考慮不可控因素下的地面沉降防治區劃研究

焦 珣，王寒梅，楊天亮，方 正，林金鑫，張 歡

（1. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072）

考慮不可控因素下的地面沉降防治區劃研究

焦 珣1,2,3，王寒梅1,2,3，楊天亮1,2,3，方 正1,2,3，林金鑫1,2,3，張 歡1,2,3

（1. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072）

在上海微量沉降和城市設防極高要求的今后一段時期內，海平面上升、基底沉降、欠固結土沉降等不可控因素是地面沉降防治必須要考慮的問題。文章從城市排澇角度研究估算了上海今后最大允許相對沉降量、各不可控因素引發的地面沉降量及有效地面沉降容量。以此為依據，在上海地面沉降三級管控分區的總體框架下，結合城市總體規劃，進行了2016-2040年地面沉降防治區劃劃分，并綜合確定各分區地面沉降管控指標，可以為地面沉降防治的精細化管理提供技術依據。

地面沉降；防治區劃；有效容量；不可控因素

上海地處長江河口，濱江臨海，地勢低平。長期以來，地面沉降問題作為主要的地質災害直接影響著上海下墊面形態，嚴重威脅著上海的城市安全[1,2]。經過半個多世紀的不斷努力，目前上海地面沉降達到微量沉降，2010年后年均地面沉降速率一直控制在6mm/a以下。在微量沉降現狀和城市安全設防要求極高的條件下，全球氣候變暖引起的海平面上升、新構造運動引起的基底沉降以及東部沿江新成陸地區欠固結土的地面沉降效應是研究上海地面沉降防治必須考慮的問題。2013年作者在《上海市有效地面沉降容量研究》[3]一文中提出了上海最大允許相對沉降量和考慮不可控因素下上海市有效地面沉降量的確定方法，本次是在此基礎上的所取得研究成果的總結。

1 上海地區有效地面沉降容量

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減去不可控因素控制下的地面沉降量。上海地面沉降最直接的影響是改變了上海市原始地貌形態，降低了地表高程，使內河水位相對升高，改變了城市的自然徑、排流條件。同時又受臺風、暴雨、洪汛、潮汐影響，汛期積水嚴重、江河水位相對上升并強化海平面上升影響，城市防汛排澇面臨嚴峻壓力。因此，本次以上海各水利分片[3]的城市排澇設計標準為約束條件，研究在相應的排澇設施排澇能力條件下上海地區的有效地面沉降容量。

根據上海地區有效地面沉降容量計算方法[3]，考慮到最近的全市地面高程數據為2011年水準復測結果，本次以2010年為起始年份，計算未來30年，即2010年至2040年上海地區有效地面沉降容量，再減去2010年至2015年的實際地面沉降量，就可以獲得2016～2040年的有效地面沉降容量。2016～2040年上海地區有效地面沉降容量的表示如下：

式中：

E(2040)：2010～2040年有效地面沉降容量；

M(2040)：2010～2040年最大允許相對沉降量；

S(2040)：2010～2040年絕對海平面上變化量；

T(2040)：2010～2040年構造運動引起的沉降量；

L(2016-2040)：2016～2040年吹填土沉降量；

A(2010-2015)：2010～2015年實測地面沉降量。

2 最大允許相對沉降量的確定

上海各水利分片雨水排水按排入河道的方式總體上可分為強排水模式和緩沖式自流排水模式兩類（圖1）。

2.1 強排水模式片區最大允許沉降量

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；強排對于泵站的揚程具有一定的要求，地表高程降低，泵的揚程需要增高，但排水能力會下降；根據1995年上海市防汛指揮部辦公室的《二十一世紀遠期防洪標準分析》研究成果，當相對海平面上升35cm時，1995年市區已建市政排水泵站出水流量總量減少20m3/s，約占已建市政排水泵站總排水流量2.6%，對雨水泵站流量損失產生了一定的影響。

圖1 上海市排水模式分布圖Fig. 1 Drainage pattern distribution of Shanghai City

由于1995年后新建和改建泵站機組基本上仍采用了上述類型軸流泵和混流泵，因此，當雨水泵站的性能、設計參數一定時，無論泵站數量多少，相對海平面上升35cm，雨水泵站流量損失仍為2.6%。考慮到減少流量超過2%時，排澇作用會受到一定影響，故本次以流量損失超過2%對應的相對海平面上升值為約束條件，確定強排水模式片區的最大允許沉降量為35cm。

