淺談地下水開(kāi)采對(duì)地面沉降影響及防治措施

□周 洋 □許 猛 □許青松 □劉 恒

（河南省商丘市水文水資源勘測(cè)局）

1.地面沉降概述

地面沉降是在自然條件和人為因素作用下，由于地殼表層土壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象。地面沉降又是一種緩慢的地基壓縮變形過(guò)程，這種現(xiàn)象常發(fā)生在那些新近沉積的正在發(fā)生固結(jié)的地方。地面沉降是一種廣泛的地質(zhì)災(zāi)害，不僅對(duì)地面設(shè)施產(chǎn)生很大的破壞作用，而且也會(huì)使地下環(huán)境發(fā)生變化，給工業(yè)生產(chǎn)、城市建設(shè)和人們生活帶來(lái)巨大的影響。地面沉降伴隨著地下水的開(kāi)采而產(chǎn)生、伴隨著地下水位的變化而變化、伴隨著開(kāi)采量的增加或減少而發(fā)展或減緩。地面沉降的漏斗與地下水位下降漏斗基本一致，發(fā)生地面沉降的層位與各含水組的開(kāi)采量相對(duì)應(yīng)，其次新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震、工程建筑的施工降水及荷重等對(duì)沉降也產(chǎn)生一定的影響，但主要是開(kāi)采地下水所致。因此如何正確認(rèn)識(shí)地表沉降發(fā)生機(jī)理，描述地下水滲流，確立地面沉降模型，并以此來(lái)預(yù)測(cè)地下水可開(kāi)采量及地面沉降量，這對(duì)控制地面沉降的發(fā)展至關(guān)重要。

2.地表沉降損害發(fā)生機(jī)理

地表沉降損害應(yīng)該根據(jù)地下水所處的地層層位、載體物性、載體厚度、抽排方式和沉陷損害類型進(jìn)行分析。地下水開(kāi)采對(duì)地表沉陷損害的作用可以歸結(jié)為地下水開(kāi)采后地層有效應(yīng)力增大、含水層浮托力減小以及滲透力的作用。目前，普遍采用地下水開(kāi)采有效應(yīng)力的變化原理解釋地表沉降的發(fā)生機(jī)制。含水地層強(qiáng)度土層的預(yù)固結(jié)應(yīng)力是指黏性土層在地質(zhì)歷史過(guò)程迄今所承受的最大有效應(yīng)力，這是衡量一個(gè)地區(qū)某一土層固結(jié)情況的尺度。

根據(jù)土力學(xué)，把土層的預(yù)固結(jié)應(yīng)力值與土層現(xiàn)今的自重應(yīng)力比較，可分出欠固結(jié)、正常固結(jié)和超固結(jié)3種。對(duì)于前兩種，尤其是欠固結(jié)狀態(tài)有利于地表沉降損害的發(fā)生，因?yàn)樘幱谶@兩種狀態(tài)的土層在地下水開(kāi)采后，地下水失去了對(duì)土空隙的占據(jù)，也失去了對(duì)上覆土層的支撐，使地層有效應(yīng)力增大，從而產(chǎn)生滲透固結(jié)和荷載固結(jié)，尤其是滲透固結(jié)對(duì)地表沉降所起的作用較大。對(duì)于具超固結(jié)應(yīng)力的土層，只有在承壓水位下降，并使土層中產(chǎn)生新的孔隙水壓力時(shí)，才有可能出現(xiàn)地表沉降。對(duì)于基巖中的地下水，由于基巖強(qiáng)度相對(duì)很大，所以基巖內(nèi)地下水流失對(duì)上覆巖層以及地表的沉陷影響很小。

上述分析得出，引起地表沉陷的地下水一般產(chǎn)生于松散或半固結(jié)狀態(tài)的、強(qiáng)度相對(duì)較弱的新生代沉積結(jié)構(gòu)模式環(huán)境中，尤其是那些未固結(jié)狀態(tài)的土層。也就是說(shuō)，深層基巖地下水的開(kāi)采造成的地表沉陷極小，在未導(dǎo)致淺層新生代地下水大量流失的條件下，一般可不考慮基巖地下水引起的地表沉陷，而淺層新生代地下水的開(kāi)采對(duì)地表沉陷的影響很大，是地表沉陷的主導(dǎo)因素。含水層浮托力減小和滲透力這兩個(gè)因素對(duì)開(kāi)采地下承壓水造成地表沉陷有一定的影響。在抽取地下承壓含水層中的地下水時(shí)，會(huì)使承壓水頭壓力降低，減小含水層浮托力，引起土骨架之間有效應(yīng)力增加，使骨架孔隙壓縮。加之，地下水滲透力的作用，造成含水層周圍的地下水運(yùn)移釋水，從而形成地下較大范圍的“壓縮層”導(dǎo)致地表沉降。但相對(duì)地說(shuō)這兩個(gè)因素，對(duì)于非承壓的淺層厚新生代地下水影響不大。因此，淺層非固結(jié)的厚新生代地下水的開(kāi)采是引起地表沉陷損害的主導(dǎo)因素，而地下水強(qiáng)排和特殊構(gòu)造地層是引發(fā)地表沉陷損害的主要原因。

