江蘇如東北部水產養殖區地面沉降現狀分析與防控建議

閔 望, 陸 華, 楊 琦, 萬佳俊, 殷幼松, 盧 毅, 劉明遙

(1. 自然資源部地裂縫地質災害重點實驗室,江蘇南京210018; 2. 江蘇省地質調查研究院,江蘇南京210018; 3. 江蘇省地質測繪院,江蘇南京211102; 4. 浙江環球星云遙感科技有限公司,浙江湖州313200)

0 引 言

地面沉降是一種緩變形地質災害,也是城市化進程中普遍存在的環境地質問題,已成為影響社會經濟可持續發展的重大不利因素(武健強等,2014)。長江三角洲是我國目前地面沉降三大重點片區之一(蔡田露等,2021),在該區開展地面沉降發生機制與發展規律的研究顯得尤為迫切(段永侯,1998;袁銘等,2016)。隨著對地空間觀測技術的不斷發展,采用高分辨率InSAR監測方法(RADARSAT-2衛星)實時全天候獲取地表形變信息,已成為區域面狀地面沉降監測新的空間技術手段,也是目前較為成熟的區域地面沉降監測手段(張杏清等,2015;蔡田露等,2020)。

近年來,隨著江蘇如東北部地區小棚養蝦行業的快速發展,該區域地下水的開采量迅速遞增,對地下水掠奪式的過量開采使當地有限的地下水資源面臨嚴重的威脅(龔緒龍等,2018;顧晟彥等,2020)。繼蘇錫常地區地面沉降趨緩后蘇北地區凸顯出的這一典型地面沉降區,已成為全省地面沉降研究新的拓展區和實踐區。依據長三角地面沉降聯防聯控機制,急需加強江蘇如東北部地區的地面沉降監測和研究。利用InSAR監測技術開展區域地面沉降監測,圈定如東北部地面沉降重點沉降區及影響范圍,結合開采井水位統測數據對比研究,證實了區內地下水水位漏斗與地面沉降展布形態和特征具有較好的一致性,科學佐證了地下水開采是該地區地面沉降形成的主要誘因。

1 研究區概況

如東北部水產養殖區地處豐利鎮—苴鎮—長沙鎮一帶,占地面積約5 066 hm2,以養殖南美白對蝦為主,年總產量約9萬t,產值超40億元。養殖區整體呈近東西向條形分布,與海岸線展布方向基本一致,總長約18 km,寬約3 km,東起長沙鎮長堤村,西至豐利鎮光榮村,北部以自然村村落為界,主體分布區域位于S221省道(海防線)以北地區,G328國道(臨海公路)貫穿其中(圖1)。

圖1 如東北部水產養殖區分布范圍示意圖Fig. 1 The distribution of aquaculture areas in the northern Rudong

圖2 如東北部水產養殖區光學影像特征圖(2018年1月,由美國PL衛星獲取)Fig. 2 Optical image feature map of aquaculture areas in the northern Rudong(by US PL satellite,2018-01)

圖3 如東北部水產養殖區局部遙感影像圖Fig. 3 Local remote sensing image of aquaculture areas in Northern Rudong

2 地面沉降歷史及現狀

2.1 地面沉降歷史

如東北部水產養殖區自規?；B殖以來,主要依賴地區淺層地下水作為養殖用水,平均每500 g對蝦需要消耗地下水水量2～3 t。開采井24 h抽取地下水,水泵額定抽水量約20 m3/h,每口開采井可維持約10個養殖大棚養蝦用水量。

如東沿海地區歷史地面沉降監測資料顯示,該地區地面沉降始于2012年,截至2016年,養殖區平均地面沉降速率保持在10～20 mm/a之間。

2.2 地面沉降現狀

2016年后,如東北部水產養殖業蓬勃發展,養殖規模穩中有升,地下水開采量隨之增加,加劇了地下水水位漏斗的形成。將2017—2020年度高分辨率InSAR(影像分辨率>5 m,反演精度5 mm)監測獲得的累計沉降數據與水準數據進行對比,結果較為一致(圖4)。

圖4 InSAR監測累計沉降與水準數據對比圖Fig. 4 Comparison between InSAR monitoring cumulative settlement map and leveling data

