黃海軍，劉艷霞，張翼

（1.中國科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266590）

三角洲是河口的低洼地帶，也是海平面上升、地面沉降和河流沉積之間微妙平衡的脆弱地區(qū)[1]。據(jù)估計(jì)，全球約有3.5億人居住在這些前沿地帶[2]，低洼的三角洲平原通過接收河流輸送到海岸的沉積物而生長，同時(shí)，沉積物的重量也會(huì)導(dǎo)致自身壓實(shí)和均衡載荷進(jìn)而造成地面沉降，減緩三角洲的增長。人類活動(dòng)，特別是地下流體抽取，會(huì)進(jìn)一步加劇沉降[3-6]；上游筑壩和河流改道也大大減少了許多三角洲的沉積物供應(yīng)[7-11]。一些研究發(fā)現(xiàn)，作為陸地和海洋之間邊界的三角洲受到海平面上升和氣候變化的威脅，并且越來越容易受到洪水、侵蝕和鹽堿化的影響[12-16]。隨著海平面上升和人類活動(dòng)的加劇，全球三角洲陸地面積的增長現(xiàn)狀很可能是不可持續(xù)的[17]。因此，控制土地增長與損失的過程對(duì)于耦合人與自然三角洲系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[13,15,18]。

地面沉降是控制三角洲環(huán)境地貌演化的主要因素之一，會(huì)對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響。三角洲一般都由最近的全新世沉積物組成，厚度為10～100 m，通常具有低滲透性和高壓縮性特征。因此，由于自身負(fù)荷造成的固結(jié)可能會(huì)持續(xù)幾個(gè)世紀(jì)，并且由于上游河床采砂、流域筑壩和河堤等大量減少泥沙供應(yīng)，會(huì)加劇地面沉降[19-20]。人類活動(dòng)使得三角洲受到地面沉降的影響更為嚴(yán)重，其中造成三角洲地區(qū)大規(guī)模下沉的最普遍因素是地下水抽取。通常，所有這些活動(dòng)將與地面沉降的過程疊加，其結(jié)果遠(yuǎn)大于海平面上升造成陸地高程損失的總量。三角洲地區(qū)地面沉降的直接后果是河流和海洋洪水的發(fā)生頻率和強(qiáng)度增加、農(nóng)田和水資源的咸水污染、土地排水成本增加、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施受損以及海岸侵蝕[13]等。此外，海平面上升將加速地面沉降[21-23]，并進(jìn)一步降低三角洲對(duì)極端天氣事件的適應(yīng)能力[24-25]，且加速對(duì)海岸的侵蝕[26]。

地面沉降現(xiàn)象在19世紀(jì)末20世紀(jì)初就被人們發(fā)現(xiàn)（1891年，墨西哥城；1898年，日本新潟），但因?yàn)槌两捣刃。：Σ幻黠@，直到1936年英國Longfied T.E.①LONGFIELD T.The subsidence of London[J].Prof.Pap.Ordn.Surv,1932.和墨西哥Cuevas J.A.[27]發(fā)表相關(guān)論文之后，地面沉降現(xiàn)象才開始逐漸受到人們的廣泛關(guān)注。地面沉降的幅度和范圍也逐年擴(kuò)大，如至1958年日本新潟地面沉降速率已達(dá)530 mm/a[28]、意大利Ravenna地區(qū)大面積的地面沉降速率已由20世紀(jì)的每年數(shù)毫米增至二戰(zhàn)后的110 mm/a[29-30]；我國地面沉降主要分布區(qū)也由20世紀(jì)初期的上海及天津市區(qū)擴(kuò)大至90年代的長江三角洲和黃淮海平原區(qū)[31-34]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上已有150多個(gè)國家和地區(qū)發(fā)生過地面沉降[35]，研究人員已付出了大量的努力來研究、評(píng)估地面沉降，包括沉降的原因[36]、沉降的監(jiān)測(cè)、測(cè)量技術(shù)[37]、沉降建模[38]、社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響[5]、環(huán)境問題[6]和補(bǔ)救措施[39]等。然而，隨著氣候變化引起的全球絕對(duì)海平面的不斷上升，地面沉降在相對(duì)海平面上升中的作用更加凸顯[40]，濱海濕地退化、風(fēng)暴洪澇、海岸蝕退等問題日趨嚴(yán)峻。沿海社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、海岸生態(tài)保護(hù)和沿海防護(hù)工程的順利實(shí)施，需要不斷地深入開展地面沉降及相關(guān)問題的系統(tǒng)研究[41]，同時(shí)，地面沉降也是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效應(yīng)對(duì)未來不確定的氣候變化引起的海平面上升研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

