薛禹群

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210093)

1 造成地面沉降的主要因素

地面沉降是一種可由多種因素引起的地面高程緩慢降低的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重時會成為一種地質(zhì)災(zāi)害。造成地面沉降的原因很多，有天然因素，也有人為因素。天然因素中主要有:新構(gòu)造活動、海平面上升以及地殼構(gòu)造活動等。欠固結(jié)土層的自然壓密也應(yīng)屬于這一類。人為因素中主要的有:過量開采地下水以及石油、天然氣開采、地?zé)崂玫?。近年來隨著城市高層建筑的增多，由此造成的沉降也日益明顯。人類活動和地質(zhì)作用是造成地面沉降的主要原因，其中過量抽取地下水是最主要的原因。我國和世界上主要的地面沉降區(qū)都是由過量開采地下水造成的。出現(xiàn)地面沉降的地區(qū)一般范圍大，沉降過程緩慢，所以早期一般不易察覺，也不易引起人們的重視。它多發(fā)生在大中城市，對人們的生產(chǎn)、生活、交通等影響極大，造成的損失和危害也大，成為一種嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題，影響和制約著當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。所以2002年10月1日時任副總理的溫家寶曾批示“超采地下水造成地面沉降在許多地方呈加劇趨勢，已給經(jīng)濟建設(shè)和人民生活帶來大的損失和危害，并成為影響生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的一個重大問題，必須引起足夠重視并采取綜合措施加以解決”。

既然過量抽取地下水是造成地面沉降最主要的原因，哪為什么要過量開采呢?這不能不從我國水資源的特點說起。人類的生產(chǎn)、生活離不開水。水資源是關(guān)系國家經(jīng)濟安全的重要戰(zhàn)略資源，也是經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要保證。我國水資源總量不算少，28124×108m3居世界第六，但人均占有量低，不足2 200 m3，在全球大致排128位，不到世界人均數(shù)的1/3。地下水是水資源的重要組成部分，在保障城鄉(xiāng)居民生活、支持經(jīng)濟社會發(fā)展和維護生態(tài)平衡等方面具有十分重要的作用，尤其是在地表水資源短缺的北方地區(qū)(資源性缺水)和南方局部地區(qū)(水質(zhì)型缺水)，地下水具有不可替代的作用。經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對水的需求日益增加，因而我國地下水的開采量一直呈明顯增長態(tài)勢，從20世紀(jì)70年代的約572×108m3，增加到80年代的748×108m3，1999年達到1 116×108m3。地下水供水量的比重也從80年代初的14%，上升到目前的近20%。由于缺乏有效管理、無節(jié)制的長期集中過量開采地下水，開采量遠大于補給量，造成地下水水位持續(xù)下降，局部地區(qū)出現(xiàn)含水層疏干現(xiàn)象。華北平原長期嚴(yán)重超采，山西六大盆地、關(guān)中平原、松嫩平原、下遼河平原、西北內(nèi)陸盆地的部分流域(石羊河、吐魯番盆地等)、長江三角洲、東南沿海平原等地區(qū)整體或局部超采也十分突出。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已形成大型地下水降落漏斗100多個，面積達15×104km2，超采區(qū)面積62×104km2，造成眾多泉水?dāng)嗔?，部分水源地枯竭。著名的大漏斗有河南的安陽－鶴壁－濮陽漏斗、山東的淄博－濰坊和莘縣－夏津漏斗，漏斗面積依次超過 6 000、5 000、4 000 km2。

