城市“慢性病”——地面沉降成因及综合防控对策

贾三满 田芳 齐干

前言

地面沉降是因自然因素和人为活动引发松散地层压缩所导致的地面高程降低的地质现象。随着城市化进程的加快和人类工程活动的加剧，它已成为一个全球性的地质环境问题和城市发展过程中的“慢性病”。目前世界上已有60多个国家和地区发生地面沉降，包括美国、中国、日本、意大利、泰国、英国等。我国有50多个城市正遭受地面沉降灾害影响，其中华北平原、长三角地区和汾渭盆地已成重灾区（图1）。目前全国地面沉降量累计超过20cm的地区达到7.9万km2，其中沉降中心累计最大沉降量超过2m的城市有天津、上海、西安、无锡、太原、沧州等。地面沉降可导致建筑物开裂破坏、城市内涝、降低防潮抗洪能力、诱发地裂缝等（图2～图4）。据调查评估，长三角地区因地面沉降造成的经济损失约3千亿元。其中上海地区最为严重，其经济损失高达2899亿元；华北平原地面沉降所造成的直接经济损失达到404.42亿元，间接经济损失达2923.86亿元，累计损失约3.3千亿元。地面沉降属于缓变性地质灾害，具有形成时间长、影响范围广、防治难度大、难以恢复等特点，不仅影响经济社会的可持续发展，还对人类的生命财产安全造成潜在威胁。

地面沉降成因

图1 我国主要地面沉降分区

图2 地面沉降导致井管抬升

图3 地面沉降诱发地裂缝

图4 地面沉降导致建筑物地基变形

地面沉降类型按地质环境可分为断陷盆地地面沉降、三角洲平原地面沉降和现代冲洪积平原地面沉降三种类型。造成地面沉降的原因很多，天然因素有新构造活动的构造沉降（西安）和近期沉积的欠固结土层的压密（天津）；人为因素有地下水以及油气的过量开采（大庆），工程建筑引起的土体变形等（图5）。我国和世界上的主要地面沉降区大多是由过量开采地下水造成的（图6）。此外，我国部分地区的地面沉降还和地热利用(西藏羊八井)、城市高层建筑(上海)等有关。华北平原地面沉降产生的主要驱动因素是过量开采地下水。通过限制、甚至禁止地下水开采、人工回灌等措施后，一些地面沉降严重地区的地下水位逐步恢复，沉降速率减缓，但沉降范围仍在扩展。没有采取任何措施的地区则地面沉降随着地下水开采量的加大而逐步加剧。

图5 地面沉降成因机理示意图

图6 地下水超采导致的地面沉降示意图

在采取限制开采地下水措施前，地面沉降的发展过程一般大体经历缓慢沉降、显著沉降、急剧沉降等几个阶段，并与同期地下水的少量、大量、超量开采等几个阶段相对应。限制开采后，随着水位下降速度的减缓，沉降速率会相应趋缓，如果进行人工回灌的话，有可能在一段时期内出现地面回弹，如上海在1966—1971年，中心城区曾平均累计回弹18.1mm。此后会随着开采地下水量、人工回灌量的变化，出现相应的变化，如上海20世纪80年代处于微量沉降阶段，年均沉降几毫米；90年代后则出现加速发展的趋势，年均沉降达十几毫米，甚至更多。这都和当时的开采量增加有关。

大量监测和研究显示，北京地面沉降形成的最主要原因是长期超量开采地下水。北京平原区属于冲洪积型平原，第四系松散沉积物颗粒组成和结构提供了发生沉降的地质条件。地面沉降主要发生在永定河冲洪积扇、温榆河冲洪积扇和潮白河冲洪积扇中下部及其交接地带、粘性土层累计厚度较大的地区。1999年以来北京遭遇连续干旱，近12年降水量减少19%。水资源供需矛盾突出，为保障首都供水安全，连续超采地下水。平原区地下水平均埋深从1999年末的14.2米下降到2015年末的25.75米，累计下降11.55米。超采区（评价期2001—2015年）总面积6613平方千米，其中严重超采区面积达到3422平方千米，加剧了地面沉降的发育程度。多年地面沉降和地下水动态监测成果显示：（1）地面沉降发展经历缓慢、显著、急剧沉降几个阶段，与同期地下水开采少量、大量、超量相对应；（2）地面沉降与地下水降落漏斗的分布在时间和空间上具有很好的一致性，地面沉降严重区域与地下水降落漏斗区基本吻合；（3）地面沉降主要压缩层位随着地下水主要开采层埋深的增大而增大。

