上海地面沉降管控分区沉降特征及地下水采灌对比研究

暴世康，叶淑君*，严学新，杨天亮，黄鑫磊

（1.南京大学地球科学与工程学院，江苏·南京 210023；2.上海市地质调查研究院，上海 200072；3.自然资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072）

随着人类活动的逐步增多，城市生活及工农业用水需求日益扩大，地下水被过度开采。过量开采地下水引起的地面沉降现象在世界很多地区均已发现，如墨西哥[1]、美国[2]、伊朗[3]、印尼[4]、越南[5]、我国台湾[6]等地。上海作为中国经济最发达的地区之一，在过往发展过程中，长期将地下水资源作为全市工业及农业用水的主要水源。地下水的过量、无节制开采[7-8]，导致地下主要含水层水位大幅度下降，进而引发了较严重的地面沉降现象。上海地面沉降最严重时期在20世纪60年代，1921~1965年上海市区平均地面沉降达1.69m[9]；在1966~2000年间，上海市区累计平均地面沉降为218.1mm，此间年均地面沉降在6mm以上[10]，地面沉降灾害严重威胁上海城市安全。2000年后地面沉降进入微量沉降阶段。

地面沉降防治是关系上海城市发展和安全的战略性、基础性工作。上海市高度重视地面沉降防治工作，“十一五”期间，通过完善地面沉降防治管理体制，加强地面沉降监测、防治及预警机制建设，实施集约化供水有效压缩地下水开采规模，稳定增强地下水人工回灌能力，地面沉降防治取得了显著成绩。2010年地面沉降速率平均小于7mm/a。

“十二五”期间，上海市结合经济社会发展规划和重大工程建设，对地面沉降实行精细化管理，即推行地面沉降防治分区管控。上海综合各区（县）社会经济发展和地面沉降发育现状，以地面沉降风险评价为基础，结合地面沉降市、区二级防治工作体系，建立了地面沉降三级防控分区的基本框架，即地面沉降重点防治管理区、次重点防治管理区和一般防治管理区（图1），并规划各防治分区的防治目标。具体为：

图1 上海市地面沉降防治区划图Fig.1 Map of three zones of land subsidence prevention and control in Shanghai

（1）地面沉降重点防治区（I区），包括外环线以内的中心城地区的I1区，该区为历史上地面沉降灾害最严重区，防治目标为至2015年末，该区年均地面沉降量控制在7mm以内；外环线以外的浦东新区和规划大虹桥地区的I2区，防治目标为至2015年末，该区年均地面沉降量控制在10mm以内。

（2）地面沉降次重点防治区（Ⅱ区），包括宝山、嘉定、闵行区，防治目标为至2015年末，该区年均地面沉降量控制在6mm以内。

（3）地面沉降一般防治区（Ⅲ区），包括奉贤、松江、金山、青浦、崇明区，防治目标为至2015年末，该区年均地面沉降量控制在5mm以内。

关于上海地面沉降特征的以往研究有很多[11-15]，但尚未从上述“十二五”期间规划的地面沉降三级防控分区角度进行各分区地面沉降特征的分析和总结，各区地面沉降特征是否有差异，防控措施是否有效等问题需要厘清。本文围绕上述问题，开展上海地面沉降防治区地面沉降特征及地下水采灌对比研究，其成果将为上海未来地面沉降防治措施制定提供科学支撑。

1 上海水文地质概况

1.1 第四系含水层系统

上海市位于长江三角洲的东南部[16]，黄浦江和长江入海汇合处，东临东海，南部为杭州湾，西面、北面分别与浙江、江苏两省接壤，其地理位置为 30°40′N~31°53′N、120°51′E~122°12′E。市域总面积达 6340km2，现有 16 个县级行政区划单位。

上海市地下水主要赋存在由第四系松散沉积物构成的含水系统中，厚度约为200~350m，下伏不同时期的基岩。根据水动力条件和岩性差异，划分为不同含水层及弱透水层（剖面图见图2），从上到下依次是：

