閔 望, 陸 華, 楊 琦, 萬(wàn)佳俊, 殷幼松, 盧 毅, 劉明遙

(1. 自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210018; 2. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京210018; 3. 江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院,江蘇南京211102; 4. 浙江環(huán)球星云遙感科技有限公司,浙江湖州313200)

0 引 言

地面沉降是一種緩變形地質(zhì)災(zāi)害,也是城市化進(jìn)程中普遍存在的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,已成為影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大不利因素(武健強(qiáng)等,2014)。長(zhǎng)江三角洲是我國(guó)目前地面沉降三大重點(diǎn)片區(qū)之一(蔡田露等,2021),在該區(qū)開(kāi)展地面沉降發(fā)生機(jī)制與發(fā)展規(guī)律的研究顯得尤為迫切(段永侯,1998;袁銘等,2016)。隨著對(duì)地空間觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,采用高分辨率InSAR監(jiān)測(cè)方法(RADARSAT-2衛(wèi)星)實(shí)時(shí)全天候獲取地表形變信息,已成為區(qū)域面狀地面沉降監(jiān)測(cè)新的空間技術(shù)手段,也是目前較為成熟的區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)手段(張杏清等,2015;蔡田露等,2020)。

近年來(lái),隨著江蘇如東北部地區(qū)小棚養(yǎng)蝦行業(yè)的快速發(fā)展,該區(qū)域地下水的開(kāi)采量迅速遞增,對(duì)地下水掠奪式的過(guò)量開(kāi)采使當(dāng)?shù)赜邢薜牡叵滤Y源面臨嚴(yán)重的威脅(龔緒龍等,2018;顧晟彥等,2020)。繼蘇錫常地區(qū)地面沉降趨緩后蘇北地區(qū)凸顯出的這一典型地面沉降區(qū),已成為全省地面沉降研究新的拓展區(qū)和實(shí)踐區(qū)。依據(jù)長(zhǎng)三角地面沉降聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制,急需加強(qiáng)江蘇如東北部地區(qū)的地面沉降監(jiān)測(cè)和研究。利用InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè),圈定如東北部地面沉降重點(diǎn)沉降區(qū)及影響范圍,結(jié)合開(kāi)采井水位統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比研究,證實(shí)了區(qū)內(nèi)地下水水位漏斗與地面沉降展布形態(tài)和特征具有較好的一致性,科學(xué)佐證了地下水開(kāi)采是該地區(qū)地面沉降形成的主要誘因。

1 研究區(qū)概況

如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)地處豐利鎮(zhèn)—苴鎮(zhèn)—長(zhǎng)沙鎮(zhèn)一帶,占地面積約5 066 hm2,以養(yǎng)殖南美白對(duì)蝦為主,年總產(chǎn)量約9萬(wàn)t,產(chǎn)值超40億元。養(yǎng)殖區(qū)整體呈近東西向條形分布,與海岸線展布方向基本一致,總長(zhǎng)約18 km,寬約3 km,東起長(zhǎng)沙鎮(zhèn)長(zhǎng)堤村,西至豐利鎮(zhèn)光榮村,北部以自然村村落為界,主體分布區(qū)域位于S221省道(海防線)以北地區(qū),G328國(guó)道(臨海公路)貫穿其中(圖1)。

圖1 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)分布范圍示意圖Fig. 1 The distribution of aquaculture areas in the northern Rudong

圖2 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)光學(xué)影像特征圖(2018年1月,由美國(guó)PL衛(wèi)星獲取)Fig. 2 Optical image feature map of aquaculture areas in the northern Rudong(by US PL satellite,2018-01)

圖3 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)局部遙感影像圖Fig. 3 Local remote sensing image of aquaculture areas in Northern Rudong