然而，在世界各地的空間分布上地面沉降的驅(qū)動(dòng)因素、大小和分布情況各不相同[42]。一般而言，地面沉降的驅(qū)動(dòng)因素大致可以分為兩大類：①人為因素，包括地下流體抽取（例如水、石油和天然氣）、土地利用變化（例如人造建筑的荷載）、地下設(shè)施和采礦的建設(shè)[43-46]；②自然因素，包括斷層、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、最近沉積物的固結(jié)/壓實(shí)、黃土的崩潰、海平面上升、有機(jī)土壤的氧化和排水、喀斯特侵蝕和永久凍土退化等[35,37,47-48]。其中，海平面上升是地面沉降的間接驅(qū)動(dòng)因素，但也是加強(qiáng)沿海地區(qū)地面沉降災(zāi)害的關(guān)鍵影響因素。海平面上升和地面沉降（即相對(duì)海平面上升，RSLR）具有不同的時(shí)空尺度。前者基本上是全球性的，在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)、在很大范圍內(nèi)都保持著不變的趨勢(shì)。而在過渡海岸環(huán)境中，由于構(gòu)造作用、天然沉積物壓實(shí)作用、地下流體抽取等區(qū)域和局部尺度的疊加作用，后者往往具有高度的時(shí)間變異性和空間非均質(zhì)性。因此，在氣候變化和人為擾動(dòng)等多因子的共同作用下，許多三角洲和海岸地區(qū)自然環(huán)境復(fù)雜，地面沉降的變異規(guī)律及主要控制機(jī)制更是復(fù)雜多變，各種地質(zhì)因素或人類活動(dòng)對(duì)地面沉降的貢獻(xiàn)與作用機(jī)制仍存在很大爭(zhēng)議[49-50]。

Bagheri-Gavkosh等最近的研究已經(jīng)根據(jù)全球的情況，對(duì)地面沉降現(xiàn)象的發(fā)生、機(jī)制、監(jiān)測(cè)技術(shù)、影響和驅(qū)動(dòng)因素等進(jìn)行了全面探討，并在統(tǒng)一的框架內(nèi)提供了基本信息以管理、控制和緩解這一地質(zhì)災(zāi)害[51]。并在290個(gè)研究區(qū)中收集了有關(guān)含水層地下水管理的有限度、分布、原因、影響、測(cè)量技術(shù)以及沉降含水層系統(tǒng)的地質(zhì)、水文地質(zhì)和氣候狀況，以期找出地面沉降的全球規(guī)模、分布、驅(qū)動(dòng)因素和影響的概況等[51]。對(duì)于三角洲這一獨(dú)特的海岸帶區(qū)域，自然與人為因素造成該區(qū)地面沉降較為復(fù)雜，沉降的發(fā)生與三角洲的發(fā)育密切相關(guān)，本文則選取黃河三角洲地區(qū)為例，分析黃河三角洲地區(qū)的地面沉降研究歷史及現(xiàn)狀，區(qū)分影響黃河三角洲地面沉降主要因素的時(shí)空分布特征，深入探究三角洲地面沉降機(jī)理、驅(qū)動(dòng)因素及其產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)，以期實(shí)現(xiàn)黃河三角洲地面沉降的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、應(yīng)對(duì)并適應(yīng)海平面上升帶來的影響提供參考。

1 黃河三角洲地面沉降現(xiàn)狀

近年來，黃河下游來水來沙量的急劇減少及人類活動(dòng)的加劇，造成三角洲地區(qū)嚴(yán)重的地面沉降現(xiàn)象[1,26,52-55]。研究顯示，自20世紀(jì)50年代以來，三角洲的大部分區(qū)域都經(jīng)歷了不同程度的地面沉降，平均沉降速率為每年幾毫米至幾厘米不等[56-61]。然而，與世界上其他三角洲相似[11,36,40,62-63]，受自然因素和人為因素的影響，黃河三角洲的地面沉降具有顯著的時(shí)空變異性（圖1）。例如，由于地下水抽取和石油開采造成的地面沉降主要分布在三角洲的東南和東北部區(qū)域；而前三角洲葉瓣的沉降主要是由海底軟土層的固結(jié)壓實(shí)造成的[54,61,64-67]。