2 我國的地面沉降

大量開采地下水，導(dǎo)致形成大面積的地下水位降落漏斗。地下水水頭的降低，改變了開采含水層及其上、下弱透水層的應(yīng)力狀態(tài)，不僅開采含水層釋水，弱透水層也釋水，從而引起土層壓縮，導(dǎo)致地面沉降變形，出現(xiàn)地裂縫。由于長期過量開采地下水，導(dǎo)致由此誘發(fā)的地面沉降不斷加重。據(jù)有關(guān)部門不完全統(tǒng)計，截止到2000年，全國地面沉降區(qū)的面積超過10×104km2。華北平原和長江三角洲是其中兩大著名的區(qū)域地面沉降帶，此外汾(河)渭(河)河谷、松嫩平原、下遼河平原、東南沿海平原的一些城市也產(chǎn)生了較嚴(yán)重的地面沉降災(zāi)害。上海、天津、西安、太原、滄州等市沉降中心的累計沉降量均已超過2 m，有的已超過3 m，如天津塘沽。我國的這些地面沉降總體上可以分為兩種類型:①主要由過量抽取地下水引起的，長江三角洲的地面沉降就屬于這種類型;②在構(gòu)造沉降的基礎(chǔ)上，由開采地下水、油氣、地下熱水等形成的地面沉降，天津和河北平原就屬于這種類型。地面沉降導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)下沉、房屋倒塌、路基裂縫、管線開裂、嚴(yán)重影響建筑物的正常使用和壽命，影響地鐵、越江隧道、橋梁、高速公路、高速鐵路、城市供水、供氣等地下管網(wǎng)、高層建筑等的正常營運;損失地面高程，使洪澇災(zāi)害加劇，防洪、排澇工程效能下降，雨季積水難排;橋下凈空減小，內(nèi)河通航能力下降。除直接經(jīng)濟損失外，間接經(jīng)濟損失更大。由于不均勻沉降，一些地區(qū)還產(chǎn)生了嚴(yán)重的地裂縫災(zāi)害。陜西、山西、河北、河南、山東、江蘇、安徽等省較為發(fā)育。目前全國1 000余處、6 000多條。

地面沉降是一種世界性的地質(zhì)災(zāi)害，世界上有200多個城市或地區(qū)發(fā)生不同程度的地面沉降，最大地面沉降已接近或超過10 m，如墨西哥從城、美國的San Joaquin峽谷。

3 土層變形的特點

地面沉降量與該地各個土層的變形特點有關(guān)，可以通過分層標(biāo)附近觀測孔中該土層水位和分層標(biāo)測得的該土層變形量的關(guān)系曲線來表達。它大致和土力學(xué)中的應(yīng)力－應(yīng)變曲線相當(dāng)。長江三角洲地區(qū)大量的分層標(biāo)和水位觀測資料證實不同的土層(包括含水層、弱透水層)表現(xiàn)出不同的變形特點，有:彈性變形、彈塑性變形、粘彈性變形和粘彈塑性變形等多種變形。土層變形量不僅與土層性質(zhì)有關(guān)，還與土層所經(jīng)歷的地下水位變化情況有關(guān)。土層中地下水位的變化實質(zhì)上反映了土層所經(jīng)歷的有效應(yīng)力的變化過程，因此會影響土層的變形。由此不難看出，由于土性和土層所經(jīng)歷的地下水位變化模式的不同，區(qū)域地面沉降中土層的變形特征會表現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異性。不僅不同的土層會表現(xiàn)出不同的變形特征，同一土層在不同地區(qū)由于處于地下水位降落漏斗的不同部位，水位變化模式不同也會有不同的變形特征。在降落漏斗的邊緣部位土層常表現(xiàn)為彈性變形，如圖1a所示，上海第四弱透水層位于降落漏斗邊緣的點只有很小的殘余變形量，以彈性變形為主。但在漏斗中心部位則為粘彈塑性變形，而在兩者間可能還有過渡類型，只是由于沒有足夠的分層標(biāo)觀測資料，無法加以進一步論證。更為重要的是同一地點的同一層土，在不同的沉降階段，由于水位變化模式不同而表現(xiàn)出不同的變形特征。上海漏斗中心部位上棉十七廠分層標(biāo)1991年前后第四承壓含水層的變形分別表現(xiàn)為彈性變形和粘彈塑性變形就是明證。常州清涼小學(xué)分層標(biāo)也顯示出類似特征。前述第四弱透水層以雜色黏土、粉質(zhì)黏土為主，也有類似的特征，它位于降落漏斗中心附近的分層標(biāo)顯示在1991年以前，以彈性變形為主。1991－1993年地下水位周期升降過程中存在明顯的殘余塑性變形;1993年以后，水位上升時已基本上看不到回彈變形，代之以持續(xù)的壓縮，變形明顯滯后(圖1b)。另一點需要強調(diào)的是含水砂層的變形并不是前人所認(rèn)為的“彈性變形”，上海、常州長期分層標(biāo)觀測資料、室內(nèi)試驗都證實上海的第四、第五承壓含水砂層(圖2)和常州的第一、第二、第三承壓含水砂層不僅變形是非線性的，而且都存在變形滯后(圖3)。這種滯后主要與蠕變有關(guān)，因此和認(rèn)為含水層中的砂土變形與應(yīng)力變化同時完成的觀點不同，砂土也有蠕變變形，只是蠕變變形量要比黏土的小，我們?yōu)榇诉M行的室內(nèi)試驗也證實了這點(圖4)。