2 地面沉降歷史及現(xiàn)狀

2.1 地面沉降歷史

如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)自規(guī)?；B(yǎng)殖以來(lái),主要依賴地區(qū)淺層地下水作為養(yǎng)殖用水,平均每500 g對(duì)蝦需要消耗地下水水量2～3 t。開(kāi)采井24 h抽取地下水,水泵額定抽水量約20 m3/h,每口開(kāi)采井可維持約10個(gè)養(yǎng)殖大棚養(yǎng)蝦用水量。

如東沿海地區(qū)歷史地面沉降監(jiān)測(cè)資料顯示,該地區(qū)地面沉降始于2012年,截至2016年,養(yǎng)殖區(qū)平均地面沉降速率保持在10～20 mm/a之間。

2.2 地面沉降現(xiàn)狀

2016年后,如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)蓬勃發(fā)展,養(yǎng)殖規(guī)模穩(wěn)中有升,地下水開(kāi)采量隨之增加,加劇了地下水水位漏斗的形成。將2017—2020年度高分辨率InSAR(影像分辨率>5 m,反演精度5 mm)監(jiān)測(cè)獲得的累計(jì)沉降數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果較為一致(圖4)。

圖4 InSAR監(jiān)測(cè)累計(jì)沉降與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig. 4 Comparison between InSAR monitoring cumulative settlement map and leveling data

根據(jù)如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)2017、2018、2020、2022年4個(gè)年度的地面沉降速率監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖5—圖8),養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)地面沉降速率較為平穩(wěn),沉降范圍和沉降量相近,大部分地區(qū)的沉降速率介于10～20 mm/a之間,地面沉降嚴(yán)重區(qū)沉降速率>30 mm/a(殷幼松等,2021),沉降范圍覆蓋南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖區(qū)全域,以入海通道為界東西兩側(cè)各存在1個(gè)沉降集中區(qū)。

圖5 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)地面沉降速率散點(diǎn)圖(2017年度)Fig. 5 Scatter plot of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2017)

圖6 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)地面沉降速率散點(diǎn)圖(2018年度)Fig. 6 Scatter plot of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2018)

圖7 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)地面沉降速率散點(diǎn)圖(2020年度)Fig. 7 Scatter plot of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2020)

圖8 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)地面沉降速率散點(diǎn)及PS點(diǎn)分布圖(2022年度)Fig. 8 Scatter plot and PS point of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2022)

2018年,南通整治南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖存在的生態(tài)損害問(wèn)題。整治范圍主體以省道S221為界,向南為內(nèi)陸區(qū)域,北側(cè)為沿海區(qū)域,含如東全縣陸域范圍內(nèi)南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖區(qū)域;整治時(shí)間為2018—2019年,整治期內(nèi)逐步關(guān)閉或遷移原對(duì)蝦養(yǎng)殖企業(yè),并封閉區(qū)內(nèi)地下水開(kāi)采井。

對(duì)比2017—2022年度研究區(qū)地表形變速率圖可明顯看出,S221省道以南內(nèi)陸地區(qū)的干涉點(diǎn)級(jí)別均明顯降低,沉降速率由20～30 mm/a降至10～20 mm/a,且干涉點(diǎn)數(shù)量明顯減少,充分表明該區(qū)段地面沉降正逐步趨緩。

為充分揭示沉降區(qū)西部與東部地面沉降的變化規(guī)律,以及對(duì)比地面沉降的差異性,分別在兩處沉降區(qū)周邊選擇4個(gè)點(diǎn)位繪制PS點(diǎn)時(shí)序形變曲線,獲取監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的地表形變發(fā)育趨勢(shì)(圖9)。PS點(diǎn)的地理位置見(jiàn)圖8,其中,西部沉降區(qū)的PS3點(diǎn)位于沉降漏斗中心區(qū)域,PS1、PS2點(diǎn)分別位于PS3點(diǎn)的南側(cè)和北側(cè),PS4點(diǎn)位于省道S221的南側(cè)。