地面沉降监测

（一）地面沉降监测技术

当前国际上应用的地面沉降监测方法可分为两种：一是传统方法，包括精密水准测量、基岩标—分层标组测量；二是现代监测方法，主要包括GPS/GNSS技术、InSAR技术和光纤测量技术（图7）。

1.传统监测方法

精密水准测量是最早出现的、全世界普遍应用的传统地面沉降监测手段，可以从宏观上掌握区域沉降的特征，是地面沉降发育比较严重且监测精度要求较高地区的首选监测方法。基岩标—分层标组测量是掌握不同深度土层变形信息最主要的手段，可以定量分析地下水位变化、土层变形的动态规律和土层变形的影响因素，对地面沉降机理研究具有重要意义。基岩标—分层标自动化监测是获取单点连续监测数据的最佳监测手段，具有可靠性高、外业工作量小、自动化程度高和运行成本低等优点。

2.现代监测方法

GNSS是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）的简称，泛指所有的卫星导航系统，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、我国的北斗卫星导航系统等。理论与实践表明，GNSS技术可以用于高精度的构造沉降或地面沉降监测。InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）技术是一种有效的远程检测和测量表面位移的技术，在城市地区具备厘米至毫米级的精度。大量工程实践表明，InSAR能实现大范围地面沉降调查与监测，配合其他技术手段加以校正，可作为区域地面沉降长期监测的重要技术手段。此外，分布式光纤传感（DFOS）也是沉降监测中极具发展前途的技术之一。

（二）北京地面沉降监测网络

北京市地面沉降监测网站预警预报系统一期、二期工程分别于2004年和2008年建设完成，形成了基本覆盖平原区的地面沉降监测网络，包含地面沉降监测站（基岩标—分层标监测系统）网、高精度水准测量网、GPS测量网、InSAR测量网和地下水动态监测网，实现了地下、地表、空中的“三位一体”监测。据最新统计数据，该网络共包含7座地面沉降监测站、400多个水准监测点、100多个GPS测量点和600多眼地下水位监测井（图8）。

该系统自2004年起连续运行，每年度开展各地面沉降监测站内基岩标、分层标、地下水动态、孔隙水压力、气象监测，累计数据达数十万组次；每年完成高精度水准测量3500km和100点次的GPS联测以及相关成果数据解译；每年InSAR解译约1万km2；区域地下水动态监测井水位监测累计50多万次，取得了丰富的监测和研究成果，在城市规划、水务规划、水资源调控、地下水禁采、限采区划定、重大线性工程选址和运营安全影响分析、重要建设场地适宜性评价等领域中得到广泛运用；为政府相关部门的地质灾害防治、水资源保护利用等决策制定起到了重要的技术支撑，提高了规划决策的科学性和可操作性；为确保重要城市规划区建设和重大工程规划建设、运营的地质环境安全提供了有力技术保障；为区内重大线性工程地面沉降防控工作提供了标准化的实施依据。

图8 北京市地面沉降监测网络组成示意图

地面沉降综合防控

历史上，日本出现地面沉降的时间最早。日本新泻平原最早在1898年就发生了地面沉降，美国则是在1922年加州萨克拉门托（San Joaquin）流域发现沉降。这两个国家在地面沉降治理和防控方面积累了丰富的经验，提供了成功范例，值得其他地区在地面沉降监测和防治工作中进行借鉴。上海是我国最早发生地面沉降的地区，目前也形成了相对比较成熟且富有成效的地面沉降防控体系。

（一）国外地面沉降防控

日本地面沉降发展较早且累积沉降量大。20世纪六七十年代，由于地下水开采由浅层向深层发展，导致日本全境出现了多个地面沉降中心，局部地区的地面标高甚至低于海平面。1975年以后，日本对地下水开采采取了一系列控制措施，地面沉降趋势得到缓解，局部地区甚至出现少量回弹。

日本政府防治地面沉降的管理措施和技术经验值得借鉴，可以归纳为四个方面：（1）严格控制地下水开采量，包括控制井位、井径、井数和出水量；（2）采取回灌措施，将河水、雨水及三级处理过的废水注入含水层；（3）转移开采层次，如减少上部含水层的集中开采，将部分开采转移到下部含水层；（4）颁布并严格实施工业、农业用水法。

此外，日本政府还在20世纪初建立了“Ka-bu-ido”地下水管理系统。无论是何种用途的地下水开采，都必须在“Ka-bu-ido”系统内提出申请，交纳地下水开采费，同时还必须采取地下水补偿措施。