根據如東北部水產養殖區2017、2018、2020、2022年4個年度的地面沉降速率監測結果(圖5—圖8),養殖區內地面沉降速率較為平穩,沉降范圍和沉降量相近,大部分地區的沉降速率介于10～20 mm/a之間,地面沉降嚴重區沉降速率>30 mm/a(殷幼松等,2021),沉降范圍覆蓋南美白對蝦養殖區全域,以入海通道為界東西兩側各存在1個沉降集中區。

圖5 如東北部水產養殖區地面沉降速率散點圖(2017年度)Fig. 5 Scatter plot of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2017)

圖6 如東北部水產養殖區地面沉降速率散點圖(2018年度)Fig. 6 Scatter plot of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2018)

圖7 如東北部水產養殖區地面沉降速率散點圖(2020年度)Fig. 7 Scatter plot of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2020)

圖8 如東北部水產養殖區地面沉降速率散點及PS點分布圖(2022年度)Fig. 8 Scatter plot and PS point of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2022)

2018年,南通整治南美白對蝦養殖存在的生態損害問題。整治范圍主體以省道S221為界,向南為內陸區域,北側為沿海區域,含如東全縣陸域范圍內南美白對蝦養殖區域;整治時間為2018—2019年,整治期內逐步關閉或遷移原對蝦養殖企業,并封閉區內地下水開采井。

對比2017—2022年度研究區地表形變速率圖可明顯看出,S221省道以南內陸地區的干涉點級別均明顯降低,沉降速率由20～30 mm/a降至10～20 mm/a,且干涉點數量明顯減少,充分表明該區段地面沉降正逐步趨緩。

為充分揭示沉降區西部與東部地面沉降的變化規律,以及對比地面沉降的差異性,分別在兩處沉降區周邊選擇4個點位繪制PS點時序形變曲線,獲取監測時段內的地表形變發育趨勢(圖9)。PS點的地理位置見圖8,其中,西部沉降區的PS3點位于沉降漏斗中心區域,PS1、PS2點分別位于PS3點的南側和北側,PS4點位于省道S221的南側。

圖9 如東北部水產養殖區兩處沉降區PS點形變曲線圖(2017—2022)(a)西部沉降區;(b)東部沉降區Fig. 9 Deformation curve of PS points in two subsidence areas of aquaculture areas in Northern Rudong (2017-2022)(a) Western subsidence area; (b) Eastern subsidence area

PS3點的形變量明顯大于其他3處(圖9a),PS1與PS2的形變曲線發育趨勢較為接近,具有一定的周期性規律,具體表現為春夏季沉降加速、秋冬季有所減緩的變化特征,推測與不同季節性用水量有著直接的關系;PS1—PS3點2021年起沉降開始出現放緩跡象。東部沉降區的4處特征點總體形變發育趨勢與西部較為相似(圖9b),均表現出沉降漏斗中心處形變明顯高于周邊區域、S221省道以南的PS點沉降速率明顯減緩的趨勢。

3 水位統測及校核

為確保InSAR監測結果的準確性和可靠性,查清地下水開采與地面沉降之間的關系,2020年10月對水產養殖區開采井進行水位核查和統測,累計校核水位統測點39個,校核控制點面上均勻分布,統測水位數據以靜水位埋深為主(圖10)、動水位埋深為輔。

圖10 如東北部水產養殖區水位統測點分布圖Fig. 10 Distribution of water level measurement points of aquaculture areas in Northern Rudong

水位統測和校核結果表明,長期地下水集中式開采已致使如東北部水產養殖場內絕大部分區域水位大幅下降,區內靜水位埋深由開采前的1～3 m為主下降至目前的5～9 m為主,最大靜水位埋深高達13.93 m,最大動水位埋深約為13 m。整治后的S221省道以南內陸地區目前靜水位埋深保持在2 m左右,基本恢復到了原始水位,相比S221省道以北沿海地區提升了4～5 m。

分析結果顯示,區內地下水已形成2處明顯的水位漏斗,漏斗中心位置分別位于環農村三組—十五組一線區域以及何丫村四組—八組一線區域。對比研究發現,兩處水位漏斗中心位置與地面沉降中心范圍基本保持一致,且漏斗展布形態和沉降分布特征也較為相似(圖11)。由此可以確定,該地區地下水水位下降形成水位漏斗是導致地面沉降發生的主要原因。