圖9 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)兩處沉降區(qū)PS點(diǎn)形變曲線圖(2017—2022)(a)西部沉降區(qū);(b)東部沉降區(qū)Fig. 9 Deformation curve of PS points in two subsidence areas of aquaculture areas in Northern Rudong (2017-2022)(a) Western subsidence area; (b) Eastern subsidence area

PS3點(diǎn)的形變量明顯大于其他3處(圖9a),PS1與PS2的形變曲線發(fā)育趨勢(shì)較為接近,具有一定的周期性規(guī)律,具體表現(xiàn)為春夏季沉降加速、秋冬季有所減緩的變化特征,推測(cè)與不同季節(jié)性用水量有著直接的關(guān)系;PS1—PS3點(diǎn)2021年起沉降開(kāi)始出現(xiàn)放緩跡象。東部沉降區(qū)的4處特征點(diǎn)總體形變發(fā)育趨勢(shì)與西部較為相似(圖9b),均表現(xiàn)出沉降漏斗中心處形變明顯高于周邊區(qū)域、S221省道以南的PS點(diǎn)沉降速率明顯減緩的趨勢(shì)。

3 水位統(tǒng)測(cè)及校核

為確保InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,查清地下水開(kāi)采與地面沉降之間的關(guān)系,2020年10月對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)開(kāi)采井進(jìn)行水位核查和統(tǒng)測(cè),累計(jì)校核水位統(tǒng)測(cè)點(diǎn)39個(gè),校核控制點(diǎn)面上均勻分布,統(tǒng)測(cè)水位數(shù)據(jù)以靜水位埋深為主(圖10)、動(dòng)水位埋深為輔。

圖10 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)水位統(tǒng)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig. 10 Distribution of water level measurement points of aquaculture areas in Northern Rudong

水位統(tǒng)測(cè)和校核結(jié)果表明,長(zhǎng)期地下水集中式開(kāi)采已致使如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)絕大部分區(qū)域水位大幅下降,區(qū)內(nèi)靜水位埋深由開(kāi)采前的1～3 m為主下降至目前的5～9 m為主,最大靜水位埋深高達(dá)13.93 m,最大動(dòng)水位埋深約為13 m。整治后的S221省道以南內(nèi)陸地區(qū)目前靜水位埋深保持在2 m左右,基本恢復(fù)到了原始水位,相比S221省道以北沿海地區(qū)提升了4～5 m。

分析結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)地下水已形成2處明顯的水位漏斗,漏斗中心位置分別位于環(huán)農(nóng)村三組—十五組一線區(qū)域以及何丫村四組—八組一線區(qū)域。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),兩處水位漏斗中心位置與地面沉降中心范圍基本保持一致,且漏斗展布形態(tài)和沉降分布特征也較為相似(圖11)。由此可以確定,該地區(qū)地下水水位下降形成水位漏斗是導(dǎo)致地面沉降發(fā)生的主要原因。

圖11 如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)2020年度地面沉降速率及水位埋深分布圖Fig. 11 Map of land subsidence rate and buried depth of water level of aquaculture areas in Northern Rudong (2020)

4 成因分析

研究區(qū)地處江蘇沿海區(qū)域,地勢(shì)較為平坦,地面坡度<10%(梅芹芹等,2018),地表堆積了巨厚的新近系、第四系松散沉積物。其中,上部第四系厚度在120～300 m之間,具有分布范圍廣、沉積時(shí)間短的特點(diǎn),砂層較多,淺部發(fā)育一套典型的以海積作用為主的軟土層(蔡田露等,2021)。選取研究區(qū)位于南通如東何丫村老村部的典型水文地質(zhì)孔分析地層特征,該孔40 m以淺含多層粉質(zhì)黏土,根據(jù)巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)劃分為軟土,埋深為2～34 m,層厚1.0～15.6 m,具有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的特點(diǎn),含水量最高達(dá)53.1%,壓縮系數(shù)最高達(dá)1.03 M/Pa,屬易沉降地層(劉明遙等,2021)(圖12)。