圖1 上海第四弱透水層水位－變形量－時間曲線

圖2 上海第四承壓含水層水位－變形量－時間曲線(上棉17廠標(biāo) )

4 地面沉降的防控與地面沉降模擬

地面沉降造成巨大損失，因此各國科學(xué)家也在不斷研究防控地面沉降的辦法。雖然方案、辦法很多，由于地面沉降是由過量開采地下水引起的，所以最根本、最有效的辦法還是嚴(yán)格控制地下水開采。如何控制地下水開采量?目前得到各國科學(xué)家廣泛認(rèn)可的科學(xué)方案是通過建立區(qū)域地面沉降模型來預(yù)測不同地下水開采方案和開采量所可能帶來的沉降量，進而根據(jù)優(yōu)化原理確定最佳開采量和最佳開采方案。也就是說控制地面沉降的主要措施在于加強地下水資源的管理，優(yōu)化地下水開采布局，控制地下水開采量和開采層次，科學(xué)合理地開發(fā)利用地下水資源。此外，開展地下水人工回灌，增加補給量以控制地下水位下降也是有效的，但有清潔的回灌水源是必要條件。調(diào)整開采層次作為一種輔助措施，在一定階段有助于控制地面沉降，但不能從根本上解決問題。上海早期主要開采第二、第三承壓含水層，，以后采取壓縮開采量、增加人工回灌量、逐步調(diào)整開采層次，取得了較好效果。如果地下水開采量不減少，則隨著開采層次的調(diào)整，新的主采層的沉降量會逐步增加，甚至成為形成沉降變形的主要層位。分析1986—1998年的上海實際觀測資料不難發(fā)現(xiàn)，1986－1991年期間，第二承壓含水層以上的淺部土層在總變形量中所占的比重較大，沉降主要發(fā)生在淺部土層中。1992―1998年，淺部土層變形所占的比例減小，相應(yīng)的深部土層會隨著開采量的增大(一度第四、第五承壓含水層的開采量已分別占全市開采量的70%和15%左右)，使第四承壓含水層的變形在總變形量中所占的比重大幅提高，平均達49.27%，部分地區(qū)還要大，如標(biāo)3分層標(biāo)的觀測資料證實，第四承壓含水層的變形量1986－1991僅占地面總沉降量的18.8%，而1992－1998期間迅速增至70.9%。相反，第二、第三承壓含水層1995年前所占的比重只有4.87%。

圖3 常州第三承壓含水層水位－沉降量曲線(清涼小學(xué)分層標(biāo))