圖11 如東北部水產養殖區2020年度地面沉降速率及水位埋深分布圖Fig. 11 Map of land subsidence rate and buried depth of water level of aquaculture areas in Northern Rudong (2020)

4 成因分析

研究區地處江蘇沿海區域,地勢較為平坦,地面坡度<10%(梅芹芹等,2018),地表堆積了巨厚的新近系、第四系松散沉積物。其中,上部第四系厚度在120～300 m之間,具有分布范圍廣、沉積時間短的特點,砂層較多,淺部發育一套典型的以海積作用為主的軟土層(蔡田露等,2021)。選取研究區位于南通如東何丫村老村部的典型水文地質孔分析地層特征,該孔40 m以淺含多層粉質黏土,根據巖土力學實驗參數劃分為軟土,埋深為2～34 m,層厚1.0～15.6 m,具有高含水量、高壓縮性、低強度的特點,含水量最高達53.1%,壓縮系數最高達1.03 M/Pa,屬易沉降地層(劉明遙等,2021)(圖12)。

圖12 如東北部何丫村水文孔巖性柱狀圖Fig. 12 Lithologic histogram of hydrologic hole of Heya Village in Northern Rudong

由于研究區內開采井深度絕大部分介于20～40 m之間,受地下水開采影響的地層絕大部分深度為40 m以淺,而該段地層巖性以粉質黏土、粉細砂以及粉砂與粉質黏土互層為主,在地下水被完全疏干的條件下極易發生地面沉降,此外,養殖區內地層沉積時間相對較短,亦存在一定量的固結壓縮性沉降。

5 地面沉降防控建議

根據研究區沉降現狀,提出以下地面沉降防控對策。

(1)加大養殖區內地下水、地面沉降監測和研究力度。增加區內地下水水位監測頻率,拓寬地面沉降監測方法和手段,細化地下水水位變化規律和地面沉降主要壓縮層等因素。進一步強化成因機理研究,為更好地制定研究區地面沉降防治區劃提出合理有效的防控措施奠定基礎。

(2)優化產業結構和產業布局,落實地下水水位和地下水水量雙重控制的管理制度。對區內現存開采井的深度及分布位置等信息進行檔案化管理,約束單井最大月抽水量,最大限度地控制地面沉降的發展(毛磊等,2019)。

(3)探究廢水凈化新技術新方法,加大養殖產業區內的廢水循環利用力度,從而減輕該地區地下水開采壓力,同時有效避免因養殖廢水排放造成的土壤和淺層地下水環境地質問題。

6 結 論

(1)如東北部水產養殖場自規?；\營以來,長期對區內地下水進行集中式開采,使得地下水水位大幅下降,繼而形成水位漏斗,最終導致地面沉降的發生。大部分地區沉降速率介于10～20 mm/a之間,嚴重區域沉降速率>30 mm/a。

(2)養殖區內39個開采井的水位統測結果顯示,區內靜水位埋深由開采前的1～3 m下降至目前的5～9 m,最大靜水位埋深高達13.93 m。整治后的S221省道以南地區目前靜水位埋深保持在2 m左右,相比S221以北沿海地區提升了4～5 m。

(3)水位統測對比結果以及2020年度高精度InSAR監測數據證實,區內水位漏斗分布特征與地面沉降中心具有較好的一致性,佐證了地下水開采是該地區地面沉降災害形成的主要誘因。

(4)PS點監測數據證實,研究區內地面沉降中心地表形變量明顯高于周邊地區,整體發育趨勢較為接近,并且具有一定的周期性規律,體現為春夏季沉降加速、秋冬季有所減緩的變化特征,這與不同季節的地下水開采量存在直接的關聯。

(5)根據研究區地面沉降現狀,提出了一系列地面沉降防控建議,如增加區內地下水水位監測頻率,強化成因機理研究;優化產業結構和產業布局,對區內現存開采井信息進行檔案化管理;加大養殖產業區內的廢水循環利用力度,減輕地下水開采壓力。