2.2 緩沖式自流排水片區最大允許沉降量

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→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）。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的要求，一般要求大于管道水力坡降，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，不能有效排水。根據緩沖式自流排水的高差條件[3]，本次計算得到緩沖式自流排水片區最大允許沉降量（表1）。

3 不可控因素引發的地面沉降量

3.1 海平面上升

許多研究者根據上海吳淞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，其中以秦曾灝等的研究結果被引用的最多。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絕對海平面長期趨勢和周期變化規律[4]，本次根據其所建模型計算了計算了上海及其鄰近地區7個驗潮站2010、2040年相對于1990年的上升預測值（表2），從而得到2010～2040年上海海平面上升值為6.5cm，平均上升速率約為2.2mm/a，這與IPCC1990～2050年海平面上升速率為2.7mm/a以及國家海洋局研究在《2015年中國海平面公報》得出的未來30年上海所在東海海域的海平面平均上升速率為2.5mm/a相差甚少。

表1 緩沖式自流排水片區最大允許沉降量Table 1 Maximum allowable settlement of cushion type gravity drainage area

絕對海平面上升會引起大陸河網水情發生變化，進而對雨水泵站排澇產生一定的影響。根據1995年《海平面上升對水資源、水利規劃和水環境的影響及對策研究》成果，絕對海平面升高值與上海大陸的10個分片河網水位變化值存在一定的相關關系，海平面上升30cm，各分片河網水位上升值約是海平面上升10cm河網水位上升值的3倍，但各分片水位上升比例不盡相同。本次利用線性內插法求解了未來2010～2040年絕對海平面上升6.5cm，對應的各片河網水位的平均上升量。計算結果見表3，其中海域的崇明島片、長興島片、橫沙島片河網水位與絕對海平面的上升值相同，為6.5cm。太湖水網地區商塌片河網水位變化參考太北片，即為0cm。

表2 上海地區海平面上升預測值Table 2 Prediction of sea level rise in Shanghai region

表3 絕對海平面上升引起的各水利控制分片河網水位變化Table 3 Water level changes in sub slice river networks caused by absolute sea-level rise

3.2 新構造運動引起的基底沉降

據已有的研究所知[5]，進入上新世末的新構造運動主幕階段以后，現上海地區也逐漸淪入沉降盆地。進入早更新世中晚期，上海所在的現長江三角洲地區轉入了全面沉降，根據磁性地層測算，平均沉降速率為6.7cm/ka，中更新世期間區內地殼平均沉降速率7cm/ka，中、晚更新世之交，轉入了強烈沉降階段，晚更新世期間上海地區的平均沉降速率劇增為64cm/ka，全新世期間更遞增至238cm/ka，全新統沉積表明這種沉降持續到現在，表現出新構造期持續的沉降性。

此外，上海天文臺在佘山工作站利用具有很高測量精度的甚長基線干涉儀（VLBL），開展以監測地殼運動為目的的國際間聯合觀測實驗。根據佘山VLBI站與國際合作聯測的結果[6]，上海地區地殼垂直運動速率為-2mm/a（“-”代表向下運動），該測量值與磁性地層測算全新世上海地區地殼沉降速率為238cm/ka接近。因此，本次取上海地區地殼垂直運動速率為-2mm/a，按線性變化作時間外推，估算得到2040年上海地區地殼比2010年下降6.0cm。

3.3 新成陸地區地面沉降吹填土沉降效應

吹填土在上海東部新成陸地區廣泛分布，它的形成與分布和上海市海岸線的變遷以及圍海造陸有關。據目前的調查結果，陸域吹填土分布在上海地區的東部和南部沿江沿海地區，其北至長江隧道，西至曹涇鎮。在73堤及隨塘河以西以北是缺失的，以東以南則大面積分布。

吹填土的沉降效應主要可以分為兩個方面：一方面是吹填土大面積堆載導致的地基沉降、另一方面是吹填土本身固結所產生的沉降。本次分別采用分層總和法和欠固結土一維壓縮基本計算公式計算得到新近成陸地區2016～2040年沉降量（圖2）。

