加快泥炭土和有机质的分解。而主要生成物为∞２和水　图２有机质分解引发的沉降原理示意图　维普资讯 http://www.cqvip.com 西安工程学院学报　第２４卷　部的洞穴塌陷主要是盐类和石灰石类洞穴塌陷。　用地时的用水量。因此即便是在１９７６～１９７７和　－１９９１年，这两个加州的主要的旱期里，水位　深层抽水使下部含水层的水位下降，上下含水　１９８７－层的水头差增加，从而使水的下蚀能力增强，地下溶　还是保持在历史最低水位以上。　洞的上覆压力加大，地下支撑结构被破坏；沉积碎屑　２．４加固堤防　不断沿着溶蚀裂隙渗到地下硐室中，最终塌陷形成　突发性的灰岩坑（图３）。　以防止洪水泛滥，和海水入侵。例如在加利福　尼亚州的ＳＡＣＲＡＭＥＮＴＯ—ＳＡＮ　ＪＯＡＱＵＩＮ三角　洲，大面积的人工堤坝及人工岛有效的保护了这个　２缓解措施　２．１　ＡＳＲ技术的应用　三角洲，使之免遭海水的入侵，同时维持了有利的淡　水坡度，保持了它的淡水源作用。　２．５　立法　为了满足供水和改善水质的要求，含水层存储　在圣克拉拉山谷成立了一个专门的水资源管理　和恢复技术（ＡＳＲ）在美国各州得以广泛的应用，如　机构来管理该区的用水，使地表水和地下水得到了长　德克萨斯，新墨西哥，内华达，亚利桑那，加利福尼亚　期有效的综合利用。许多地区甚至采取法制措施来　和佛罗里达等州。在圣克拉拉山谷，目前的需水量　防治地面沉降。例如１９８０年通过了“亚历桑那地下　仍然很大，但由于地表水的引入，回灌得以实施，使　水管理法案”。其基本目标是：加强对已衰竭含水层　得地下水抽汲量减少，，从而防止了地下水位重回历　组的管理；把有限的地下水资源进行最合理的分配；　史最低位。另外，该区水资源管理局在当地的河流　发展新的水资源供应来增加亚历桑那的地下水资源。　上建立了５个蓄水坝以收集雨水，这样增加了河水　２．６减少落水洞产生的影响　对流经区的地下水的补给。这样该区是美国第一个　已有的案例表明，落水洞的活动与地下水的抽　被发现也是第一个采取了有效措施而在１９６９年前　取有直接关系，控制地下水位的波动可以防止落水　后终止了沉降的地区。同样的情况还有亚历桑那州　洞的形成。　的中南部，通过引入科罗拉多河的河水减少了对水　的需求强度，从而缓解了地面沉降。　２．２改变土地使用类型　佛罗里达西南水资源管理区与其他水资源机构　通力合作，设立了佛罗里达中西部地下水的临界水　位。最低水位的提出将会改良一些诱发条件，减少　将土地使用由农业用地型向城市用地型转变，　落水洞产生的影响。　以降低需水强度，防止地下水位的进一步下降。特　别适用于佛罗里达州的泥沼区，这种方法可以防止　有机土的进一步分解。　２．３节水　３地面沉降的监测　３．１伸长计——测量地面沉降和水平位移　利用含水层组贮藏和运输地下水，要优于造价　钻孔伸长计可记录地表与钻孑Ｌ底部的参照点之　高昂的地表蓄水和输水系统。因此节水是制止沉降　间垂直距离发生的连续变化。在含水层系出现压实　的一项重要举措。如在圣琼斯地区，目前人均用水　的地区，伸长计是精确测量观测点连续变形的最有　量只有１９２０年的五分之一，远低于了过去作为农业　效的工具。当地下阶地标志处于压实含水层系底部　ｂ　ａ一抽水时下部含水层水位下降引起上下部两含水层水头差增大；ｂ一沉积物渗人硐室最终穹顶失去平衡塌陷形成溶蚀坑　，图３洞穴塌陷示意图　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　亓军强等：美国的地面沉降及其对策　６１　时，伸长计可以作为局部测量的稳定参照点或初始　卫星进行三边测量定位。