潜水含水层（A0），包含黏性土、砂性土，厚度为2.5~24m；

第一弱透水层（根据不同黏土性质又分成第一软土层、第二软土层及第二硬土层，且第一弱透水层局部含微承压夹层）（B1），岩性一般为淤泥质黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉细砂，厚度介于2~17m之间；

第一承压含水层（A1），主要由偶有夹带砂质粉土的灰黄、褐黄色粉细砂构成，厚度介于6~15m之间；

第二弱透水层（B2），岩性主要为灰色粉质黏土夹薄层粉砂，厚度介于20~30m之间；

第二承压含水层（A2），岩性构成以夹带少许砂砾的石灰色细中砂为主，含水层普遍厚度在20~30m之间；

第三弱透水层（B3），岩性主要是灰色黏土及粉质黏土，厚度为20~30m；

第三承压含水层（A3），岩性一般以中细砂为主，厚度为20~30m；

第四弱透水层（B4），岩性一般为黏土、粉质黏土，厚度为10~30m；

第四承压含水层（A4），岩性以含砾中粗砂、灰色含砾细砂为主，厚度为30~50m；

第五弱透水层（B5），岩性一般为黄色黏土、粉质黏土，厚度在2~30m间；

第五承压含水层（A5），岩性以黏土、含砾砂土为主，厚度介于10~80m之间；

第六弱透水层（B6），岩性以青灰色粉质黏土、黏土为主，厚度一般为1~3m，局部厚10m。

A0因富水性差、埋藏浅易被污染，一般不开采；A1富水性也较差，A2、A3、A4、A5四个承压含水层富水性较好，为上海市主要开采层。

1.2 浅部土层与深部土层划分

上海百年沉降历史上，由于浅部含水层（A0、A1和A2）与深部含水层（A3、A4和A5）开采与回灌量的变化，导致浅部土层和深部土层对地面沉降的贡献明显不同。为了便于刻画上海地面沉降变化特征，本文将上海地层在垂向上划分为深层、浅层两个部分，A2以上地层（含A2）为浅部土层（图2蓝色部分），A2以下层段为深部土层（图2红色部分）。因此，本文所述的浅部土层与深部土层的分界线大致为埋深100m左右。

图2 研究区水文地质剖面图[17]Fig.2 Hydrological profile in Shanghai

2 各防治区地面沉降变化特征

地面沉降尤其是不同深度土层变形的精准监测主要通过分层标来获得，上海是世界上建立地面沉降分层标最多的城市，已建立17座基岩标、86组分层标[10]。这些基岩标和分层标为研究各防治区地面沉降特征提供了宝贵数据。本文选取各防治区代表性分层标，分析2001~2017年间沉降变化特征，所用分层标在上海市陆域地区具体分布如图1所示。

2.1 重点防治区I1区沉降特征

重点防治区I1区分层标分布最密集，选取数据较全面的F4分层标监测数据，分析2001~2017年间重点防治区土体沉降变化。如图3所示，地面总沉降量受浅部土体影响，年压缩量在2005年出现最大值25.09mm。2001~2017年间I1区地面沉降量总体大幅减小，年沉降量由2001年的21.08mm减小到2017年的2.36mm，减幅达88.8%，地面沉降防控效果显著。进一步分析发现，2009年是一个明显分界点，之前地面沉降速率快速减小，之后地面沉降速率缓慢减小。

图3 重点防治区I1区变形量变化（F4分层标）Fig.3 Change of deformation amount in zone I1

具体表现为：2001~2008年间年均沉降量为16.94mm，2001~2009年沉降量快速减小，2009年相比2001年减小76.4%；2009~2017年均地面沉降量为2.54mm，9年间年沉降量减小相对减缓，2017年相比2009年减小52.6%。2001~2017年间，I1区持续发生地面沉降，但总体呈减缓趋势。

其中I1区浅部土体年压缩量总体呈减小趋势，年压缩量由2001年的6.31mm减小49.8%至2017年的3.17mm。受附近基坑降水影响，2005年浅部土体年压缩量突增，达到17.29mm；2009年浅部土体年压缩量相比2001年减小15.2%，2017年压缩量相比2009年减小40.7%；浅部土体年均压缩量在2001~2008年间为8.32mm，在2009~2017年间为3.61mm。