圖2 2016～2040年吹填土沉降估算結果Fig.2 2016～2040 Estimation results of dredger fill settlement

4 有效地面沉降容量的計算結果

由式（1）計算得到2010～2040年上海地區有效地面沉降容量（不考慮吹填土影響）。將2010～2040年上海地區有效地面沉降容量減去2010年至2015年的實測地面沉降量，并考慮浦東片吹填土的影響，便可以獲得2016～2040年上海地區有效地面沉降容量。從計算結果來看，2016～2040年上海地區平均有效地面沉降容量約為30cm，嘉寶北片、淀南片和浦東片有效地面沉降容量最大，但基本都在80cm范圍內；青松控制片、太南片、浦南西片、橫沙島片有效地面沉降容量最小，都在15cm以下（圖3）。

圖3 上海市有效地面沉降容量計算結果（2016～2040）Fig.3 The prediction of effective capacity of land subsidence in Shanghai (2016～2040)

5 地面沉降防治區劃

在上海地面沉降三級管控分區的總體框架下[7]，本次基于有效地面沉降容量計算結果，根據各管控區地面沉降的易發程度、災害現狀以及發展趨勢，結合2016～2040年城市總體規劃，進一步進行了地面沉降防治區劃劃分（圖4），以提高地面沉降防治的精細化水平。

圖4 上海市地面沉降管控分區（2016～2040年）Fig.4 The regionalization of land subsidence control in Shanghai

5.1 地面沉降重點防治區（Ⅰ區）

（1）地面沉降重點防治I1區

地面沉降重點防治I1區為上海中心城區2016～2040年年均有效容量為9mm。該管控區屬于地面沉降高易發區，是地面沉降最嚴重的地區，歷史高程損失多，地表高程低，近幾年地面沉降速率小于5mm/a。根據2016～2040年城市總體規劃，中心城區為城市中央活動區，主要承載城市的核心功能，人口密度大、重要基礎設施眾多，地面沉降災害會有加劇的可能。

（2）地面沉降重點防治I2區

I2-1區，該地區2016～2040年有效地面沉降容量分別約為23cm和9cm，年均有效容量分別約為9mm和8mm。該地區基本屬于地面沉降中等—高易發區，歷史上發生了較嚴重的地面沉降災害，目前為大規模開發地區，重大工程密集，該地區年均沉降量超過10mm/a。根據2016～2040年城市總體規劃，大虹橋地區、浦東北部吹填地區為城市集中開發地區，地面沉降災害極有可能加劇，考慮到近階段地面沉降速率過大，應嚴格控制地面沉降發展趨勢以滿足地面沉降容量要求。

I2-2區，主要包括浦東北部非吹填地區。該地區2016～2040年有效地面沉降容量約為23cm，年均有效容量約為9mm。該地區基本屬于地面沉降高易發區，歷史上地面沉降災害較嚴重，目前該地區年均沉降量小于5mm/a。根據2016～2040年城市總體規劃，該地區為城市集中開發地區，地面沉降災害極有可能加劇。

I2-3區，主要包括浦東南部大治河—浦東機場吹填區，該區有效地面沉降容量約為34cm，年均有效容量約為13mm。該地區屬于地面沉降高易發區，累計地面沉降量在200～300mm，目前該地區年沉降量超過10mm/a，除欠固結土沉降是主要的影響因素，還和該地區工程建設活動相關。根據2016～2040年城市總體規劃，該地區主要建設大型居住社區，地面沉降發展趨于嚴重。

I2-4區，主要指除I2-1、I2-2、I2-3區以外的浦東其他地區，年均有效容量約為22～23mm。屬于地面沉降的高易發區，大多數地區累計地面沉降量在300～400mm，臨港新城地區累計地面沉降量較小，為100～300mm，總體上該地區地面沉降發育一般，目前該地區地面沉降量在4～6mm/a。根據2016～2040年城市總體規劃，該區大部分為限制建設區，城市開發主要集中在臨港新城、周浦、航頭等地，這些地區也是地面沉降最有可能發育的地區。