圖1 利用InSAR數(shù)據(jù)獲得的黃河三角洲地區(qū)地面沉降隨時(shí)間的變化Fig.1 Distribution of land subsidencein the Yellow River delta region using InSAR data from 1992 to 2020

學(xué)者們已針對(duì)黃河三角洲地區(qū)的自然和人為因素對(duì)地面沉降的貢獻(xiàn)情況開展了諸多研究。早期的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果顯示，20世紀(jì)50至80年代，三角洲地表垂直運(yùn)動(dòng)最大可達(dá)?5 mm/a[71]，地殼下沉速率為?1～?2 mm/a[72]。2011—2015年，中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)的GNSS（Global Navigation Satellite System）連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，三角洲地區(qū)地殼垂直運(yùn)動(dòng)速率變化范圍為?1.13～?0.19 mm/a。而20世紀(jì)50年代至90年代的長期潮位站估算數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)相對(duì)海平面上升速率為3.42 mm/a[73]，均衡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的變形速率約（?0.36±0.05）mm/a[74]。影響三角洲地區(qū)地面沉降的人為因素主要是地下水抽取和油氣開采，該地區(qū)通常是重要的采油區(qū)，石油開采引起的地面沉降已受到廣泛關(guān)注。別君等[59]研究認(rèn)為，黃河三角洲地區(qū)的地面沉降漏斗是由石油開采造成的。Liu等[66]、劉桂儀和張興樂[75]給出了1953—2000年青州-東營段油氣開采造成的地面沉降量為10～30 mm/a，同時(shí)也指出石油開采引起的地面沉降僅是局部區(qū)域性的，并不是大范圍地面沉降的主導(dǎo)因素。同樣，地下水開采引起的地面沉降也具有局部區(qū)域性，沉降漏斗主要發(fā)生在萊州灣西岸、小清河口南岸。的海岸平原區(qū)域，后者的小清河口南岸地下水位下降顯著，可達(dá)0.9～1.1 m/a，而由于養(yǎng)殖區(qū)灌溉抽取地下水造成的沉積漏斗沉降量可達(dá)0.25 m/a[65]。1992—2000年大范圍SAR影像數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，沉積物固結(jié)壓實(shí)（沉降速率為14.1 mm/a）和石油開采（沉降速率為21 mm/a）是三角洲沉降（介于0～33.2 mm/a）的主要原因[55]。這些特征與已有的研究結(jié)果相一致[76]，即1855年以來的現(xiàn)代黃河三角洲地區(qū)的地面沉降是由大范圍內(nèi)的自然因素疊加一系列人為因素引起的小范圍內(nèi)沉降共同作用的結(jié)果（圖1）。

2 三角洲沉積物固結(jié)壓實(shí)過程

當(dāng)沉積物在三角洲地區(qū)被掩埋時(shí)，會(huì)經(jīng)歷各種壓實(shí)和固結(jié)過程，引起孔隙率的損失以及沉積物層厚度隨時(shí)間和深度的增加而減少，從而導(dǎo)致上覆地層的沉降。沉積物的固結(jié)壓實(shí)過程如下：①隨著深度的增加，沉積物顆粒重組成更緊湊的排列，較小顆?？梢蕴畛渲凛^大顆粒之間的孔隙；②隨著壓力和溫度的增加，晶粒可以在晶粒間互相接觸時(shí)溶解，并重新沉淀到孔隙空間中，以進(jìn)一步降低孔隙率，其他溶解的礦物質(zhì)可能通過盆地運(yùn)輸并有助于膠結(jié)；③化學(xué)反應(yīng)，如黏土脫水，進(jìn)一步降低沉積物的含水量；④在更深的深度，變質(zhì)反應(yīng)則會(huì)減少沉積物的體積。