圖4 常州飽和砂性土在不同壓力下的蠕變曲線

綜上所述，控制地面沉降的主要措施在于加強地下水資源的管理，優(yōu)化地下水開采布局，科學(xué)合理地開發(fā)利用地下水資源。要做好這項工作關(guān)鍵在于要建立一個能切實反映該地區(qū)實際情況的區(qū)域地面沉降模型來預(yù)測不同地下水開采方案和開采量所可能帶來的沉降量，進而根據(jù)優(yōu)化原理確定最佳開采量。為此除了要掌握好必要的水文地質(zhì)知識、數(shù)值模擬理論和技能外，還必須掌握該地區(qū)所有土層變形特征、熟悉它們的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系(常用水位－變形量曲線來代替)，據(jù)此才能建立反映這些特征的不同的沉降模型。對于一個大區(qū)域來講，土層變形特征是多種多樣的，很可能土力學(xué)中的各種模型在你那兒都會出現(xiàn)，因此必須有多種沉降模型與之匹配，企圖用一種模型到處套用是萬萬不行的。雖然土力學(xué)中已經(jīng)建立了各種各樣的理論模型，但在地面沉降中往往難以應(yīng)用，主要原因在于所含參數(shù)太多，在實踐中難以測定它們的值。因此往往需要另行尋找適合的模型。在進行長江三角洲地面沉降模擬中，變形雖然復(fù)雜，各地區(qū)各時段差別很大，但就其類型來說卻是有限的，如前述，大致可歸納為4種類型，即彈性變形、彈塑性變形、粘彈性變形和黏彈塑性變形。當(dāng)然不同土層、不同地區(qū)、不同時段，具體采用的模型和模型中的參數(shù)是各不相同的。這4種模型中，前3種前人做過不少工作，但最后一種在地面沉降中研究甚少。雖然土力學(xué)中也有不少理論研究，但用到具體地面沉降中還有不少困難，難以應(yīng)用。為此必須建立一種理論上比較嚴(yán)密，涉及的參數(shù)少的模型，以便在大區(qū)域?qū)嶋H地面沉降模擬中應(yīng)用。循此思路，我們通過改造Merchant模型做到了。即把兩個虎克彈簧體a、b改成能反映彈塑性變形的非線性彈簧體，當(dāng)土體有效應(yīng)力小于先期固結(jié)壓力，彈簧體a、b的變形都是彈性的，此時彈簧體a和由b和組成的開爾文體可以刻畫瞬時彈性把原先只能描述黏彈性應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，無法刻畫當(dāng)土體有效應(yīng)力大于先期固結(jié)壓力后，土體發(fā)生的黏塑性變形的Merchant模型(圖5)，改造成能夠刻畫瞬時彈性、瞬時塑性變形以及黏彈性、黏塑性變形的模型，滿足了模擬要求。而且涉及的參數(shù)少，適合大區(qū)域地面沉降模擬。我們稱它為修正的Merchant模型。它刻畫黏彈塑性變形的沉降方程為

式中:為土層垂向變形(沉降)量;α1，α2分別為模型中兩個彈簧的體積壓縮系數(shù);η為模型中牛頓黏壺的黏滯系數(shù);γ為水的容重;ΔH=H－H0，H為t時刻的水頭，H0為每一時段的初始水頭;L為土層厚度。參數(shù)取值如下:

式中:αke1和αkv1分別為Merchant模型中彈簧 a的彈性和塑性體積壓縮系數(shù);αke2和αkv2分別為彈簧b的彈性和塑性體積壓縮系數(shù);HP為土層歷史上曾達到的最低水頭。通過對(1)式的簡化，即通過改變參數(shù)可以得到彈性、彈塑性、黏彈性變形條件下的沉降模型。如令η=∞，α1=α則有彈性變形條件下的模型

如將(1)式中的 α1，α2都取為常數(shù)，即 α1= αke1，α2=αke2，便得黏彈性變形條件下的沉降模型，它與(1)式在形式上相似。彈塑性本構(gòu)關(guān)系下的沉降模型和彈性本構(gòu)關(guān)系條件下的沉降模型(3)類似，只是體積壓縮系數(shù)在彈性變形和塑性變形條件下取不同的值，即η=∞，