5.2 地面沉降次重點防治區（Ⅱ區）

主要包括寶山、嘉定、閔行等地區，該區2016～2040年年均有效容量約為24～30mm。該管控區基本屬于地面沉降的中等易發區，歷史曾為重點開采地區，累計地面沉降量大多在200～300mm。現階段該管控區地面沉降速率基本小于5mm/a，根據2016～2040年城市總體規劃，寶山主城區、閔行主城區及嘉定新城作為城市開發的重點地區，工程建設可能會產生較嚴重的地面沉降。

5.3 地面沉降一般防治區（Ⅲ區）

（1）III1區

主要包括金山楓涇-廊下、橫沙島、青浦練塘等地區，這些地區不允許發生地面沉降。

金山楓涇-廊下地區、橫沙島地區2016～2040年有效地面沉降容量約為0～2cm，有效地面沉降容量非常小，已不允許該地區發生地面高程損失，該地區為地面沉降較高—高易發區，其中：

金山楓涇-廊下地區受地下水開采影響，歷史上地面沉降較為發育，累計地面沉降量在200～400mm，局部地區超過500mm，現階段金山楓涇-廊下年沉降速率較小，大多以回彈為主。根據2016～2040年城市總體規劃，該區為限制建設區，以生態保護為發展定位，對控制金山楓涇-廊下地區地面沉降較為有利，但不能忽視鄰省地區地下水開采對該地區的影響，因此建議應嚴格控制金山楓涇-廊下地區不發生地面沉降。

橫沙島地區歷史上地面沉降不太發育，累計地面沉降量在100～200mm，現階段地面沉降速率小于5mm/a。根據2016～2040年城市總體規劃，該區為生態保護區，同時隨著橫沙島集約化供水計劃的實施，地下水開采量將越來越小，這些對控制橫沙島地面沉降較為有利，考慮到橫沙島地表高程較小、有效地面沉降容量近為0，應嚴格控制地面沉降的發生。

青浦練塘地區2016～2040年有效地面沉降容量約為0cm，已不允許發生地面高程損失。該地區為地面沉降中等易發區，累計地面沉降量在100～200mm，現階段以微量回彈為主。根據2016～2040年城市總體規劃，該地區基本為生態保護區，同對控制青浦練塘地區地面沉降較為有利，但不能忽視鄰省地區地下水開采對地面沉降的影響，應嚴格控制該地區地面沉降的發生。

（2）III2區

主要包括青浦、松江絕大部分地區。該區2016～2040年年均有效容量約為4mm。該地區基本屬于地面沉降低—較低易發區，累計地面沉降量在100～200mm，地面沉降較不發育，現階段地面沉降速率大多為0。根據2016～2040年城市總體規劃，該地區除松江新城、青浦新城等城市開發建設區外，基本為生態保護區，總體對控制地面沉降較有利，但要嚴格控制工程建設活動引發的地面沉降。

（3）III3區

主要包括金山東部、青浦金澤、松江葉榭等地區。

金山東部、青浦金澤、松江葉榭等地區2016～2040年有效地面沉降容量約為20～26cm，年均有效容量約為8～10mm。該地區屬于地面沉降低—較低易發區，其中：

金山東部、松江葉榭累計地面沉降量基本在200～300mm，現階段受工程建設影響，金山東部、松江葉榭地區地面沉降速率大多在6～8mm/a，金山衛地區超過10mm/ a。根據2016～2040年城市總體規劃，該地區除金山石化、新市鎮等城市建設開發外，其余基本為生態保護區。

青浦金澤地區累計地面沉降量在100～200mm，地面沉降較不發育，現階段地面沉降速率大多在為0。根據2016～2040年城市總體規劃，該地區基本為生態保護區，對控制地面沉降較有利。

（4）III4區

主要包括崇明島、奉賢地區。

崇明島地區2016～2040年年均有效容量約為18mm。該地區屬于地面沉降較高易發區，地面沉降較不發育，累計地面沉降量大多在100～200mm，局部地區在200～300mm，現階段年均地面沉降速率基本在4～6mm/a。根據2016～2040年城市總體規劃，崇明島地區基本為生態保護區，對控制崇明島地區地面沉降較為有利，但不能忽視鄰省地區地下水開采對地面沉降的影響。