隨著深度或巖石靜止覆蓋層的逐漸減少，孔隙率已通過各種經(jīng)驗(yàn)公式建模，通常具有指數(shù)形式[77-84]。沉積物的初始孔隙度及其隨深度的衰變主要取決于沉積物的巖性。富含有機(jī)物的黏土和淤泥通常具有較高的初始孔隙率，且比較粗糙的沉積物會(huì)經(jīng)歷更大的壓實(shí)[41,83-85]。另外，低滲透率的沉積物（如頁巖），可能阻礙流體的向上流動(dòng)，減緩或停止壓實(shí)，并在沉積物中產(chǎn)生超壓[80,86]。在淺層深處，年輕沉積物特別是高孔泥濘沉積物的壓實(shí)可能很快[84-85,87]。泥炭和其他富含有機(jī)物的土壤在近地表比其他類型土壤經(jīng)歷更快的壓實(shí)[83]。由于地下水下降而導(dǎo)致的泥炭氧化會(huì)導(dǎo)致顯著的下沉[88]。

2.1 黃河三角洲沉積環(huán)境

現(xiàn)代黃河三角洲向西北延伸至套爾河口，向東南到達(dá)廣利河口。自1855年以來，三角洲發(fā)育形成了10個(gè)葉瓣，每個(gè)葉瓣通常開始發(fā)育于與淺海相連的低洼地區(qū)。河道廢棄前，三角洲葉瓣呈舌狀，沉積中心位于河口壩區(qū)域，主要形成陸上三角洲和三角洲前緣沉積[64]。三角洲葉瓣進(jìn)積演化共形成2個(gè)葉瓣體系：早期的一個(gè)葉瓣體系主要形成于1934年以前，以寧海為頂點(diǎn)，由6個(gè)三角洲葉瓣組成；后續(xù)三角洲頂點(diǎn)向下游移動(dòng)，在以魚洼為頂點(diǎn)的扇形范圍內(nèi)形成了由4個(gè)葉瓣組成的葉瓣體系，并且一直活躍至今[89]。三角洲的現(xiàn)代地層厚度約10～32 m，主要由沖積層和濱海層組成[90]。1855年現(xiàn)代黃河三角洲改道之前，該區(qū)域的地層的基底（約2 m厚）由末次盛冰期之前沉積的沖積和湖相沉積組成[91]。上三角洲平原沉積物中大部分為陸相沉積物，而下三角洲平原沉積僅占少量。前者主要包括河道、天然堤壩、決口扇和洪泛平原沉積物；后者主要由潮上和潮間沉積物組成。三角洲地層沉積物主要為松散物質(zhì)（包括極細(xì)砂、粉砂、黏土質(zhì)粉砂和黏土）[91-92]。

三角洲復(fù)合體由若干疊置的三角洲葉瓣組成，而葉瓣是在下游河道擺動(dòng)過程中形成的[90]，因此在三角洲沉積地層中也形成了許多相似的垂向?qū)有?，被稱為河口砂壩沉積層序。不同時(shí)期形成的河口砂壩相互分離，僅在邊緣部位發(fā)生垂向疊加。從底部向上，河口砂壩沉積物通常由淺海、前三角洲、遠(yuǎn)端砂壩和河口砂壩沉積物組成。前三角洲沉積為2～3 m厚的黏性粉砂，遠(yuǎn)端壩沉積為5 m厚的黏性粉砂，帶有粉砂夾層，河口壩沉積為7～12 m厚的粗粉砂和極細(xì)砂。現(xiàn)代河口壩沉積物（數(shù)十厘米厚）由淤泥和潮汐作用而形成的薄潮灘沉積物的波紋層組成。古河口壩為河流沉積所覆蓋，延伸入海，其厚度隨河流沉積的程度而變化，最大可達(dá)7 m。

在三角洲側(cè)翼部分形成了不同于早期三角洲前緣沉積物的沉積單元，其主要成分為黏性粉砂質(zhì)沉積，含粉質(zhì)薄層、透鏡體和紋層[91]。三角洲側(cè)翼沉積物常被另一個(gè)河口葉瓣的片狀砂沉積所覆蓋，片狀砂具有1～6 m厚的淤泥層。在早期和晚期的三角洲側(cè)翼沉積之間，通常出現(xiàn)由灰色黏性粉砂組成的薄的再沉積地層[93]。

