上海市有效地面沉降容量研究

焦 珣

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 南京大學地球科學與工程學院，南京 210093；3. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072）

上海市有效地面沉降容量研究

焦 珣1,2,3

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 南京大學地球科學與工程學院，南京 210093；3. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072）

上海目前微量沉降及城市安全設防高要求的條件下，地面沉降的防治戰略應綜合考慮各種制約影響因素。由人類經濟與工程等活動引發的地面沉降，具有可控性。有效地面沉降容量即城市環境承載與災害防御可承受的最大允許沉降量。從上海城市雨水排澇入手，以兩種排澇模式的主要設計標準為約束條件，探討不同分區最大允許沉降量的確定方法，為地面沉降研究與防治提供借鑒。

地面沉降；有效地面沉降容量；最大允許沉降量；地質災害防治；城市安全

地面沉降是由于自然因素或人為活動引起地殼表層松散土層壓縮并導致地面標高降低的地質現象。上海地面沉降目前處于每年數毫米的微量發展階段，但城市濱江臨海、地勢低平，容易遭受風暴潮汛的侵襲，地面沉降防治工作將始終是城市安全設防的重要方面[1]。

從地面沉降防治工作的戰略需求出發，結合城市規劃建設，需要從城市總體安全防災的角度，確定可控的地面沉降量和允許的最大沉降量。通過這些指標量值的研究，可以為地面沉降防治規劃及有關計劃編制提供宏觀依據，為城市規劃及安全防災提供決策咨詢意見，同時也能促進地面沉降研究的深化。

1 有效地面沉降容量的概念

有效地面沉降容量(effective subsidence capacity)由荷蘭學者提出[2]，主要是為解決礦產開采（包括天然氣和鹽礦）中允許沉降量的確定問題。荷蘭的地表高程大多數接近或低于海平面，地下資源開采（包括地下水、鹽、石油、天然氣）、土地圍墾、礦區排水等構成了荷蘭地面沉降的主要影響因素，全球氣候變暖導致的海平面上升更加劇了地面沉降的環境后果。因此荷蘭礦產開采管理部門要求開采天然氣和鹽礦的公司在開采前需向政府提交一份開采計劃，該計劃必須全面考慮由于礦產開采活動導致的地面沉降量，只有沉降量在允許范圍之內，才能核發開采許可證。該地面沉降量的允許范圍即為有效地面沉降容量，是指所允許的人類活動控制下的最大地面沉降量，其值等于地區最大允許相對沉降量（相對于海平面上升）減去自然因素作用下（海平面上升與構造運動等）的地面沉降量。自然因素引起的地面沉降往往無法控制和改變，所以稱為不可控沉降量。

由有效地面沉降容量的定義可以看出，其是將一定的地面高程控制目標作為約束總值，扣除不可控沉降量部分而剩余的量值。因此，有效地面沉降容量為允許人類活動產生的沉降量。將人類活動產生的沉降量稱為可控沉降量，可控沉降量須小于等于有效地面沉降容量，否則會對人類及所生存的環境造成危害。

進行有效地面沉降容量求解，首先要確定相對最大沉降量M，其值包含了所有影響因素引起的地面沉降量。根據地區地面高程控制目標的不同，M的取值也不同。Jan Van Herk等在研究受潮汐驅動而沉積演變的荷蘭Pinkegat潮汐盆地天然氣開采引起的地面沉降預測評價時，以該潮汐盆地“俘獲”沉積物的能力定義M的大小，即有效地面沉降容量等于該盆地的天然沉降量最大限值減去海平面上升值。隨著海平面上升的加速，有效地面沉降容量不斷減小，相應地調整天然氣的開采量，以保證由天然氣開采引起的地面沉降量小于有效地面沉降容量，從而不會對環境產生危害。

2 上海地區有效地面沉降容量

地面沉降最直接的影響是改變了上海市原始地貌形態，降低地表高程，使內河水位相對升高，改變城市的自然徑排流條件。在遭受臺風、暴雨、洪汛、天文大潮等影響下，江河水位顯著上升并強化海平面上升影響，城市防汛排澇面臨嚴峻壓力。

江河堤防是上海城市防汛的重要設施，從堤防的設防標準能否確定上海最大允許相對沉降量？目前，中心城區黃浦江及主要支流防汛墻長達208km；郊區江泖圩堤總長1815.19km，黃浦江上游江堤長136.5km；濱海地帶的海塘總長464.4km，其中陸域海塘170.8km、島嶼海塘293.6km。外灘黃浦江防汛墻歷次加高直接受地面沉降影響[3]，最近一次加高以“千年一遇”高潮位5.86m作為設防標準，且充分考慮了地面沉降的影響。因此，從堤防的設防標準不容易確定上海最大允許相對沉降量。

