淺談地下水開采對地面沉降影響及防治措施

□周 洋 □許 猛 □許青松 □劉 恒

（河南省商丘市水文水資源勘測局）

1.地面沉降概述

地面沉降是在自然條件和人為因素作用下，由于地殼表層土壓縮而導致區域性地面標高降低的一種環境地質現象。地面沉降又是一種緩慢的地基壓縮變形過程，這種現象常發生在那些新近沉積的正在發生固結的地方。地面沉降是一種廣泛的地質災害，不僅對地面設施產生很大的破壞作用，而且也會使地下環境發生變化，給工業生產、城市建設和人們生活帶來巨大的影響。地面沉降伴隨著地下水的開采而產生、伴隨著地下水位的變化而變化、伴隨著開采量的增加或減少而發展或減緩。地面沉降的漏斗與地下水位下降漏斗基本一致，發生地面沉降的層位與各含水組的開采量相對應，其次新構造運動、地震、工程建筑的施工降水及荷重等對沉降也產生一定的影響，但主要是開采地下水所致。因此如何正確認識地表沉降發生機理，描述地下水滲流，確立地面沉降模型，并以此來預測地下水可開采量及地面沉降量，這對控制地面沉降的發展至關重要。

2.地表沉降損害發生機理

地表沉降損害應該根據地下水所處的地層層位、載體物性、載體厚度、抽排方式和沉陷損害類型進行分析。地下水開采對地表沉陷損害的作用可以歸結為地下水開采后地層有效應力增大、含水層浮托力減小以及滲透力的作用。目前，普遍采用地下水開采有效應力的變化原理解釋地表沉降的發生機制。含水地層強度土層的預固結應力是指黏性土層在地質歷史過程迄今所承受的最大有效應力，這是衡量一個地區某一土層固結情況的尺度。

根據土力學，把土層的預固結應力值與土層現今的自重應力比較，可分出欠固結、正常固結和超固結3種。對于前兩種，尤其是欠固結狀態有利于地表沉降損害的發生，因為處于這兩種狀態的土層在地下水開采后，地下水失去了對土空隙的占據，也失去了對上覆土層的支撐，使地層有效應力增大，從而產生滲透固結和荷載固結，尤其是滲透固結對地表沉降所起的作用較大。對于具超固結應力的土層，只有在承壓水位下降，并使土層中產生新的孔隙水壓力時，才有可能出現地表沉降。對于基巖中的地下水，由于基巖強度相對很大，所以基巖內地下水流失對上覆巖層以及地表的沉陷影響很小。

上述分析得出，引起地表沉陷的地下水一般產生于松散或半固結狀態的、強度相對較弱的新生代沉積結構模式環境中，尤其是那些未固結狀態的土層。也就是說，深層基巖地下水的開采造成的地表沉陷極小，在未導致淺層新生代地下水大量流失的條件下，一般可不考慮基巖地下水引起的地表沉陷，而淺層新生代地下水的開采對地表沉陷的影響很大，是地表沉陷的主導因素。含水層浮托力減小和滲透力這兩個因素對開采地下承壓水造成地表沉陷有一定的影響。在抽取地下承壓含水層中的地下水時，會使承壓水頭壓力降低，減小含水層浮托力，引起土骨架之間有效應力增加，使骨架孔隙壓縮。加之，地下水滲透力的作用，造成含水層周圍的地下水運移釋水，從而形成地下較大范圍的“壓縮層”導致地表沉降。但相對地說這兩個因素，對于非承壓的淺層厚新生代地下水影響不大。因此，淺層非固結的厚新生代地下水的開采是引起地表沉陷損害的主導因素，而地下水強排和特殊構造地層是引發地表沉陷損害的主要原因。

3.地面沉降和地下水開采矛盾的解決

由于超量開采地下水引起的防治不是一朝一夕的事情，必須區分輕重緩急，制定防治規劃。開展區域地下水開發利用現狀調查，制定地下水資源開發利用規劃，加強地下水資源管理，深入研究地下水含水系統結構及地面沉降狀況，確定地下水超采區，劃定限采區和禁采區，把地下水開采量控制在合理范圍之內。加強用水管理，合理用水、優水優用，在地下水集中開采區，進一步控制工業用地下水開采，并把優質地下水僅作為生活飲用水水源;采用經濟扛桿，實行優質優價，加大地下水資源管理力度，解決替代水源，改善地面水功能，提高地面水的供水能力。在地面沉降劇烈的情況下，應停止開采地下水;向含水層進行人工回灌，回灌時要嚴格控制回灌水源的水質標準，以防止地下水污染。并要根據地面沉降規律，制定合理的采灌方案;調整地下水開采層位，進行合理開采。認真做好規劃的組織實施，將實施規劃作為一件大事列入議事日程；成立規劃協調機構，定期檢查規劃實施情況;加強法制建設，加快制訂地質環境保護的法規，保護地下水環境。因此，在總量控制的前提下，要進一步優化地下水的開采布局，把按層位、地區和時間的集中開采調整為按含水系統特征的分散式開采，避免現有地下水降落漏斗的進一步發展。具體措施如下:

3.1 完善地下水動態與地面沉降監測

進一步完善地下水動態監測網絡，加強地下水動態監測，改進監測手段，加快地下水動態監測信息網建設，提高監測成果的時效性和服務水平。建立和完善區域地面沉降區域監測網，加快GPS監測網絡與分層標相結合的地面沉降監測網絡體系建設，實現GPS監測與分層監測標組監測自動化。及時掌握地下水開采與地面沉降動態情況，適時調整地下水開采計劃，實現地下水資源的動態管理。

3.2 加強地面沉降預測預警系統研究

加強地面沉降預測預警與防治研究，研究地面沉降與地下水開采、水位動態與地質結構的相互關系及其演化規律，結合海平面變化趨勢研究，深入分析地面沉降對城市建設、國土整治、經濟發展的危害。建立地區地下水資源與地面沉降預測預警系統，為政府制定城市和區域可持續發展規劃提供科學依據。

3.3 因地制宜開展地下水人工回灌

人工回灌是防治地面沉降的有效手段之一，且方法簡單，技術可行，并能起到蓄水儲能的綜合效果。應積極創造條件，在保證水質的前提下，選擇水文地質條件有利地段建立地下水人工回灌試驗場，進行地下水人工回灌試驗，并有計劃有步驟因地制宜逐步推廣地下水人工回灌工作。

總之，對待因地下水開采引起地面沉降的問題，應該用科學的態度看待，采取有效的措施，使地面沉降和地下水開采的矛盾降低到最小，緩和人與自然協調的沖突，實現可持續發展的宏觀戰略。