城市地下水開采引起地表沉降關系論述

何連富 朱波 張學釗

【摘要】地面沉降是指地殼表面在自然力的作用下或人類經濟活動影響下造成區域性的總體下降運動?？梢越o人民生活造成嚴重的危害，對工農業生產，交通運輸和城市建設產生重大的經濟損失。本文通過對某些城市地下水的開采與地表沉降的研究，論述了二者之間的關系，并討論如何利用GPS獲取動態監測數據。

【關鍵詞】地下水開采；地表沉降；動態監測；GPS

中圖分類號：P228.4文獻標識碼：A 文章編號：

1 地表沉降

1.1 地表沉降的涵義

地表沉降系指地殼表面在自然力作用下或人類經濟活動影響下造成區域性的總體下降運動。其特點是以向下的垂直運動為主體，而只有少量或基本上沒有水平方向位移。其速度和沉降量值以及持續時間和范圍均因具體誘發因素或地質環境的不同而異。目前國內外工程界所研究的地表沉降主要是指由抽取液體（以地下水為主，也包括油、氣）所引起的區域性地面沉降。本文的地表沉降是指我國《巖土工程勘察規范》中規定的：在較大面積內由于抽取地下水引起水位下降而造成的地面沉降。

1. 2 地表沉降的危害特點

(1）沿海、沿江城市區域潮水上岸，潮水可能漫溢市區的道路、工廠、商店及村莊、農田，經濟損失嚴重；

(2）城市下水道排水不暢，降雨積水成災，發生大面積內澇災害；

(3）河道橋下凈空減少，過航能力降低，影響交通運輸；

(4）城鎮區內，建筑物由于地面沉降影響產生不均勻變形，危及穩定安全；

(5）既有河海堤壩或防汛墻，其防洪朝的能力降低，致使城市抵御自然災害的能力降低；

(6）港口碼頭失效，作用功能降低；

(7）道路設施以及地下管道遭受破壞；

(8）地下水取水設備失效。

1.3 地表發生沉降的原因分析

1.2.1 自然因素分析

（1）新構造運動可使地面隨基底面升降

（2）強烈地震對地表沉降的影響

（3）土層的天然固結

1.2.2 人為因素分析

（1）抽取地下氣、液體的影響

因各種目的而進行的淺層疏干排水和抽取深層的氣、液體，使地層內的氣、液壓降低，土粒間的有效應力增加，地層壓密，形成區域性碟形洼地。這種因抽取地下水而形成的地表沉降，是地表沉降現象中發育最普遍，危害最嚴重的一類。由于城市的快速發展，對地下水的需求急劇增加，因此地下水的開采量也成倍的增加，由此引起的地表沉降成為了當前城市地面沉降的最主要因素。

（2）大面積地面堆載的影響

分布有巨厚的高壓性淤泥和淤泥質土的低洼地區，隨經濟建設的開放，需在洼地上大面積的堆填。其軟土在堆載荷重的作用下，產生一堆壓縮固結，可形成地區性的地面沉降。此類沉降，受場地軟土的工程特性、層厚和堆載大小的控制，是構成濱海平原城市總地表沉降的一個組成部分，是不容忽視的。

1.4 地表沉降發生的機理

地下水經過抽水后使地層壓密，是由于含水層水位下降引起土層中空隙水壓力降低，顆粒間有效應力增加的緣故。因此，有效應力原理使抽水引起土層壓密。

圖1 抽水后土層有效應力的增加

圖（1）中P為土層的總壓力，c為抽水前的有效應力，b為抽水前的孔隙水壓

力，抽水前上述諸力處于平衡狀態，即

P = c + b(1.1)

抽水后隨著水壓下降了a，土層中孔隙水壓力隨之下降，顆粒間浮托力減小，但由于抽水過程中土層的總壓力基本保持不變，故此下降了的a值即轉化為有效應力增量。

P = ( c + a ) + ( b – a )(1.2)