20世紀70年代，在全市水利規劃中，根據上海地區的地形、水文、氣象特征及與太湖流域、長江口、杭州灣相互關系等自然條件，在兼顧行政區域的基礎上，除蘇州河以南的老城區外，在河網水利上將上海市劃分為嘉寶北片、蘊南片、浦東片、青松大控制片、浦南東片、浦南西片、太北片、太南片、商榻片、崇明島片、長興島片、橫沙島片等共14個自然片（圖1），并采取分片綜合治理，在控制片外圍建立大包圍控制工程，并設置排澇泵站，形成外擋（洪潮）內控（片內高水位）的除澇排水格局。

圖1 上海市水利控制分片Fig.1 The water control slice in Shanghai

雨水排水按排入河道的方式，可分為強排水模式和緩沖式自流排水模式兩類。強排模式的流程為：雨水→市政管網→雨水泵站→附近河道→片外大水體；緩沖式自流排水是接近自然的排水模式，流程為：雨水→市政管網→雨水泵站→附近河道（或圩內河道）→片區泵、閘（圩內排澇泵站）→片外大水體（圩外河道）。目前，上海市已建排澇泵站1116座、水閘1901座。中心城區采用強排水排澇方式，其他片區基本采用緩沖式排水模式。根據《上海市城鎮雨水系統專業規劃（2005～2020）》，強排水模式主要涉及六大片區，包括嘉寶北片一部分、蘊南片、淀北片、中心區及浦東片一部分，其余片區基本采用了緩沖式排水模式（表1）。

表1 上海各水利控制分片排水模式Table 1 The drainage patterns of water control slice in Shanghai

強排對于泵站的揚程具有一定要求，地表高程降低，泵的揚程需要增高，但排水能力會下降；緩沖式自排對雨水管道地表高程與排入河道的水位差值具有一定要求，一般應大于管道水力坡降，地表高程降低到一定值，自流排水安全的地面標高與河道水位高差會小于管道水力坡降，則不能有效排水。

因此，上海地區最大允許相對沉降量可以考慮用城市排澇設計標準來確定，即上海的有效地面沉降容量等于特定時期城市排澇設計標準扣除自然因素控制下（海平面上升、構造運動等）的地面沉降量。

3 最大允許相對沉降量的確定

3.1 強排水模式片區

上海市雨水泵站絕大部分為立式軸流泵和立式混流泵，其設計工作揚程均在5m以上。一般當泵的揚程增大，泵的流量會減小。1995年上海市防汛指揮部辦公室《二十一世紀遠期防洪標準分析》研究報告，根據全市雨水泵站軸流泵和混流泵設計工況的揚程—流量曲線，在動力不變情況下，揚程增加13cm、23cm，雨水泵站流量損失為0.9%和1.8%，影響較小；當揚程增加35cm，雨水泵站流量損失2.6%，對城市排澇能力有一定影響。

盡管目前和規劃中的雨水泵站數量相比1995年大為增加，但當雨水泵站的性能、設計參數一定時，無論泵站數量多少，下墊面的變化勢必對泵的揚程產生影響，從而影響城市排澇能力。因此，在強排水模式片區，以流量對城市排澇的影響為約束條件，根據雨水泵的性能確定泵的揚程，反推確定強排水模式片區最大允許沉降量。

3.2 緩沖式自流排水片區

緩沖式自流排水的適用條件包括河道條件、高差條件和一些外部條件[4]。其中河道條件需要有足夠數量的且分布比較均勻的河道，具體控制指標為水面率在8%左右、河道間距不大于800m；高差條件是指雨水管道起端處地面標高與河道水位的差值，需大于管道水力坡降，具體為地面與水面高差大于1m以上。因此，以各緩沖式自流排水片區現狀高程與片區內河道水位作差，并預留0.8～1m的排水坡降，剩余的量值即為各片區最大允許沉降量，表達式如下：