由此不難看出，我們修正的Merchant模型包括了彈性、彈塑性、黏彈性、粘彈塑性模型，前三種模型只是修正Merchant模型的特例。通過改變模型中的參數(shù)設(shè)置就可以得到前面三種前人導(dǎo)出的沉降模型。這樣就大大簡化了復(fù)雜條件下大區(qū)域地面沉降模型的建立，一個一、兩萬平方千米甚至更大達數(shù)萬平方千米的區(qū)域可以放置在一個模型中，通過改變參數(shù)設(shè)置來建立內(nèi)部各個小區(qū)域的沉降模型，運算起來異常方便。

圖5 Merchant模型

除了沉降模型外，還要配以相應(yīng)的水流模型。需要注意的是通?？吹降乃髂Ｐ?如《地下水動力學(xué)》中的模型)都是以彈性變形為基礎(chǔ)的，在地面沉降模擬中必須作相應(yīng)的修改，使它和與它耦合的沉降模型的本構(gòu)關(guān)系一致起來。即黏彈塑性沉降模型與相應(yīng)的黏彈塑性條件下的水流模型耦合，彈性沉降模型與相應(yīng)的彈性條件下的水流模型耦合等。黏彈塑性本構(gòu)關(guān)系下的水流方程為

式中:e為孔隙比;e0為初始孔隙比。彈性變形條件下的水流方程為

式中:α為土的體積壓縮系數(shù)。彈性變形條件下，土層中的水流方程與(5)式相似，只是其中的體積壓縮系數(shù)α1、α2是常數(shù)。余類推。

在沉降過程中，土層壓縮，滲透系數(shù)、貯水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)也會隨之改變。因此與之配套的水流模型不能像傳統(tǒng)的水流模型那樣是常系數(shù)的，應(yīng)該是變系數(shù)的，隨著不斷沉降改變這些參數(shù)值。所以水流模型和沉降模型應(yīng)該很好地耦合，以反映可能長達幾十年的過程中壓縮沉降對水文地質(zhì)參數(shù)的影響。雖然目前做到完全耦合還有困難，但也不應(yīng)像有的模型那樣采用兩步走的方案，名為耦合，實則各行其是，無法反映在沉降影響下，參數(shù)的不斷變化。

最后還有一個問題也是需要解決的，即每層土垂向上的厚度少的往往只有幾米，多的往往也不過幾十米，而它們在水平方向的展布則有數(shù)千、甚至數(shù)萬平方千米，如果按垂向尺度劃分單元，則三維問題所需內(nèi)存量很可能超出一般計算機的容量;如果加大水平方向單元的尺度又面臨同一個單元水平和垂直方向尺度相差過大造成單元畸形的問題。為此我們引入了一種國際水文地質(zhì)界甚少應(yīng)用的新的算法——多尺度有限元法，這種方法通過基函數(shù)本身滿足簡化的滲流微分方程，不再要求單元內(nèi)的參數(shù)是常數(shù)，即單元內(nèi)的參數(shù)可以是非均質(zhì)的，這時介質(zhì)的非均質(zhì)性已通過解滲流定解問題反映到基函數(shù)上面了。即一個單元內(nèi)可以存在參數(shù)不同的介質(zhì)，如含水層和弱透水層，所以能克服前面提到的內(nèi)存大和單元畸形問題。后來又以密集精細剖分的Galerkin有限元法再次計算同一上海地區(qū)，兩種方法的結(jié)果比較接近，證實多尺度有限元法不僅能克服前述困難，且能以較少的單元得到比較滿意的結(jié)果，遠較傳統(tǒng)的一般有限元法的結(jié)果為好。

有了區(qū)域地面沉降模型作為基礎(chǔ)，就可以預(yù)測不同開采方案和開采量所可能帶來的沉降量，通過優(yōu)化確定最佳開采量，科學(xué)合理地開發(fā)利用地下水資源，同時避免引起大規(guī)模的地面沉降。禁采地下水，作為一種嚴(yán)重沉降區(qū)的應(yīng)急措施來恢復(fù)降落漏斗區(qū)內(nèi)的地下水水位，控制地面沉降未賞不可，但作為一種長遠措施就不合適了，因為水位恢復(fù)后依然禁采，這些優(yōu)質(zhì)的地下水就會流向大海，白白浪費了。有關(guān)這個問題已說過多次，這兒就不多說了。