相比地面沉降量和浅部土体压缩量，2001~2017年间I1区深部土体压缩量变化更大；年变形量从2001年的-14.77mm（压缩量）变化为2017年的0.81mm（回弹量），年压缩量减小105.5%。深部土体在2009年开始回弹，2001~2008年间年均压缩量为8.61mm，年变形量范围在1.55~15.83mm间，2009年的年变形量相比2001年减小102.5%。2009~2017年间深层年均回弹量为1.07mm，年回弹量在0.36~2.03mm间，2009年后深层回弹量变化较小。

2.2 重点防治区I2区沉降特征

选取重点防治区I2区范围内监测数据较齐全的F24分层标进行分析。该分层标2001年开始启用，图4为该标监测的2001~2017年沉降。重点防治区I2区总地面沉降量在2001~2017年间逐年减小，从2001年18.55mm到2017年4.11mm，减小77.8%。2001~2008年均地面沉降量为12.20mm，2009年沉降量相比2001年减小79.7%；2009~2017年间地面沉降量变化较小，年均压缩量为4.75mm，2017年沉降量相比2009年增大9.3%。

图4 重点防治区I2区变形量变化Fig.4 Change of deformation amount in zone I2

浅部土体在2001~2017年间一直发生压缩，年压缩量虽有所波动但总体减小，由2001年的8.58mm至2017年的4.13mm减小了51.9%。2001~2008年间浅层年均压缩为4.51mm，2009~2017年间年均压缩量为5.64mm，相比2001~2008年间增大了25.1%。受基坑降水影响，2010年浅部土体年压缩量突增，达到12.57mm。

深部土体年压缩量在2001~2017年间整体呈减小趋势，2017年变形量相比2001年减少100.2%。该区同样在2009年开始回弹，2001~2008年间年变形减速明显，2009年相比2001年减小102.1%，此间年均压缩量为7.69mm；2009~2017年间年变形波动较小，此间年回弹量在0.02~2.25mm间波动，年均回弹量为0.89mm。

2.3 次重点防治区沉降特征

次重点防治区分层标监测数据相比重点防治区数据较缺乏，选取次重点防治区范围内分层标F29在2001~2017年间监测数据进行分析（图5）。相比重点防治区，次重点防治区地面沉降量2001~2017年间变化范围较小，2003年达到最大年沉降量4.87mm，2015年达到最大年回弹量4.41mm，2015年变形量相比2003年减小190.6%。2006年出现回弹，2001~2008年间年均地面沉降量为1.45mm；2009~2017年间年均地面回弹量为1.55mm，年均变形相比2001~2008年间减小207.1%。

图5 次重点防治区分层标F29变形量变化Fig.5 Change of deformation amount of F29 in zone II

2001~2017年间，浅部土体最大年压缩量为2003年的1.9mm，最大年回弹量为2015年的2.46mm。2001~2008年间及2009~2017年间年均变形量分别为回弹压缩0.85mm、0.62mm，相对减小172.6%。

深部土体在2001~2017年间年压缩量较小，此间年均压缩量为0.21mm；最小变形量为2003年的压缩量2.97mm，最大变形量为2017年的回弹量2.4mm，相比2003年减小180.8%。2001~2008年间深层年均压缩量为0.6mm，2009~2017年间年均回弹量为0.93mm，年均变形量减小256.5%。

2.4 一般防治区沉降特征

一般防治区分层标监测数据最少，通过分层标F28和分层标F69沉降监测数据分析该防治区2001~2017年间沉降时空变化（图6）。2001~2017年间，一般防治区年地面沉降量总体呈减小趋势，受浅层段影响，2012年地面沉降量突增；2001年沉降量为6.86mm，2017年回弹量为2.66mm，变幅138.8%。2001~2008年间变形量变化不大，此间年均沉降量为5.13mm，2009年相比2001年减小35.9%；2009~2017年间由地面沉降转变为回弹，2017年变形量相比2009年变化160.5%，此间地面年均回弹量为0.16mm。2012年分层标F69监测地面沉降量突增至18.34mm，这可能是分层标刚投入使用，尚未稳定所造成。

