暴世康,葉淑君*,嚴(yán)學(xué)新,楊天亮,黃鑫磊
(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇·南京 210023;2.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院,上海 200072;3.自然資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200072)
隨著人類活動(dòng)的逐步增多,城市生活及工農(nóng)業(yè)用水需求日益擴(kuò)大,地下水被過度開采。過量開采地下水引起的地面沉降現(xiàn)象在世界很多地區(qū)均已發(fā)現(xiàn),如墨西哥[1]、美國[2]、伊朗[3]、印尼[4]、越南[5]、我國臺(tái)灣[6]等地。上海作為中國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一,在過往發(fā)展過程中,長期將地下水資源作為全市工業(yè)及農(nóng)業(yè)用水的主要水源。地下水的過量、無節(jié)制開采[7-8],導(dǎo)致地下主要含水層水位大幅度下降,進(jìn)而引發(fā)了較嚴(yán)重的地面沉降現(xiàn)象。上海地面沉降最嚴(yán)重時(shí)期在20世紀(jì)60年代,1921~1965年上海市區(qū)平均地面沉降達(dá)1.69m[9];在1966~2000年間,上海市區(qū)累計(jì)平均地面沉降為218.1mm,此間年均地面沉降在6mm以上[10],地面沉降災(zāi)害嚴(yán)重威脅上海城市安全。2000年后地面沉降進(jìn)入微量沉降階段。
地面沉降防治是關(guān)系上海城市發(fā)展和安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性工作。上海市高度重視地面沉降防治工作,“十一五”期間,通過完善地面沉降防治管理體制,加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測、防治及預(yù)警機(jī)制建設(shè),實(shí)施集約化供水有效壓縮地下水開采規(guī)模,穩(wěn)定增強(qiáng)地下水人工回灌能力,地面沉降防治取得了顯著成績。2010年地面沉降速率平均小于7mm/a。
“十二五”期間,上海市結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃和重大工程建設(shè),對(duì)地面沉降實(shí)行精細(xì)化管理,即推行地面沉降防治分區(qū)管控。上海綜合各區(qū)(縣)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地面沉降發(fā)育現(xiàn)狀,以地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為基礎(chǔ),結(jié)合地面沉降市、區(qū)二級(jí)防治工作體系,建立了地面沉降三級(jí)防控分區(qū)的基本框架,即地面沉降重點(diǎn)防治管理區(qū)、次重點(diǎn)防治管理區(qū)和一般防治管理區(qū)(圖1),并規(guī)劃各防治分區(qū)的防治目標(biāo)。具體為:
圖1 上海市地面沉降防治區(qū)劃圖Fig.1 Map of three zones of land subsidence prevention and control in Shanghai
(1)地面沉降重點(diǎn)防治區(qū)(I區(qū)),包括外環(huán)線以內(nèi)的中心城地區(qū)的I1區(qū),該區(qū)為歷史上地面沉降災(zāi)害最嚴(yán)重區(qū),防治目標(biāo)為至2015年末,該區(qū)年均地面沉降量控制在7mm以內(nèi);外環(huán)線以外的浦東新區(qū)和規(guī)劃大虹橋地區(qū)的I2區(qū),防治目標(biāo)為至2015年末,該區(qū)年均地面沉降量控制在10mm以內(nèi)。
(2)地面沉降次重點(diǎn)防治區(qū)(Ⅱ區(qū)),包括寶山、嘉定、閔行區(qū),防治目標(biāo)為至2015年末,該區(qū)年均地面沉降量控制在6mm以內(nèi)。
(3)地面沉降一般防治區(qū)(Ⅲ區(qū)),包括奉賢、松江、金山、青浦、崇明區(qū),防治目標(biāo)為至2015年末,該區(qū)年均地面沉降量控制在5mm以內(nèi)。
關(guān)于上海地面沉降特征的以往研究有很多[11-15],但尚未從上述“十二五”期間規(guī)劃的地面沉降三級(jí)防控分區(qū)角度進(jìn)行各分區(qū)地面沉降特征的分析和總結(jié),各區(qū)地面沉降特征是否有差異,防控措施是否有效等問題需要厘清。本文圍繞上述問題,開展上海地面沉降防治區(qū)地面沉降特征及地下水采灌對(duì)比研究,其成果將為上海未來地面沉降防治措施制定提供科學(xué)支撐。