美国至今有50个州发生地面沉降，许多地区采取法制措施来防治地面沉降，例如1975年，得克萨斯州议会成立美国第一个地面沉降管理机构——“哈里斯·加尔维斯顿沿岸地面沉降管理区”；1980年亚历桑那州通过了《亚历桑那地下水管理法案》；加利福尼亚州圣克拉拉山谷成立了一个专门的水资源管理机构来管理该区的用水。在地面沉降监测方面，美国构建了以钻孔伸长计、水准测量、GPS测量和InSAR测量构成的监测网。除了制度、管理和监测方面的行动，美国目前缓解地面沉降的技术措施主要有含水层存储和恢复技术(ASR）、人工补给地下水、改变土地利用类型、节水、加固堤防、建立地表水—地下水联合管理模型等。ASR技术在美国各州得以广泛的应用，如得克萨斯、新墨西哥、内华达、亚利桑那、加利福尼亚和佛罗里达等州。加州圣克拉拉谷地的成功经验已成为全世界防治地面沉降的经典案例。

（二）上海地面沉降防控

我国最早于20世纪20年代初在上海市区发现地面沉降。一百多年来，在应对地面沉降的长期实践过程中，上海在制度、技术和管理层面形成了相对比较成熟且富有成效的地面沉降防控体系。

上海市在地面沉降防治方面制定了多项管理办法或者条例。2006年10月1日开始施行《上海市地面沉降防治管理办法》，后废止，于2013年7月1日开始施行《上海市地面沉降防治管理条例》。该条例对地面沉降防治管理的行政主管单位、责任单位，地面沉降防治年度工作计划编制，地下水开采总量控制等均进行了明文规定，使得地面沉降的防治更有法可依。

目前，上海市已建成空间立体分布的、融合各种监测技术优势的综合性地面沉降监测网，基本满足地面沉降研究中各个层次（不同控制区域、不同监测频率、不同精度、不同深度土层、不同深度含水层）的需求。

20世纪60年代，上海市在地面沉降快速发展阶段，采取了大幅减少地下水开采量并同时进行人工回灌的措施，从而使地面沉降速率得到了有效控制。地下水采灌量动态总体上呈现出年开采量逐年减少和年回灌量逐年增加的态势，年开采量由最高的近2亿m3逐年减少到目前的1000万m3以下，年回灌量由早期的390万m3增加到目前的2000万m3左右。目前，上海地面沉降防治进入了微量沉降控制的新阶段，地面沉降防治管理施行分区管控，主要从区域地面沉降、地下水资源开发利用、深基坑工程减压降水地面沉降、重大市政工程设施沿线地面沉降四个方面入手深入研究分区管控方法。

（三）北京地面沉降防控

地面沉降也是北京市平原区最为突出的一种地质灾害。北京地面沉降危害主要体现在破坏和影响建筑物结构，降低其抗震能力；破坏市政设施；损失地面高程，降低防洪排涝能力；威胁轨道交通安全；加剧地裂缝灾害；降低综合土地利用价值等。北京早在1935年西单至东单—带就已发生了地面沉降，1935—1952年局部地面累计最大沉降量为58mm。新中国成立后，随着北京城市建设和工农业发展，地面沉降的范围和沉降面积扩展速率也在逐步扩大。北京平原区地面沉降按其发展过程可划分为四个阶段，即形成阶段（1955—1973年）、发展阶段（1973—1983年）、扩展阶段（1983—1999年）和快速发展阶段（1999—2014年）。1955年至2014年底北京市平原区累计沉降量大于50mm的区域面积超过4000km2，最大累计沉降量达1.97m，部分沉降中心年沉降速率连续五年超过100mm/a。自2014年底南水进京后，随着地下水替代水源增加以及自备井限采等一系举措的实施，北京平原区地下水得到了一定的涵养，地下水位下降趋势得到缓解，区域沉降速率呈减小趋势，但地面沉降发育程度严重区的面积未见明显减少，主要沉降中心的年沉降速率仍然居高不下，凸显了地面沉降防控的复杂性和紧迫性。

北京市地面沉降的防治是一项系统性强的复杂工程，应从管理和技术层面出发，多层次全方位采取防治措施。在管理层面上，第一是要形成地面沉降防治的专门条例或法规，使防治工作“有法可依”；第二是要基于地面沉降监测、调查和机理分析等基础性工作，形成科学合理的地面沉降防治决策及实施方案；第三是要形成京津冀区域联动的防控机制。在技术层面上，应继续夯实地面沉降调查、监测和研究方面的基础工作，抓住地下水控采这个关键因素，寻找积极探索新的控沉办法，逐步形成制度化、部门化和区域化的防控体系。