圖12 如東北部何丫村水文孔巖性柱狀圖Fig. 12 Lithologic histogram of hydrologic hole of Heya Village in Northern Rudong

由于研究區(qū)內(nèi)開(kāi)采井深度絕大部分介于20～40 m之間,受地下水開(kāi)采影響的地層絕大部分深度為40 m以淺,而該段地層巖性以粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂以及粉砂與粉質(zhì)黏土互層為主,在地下水被完全疏干的條件下極易發(fā)生地面沉降,此外,養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)地層沉積時(shí)間相對(duì)較短,亦存在一定量的固結(jié)壓縮性沉降。

5 地面沉降防控建議

根據(jù)研究區(qū)沉降現(xiàn)狀,提出以下地面沉降防控對(duì)策。

(1)加大養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)地下水、地面沉降監(jiān)測(cè)和研究力度。增加區(qū)內(nèi)地下水水位監(jiān)測(cè)頻率,拓寬地面沉降監(jiān)測(cè)方法和手段,細(xì)化地下水水位變化規(guī)律和地面沉降主要壓縮層等因素。進(jìn)一步強(qiáng)化成因機(jī)理研究,為更好地制定研究區(qū)地面沉降防治區(qū)劃提出合理有效的防控措施奠定基礎(chǔ)。

(2)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局,落實(shí)地下水水位和地下水水量雙重控制的管理制度。對(duì)區(qū)內(nèi)現(xiàn)存開(kāi)采井的深度及分布位置等信息進(jìn)行檔案化管理,約束單井最大月抽水量,最大限度地控制地面沉降的發(fā)展(毛磊等,2019)。

(3)探究廢水凈化新技術(shù)新方法,加大養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)的廢水循環(huán)利用力度,從而減輕該地區(qū)地下水開(kāi)采壓力,同時(shí)有效避免因養(yǎng)殖廢水排放造成的土壤和淺層地下水環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。

6 結(jié) 論

(1)如東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)自規(guī)?；\(yùn)營(yíng)以來(lái),長(zhǎng)期對(duì)區(qū)內(nèi)地下水進(jìn)行集中式開(kāi)采,使得地下水水位大幅下降,繼而形成水位漏斗,最終導(dǎo)致地面沉降的發(fā)生。大部分地區(qū)沉降速率介于10～20 mm/a之間,嚴(yán)重區(qū)域沉降速率>30 mm/a。

(2)養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)39個(gè)開(kāi)采井的水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)靜水位埋深由開(kāi)采前的1～3 m下降至目前的5～9 m,最大靜水位埋深高達(dá)13.93 m。整治后的S221省道以南地區(qū)目前靜水位埋深保持在2 m左右,相比S221以北沿海地區(qū)提升了4～5 m。

(3)水位統(tǒng)測(cè)對(duì)比結(jié)果以及2020年度高精度InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí),區(qū)內(nèi)水位漏斗分布特征與地面沉降中心具有較好的一致性,佐證了地下水開(kāi)采是該地區(qū)地面沉降災(zāi)害形成的主要誘因。

(4)PS點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí),研究區(qū)內(nèi)地面沉降中心地表形變量明顯高于周邊地區(qū),整體發(fā)育趨勢(shì)較為接近,并且具有一定的周期性規(guī)律,體現(xiàn)為春夏季沉降加速、秋冬季有所減緩的變化特征,這與不同季節(jié)的地下水開(kāi)采量存在直接的關(guān)聯(lián)。

(5)根據(jù)研究區(qū)地面沉降現(xiàn)狀,提出了一系列地面沉降防控建議,如增加區(qū)內(nèi)地下水水位監(jiān)測(cè)頻率,強(qiáng)化成因機(jī)理研究;優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局,對(duì)區(qū)內(nèi)現(xiàn)存開(kāi)采井信息進(jìn)行檔案化管理;加大養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)的廢水循環(huán)利用力度,減輕地下水開(kāi)采壓力。