深层承压水开采与地面沉降问题的解决方法

由于深层地下水过量开采造成的承压水位大幅下降，导致地面下沉，并引发了一系列的环境地质问题。本次工作中发现，凡是深层承压水的超采区，几乎都不同程度地出现了地面沉降，给当地人民和经济建设带来巨大的经济损失，引起各界人士的关注，目前已成为地下水开发利用的焦点问题。

（一）深层地下水过量开采是造成地面沉降的外因

很多学者对于这个问题进行了长时间的深入研究，结合本次工作中一些省、市、自治区的研究工作，地下水过量开采造成的地面沉降，可以归纳为以下主要方面。

1.地下水超采区地面沉降与地下水开采的时间密切相关

上海、天津两个滨海城市地下水开采引发的地面沉降问题最大，对深层地下水过量开采造成的地面沉降研究的也最多、最广、最深入。研究结果表明，发生地面沉降时间与地下水开采时间密切相关。

首先，表现在它们之间的多年相关上，例如上海市，1949～1961年，前一时段随着地下水开采量的缓慢增加，地面也伴随着缓慢下沉，后一时段随着地下水开采量急剧扩大，地面下沉量也迅速增加；1962～1965年，上海市开始削减地下水开采量和进行地下水回灌，地面沉降随之减轻（见图4-2）。

天津市区在1984年引滦入津前，深层地下水超采严重，地面年沉降速率约100mm。1985年以后，市政府实施了控制地面沉降的计划，市区地下水开采量由每年1亿m3，逐步减少到1994年的0.38亿m3，年沉降速率亦随之下降（见表4-2）。但是，1998年以后，天津市深层承压水的开发利用量再次出现增长态势，随之，地面沉降又开始加剧。

表4-2　天津市区和塘沽区引滦入津后地面沉降年平均速率　单位：mm/a

其次，地面沉降与地下水年内的开采时间相关。上海市地下水的开采主要用于工业冷却用水，5～8月份开采量大，地面沉降量也大；1～3月份由于用水少，开采量降低，地面沉降量亦小。

2.地下水主要开采区与地面沉降区的中心密切相关

在已知的地下水超采区和地面沉降区，地下水开采强度大的地区基本上与地面沉降的中心区相吻合，开采量大的地区，沉降量也大。河北的沧州市、天津市、浙江的嘉兴市等地地下水主采区即是沉降中心。

3.地面沉降范围与地下水位降落漏斗的范围密切相关

从全国发生的地面沉降地区来看，其沉降范围基本上与水位降落漏斗的分布范围一致。这个问题无需解释，因为只有发生水位下降的地区，才可能出现因地下水开采而导致的地面沉降问题，否则即使发生地面沉降也与地下水开采无关。

4.地面沉降量与地下水位的降幅相关

在地下水超采区，地下水的开采址直接影响着水位的下降幅度，开采量越大，水位降幅越大，其影响范围也越大。已有的资料证明，水位下降的幅度越大，地面沉降量随之增大。浙江嘉兴地区的观测资料的分析结果充分说明了这一点（见图4-3）。

（二）可压缩土体的存在是产生地面沉降的内因

松散岩类中的土体既不是弹性体，也不是绝对的塑性体，它的应力、应变关系呈非线性关系。不论是含水层还是非含水层，土体受力后，首先是空隙或孔隙被压缩，其后是固体颗粒之间的组合被破坏，两种变化均使土体压缩或压密，体积变小。土体的这种应变绝大部分是不可逆的，因此，深层地下水的过量开采所造成的地面沉降，一般的说来是不可恢复的。