有了區(qū)域地面沉降模型、有了優(yōu)化的水資源管理模型、制訂了周密、科學(xué)合理的開發(fā)利用規(guī)劃，并不意味著地面沉降的監(jiān)控任務(wù)可以順利完成了。中間還有一個重要的環(huán)節(jié)有沒有足夠的監(jiān)測資料來滿足建模的需要?國內(nèi)外往往由于缺乏必要的區(qū)域性地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，所以難以掌握地面沉降整體的變化規(guī)律，因而難以進行上述各項工作。為此國家已經(jīng)決心建設(shè)“國家地下水監(jiān)測工程”，“建成一個滿足于國家需求的地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”，由水利部和國土資源部有關(guān)部門負責(zé)執(zhí)行，其中就包括有關(guān)地下水水位和地面沉降量的監(jiān)測內(nèi)容。希望早日通過各方面的“評價”，開工建設(shè)，早日建成，造福國家。

最后應(yīng)指出，這項工作看起來似乎并不困難，具體做起來難度還是不小的，很多問題并沒有現(xiàn)成的答案，需要通過刻苦研究才能解決。就拿建模來說吧，由于各地千差萬別，必須逐層、逐地、逐時段研究它的變形類型，弄清楚它的本構(gòu)關(guān)系，才能建立相應(yīng)的沉降模型。一些年輕人中往往有一種錯覺，似乎只要學(xué)會用MODFLOW等軟件后就什么都解決了，于是把精力放在盲目追求所用軟件的版本，過分追求模擬結(jié)果的可視化程度，而不重視對研究區(qū)具體水文地質(zhì)條件的認(rèn)識、概化，輕視土體變形特征的研究和概念模型的建立。MODFLOW等軟件有它的優(yōu)越性，使用方便，對解決生產(chǎn)實際中的一些問題非常有用，特別是它的前后處理很好。但它本身對一些問題的處理還存在不足是必須注意的。例如它的變形類型非常有限，僅一、二種而已，根本無法滿足實際變形復(fù)雜、多樣性的需要。在地面沉降中蠕變變形起著非常重要的作用，不僅黏性土可能發(fā)生蠕變。砂礫含水層也可能發(fā)生蠕變，長江三角洲大量分層標(biāo)資料證實了這一點，室內(nèi)試驗也證實了這點。二十多年前江蘇常州清涼小學(xué)打鉆時，第三承壓含水層砂樣呈松散狀，無法取樣;但二十多年后在差不多同一地點打鉆卻可以取上完整的巖芯，長達近1米的巖心托在兩手間完全不用擔(dān)心會斷裂。這種變形在長三角很多地方都可以見到，它是MODFLOW等軟件少數(shù)幾種變形模型無法描述的。不考慮這類變形也就無法正確描述長三角、天津等地出現(xiàn)的水位上升并恢復(fù)到差不多沉降前原先的位置，但沉降仍在繼續(xù)的問題，即沉降滯后的問題，因而無從完整勾畫出地面沉降的實質(zhì)。此外，MODFLOW本身還存在不足，也是需要注意的。另外，MODFLOW用的是有限差分法，它自身也有些不足的地方，因此除了加密剖分，引起所需存貯量可能超出一般計算機容量外，難以像有限元法那樣引用多尺度有限元法既克服單元畸形問題，又減少單元總數(shù)。因此，必須從基礎(chǔ)研究開始，自己動手編寫軟件，才能有所創(chuàng)新。

5 結(jié)語

控制地面沉降的關(guān)鍵是控制地下水開采，做到量入為出，改變無節(jié)制的開采。只要做到這點，控制地面沉降是不難的。地面沉降既然是一種主要由人類活動引起的一種環(huán)境地質(zhì)問題，相信人類在認(rèn)識它的規(guī)律后，也會認(rèn)真反思自己的行動，收斂自己的行為，從而朝著徹底根治這種危害人類的地質(zhì)災(zāi)害不斷前進。