淺談地下水開采對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致區(qū)域性地面標高降低的一種環(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)災害，不僅對地面設施產(chǎn)生很大的破壞作用，而且也會使地下環(huán)境發(fā)生變化，給工業(yè)生產(chǎn)、城市建設和人們生活帶來巨大的影響。地面沉降伴隨著地下水的開采而產(chǎn)生、伴隨著地下水位的變化而變化、伴隨著開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采量相對應，其次新構造運動、地震、工程建筑的施工降水及荷重等對沉降也產(chǎn)生一定的影響，但主要是開采地下水所致。因此如何正確認識地表沉降發(fā)生機理，描述地下水滲流，確立地面沉降模型，并以此來預測地下水可開采量及地面沉降量，這對控制地面沉降的發(fā)展至關重要。

2.地表沉降損害發(fā)生機理

地表沉降損害應該根據(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行分析。地下水開采對地表沉陷損害的作用可以歸結(jié)為地下水開采后地層有效應力增大、含水層浮托力減小以及滲透力的作用。目前，普遍采用地下水開采有效應力的變化原理解釋地表沉降的發(fā)生機制。含水地層強度土層的預固結(jié)應力是指黏性土層在地質(zhì)歷史過程迄今所承受的最大有效應力，這是衡量一個地區(qū)某一土層固結(jié)情況的尺度。

根據(jù)土力學，把土層的預固結(jié)應力值與土層現(xiàn)今的自重應力比較，可分出欠固結(jié)、正常固結(jié)和超固結(jié)3種。對于前兩種，尤其是欠固結(jié)狀態(tài)有利于地表沉降損害的發(fā)生，因為處于這兩種狀態(tài)的土層在地下水開采后，地下水失去了對土空隙的占據(jù)，也失去了對上覆土層的支撐，使地層有效應力增大，從而產(chǎn)生滲透固結(jié)和荷載固結(jié)，尤其是滲透固結(jié)對地表沉降所起的作用較大。對于具超固結(jié)應力的土層，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，才有可能出現(xiàn)地表沉降。對于基巖中的地下水，由于基巖強度相對很大，所以基巖內(nèi)地下水流失對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、強度相對較弱的新生代沉積結(jié)構模式環(huán)境中，尤其是那些未固結(jié)狀態(tài)的土層。也就是說，深層基巖地下水的開采造成的地表沉陷極小，在未導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采對地表沉陷的影響很大，是地表沉陷的主導因素。含水層浮托力減小和滲透力這兩個因素對開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，會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移釋水，從而形成地下較大范圍的“壓縮層”導致地表沉降。但相對地說這兩個因素，對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采是引起地表沉陷損害的主導因素，而地下水強排和特殊構造地層是引發(fā)地表沉陷損害的主要原因。

3.地面沉降和地下水開采矛盾的解決

由于超量開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。開展區(qū)域地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查，制定地下水資源開發(fā)利用規(guī)劃，加強地下水資源管理，深入研究地下水含水系統(tǒng)結(jié)構及地面沉降狀況，確定地下水超采區(qū)，劃定限采區(qū)和禁采區(qū)，把地下水開采量控制在合理范圍之內(nèi)。加強用水管理，合理用水、優(yōu)水優(yōu)用，在地下水集中開采區(qū)，進一步控制工業(yè)用地下水開采，并把優(yōu)質(zhì)地下水僅作為生活飲用水水源;采用經(jīng)濟扛桿，實行優(yōu)質(zhì)優(yōu)價，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，應停止開采地下水;向含水層進行人工回灌，回灌時要嚴格控制回灌水源的水質(zhì)標準，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)整地下水開采層位，進行合理開采。認真做好規(guī)劃的組織實施，將實施規(guī)劃作為一件大事列入議事日程；成立規(guī)劃協(xié)調(diào)機構，定期檢查規(guī)劃實施情況;加強法制建設，加快制訂地質(zhì)環(huán)境保護的法規(guī)，保護地下水環(huán)境。因此，在總量控制的前提下，要進一步優(yōu)化地下水的開采布局，把按層位、地區(qū)和時間的集中開采調(diào)整為按含水系統(tǒng)特征的分散式開采，避免現(xiàn)有地下水降落漏斗的進一步發(fā)展。具體措施如下:

3.1 完善地下水動態(tài)與地面沉降監(jiān)測

進一步完善地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，加強地下水動態(tài)監(jiān)測，改進監(jiān)測手段，加快地下水動態(tài)監(jiān)測信息網(wǎng)建設，提高監(jiān)測成果的時效性和服務水平。建立和完善區(qū)域地面沉降區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)，加快GPS監(jiān)測網(wǎng)絡與分層標相結(jié)合的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡體系建設，實現(xiàn)GPS監(jiān)測與分層監(jiān)測標組監(jiān)測自動化。及時掌握地下水開采與地面沉降動態(tài)情況，適時調(diào)整地下水開采計劃，實現(xiàn)地下水資源的動態(tài)管理。

3.2 加強地面沉降預測預警系統(tǒng)研究

加強地面沉降預測預警與防治研究，研究地面沉降與地下水開采、水位動態(tài)與地質(zhì)結(jié)構的相互關系及其演化規(guī)律，結(jié)合海平面變化趨勢研究，深入分析地面沉降對城市建設、國土整治、經(jīng)濟發(fā)展的危害。建立地區(qū)地下水資源與地面沉降預測預警系統(tǒng)，為政府制定城市和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學依據(jù)。

3.3 因地制宜開展地下水人工回灌

人工回灌是防治地面沉降的有效手段之一，且方法簡單，技術可行，并能起到蓄水儲能的綜合效果。應積極創(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場，進行地下水人工回灌試驗，并有計劃有步驟因地制宜逐步推廣地下水人工回灌工作。

總之，對待因地下水開采引起地面沉降的問題，應該用科學的態(tài)度看待，采取有效的措施，使地面沉降和地下水開采的矛盾降低到最小，緩和人與自然協(xié)調(diào)的沖突，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的宏觀戰(zhàn)略。