图6 一般防治区分层标F28和F69变形量变化Fig.6 Change of deformation amount of F28 and F69 in zone III

2001~2017年间浅层压缩量整体呈减小趋势，2001年压缩量3.26mm，2017年压缩量0.15mm，减小95.4%。2001~2008年间年均压缩量为2.49mm；2009~2017年间年均压缩量2.68mm，2017年压缩量相比2009年减小97.5%。

深部土体在2001~2017年间先压缩后回弹。2001~2008年均压缩量为2.63mm，2009年开始回弹，2009年变形量相对2001年变幅145.0%；2009~2017年间年均回弹量为2.84mm，2017年回弹量相比2009年增大72.9%。

总体来看，2001~2017年间，上海陆域地区地面沉降量总体呈减小趋势。表1中四个防治区2009~2017年间年均地面沉降量相比2001~2008年间大幅减小（最小61.0%），可见2001~2017年间上海地面沉降防治效果显著。地面沉降量变化趋势与深部土体变形量变化趋势大抵相同，2001~2008年间各防治区地面沉降量大幅减小，2009~2017年间减小速率较平缓。2001~2008年间，重点防治区年均地面沉降量相比次重点及一般防治区差值约10mm，2009~2017年间差值减至约3mm，重点防治区地面沉降防治效果相对更显著。各防治区深部土体在2009年左右开始回弹，浅部土体年压缩量变化不大，不回弹或回弹量小，与浅部土体发生自然固结、含有易压缩且压缩不可逆软土层、工程建设及基坑降水等因素有关。

表1 各防治区年变形量统计Table 1 Annual deformation statistics of each control area

3 各防治区沉降与地下水净开采间响应关系

上海2001~2017年间各防治区呈现的地面沉降变化特征与上海市采取的减少地下水开采增加地下水回灌的控制措施有关，尤其与深部含水层的地下水采灌有关。本文选取各防治区深部土体变形量变化、地面沉降量变化与相应区域深部含水层（A3、A4、A5）抽灌井净抽水量（开采量减去回灌量）变化进行对照，从不同防治区角度分析地面沉降和净开采响应关系。净开采变化虽对浅部土体变形也有一定作用，但受浅部土体岩性及建筑荷载、基坑排水等多因素影响，两者间响应较差，故本文不作分析。

3.1 重点防治区I1区

重点防治区I1区是上海市最主要采灌地区，开采量和回灌量占比最大。选取该区2001年以来分层标F4深部土体及地面沉降监测数据与整个重点防治区I1区范围内深层采灌井净抽水量进行对照（图7）。

图7 重点防治区I1区沉降与净抽水关系图Fig.7 The relationship between settlement and net pumping in zone I1

2001~2017年间，I1区深层年净采量由2002年的最大值2.23×107m3（正值表示开采量）减小到2017年的-5.22×106m3（负值表示回灌量），减小123.4%；而地面和深层土层分别由2002年的沉降22.08mm、15.83mm变化为2017年的沉降2.36mm、回弹0.81mm，分别减小89.3%、105.1%。

I1区深层年净采量2009年开始变为负值，即I1区深层回灌量超过开采量，深部土体年变形量同时在2009年变为正值即开始回弹。地面沉降量变化趋势和深部土体变形量相同，其对净抽水变化响应迅速，故压缩开采、增大回灌可有效防控地面沉降。

受浅部土体压缩影响，地面沉降量大于深层压缩量，2005年地面沉降量突增也缘于浅部土体压缩量变化。2001~2008年间，深部土体年压缩量值介于1.55~15.83mm间，2009~2017年间深层回弹量介于0.36~2.03mm间。可见2009年之后深部土体回弹量变化趋势相对平缓，压缩开采、增大回灌的地面沉降防治措施仍然有效，但收效不显著。