它的原理就是利用雷达信　点。在一个简单的仪器中插入多级伸长计还可以同　号从卫星传到接收天线所需的时间来计算距离。通　时测量不同深度段的含水层系的压实程度。　３．２雷达干涉测量技术（ＩｎＳＡＲ）　过接收器与至少４颗人造卫星之间的距离（即三边　测量术）就可准确地确定所处位置的三维坐标。目　干涉测量合成孔径雷达（简称ＩｎＳＡＲ）是一种　前ＧＰＳ可达到的的精度为５～８　ｃｍ。在地面沉降和　高效的新工具。它运用雷达信号测量地壳变形。它　其他的地壳运动测量中，当两台ＧＰＳ接受器放在各　的出现使空间清晰度和测量分辨率达到空前的高　自的观测点上同时接受由同组卫星群（至少由４颗　度。合成孔径雷达（简称ＳＡＲ）通过空间飞行器卫　人造卫星组成）发射出的雷达信号时，这两个观测点　星绕轨道运行，数学的合成一个大型的操作天线，并　的相对位置即可确定。在随后的某个时间段里，当　产生高空图像分辨能力。对某个地区而言，若在一　人造卫星再次捕捉到这两个观测点时，它们在这段　段时期内，它有一些稳定的雷达反射物体，那么就可　时间里发生的相对运动就可被测出。测量网上的各　对反射物体处的变化进行高精度的测量。在理想状　个观测点都可采用该方法进行测量。第一个地面沉　况下，可测量出５～１０　ｍｍ的抬升变化。图４是加　降监测测量网１９９２年在加利福尼亚莫哈韦沙漠的　州Ｓａｎ　Ｊｏａｑｕｉｎ　Ｖａｌｌｅｙ的一个油田区的雷达干涉图，　Ａｎｔｅｌｏｐｅ山谷中诞生。它主要用于确定古阶地的沉　空白区为信号不连续区，主要是指农作物产区。　３．３　ＧＰＳ测量　降，确保测量点间（间距为几十英里）的测量精度以　便今后的沉降监测。ＧＰＳ测量技术也是一种多功　基于人造卫星的全球定位系统（ＧＰＳ）的诞生之　能的勘探手段，它可以迅速地判定沉降的大概位置，　前，地面测量最常用的工具是经纬仪和光电测距仪　以便设置更加精密可随时随地测量的仪器（如伸长　（简称ＥＤＭ）。水准测量技术方法很简单，但它的精　计）。加拿大和伊朗也已应用了这种监测方法。如　确度却很高，即使在测量精度要求不高的情况下，这　在伊朗的Ｒａｆｓａｎｊａｎ平原。１９９８年和１９９９年的两　种方法也能够测量到数英里外０．０５（１　ｍｍ）英尺的　次ＧＰＳ大地高程检测，８个月的沉降量为１０～８０　抬升变化。但在大规模的测量中，水准测量和ＥＤＭ　ｍｍ，其测量精度在５～８　ｍｍ之间。表１列出了各　测量所产生的错误就会明显增加。当测量范围较小　种沉降监测方法的比较。　（不超过８　ｋｍ）且测量密度较大时，人们通常采用气　泡水准测量，因为它的精确度高而且成本相对较低。　对于大规模的区域网应该采用先进的全球定位系统　４结语　根据土质条件，美国的沉降主要有３种类型：含　（ＧＰＳ）进行全方位的测量。ＧＰＳ可借助于人造地球　沉降量ｄ／０．０２５　ｍ　ａ　￣］Ｒｄ／００２５　ｍ　．ｂ　ａ一３５天内的沉降量；ｂ一８个月内的沉降量　图４霄达干涉图　维普资讯 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６２　西安工程学院学报　第２４卷　表１沉降监测方法的比较　水层组的压实，有机土的疏干以及可溶岩的洞穴塌　【参考文献】　陷产生的沉降。对３种沉降过程的研究表明，人类　［１］Ｄｅ　ｉ　Ｇａｌｌ。　ｙ．Ｄ　ｉｄ　Ｒ　Ｊ０ｎ　ａｎｄ　ｓ　Ｅ　Ｉ　ｇ。