3.地面沉降和地下水開(kāi)采矛盾的解決

由于超量開(kāi)采地下水引起的防治不是一朝一夕的事情，必須區(qū)分輕重緩急，制定防治規(guī)劃。開(kāi)展區(qū)域地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查，制定地下水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃，加強(qiáng)地下水資源管理，深入研究地下水含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及地面沉降狀況，確定地下水超采區(qū)，劃定限采區(qū)和禁采區(qū)，把地下水開(kāi)采量控制在合理范圍之內(nèi)。加強(qiáng)用水管理，合理用水、優(yōu)水優(yōu)用，在地下水集中開(kāi)采區(qū)，進(jìn)一步控制工業(yè)用地下水開(kāi)采，并把優(yōu)質(zhì)地下水僅作為生活飲用水水源;采用經(jīng)濟(jì)扛桿，實(shí)行優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)，加大地下水資源管理力度，解決替代水源，改善地面水功能，提高地面水的供水能力。在地面沉降劇烈的情況下，應(yīng)停止開(kāi)采地下水;向含水層進(jìn)行人工回灌，回灌時(shí)要嚴(yán)格控制回灌水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以防止地下水污染。并要根據(jù)地面沉降規(guī)律，制定合理的采灌方案;調(diào)整地下水開(kāi)采層位，進(jìn)行合理開(kāi)采。認(rèn)真做好規(guī)劃的組織實(shí)施，將實(shí)施規(guī)劃作為一件大事列入議事日程；成立規(guī)劃協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，定期檢查規(guī)劃實(shí)施情況;加強(qiáng)法制建設(shè)，加快制訂地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的法規(guī)，保護(hù)地下水環(huán)境。因此，在總量控制的前提下，要進(jìn)一步優(yōu)化地下水的開(kāi)采布局，把按層位、地區(qū)和時(shí)間的集中開(kāi)采調(diào)整為按含水系統(tǒng)特征的分散式開(kāi)采，避免現(xiàn)有地下水降落漏斗的進(jìn)一步發(fā)展。具體措施如下:

3.1 完善地下水動(dòng)態(tài)與地面沉降監(jiān)測(cè)

進(jìn)一步完善地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，改進(jìn)監(jiān)測(cè)手段，加快地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)建設(shè)，提高監(jiān)測(cè)成果的時(shí)效性和服務(wù)水平。建立和完善區(qū)域地面沉降區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)，加快GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與分層標(biāo)相結(jié)合的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)GPS監(jiān)測(cè)與分層監(jiān)測(cè)標(biāo)組監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。及時(shí)掌握地下水開(kāi)采與地面沉降動(dòng)態(tài)情況，適時(shí)調(diào)整地下水開(kāi)采計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)地下水資源的動(dòng)態(tài)管理。

3.2 加強(qiáng)地面沉降預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究

加強(qiáng)地面沉降預(yù)測(cè)預(yù)警與防治研究，研究地面沉降與地下水開(kāi)采、水位動(dòng)態(tài)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系及其演化規(guī)律，結(jié)合海平面變化趨勢(shì)研究，深入分析地面沉降對(duì)城市建設(shè)、國(guó)土整治、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的危害。建立地區(qū)地下水資源與地面沉降預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，為政府制定城市和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

3.3 因地制宜開(kāi)展地下水人工回灌

人工回灌是防治地面沉降的有效手段之一，且方法簡(jiǎn)單，技術(shù)可行，并能起到蓄水儲(chǔ)能的綜合效果。應(yīng)積極創(chuàng)造條件，在保證水質(zhì)的前提下，選擇水文地質(zhì)條件有利地段建立地下水人工回灌試驗(yàn)場(chǎng)，進(jìn)行地下水人工回灌試驗(yàn)，并有計(jì)劃有步驟因地制宜逐步推廣地下水人工回灌工作。

總之，對(duì)待因地下水開(kāi)采引起地面沉降的問(wèn)題，應(yīng)該用科學(xué)的態(tài)度看待，采取有效的措施，使地面沉降和地下水開(kāi)采的矛盾降低到最小，緩和人與自然協(xié)調(diào)的沖突，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的宏觀戰(zhàn)略。