可压缩土层包括两种含义，其一是含水砂层本身，其二是含水层上覆或下伏的软土层。

1.含水砂层

目前，我国发生地面沉降的地区，深层地下水的含水层主要是由中砂、细砂和粉细砂组成，很少见到由粗砂为主组成的含水层，尤其是滨海平原含水层颗粒较细，含水性能较差。在天然条件下，含水砂层孔隙中充满了水，与周围岩层基本处于压力平衡状态。在含水砂层被过量开采条件下，砂层中的水被部分抽取或全部抽取，含水砂层本身的压力被部分释放，同时，因周围岩层压力并没有得到释放，压力高于含水砂层，因此，遭到周围岩层的挤压，使其体积缩小。但是，从大量的实验中证明，含水砂层在孔隙中的水被抽取后，所产生的体积压缩很小，虽然是地面沉降的原因之一，但是，不是主要因素。含水砂层在孔隙中水被抽取后，所产生的形变随之完成，但是完成该形变对地面的影响，则需要相当长的时间。含水砂层的形变有部分是可以恢复的。

图4-3　嘉兴市深层承压水开采与地面沉降动态

（引自《浙江省嘉兴市地下水资源开发利用规划报告》）

2.软土层

这里所谓的软土层，主要指在含水岩层上覆或下伏的粘性土，一般系指淤泥质层。室内实验和野外实验都证明了软土层具有吸水膨胀性和排水固结性，排水固结时体积缩小。在含水砂层水被抽取后，在其影响范围内的软土层发生卸载，并向含水层释水，发生排水固结现象。软土层的释水是随时间的延续而不断增加的，这个过程延续时间很长，有时需要几年、甚至几十年。这就是为什么在深层地下水超采区停止开采后地面沉降还将延续一段时间的缘故。软土层的排水固结所发生的形变，是永久性形变，是不可恢复的。因此，软土层释水后体积缩小，是造成地面沉降的主要原因。(www.xing528.com)

（三）我国地下水超采所引起的地面沉降的主要过程

综观全国深层承压水超采所引起的地面沉降区，大体上可以划分出如下四个阶段。

1.地面沉降缓慢期

该阶段一般发生在深层承压水超采的初期，超采量较小，承压水水位缓慢下降，地面沉降量和沉降范围较小，沉降速率一般在10mm/a以下，并且因地面沉降引起的其他负效应不明显。例如，上海市在1921～1949年、河北省沧州市1970～1979年、嘉兴市1964～1973年深层承压水的开采所引起的地面沉降，就属于这个时期。

2.地面沉降显著期

一个地区在地面沉降缓慢期出现以后，若地下水开采量继续扩大，那么，承压水位下降速度加快，地面沉降速率明显增大，一般沉降速率在30mm/a以下，发生地面沉降的范围迅速扩大，由此所产生的负效应已经突现出来。上海市1955～1965年、嘉兴市1974～1983年、沧州市1980～1986年、常州市1976～1979年的地面沉降状况大体相当这个时期。

3.地面沉降急剧期

在地面沉降显著期发生以后，如果地下水开采量进一步扩大或继续保持超采，随着地下水累计超采量的增大，将出现地面沉降急剧发展，沉降范围迅速扩大，沉降速率一般达到30mm/a以上。该阶段地面沉降区的沉降中心与边缘的沉降量相差较大，往往形成不均匀沉降。因此，这个阶段地下水超采的负效应最强，危害最大。嘉兴市1984～1990年、常州市1980～1981年、沧州市1986～1994年基本上处于这一时期。

4.地面沉降延续期

地面沉降发展到一定阶段后，必将引起社会和有关部门的注意，不仅是水资源主管部门要采取措施，强化管理地下水的超采，有的城市或地区政府直接进行干预，一般采取削减地下水开采量和进行地下水回灌等措施进行调控。例如，上海、江苏、浙江、北京、天津、河北等省（直辖市）自20世纪60年代以来均先后采取了类似措施。由于削减了地下水的开采量，许多地区的深层承压水水位逐渐趋于稳定，有的地区水位出现回升。由于地面沉降具有滞后性，即使将地下水开采量调控到可开采量以下，地面沉降仍将继续，但是，沉降速率明显变缓。目前，上海市、天津市和江苏市的苏锡常地区基本上处于该阶段。