3.2 重点防治区I2区

选取重点防治区I2区分层标F24深部土体及地面沉降监测数据和其附近10km内深层抽灌井净抽水量进行对比（图8）。2001~2017年间，附近净抽水量由2002年的最大值1.83×107m3减小到2017年的-444m3，减小100.0%。2017年地面及深层变形量相比2002年分别减小70.2%、100.2%，I2区地面沉降量及深部土体压缩量对净采水变化整体响应良好。2001~2008年间，深部土体年压缩量值介于2.31~15.34mm间，2009~2017年间深层回弹量介于0.02~2.25mm间，2009年后随着净抽水量减少，深部土体回弹量变化较小。

图8 重点防治区I2区分层标F24沉降与净抽水关系图Fig.8 The relationship between settlement of F24 and net pumping in zzone I2

3.3 次重点防治区II区

选取次重点防治区分层标F29深部土体及地面沉降监测数据与其附近10km范围内深层抽灌井净抽水量进行对照（图9），分析其沉降净抽水关系。2003~2010年间，分层标F29附近10km净抽水量由2003年的3.56×106m3减小到2010年的0，地面及深层变形量分别减小88.1%、111.8%。2010~2017年间净采水介于0~1.1×104m3间，相比2003~2010年间变化范围极小，地面及深层变形量分别介于-0.76~4.41mm、0.21~2.4mm间，净采水保持相对不变时，地面及深部土体仍保持回弹。

图9 次重点防区II沉降与净抽水关系图Fig.9 The relationship between settlement of F29 and net pumping in zone II

3.4 一般防治区III区

选取一般防治区分层标F28、F69监测数据及其附近10km深层抽灌井净抽水量进行对照（图10）。2003~2011年间，附近深层净抽水量由2003年的3.29×106m3减小到2011年的-7.75×105m3，减小了123.5%，地面沉降量及深部土体压缩量分别减小了141.0%、171.8%，沉降净抽响应较好。2012~2017年间，净抽水量由2012年的-5.47×105m3减小至2017年的-1.23×106m3，减小绝对值的124.5%，而深层回弹量减小59.5%，深部土体虽仍在回弹但回弹变化对净抽水响应较差。

图10 一般防治区III沉降与净抽水关系图Fig.10 The relationship between settlement of F28 and F69 and net pumping zone III

从四个防治分区总体来看，2001~2017年间上海陆域地区地面沉降量及深部土体位移量变化趋势对净抽水量变化整体响应良好；深部土体压缩量减小带动地面沉降量减小，压缩开采、增大回灌能有效防治地面沉降灾害。2009年后上海市陆域地区深部含水层开始回弹，之后随着净抽水量继续减小回弹变化缓慢；除一般防治区外，其它防治区回弹量在3mm内轻微波动。人工回灌对于深部土体回弹增大效果不明显。

4 结论

上海2001~2017年间地面沉降量总体呈减小趋势，地面沉降防治效果显著。地面沉降量变化趋势与深部土体变形量变化趋势大抵相同，2001~2008年间各防治区地面沉降量大幅减小，2009~2017年间减小速率较平缓。2001~2008年间，重点防治区地面沉降量相比次重点及一般防治区年均沉降差值约10mm，2009~2017年间差值减至约3mm，重点防治区地面沉降防治效果相对更显著。但重点防治区在2001~2017年间地面沉降虽然减缓但持续发展，而次重点和一般防治区则在2009年后由地面沉降转变为地面回弹。各防治区深部土体在2009年左右均开始回弹，浅部土体年压缩量变化不大，几乎不回弹或微量回弹，与浅部土体发生自然固结、含有易压缩且压缩不可逆软土层、工程建设及基坑降水等因素有关。

从3个防治区总体来看，2001~2017年间上海地面沉降量及深部土体位移量变化趋势对净抽水量变化整体响应良好；深部土体压缩量减小主导地面沉降量减小，压缩开采、增大回灌能有效防治地面沉降灾害。2009年后上海市深部含水层开始回弹，之后随着净抽水量继续减小回弹变化缓慢；除一般防治区外其它防治区回弹量在3mm内轻微波动。人工回灌对于增大深部土体回弹的效果不明显。