2.2 黃河三角洲沉積物固結(jié)沉降過程

現(xiàn)代黃河三角洲復(fù)合體由一系列疊置的三角洲葉瓣組成，由河道的擺動(dòng)產(chǎn)生，垂直序列主要由幾個(gè)具有河口沙壩類型的沉積結(jié)構(gòu)組成[90]。在各葉瓣河口沙壩形成初期，新的沉積物直接沉積在渤海海底細(xì)粒沉積物之上，導(dǎo)致海底表面沉積物受到壓實(shí)。渤海海底表層沉積物含水量高、壓縮性高、承載力低、穩(wěn)定性差，在其上荷載新的沉積物更易于導(dǎo)致壓實(shí)。沉積物壓實(shí)計(jì)算表明，自重應(yīng)力引起的淺層沉積物的壓實(shí)引起的沉降遠(yuǎn)小于上覆沉積物荷載引起的沉降。在上覆荷載壓力下，淤泥土壓實(shí)誘導(dǎo)的沉降速率在初始階段最高，在開始兩年平均達(dá)到10 mm/a，而黃河河口新形成的沉積物壓實(shí)誘導(dǎo)沉降速率為4～20 mm/a，表明新沉積物堆積區(qū)發(fā)生了地面沉降[73]。這一過程主要是在考慮了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、均衡調(diào)整和海平面上升的影響后，由于上覆沉積物荷載的壓力及其基底淺層沉積物的快速壓實(shí)共同作用的結(jié)果。

隨著活動(dòng)三角洲葉瓣上覆沉積物的不斷增多，基底沉積物的可壓縮性逐漸降低。由軟土、黏性土和砂質(zhì)土層組成的上覆沉積物因自重應(yīng)力和荷載壓力的作用而經(jīng)歷了不同程度的壓實(shí)沉降。砂質(zhì)土層的壓實(shí)速率最初較高，其壓實(shí)過程很快，幾乎在短時(shí)間內(nèi)就可以完成壓實(shí)過程，對(duì)壓實(shí)引起的累積沉降量幾乎沒有影響。壓實(shí)造成的沉降主要發(fā)生在軟土和黏土層中，約占?jí)簩?shí)誘導(dǎo)累積沉降量的40%～95%，然而，軟土和黏性土層壓實(shí)過程相對(duì)較長，需要10 a以上的時(shí)間才能達(dá)到90%。

現(xiàn)代黃河三角洲是由過去160 a中10個(gè)新舊三角洲葉瓣疊加形成的，每個(gè)三角洲葉瓣的平均壽命為3～12 a或19～40 a。上述這種軟土和黏性土的壓縮延遲特征，加上河道的頻繁擺動(dòng)，導(dǎo)致在三角洲的不同區(qū)域和不同的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷著壓實(shí)過程的不同階段，即三角洲的各個(gè)組成部分的壓實(shí)進(jìn)程是高度不一致的。在相對(duì)較新的沉積物堆積體和當(dāng)前河道中，由于對(duì)區(qū)域沉降和舊沉積物的壓實(shí)進(jìn)行了新的沉積物補(bǔ)償，因此發(fā)生了較大的沉降。而在三角洲頂點(diǎn)附近，沉降速率已開始逐年降低。新廢棄的三角洲葉瓣和當(dāng)前河道由于自重應(yīng)力和沉積物的堆積時(shí)間相對(duì)較新，其壓實(shí)率較高。然而，沿海地區(qū)的地面沉降比較復(fù)雜，因?yàn)槿侵奕~瓣在不同時(shí)期的疊加受海岸動(dòng)力的影響，海岸地帶受到侵蝕和沉積物的再堆積作用而使沉積環(huán)境更為復(fù)雜?？傮w而言，三角洲的沉降過程發(fā)生在活動(dòng)三角洲葉瓣發(fā)育的早期階段，淺海沉積物的壓實(shí)作用是初始沉降的主要貢獻(xiàn)者，壓實(shí)沉降隨時(shí)間和空間的變化與河道的歷史演變密切相關(guān)，隨著時(shí)間的推移，各個(gè)三角洲葉瓣體的平均沉降速率逐漸降低，三角洲則會(huì)變得越來越穩(wěn)定（圖2）。

圖2 黃河三角洲地面沉降隨時(shí)間演化過程與河道的歷史變遷Fig.2 Comparison of historical shifting of deltaic channels