式中：

M緩(i)—緩沖式排水片區i的最大允許沉降量；

H地(i)—緩沖式排水片區i的地面高程，本次取片內平均高程；

H河(i)—緩沖式排水片區i的河道水位，本次取片內河道平均常水位；

G—排水坡降。

4 自然因素引發的地面沉降量的確定

許多學者根據上海吳淞等驗潮站資料對過去百年來海平面變化速率及未來的上升值作了研究和預測[5,6]。秦曾灝等采用多變量逐步回歸和最大熵譜分析等方法，分析了以吳淞為代表的上海地區絕對海平面長期趨勢和周期變化規律，根據所建模型預測2010年和2030年上海地區海平面相對于1990年將分別上升50mm和110mm[7]。即1991～2010年海平面上升速率為2.0mm/a，與實際較為一致；2011～2030年海平面平均上升速率為3mm/a，這與IPCC估計的1990～2050年海平面上升速率為2.7mm/a以及國家海洋局預測的未來30年東海海域海平面平均上升速率2.8mm/a基本相吻合。因此，絕對海平面上升速率可以直接引用這些成果。

上海天文臺利用甚長基線干涉測量(VLBL)監測分析地殼板塊運動[8]，根據佘山VLBI站1988～1999年與國際合作聯測的結果，上海地區地殼垂直向下運動速率約為2mm/a[9]。按線性變化作時間外推，可以估算得到上海地區地殼的下降速率。

5 結語

（1）關于有效地面沉降容量的討論

上海地面沉降防治面臨的形勢主要表現在已形成的地面沉降洼地對城市安全影響長期存在，疊加了包括海平面上升和基底構造沉降運動等自然因素后地面沉降對城市安全的影響將更加嚴峻。開展上海地區有效地面沉降容量研究，并針對這部分可調控的量，開展相關對策措施研究，為最終制定地面沉降防治戰略決策方案提供依據，是新時期地面沉降防治戰略研究的重要工作。

而最大允許相對沉降量的確定是計算有效地面沉降容量的關鍵所在。最大允許相對沉降量可以從多方面去考慮，本文是從地面沉降對城市排澇影響角度出發，結合上海城鎮雨水排澇的兩種不同模式設計標準要求來求算上海不同水利分片最大允許相對沉降量。強排片區是根據泵站的揚程與流量的性能關系確定最大允許相對沉降量，緩沖式自排片區是根據對雨水管道水力坡降要求而確定的。事實上，無論強排片區還是緩沖式自排片區都布設有雨水泵站，同時隨著下墊面的不斷變化，緩沖式自排片區的泵站數量在不斷增多，而本文只是利用了兩種排澇模式的主要設計特點，未綜合考慮兩種模式的全部影響要素，因此研究方法存在一定的局限性，但是對于宏觀把握上海可控地面沉降量的限值提供了一種思路。

（2）下一步工作思路

由人類活動引發的可控地面沉降量須小于等于有效地面沉降容量，否則會對人類及所依存的環境造成危害。為了判斷可控地面沉降量與有效地面沉降容量的大小，需要進行可控地面沉降量計算。目前上海市可控地面沉降主要受區域地下水開采和工程建設活動兩大因素影響，因此須結合地面沉降防治規劃、方案和城市規劃建設，對未來一定時期內上海市可控地面沉降總量進行預測。

根據有效地面沉降容量與預測的可控地面沉降量的比較結果，并結合新時期城市發展總體規劃，從地面沉降對排澇影響角度出發，提出地面沉降分區防治的總體戰略，擬訂不同地面沉降防治分區的主要控制措施，從而為地面沉降防治工作部署奠定基礎。

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Determining the Effective Subsidence Capacity of Land in Shanghai

JIAO Xun1,2,3
(1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China;
2. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China;
3. Shanghai Research Center for Land Subsidence Control Engineering, Shanghai 200072, China)

At present, Shanghai is in a state of rapid settlement and is seeking better urban security. In the new era, the city needs a strategy for developing land-subsidence prevention work, which should involve the comprehensive consideration of various factors. Land subsidence caused by human economic and engineering activities should be at least partially able to be controlled. In this paper, effective subsidence capacity was defined as the allowable maximum land subsidence limited by the urban environment and hazard/disaster control. We took two stormwater drainage patterns as constraints, and determined the maximum subsidence limits for different districts of Shanghai. The resulting information could be of practical significance for land subsidence research and for the control of subsidence by governmental administrative agencies.

land subsidence; effective subsidence capacity; the maximum subsidence limit; geological disaster prevention and control; urban safety

P642.26

A

2095-1329(2013)02-0055-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.013

2013-04-04

2013-05-10

焦珣(1982-),女,博士后,工程師,主要從事地面沉降研究.

電子郵箱：jiaoxun83@126.com

聯系電話：021-56617618

中國地質調查局地調項目(1212011220174);上海市科委科研項目(10dz2254000)