在大多數情況下可以認為這種壓密是一維的。壓密的時間延滯將隨土層的透水性而異。

2 地下水開采與地表沉降的關系

2.1 城市地下水位變化信息與地表沉降信息的采集方法

（1）地下水位變化信息的采集方法

地下水位數據是利用城市水利部門的地下水位測報記錄,在地形圖上繪制出地下水位等值線圖,地面上同點不同時期的地下水位差即為地下水位降低量W。

（2） 地表沉降信息的采集方法

地表沉降數據根據城市測量部門定期的水準復測原始記錄(非最終平差后的結果)獲取,要求城市測量部門在水準點復測過程中必須按國家3等水準測量(含3等)以上的精度進行。水準點復測的基準點必須是遠離城區的巖基國家水準點,基準點的個數不得少于3個,當基準點間高差符合基準點穩定判別準則的要求后，取其中1個基準點作為最終基準點(即城市水準點的高程起算點)。若城市周邊無巖基水準點應自己埋設巖基水準點,巖基水準點最好直接嵌固在基巖出露地區的巖石上。根據水準復測原始記錄及高程起算點高程獲取城區各水準點的真實高程H′,同一水準點不同復測期的高程差即為該水準點處的城市地表下沉量h′,根據城市地表下沉量h′即可繪制出城市地表下沉等值線圖,在等值線圖上即可以確定城市任一位置的地表下沉量h。

（3） 分析用數據點的選擇方法構建地下水位變化與城市地表沉降數學模型(簡稱數學模型)時采用的數據點一般選擇在周邊沒有大的景觀改變位置(即在數據分析年限內基本沒有土方工程、土建工程和拆遷工程),數據分析年限是指從資料收集開始到資料收集結束期間的時間跨度,也就是說數據點應位于未改造的老城區內。

（4） 地表沉降監測與地下水位監測的匹配數學模型構建采用的數據必須是同期的地表沉降監測結果和地下水位監測結果,也就是說地表沉降監測與地下水位監測必須同步進行。同一數據點(坐標相同)不同年份同步地表沉降監測與地下水位監測結果,即構成該數據點的數據分析鏈。

2.2城市地下水位降低與城市地表沉降關系的數學分析

利用計算機模擬的方法得出地表沉降與地下水位降低的關系

h=2.7113 ** ln(W/100+1)+0.0031 (2.1)

式中,h為地表沉降量(單位為m),W為地下水位降低量(單位為m),E為地表到硬巖間土層的加權平均壓縮模量(單位為MPa),d為地表到硬巖間的鉛直距離(即地表到硬巖間的土層厚度,單位為m)。參見下圖2：

圖2 城市地表沉降相關示意圖

在上式中

E =/ (2.2)

=d (2.3)

式中Ei為各土層的壓縮模量,di為與對Ei對應的土層厚度。

2.3 GPS技術用來觀測地表沉降的原理

2.3.1 GPS的系統組成及其測量坐標系統

（1）GPS定位技術的發展

GPS是全球定位系統(global positioning system)的英文縮寫，它是隨著現代化科學技術的發展而建立的新一代精密衛星定位系統，指人類利用人造地球衛星確定測站點位置的技術。在利用人造地球衛星進行測量的初期，人造地球衛星僅僅作為一種空間的觀測目標，由地面的觀測站對衛星的瞬時位置進行攝影測量，測定測站點至衛星的方向，建立衛星三角網。同時也利用激光技術測定觀測站至衛星的距離，建立衛星測距網。用以上兩種觀測方法，均可解決常規大地測量難以實現的遠距離聯測定位問題。

（2）GPS定位系統的組成

GPS系統主要由三大部分組成，即GPS衛星星座(空間部分)、地面監控系

統(控制部分)和GPS信號接收機(用戶部分)。

（3）GPS測量坐標系統

GPS定位技術是通過安置于地球表面的GPS接收機，同時接收四顆以上的GPS衛星信號來確定地面點位置的技術。觀測站固定在地球表面，其空間位置隨地球自轉而變動，而GPS衛星圍繞地球質心旋轉且與地球自轉無關。因此，在衛星定位中，需要研究建立衛星在其軌道上運動的坐標系，并尋求衛星運動的坐標系與地面點所在坐標系之間的關系，實現坐標系之間的轉換。