3 地下水開采、土地利用變化造成的地面沉降

在所有可能的原因中，地面沉降主要是由地下水的過度開采引起的，其速率和范圍面積受到地層的非均質(zhì)性影響[95]。地下水的減少通常會(huì)導(dǎo)致相對(duì)快速和明顯的變形，特別是在人口稠密地區(qū)附近[48]。地下水的過度開采造成的地面沉降占全球地面沉降總量的59.75%，主要分布在生產(chǎn)力較高的農(nóng)業(yè)區(qū)（如美國加利福尼亞州、中國華北平原）。三角洲地區(qū)地下含水層可分為3類：無承壓水層、承壓或加壓水層以及無承壓/承壓水層。在承壓水層中，弱透水層的力學(xué)特性在地面沉降現(xiàn)象中也很重要，當(dāng)含水層中的地下水位降低時(shí)，弱透水層中細(xì)粒土（黏土層）的可壓縮性和較低的垂直滲透率會(huì)導(dǎo)致延遲沉降[96]。在地下水位下降和有效應(yīng)力增加時(shí)，雖然砂層比細(xì)粒土有更小的可壓縮性，但由于地下水抽水和不可恢復(fù)的永久體積變化，淤泥和黏土層將受到較少的壓力[97]。一般而言，以粉砂和黏土為主的含水層比較粗的含水層（如砂）具有更高的壓縮性。

含水層的總厚度（包括飽和與非飽和帶）是另一個(gè)對(duì)地面沉降有反作用的含水層特征。一般來說，黏土層越淺，地面沉降速率就越大。整個(gè)含水層區(qū)域沉降速率的差異可能部分是由含水層地質(zhì)構(gòu)造的機(jī)械特性變化引起的[95,98]。第四紀(jì)未固結(jié)沉積物的變形主要依賴于其可壓縮性和厚度，其特征在于大的孔隙度和壓縮能力[46]，與無承壓含水層相比，承壓含水層中由于地下水抽取而導(dǎo)致的地面沉降更容易發(fā)生[99]。當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，特別是在由未固結(jié)的沖積沉積物組成的含水層中，孔隙水壓力降低，水的支撐轉(zhuǎn)移到含水層骨架，因此骨架壓縮[100-101]。特別是在黏土層中，孔隙水壓力的降低更易導(dǎo)致土體固結(jié)，從而造成相鄰結(jié)構(gòu)之間的垂直沉降[102]。

在過去5 a中，黃河三角洲的沿海一帶出現(xiàn)了嚴(yán)重的沉降漏斗，其年均沉降速率高達(dá)?200 mm/a，比平均海平面上升速率（+3 mm/a）大2個(gè)數(shù)量級(jí)，該處沉降速度量級(jí)在目前已報(bào)道的全球所有下沉三角洲之中居首。在松散的新近沉積層處疊加了過量開采地下鹵水的雙重作用，導(dǎo)致局部地區(qū)5 a累積沉降量高達(dá)近1 m。在內(nèi)陸一側(cè)，由于固結(jié)時(shí)間較長，且沒有大規(guī)模的地下水開采活動(dòng)，地面沉降趨勢(shì)較為穩(wěn)定，年均沉降速率不超過50 mm/a。而從時(shí)間變化上看，黃河三角洲東北部的鹽田區(qū)沉降漏斗呈現(xiàn)逐年減弱的過程，年均沉降速率由最初的?453 mm/a逐步減弱為?302 mm/a，到近年的?207 mm/a，且沉降漏斗呈現(xiàn)逐步往南偏移的特點(diǎn)。

黃河三角洲地區(qū)沿岸地區(qū)鹵水水位隨著開采量的增加而降低，反之則略有上升，但總體呈下降趨勢(shì)[103]，二者呈顯著正相關(guān)。鹵水開采量由1994年的960萬m3增加至2008年的6 841萬m3。鹵水水位埋深也由1994年的2.08 m下降至2008年的8.74 m，年平均下降率為0.48 m/a。2005年以來，由于原鹽和溴價(jià)格上漲，鹵水開采量大幅增加，導(dǎo)致水位以1.39 m/a的速度急劇下降，由于鹵水資源有限，長期超采必然導(dǎo)致了鹵水水位和地面沉降漏斗下降。