奉賢地區2016～2040年有效地面沉降容量約為55～59cm，年均有效容量約為22～23mm。該地區屬于地面沉降較低易發區，累計地面沉降量基本在100～200mm。現階段年均地面沉降速率基本在4～6mm/a。根據2016～2040年城市總體規劃，奉賢地區除南橋新城等新城鎮建設外，基本為生態保護區，對控制地面沉降較為有利。

（5）III5區

主要包括長興島地區，該地區2016～2040年有效地面沉降容量約為29cm，年均有效容量約為11mm。該地區屬于地面沉降較高易發區，地面沉降較不發育，累計地面沉降量大多在100～200mm，現階段由于工程建設活動地面沉降速率在6～8mm/a。根據2016～2040年城市總體規劃，該地區主要為船舶工業基地，工程建設活動可能會加劇該地區地面沉降災害。

6 結論

本次針對上海目前微量沉降現狀及城市安全設防的極高要求，將地面沉降防治的可控因素擴展到可控和非可控因素，結合新一輪城市總體規劃，以城市排澇設計標準為約束，研究計算了上海最大允許相對地面沉降量，開展了考慮海平面上升、新構造運動引起的基底沉降、新成陸地區欠固結土沉降等不可控因素影響下的地面沉降控制指標研究，為政府決策新時期地面沉降防治工作提供科學依據.

（1）2010～2040年，以中心城區為主的強排水模式地區最大允許相對沉降量約為35cm，緩沖式自排地區中橫沙島片由于地勢高程低最大允許沉降量為0cm；金山、青浦、松江地區最大允許沉降量較小，在10～20cm；嘉定、寶山、閔行、奉賢、浦東南部局部和崇明島地區最大允許沉降量相對較大，為60～90cm。

（2）2010～2040年，上海地區絕對海平面上升約6.5cm，由海平面上升引起的河網水位變化由東部向西部逐漸減小，崇明三島片為6.5cm，西部青浦地區小于2cm；2010-2040年新構造運動引起的上海地區地殼下降約6cm。

（3）2016～2040年，陸域吹填土平均沉降量約40mm,年均沉降量約1.6mm/a；大部分地區（70%以上地區）的沉降量在0～50mm，年均沉降量0～2mm/a；沉降比較大的地方主要分布在浦東機場以南、滴水湖以北的東部沿海一帶，沉降量在100～300mm，年均沉降量4～6mm/a，其中沉降最大的是在大治河河口附近。

（4）2016～2040年，上海地區平均有效地面沉降容量約為30cm。嘉寶北片、淀南片和浦東片有效地面沉降容量最大，但基本都在80cm范圍內；青松控制片、太南片、浦南西片、橫沙島片有效地面沉降容量最小，都在15cm以下。

（5）基于有效地面沉降容量計算結果，根據各管控區地面沉降的易發程度、災害現狀以及發展趨勢等，結合上海新一輪城市總體規劃，在上海地面沉降三級管控分區的總體框架下進一步進行了地面沉降防治區劃劃分。

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Regionalization of land subsidence prevention based on the consideration of uncontrollable factors

JIAO Xun1,2,3, WANG Han-Mei1,2,3, YANG Tian-Liang1,2,3, FANG Zheng1,2,3, LIN Jin-Xin1,2,3, ZHANG Huan1,2,3
(1. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources of China, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Engineering Research Center of Land Subsidence, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

Under the circumstances of Shanghai’s trace settlement and the high demand for urban fortification over the next few years, uncontrollable factors, such as sea-level rise, tectonic settlement, and unconsolidated soil subsidence, must be considered. Based on urban drainage data, this paper presents an estimate of the maximum allowable relative settlement in Shanghai, the amount of ground subsidence caused by uncontrollable factors, and the effective land subsidence capacity. The 2016-2040 control zoning division and management index of each district for ground settlement are determined, in the framework of a three-level management system for land subsidence control in Shanghai. These findings provide a technical basis for the fine management of land subsidence prevention.

land subsidence; prevention regionalization; effective capacity; uncontrollable factors

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0004-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.002

2017-04-07

修回日期: 2017-05-26

焦珣(1982-),女,博士后,高級工程師,主要從事地面沉降研究.

電子郵箱: jiaoxun83@126.com

聯系電話: 021-56617612

上海市“十三五”地面沉降防治關鍵技術研究(2017年)