上述四个时期是就典型地面沉降区而言的，具体到某一个沉降区并不一定都会出现这四个阶段，有时是跳跃式的，有时因超采较轻，仅出现第一阶段。每个超采区具体处于哪个阶段，应根据该区的地下水开发的历史和地面沉降情况来确定。

综上所述，我国东部平原区深层承压水的开采是这些地区地面沉降的主要原因，并带来了一系列的生态环境问题和严重的经济损失。因此，在本次制定东部平原区承压水开发利用策略时，以压缩开采量为主，力争将各分区超采量在短时间内压缩到位，即控制在可开采量之内，并应留有余地。总的来说，这类地区可开采量较小，除特殊用水外，应严格控制开采。

另外，深层承压水应区别对待，部分地区距补给源较近，补给速度相对较快，例如琼北平原、太原盆地等，补给量和可开采相对比东部沿海平原大，开发利用策略也与之不同，但是，一旦解决了替代水源问题，也应加以控制。

（四）地面沉降经济损失评估

关于地下水超采引发的地面沉降所造成的经济损失评估，各沉降区有关部门做了大量的工作，例如，嘉兴市、天津市、上海市、苏锡常地区等。但是，对于这个问题如何评估？评估些什么内容？到目前为止，尚无统一的规定，仍处于探讨之中。下面仅根据本次工作所获得的一些零散的资料，对地面沉降的经济损失评估问题进行探讨。

1.具体的建筑物或工程设施的损坏的经济评估

由于地下水超采引起地面沉降的不均匀性，导致建筑物或建筑设施的开裂、倾斜、倒塌等，一般可以直接计算其经济损失，同时，应当计算因地面沉降所造成的地价贬值。一个城市中使用价值较高的地段，其地价也相当昂贵，但是，一旦因地下水的过度开采发生了地面沉降，地价将出现大幅度下降，甚至失去使用价值。该类型地面沉降经济损失评估一般可采用下式计算：

式中：ΣA为地下水超采引发的地面沉降所造成的各项经济损失之和；A1为修复建筑物或建筑设施所需的材料费、运输费等；A2为修复所需的直接人工费用；A3为修复而进行的勘测费、设计费；A4为修复所需的其他必须的费用；B为地价损失费。

2.沿海平原由于地面沉降造成高程损失区的经济损失评估

在沿海平原区，由于地下水超采所引起的地面沉降，给高程较低的沿海平原区造成了很多灾害，主要灾害有：水利工程失效，洪涝灾害加剧；水准高程失真，建筑物防洪标准降低；城市排污系统的排污能力下降，水患灾情加重；农田渍害加剧，土壤质量下降；居民生活环境质量下降等。这些灾害发生比较严重的地区有上海市、天津市、嘉兴市、苏锡常地区、沧州市。这些城市或地区因地面高程的降低所造成的经济损失巨大，但是，在具体进行损失价值的计算时又感到难度很大，到现在为止，还没有见到这类地区或城市的一份完整经济损失评估资料。本次工作中，只有嘉兴市在该方面的计算比较系统一些。根据现有的资料，对于沿海平原区域性的高程损失造成的经济损失推荐如下计算方法；

式中：ΣA为地下水超采引发的地面沉降所造成的各项经济损失之和；A1为地面沉降造成新建筑物增加土石方量增加的投资；A2为因地面沉降造成洪涝灾害，从而造成的农业损失（不包括自然造成的洪涝损失）；A3为因地面沉降增加的河网排涝电费；A4为因地面沉降造成的工业直接损失；A5为水利工程投资损失；A6为增加的城市排水系统改造费；A7为其他损失；B为地价损失。

依据上述计算方法，嘉兴市对全市因地下水过量开采引发地面沉降造成的经济损失进行了评估，根据“浙江省嘉兴市地下水资源开发利用规划报告”，嘉兴市五年来因地面沉降损失近19亿元（见表4-3）。

表4-3　嘉兴市地面沉降造成的经济损失估算