在地下水開采后，地面沉降的主要觸發(fā)因素是土地利用變化（例如城市化期間建造建筑物、將裸露土地改為灌溉農(nóng)場(chǎng)），全球290個(gè)黃河三角洲沿岸地區(qū)研究案例顯示占總數(shù)的8.9%以上為土地利用類型改變導(dǎo)致的地面沉降[51]。近30 a來，黃河三角洲海岸帶土地利用變化表現(xiàn)為鹽田擴(kuò)張和水產(chǎn)養(yǎng)殖迅速。這些特征與其他研究報(bào)告的三角洲時(shí)空模式一致[104-105]。其中，鹽田擴(kuò)張是最顯著的土地利用變化，其面積增長率為23 km2/a，這與如喬學(xué)瑾[106]和Yao等[107]的研究結(jié)果相對(duì)應(yīng)。以蝦為基礎(chǔ)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)用地面積在1984—1992年期間保持穩(wěn)定并略有變化[108]。長期不合理開采導(dǎo)致地下鹵水濃度隨時(shí)間的推移而下降，如廣饒鹽田鹵水濃度從1959年初的100～130 g/L下降至2007年的40～70 g/L。研究表明，渤海灣東南沿海鹽田區(qū)的地下鹵水的水位下降速率為1 mm/a[109]。鹽田區(qū)地面沉降洼地的出現(xiàn)是地下鹵水水位下降的直接證據(jù)[110]。

除鹽田外，水產(chǎn)養(yǎng)殖（主要是蝦池）和油田油氣開采是黃河三角洲另兩種典型的人類活動(dòng)類型，也是其他研究認(rèn)可的兩種具有代表性的人為沉降因素[65-66]。實(shí)際上，這3種土地利用類型在空間上都是密切相關(guān)的。近年來，鹽田地區(qū)建設(shè)了養(yǎng)蝦池，提高了對(duì)蝦的產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。幾十年來，在黃河三角洲北岸有許多油井散布在鹽田和蝦池之間，長期、高強(qiáng)度的油氣開采是造成儲(chǔ)層壓力下降的主要原因。此外，水驅(qū)開采作為石油勘探的主要手段，占儲(chǔ)層壓力效應(yīng)的81.3%。因此，與開采埋深700～3 500 m的深層石油相比，淺層人工注水通常會(huì)導(dǎo)致更多的地面沉降[111-114]。

4 地面沉降危害與海岸防護(hù)

地面沉降是一種不可逆的、緩慢的現(xiàn)象，可導(dǎo)致各種影響，包括地質(zhì)、環(huán)境、水文地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)影響。三角洲地區(qū)地面沉降的直接后果是河流和海洋洪水的發(fā)生頻率和強(qiáng)度增加、農(nóng)田和水資源的咸水污染、土地排水成本增加、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施受損以及海岸侵蝕[13]等。而其造成的間接后果則更加復(fù)雜，例如，含水層的鹽堿化程度和鹽水入侵導(dǎo)致必須培育對(duì)咸水具有較高耐受性的作物[115]。這將通過改變其保護(hù)功能、水和碳儲(chǔ)存能力、對(duì)抗侵蝕、壓實(shí)和惡化其他土壤特性的能力來影響土壤的生產(chǎn)功能。

地面高程下降、運(yùn)河梯度變化、沉降地區(qū)化學(xué)水-巖石相互作用變化、地下水質(zhì)量參數(shù)變化、陸地表面形態(tài)變化、農(nóng)田內(nèi)澇、河道變化、地下水質(zhì)量下降、河流或沿海洪水增加而引起的洪水潛力增加、地表水滲透機(jī)理的扭曲，這些因素降低了地表運(yùn)河的輸送能力，誘導(dǎo)了海岸線的后退，加劇了沿海地區(qū)海平面上升[38,116]。含水層、孔隙度和滲透率會(huì)因土體變形、滲流場(chǎng)的變化、應(yīng)力場(chǎng)的變化、孔隙水特性的改變、海水侵入和人工補(bǔ)給特性的變化而發(fā)生改變，沉積物孔隙度和水力傳導(dǎo)率發(fā)生的變化、非飽和帶厚度的增加、含水層儲(chǔ)存的枯竭、降低了含水層儲(chǔ)存地下水的能力[96,117-118]。

許多研究顯示[119]，用于灌溉的地下水開采作為地面沉降的主要驅(qū)動(dòng)力，造成數(shù)百萬人口的居住區(qū)地下水儲(chǔ)存量急劇減少，地面沉降有可能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到驚人的程度。因此，急需制定一些原則性的行政手段來減緩人為引起的地面沉降[100]，包括立法禁止和減少地下水抽取、鼓勵(lì)地表水再利用、實(shí)施地下水抽取的定價(jià)政策（或稅收）、嚴(yán)格執(zhí)行地下水法，以及實(shí)施地下水人工補(bǔ)給項(xiàng)目等[102]。由于地下水的人工補(bǔ)給和含水層儲(chǔ)存恢復(fù)可造成地面沉降的部分恢復(fù)，可以被視為控制地層下沉變形的重要技術(shù)，特別是對(duì)于沙質(zhì)層[117,120]，因此應(yīng)考慮在低密度地區(qū)、高度活躍的農(nóng)業(yè)地區(qū)實(shí)施最佳抽水方案。