ｂ　。　．ＬＡＮＤ　活动尤其是对地下水的恶性开采是引起沉降的主　ＳＵＢＳＩＤＥＮＣＥ　ＩＮ　ＴＨＥ　ＵＮＩＴＥＤ　ＳＴＡＴＥＳ［Ｍ］．Ｕ．Ｓ．ＧＥＯ．　因，为此美国各州提出了以下措施：ＬＯＧＩＣＡＬ　ＳＵＲＶＥＹ　ＣＩＲＣＵＬＡＲ　１９９９．１１８２・　（１）调整用水类型，生要是引入地表水，限制使［２１　Ｊｏｈｎｗ　ｂｅｌｌ・ＦａｌｋＡｍｄｕｔａｇ　ａｎｄＡｌａｎＲＲａｍｅｌｌｉ・美国内华达州　用地下水。（２）改变用水方向，也就是变农业耗水型为工业　　萎Ｃａｍｂ　銎ｏｌ　ｔ　ｉ量　茎　．Ａ　Ｉｖａｎ　Ｊ。｝ｕ１ｓｏｎ，等编．地面沉降一第六届地面沉　节水型。　降国际讨论会论文选［ｃ】．张阿根．刘毅．魏子新．等译．北　（３）提高用水观念，做到政府立法管理和提高民　京：地质出版社．２０００．　众节水意识相结合。　［３］张阿良，刘毅・龚士良・国际地面沉降研究综述［Ａ］・Ｌａｕｒａ　Ｃａｒ＿　。‘　。……～…一　量和ＧＰＳ测量技术所具有的互补性，综合运用不同　ｃ４，　亏　苎雷芝于Ｉ涉茔　兰　ｈ一子新ｏｇ第ｎｌ六ｎ，届Ｇ地ｉｕｓ面ｅｐ沉ｐｅ降Ｇａ国ｍ际ｂｏ讨ｌａｔ论ｉ，　萎耋　．等译．北　出．　ｏ　的监测技术以达到最有效的监测目的。　［４］Ｍｉｃｈｅｕｅ　ｓｎｅｅｄ．Ｍｉｃｈ　ｄ　Ｔ　ｐ　ｄｋ０　ａｆＩｄ　Ｄｅ　ｉ　Ｉ　Ｇａｌｌｏ　ａｙ．限定厚　通过以上措施，优化资源分配和资源管理尽量　层弱含水层垂直水力扩散系数时对残余含水体系的压实模拟　减少人类抽排地下水对沉降的诱发作用是处理这类　［Ａ］・Ｌａｕｒａ　Ｃａｒｂｏｇｎｉｎ，Ｇｉｕｓｅｐｐｅ　Ｇａｍｂｏｌａｔｉ・Ａ　Ｉｖａｎ　Ｊｏｈｎｓｏｎ．　地质灾害已被证明的可行缓解方式。　等编・地面沉降一第六届地面沉降国际讨论会论文选［ｃ］・张　ＴＨＥ　ＧＲｏＵＮＤ　ＳＵＢＳＩＤＥＮＣＥ　ＩＮ　ＴＨＥ　ＵＮＩＴＥＤ　ＳＴＡＴＥＳ　ＡＮＤ　ＴＨＥ　ＲＥＬＡＴＩＶＥ　ＣｏＵＮＴＥＲ　ＭＥＡＳＵＲＥＳ　ＱＩ　Ｊｕｎ—ｑｉａｎｇ，　ＳＨＩ　Ｂｉｎ，　ＣＡＩ　Ｙｉ，ＤＩＮＧ　Ｙｏｎｇ．　ＳＨＡＯ　Ｌｉ　（Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｅａｒｔｈ　ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｅａｒｔｈ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｎｉｔｅｄ　ｓｔａｔｅｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｉｎｄｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｙｐｅｓ　ｍｅｃｈａ．　ｎｉｓｍｓ＇ｄｉｓｐｏｓｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｆｏｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅ沱ａｒｃｈ　０ｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｉｎ　ｃｈｉｎａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｔｙｐｅ：ｍｅｃｈａｎｉｓｍ：ＣＯｕｎｔｅｆ／Ｉｌｅａ￣ｕｒｅ