1.管理层面

（1）法治建设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规，把地面沉降防治工作推向正规化、法制化和规范化的良性轨道上来。上海市在地面沉降防治法制建设方面的成功经验表明，“有法可依”在地面沉降防治工作中具有重要作用。在地方性法规的基础上，可以制定适合北京的地面沉降防治规范标准，建立一套完整的地面沉降防治体系，能够整合行业优势，集中资源开展地面沉降防治。

（2）科学合理的防治决策和实施方案是地面沉降防治的重要技术支撑

在已有北京市地面沉降防治区划基础上，结合全市地下水管理中禁采区和限采区划定工作，根据分级控制区内乡镇街道不同特点和地面沉降差异性特征，制定停采深层地下水、压采深层地下水与置换深层地下水相结合的差异化措施，并将控制措施进行量化来控制地下水开采。

（3）区域联动和多部门配合是系统防治地面沉降的重要途径

北京市地面沉降与河北、天津交界地区联系紧密，尤其在北京市东部和南部，地面沉降发育区早已超越行政界限而连成一片。目前，省际间的“京津冀地区地面沉降防治一体化”和“华北平原地面沉降联防联控”已成为地面沉降防控工作新常态。未来，在地面沉降和地下水监测、研究和防控方面仍需加大共享和联防联控力度。

2.技术层面

（1）加强地面沉降调查、监测和基础研究

地面沉降调查和监测可提供丰富的基础数据，通过对这些数据的分析和整理，能够掌握地面沉降的最新变化情况，其发展程度、变化趋势、演变规律正是地面沉降防治工作决策最重要的参考依据。基于调查成果和监测数据而开展的基础研究，是真正揭示地面沉降本质的重要途径，能为地面沉降防治工作提供针对性强的、行之有效的技术支撑和决策依据。

地质环境在人类剧烈活动的当前，可能在有限的时间内发生较大的变化，这使得地质工作必须要着眼于时间的变化，把握不同的时点的地面沉降变化，这要求地面沉降调查和监测在一定时间间隔内重复开展。

北京市地面沉降监测工作基础和连续性较好，可实现实时监测。但随着京津冀协同发展、北京城市副中心和大兴新航城等国家战略实施及重大工程建设，当前地面沉降监测网络的覆盖范围、监测设施密度和监测精度无法满足新时代、新形势、新条件对地质环境安全稳定性的更高要求，需要进一步优化地面沉降监测网络系统，从监测网形、监测密度、监测精度、移动互联、信息化等方面进行全面提升。因此，需以地面沉降成因成灾机理、预测和预警为重点，开展地面沉降调查、监测、基础研究相结合的综合研究。

（2）建设深层地下水回补试点工程

建设针对地面沉降防控的深层地下水回补试点工程。为遏制目前北京市地面沉降快速发展态势，尤其是防止差异性沉降的严重危害，在地面沉降中心区范围最为严重的地区，可以针对地面沉降主要压缩层位，从实践层面开展深层地下水回补试点工程，探索深层地下水回灌措施可行性。

（3）优化地下水开采

调整在地面沉降中心区的集中地下水水源地建设，将其布置在地下水恢复能力强、可压缩地层厚度小的北京平原冲洪积扇中上部。针对零散单井深层地下水开采，在不具备关停的情况下，结合全市平原区地下水分层资源量和水质评价成果，优化开采层位和不同层位的开采量。

（4）预警防控地面沉降的工程性危害

地面沉降的显著危害之一就是对高铁、地铁等线性工程的影响。众多大型线性工程往往横穿地面沉降区，甚至跨域多个地面沉降区，不同地区地面沉降的变化均能体现到跨区域线性工程上。尤其在地面沉降变化明显、沉降量等值线密集的地区，线路工程的横向穿越可能导致在一定的距离内积累较大的形变，造成损失。北京市拥有地铁、轻轨和环线高速等众多的线路工程，地下埋设有大量各种管线，还有京津、京沪、京张等城际高速铁路的重要节点。特别是随着高铁运速的快速提升，地面沉降对于高速铁路的影响应引起足够的重视，应将其作为地面沉降防治工作的重点和突破口。

结语

地面沉降作为城市“慢性病”，是伴随城市化进程和人类工程活动而出现的一种“沉默”的“土地危机”，其防控是一项长期且艰巨的任务，需从调查、监测、研究和防控多方面持续大力推进。开展不同尺度、精度上的地面沉降定期调查，优化地面沉降监测网络，提升地面沉降监测精度，加强地面沉降的成因成灾机理研究，引入物联网、大数据等新技术新方法，建设地面沉降预警和防控平台，加大成果转化和应用力度，促进数据共享和区域联防联控，形成制度、技术和管理的多维度防控体系。