對(duì)于自然和人為誘導(dǎo)的地面沉降，增加三角洲沉積物和建造更高的堤壩可能是緩解地面沉降的有效方法[39]。沿海防護(hù)堤壩保護(hù)了大部分三角洲地區(qū)的海岸，但也對(duì)沿海地區(qū)的地貌產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，并造成了人類居住模式的轉(zhuǎn)變。堤岸地區(qū)經(jīng)歷了快速的土地利用變化[121-122]，如在過去的幾十年里蝦類養(yǎng)殖區(qū)面積大幅增長、取代了農(nóng)田，這與沿岸低洼地區(qū)鹽水入侵所造成的土壤鹽度變化[123]及風(fēng)暴潮和雨水淹沒了農(nóng)業(yè)用地有關(guān)[124]。同時(shí)，在河流上游修建的防護(hù)工程使得三角洲河道中的水沙量減少，導(dǎo)致了河床淤積[125]，并導(dǎo)致岸堤附近的土地發(fā)生沉降[126]。由于沉積物供應(yīng)減少或不規(guī)則沉積、沉積物壓實(shí)和人為活動(dòng)（例如對(duì)蝦養(yǎng)殖），沿海地區(qū)平均經(jīng)歷了2～3 mm/a的地面沉降[127-128]。

雖然護(hù)岸堤提供了針對(duì)中度嚴(yán)重程度的風(fēng)暴潮和河流潮汐事件的保護(hù)，但它們卻加劇了更頻繁的洪水泛濫，并在最極端的風(fēng)暴潮期間促進(jìn)了潛在的洪水影響。將沿海洪泛區(qū)與河道隔絕起來，幾乎阻斷了陸地上沉積物的年度沉積，而已有沉積物的壓實(shí)和人為活動(dòng)加劇了地面沉降。多年來，排水渠沒有得到充分的維護(hù)，這阻礙了雨水的排放，加劇了洪水的泛濫。例如，通過對(duì)雅加達(dá)地區(qū)的沿岸堤壩預(yù)測(cè)顯示，如果能夠在短期內(nèi)阻止沉降，升級(jí)后的沿海堤壩將可有效防范洪水災(zāi)害。然而，其大部分的堤壩只能防御現(xiàn)在的洪水災(zāi)害，除非地面停止沉降，否則到2050年將最終失去抵御沿海洪水的能力[129]。因此，全面和長期的適應(yīng)戰(zhàn)略對(duì)于應(yīng)對(duì)陸地沉降引起的沿海洪水至關(guān)重要。雖然有東京應(yīng)對(duì)陸地沉降的先例，東京已經(jīng)成功地克服了1950年代至1960年代地面沉降帶來的巨大挑戰(zhàn)，建立了有效的地下水開采法規(guī)，并建成了基礎(chǔ)設(shè)施以確保充足的淡水供應(yīng)[130]，但事實(shí)證明，目前仍然很難提供量化沿海堤壩計(jì)劃優(yōu)劣的證據(jù)，因?yàn)椋孩俸樗^程復(fù)雜；②很難確定如果沿海堤壩沒有建造，洪水的嚴(yán)重程度。

在受沉降影響的地區(qū)，未來的研究應(yīng)特別關(guān)注研究區(qū)含水層分布、水文地質(zhì)和水力學(xué)等問題而采取的保護(hù)地下水源的政策，而不是僅考慮地下水抽取的直接后果[48]。實(shí)現(xiàn)這一重要目標(biāo)的前提是了解地下含水層厚度等水文地質(zhì)資料。通過精確的地面和遙感技術(shù)有效監(jiān)測(cè)土地流失率，特別是在受沉降影響的地區(qū)，并利用受影響最大的因素（例如地下水位下降、含水層厚度或軟黏土）制作災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖，并將所有因素納入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)設(shè)施，有助于有效管理和控制地面沉降。由于地面沉降相對(duì)于地下水開采存在時(shí)間滯后，因此通過空間測(cè)量對(duì)這種危害的早期預(yù)警可以有益地應(yīng)用于防止未來更大的損害。