2.3.2 用GPS監測地面沉降的可行性

隨著測繪學科的發展，測繪儀器越來越精密，各種儀器功能更加完備，測量與數據處理方法也更加多樣，使得數據結果誤差更加微小，精確度更高。與此同時，計算機技術和程序設計方法的發展，面向過程的結構化程序設計方法已經逐漸落后于應用軟件開發的需要，傳統的手工作業正在被計算機所取代。

GPS定位技術以其效率高、精度高、實時性強等諸多優勢對常規測量技術產生了極大沖擊，作為水準測量的代替和補充,GPS大地高程測量正在成為高程測量的一種重要形式和手段。在滑坡、地震、地裂縫等地質災害監測方面得到廣泛應用，它的平面相對定位精度已達到了0.1~1×甚至更高。而傳統的精密水準測量周期長,經費高。根據GPS測量測得的大地高變化代替水準測量點，則能根據GPS測量測得的大地高變化代替水準測量點的沉降值、其可靠性及精度如何等有關問題已得到解決。

3 對觀測數據的處理

3.1 對數據進行處理的原理以及成果計算方法

不同的GPS接收機安置在不同的地面點上，經過測量，不同點的地表沉降量、地面水平移動量，以及地表變化的速度是有所不同的，將這些GPS控制點連接起來，即可以展現為各類不同的曲線圖。計算地表沉降量、地表沉降速度、地面點水平位移等各項數據的計算方法如下：

（1）地表沉降量的計算 （方法見2.1.3）

（2）各地表沉降觀測點的移動和變形計算

利用GPS接收機可以獲取地表觀測點的坐標（，），和高程（），然后據已知兩觀測點確定的GPS控制網邊進行歸算，從而獲得該測點的橫向和縱向水平位移值。

各點移動和變形按以下公式計算：

1）m次觀測時n點的下沉

Ｗ＝Ｈ－Ｈ （3.1）式中：Ｗ——n點的下沉值，單位：mm；

Ｈ、——分別為首次和m次觀測時的高程，單位mm；

2）n號點的水平移動

（3.2）

式中：——表示n點的水平位移，單位：mm

（，）——表示m次觀測時n點的坐標；

（，Y）——表示第一次全面觀測時n點的坐標；

——表示水平移動方向的方位角。

3)n號點的下沉速度

（3.3）

式中，——分別表示次和次觀測時（即前后量詞觀測）n點下沉值；t——兩次觀測的間隔天數。

4 城市地面沉降的防治措施

4.1 加大教育宣傳力度,提高全民的防災減災意識

首先要不斷加強環境保護宣傳,加大2004年3月1日實施的“地質災害防治條例”的宣傳貫徹,喚起全民的防災減災意識,使防災減災和環境保護成為全民的共識,這是防治和減少各種人為環境地質災害的根本前提;其次要建立健全保護地下水資源的管理機構和各項制度,嚴格依法管理,做到保護和合理利用地下水資源;調整地下水開發利用思路,實施地下水資源的可持續利用。

4.2 實行限量開采地下水

在城市規劃布局時,根據地下水的分布、可開采量等因素規劃工業區及生活區,并根據需求進行地下水資源分配,做到有計劃的開采地下水。

4.3 建立城市地表沉降觀測系統

地面沉降觀測包括兩個過程:一是建立水位模型,即確定含水層水位與開采之間的關系;二是建立土力學模型,計算由于含水層水位變化引起的粘土層與含水層本身的變化規律。若能借助于人工智能和決策系統,可建立一個理想的地面沉降專家系統,增加決策的科學化水平。

4.4 人工回灌補給地下水

對地下水過量開采的地區,為了促使地下水位回升和控制地面下沉,采用地表水人工回灌補給地下水是一種有效的辦法。上海市從1965年起實施地下水人工回灌,累計回灌水量達到6億,目前年平均沉降量不到歷史上最高年均沉降量的10%,有效地控制了地面下沉。

4.5 調整地下水開采層次

造成地面沉降的主要原因是地下水的集中開采(開采時間集中,地區集中,層次集中),因而適當調整地下水的開采層次和合理支配開采時間,能有效地控制地面沉降。如上海市在市區有利地段增鑿第四、五含水層和巖溶裂隙含水層深井,代替部分第二、三含水層抽水井,不僅有效改善了用水緊張狀態,而且在一定程度上控制了地面下沉。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。