上海市位于長江三角洲的東南部[16],黃浦江和長江入海匯合處,東臨東海,南部為杭州灣,西面、北面分別與浙江、江蘇兩省接壤,其地理位置為 30°40′N~31°53′N、120°51′E~122°12′E。市域總面積達(dá) 6340km2,現(xiàn)有 16 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)劃單位。
上海市地下水主要賦存在由第四系松散沉積物構(gòu)成的含水系統(tǒng)中,厚度約為200~350m,下伏不同時(shí)期的基巖。根據(jù)水動(dòng)力條件和巖性差異,劃分為不同含水層及弱透水層(剖面圖見圖2),從上到下依次是:
潛水含水層(A0),包含黏性土、砂性土,厚度為2.5~24m;
第一弱透水層(根據(jù)不同黏土性質(zhì)又分成第一軟土層、第二軟土層及第二硬土層,且第一弱透水層局部含微承壓夾層)(B1),巖性一般為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉細(xì)砂,厚度介于2~17m之間;
第一承壓含水層(A1),主要由偶有夾帶砂質(zhì)粉土的灰黃、褐黃色粉細(xì)砂構(gòu)成,厚度介于6~15m之間;
第二弱透水層(B2),巖性主要為灰色粉質(zhì)黏土夾薄層粉砂,厚度介于20~30m之間;
第二承壓含水層(A2),巖性構(gòu)成以夾帶少許砂礫的石灰色細(xì)中砂為主,含水層普遍厚度在20~30m之間;
第三弱透水層(B3),巖性主要是灰色黏土及粉質(zhì)黏土,厚度為20~30m;
第三承壓含水層(A3),巖性一般以中細(xì)砂為主,厚度為20~30m;
第四弱透水層(B4),巖性一般為黏土、粉質(zhì)黏土,厚度為10~30m;
第四承壓含水層(A4),巖性以含礫中粗砂、灰色含礫細(xì)砂為主,厚度為30~50m;
第五弱透水層(B5),巖性一般為黃色黏土、粉質(zhì)黏土,厚度在2~30m間;
第五承壓含水層(A5),巖性以黏土、含礫砂土為主,厚度介于10~80m之間;
第六弱透水層(B6),巖性以青灰色粉質(zhì)黏土、黏土為主,厚度一般為1~3m,局部厚10m。
A0因富水性差、埋藏淺易被污染,一般不開采;A1富水性也較差,A2、A3、A4、A5四個(gè)承壓含水層富水性較好,為上海市主要開采層。
上海百年沉降歷史上,由于淺部含水層(A0、A1和A2)與深部含水層(A3、A4和A5)開采與回灌量的變化,導(dǎo)致淺部土層和深部土層對(duì)地面沉降的貢獻(xiàn)明顯不同。為了便于刻畫上海地面沉降變化特征,本文將上海地層在垂向上劃分為深層、淺層兩個(gè)部分,A2以上地層(含A2)為淺部土層(圖2藍(lán)色部分),A2以下層段為深部土層(圖2紅色部分)。因此,本文所述的淺部土層與深部土層的分界線大致為埋深100m左右。
圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖[17]Fig.2 Hydrological profile in Shanghai
地面沉降尤其是不同深度土層變形的精準(zhǔn)監(jiān)測主要通過分層標(biāo)來獲得,上海是世界上建立地面沉降分層標(biāo)最多的城市,已建立17座基巖標(biāo)、86組分層標(biāo)[10]。這些基巖標(biāo)和分層標(biāo)為研究各防治區(qū)地面沉降特征提供了寶貴數(shù)據(jù)。本文選取各防治區(qū)代表性分層標(biāo),分析2001~2017年間沉降變化特征,所用分層標(biāo)在上海市陸域地區(qū)具體分布如圖1所示。
重點(diǎn)防治區(qū)I1區(qū)分層標(biāo)分布最密集,選取數(shù)據(jù)較全面的F4分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù),分析2001~2017年間重點(diǎn)防治區(qū)土體沉降變化。如圖3所示,地面總沉降量受淺部土體影響,年壓縮量在2005年出現(xiàn)最大值25.09mm。2001~2017年間I1區(qū)地面沉降量總體大幅減小,年沉降量由2001年的21.08mm減小到2017年的2.36mm,減幅達(dá)88.8%,地面沉降防控效果顯著。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),2009年是一個(gè)明顯分界點(diǎn),之前地面沉降速率快速減小,之后地面沉降速率緩慢減小。
圖3 重點(diǎn)防治區(qū)I1區(qū)變形量變化(F4分層標(biāo))Fig.3 Change of deformation amount in zone I1
具體表現(xiàn)為:2001~2008年間年均沉降量為16.94mm,2001~2009年沉降量快速減小,2009年相比2001年減小76.4%;2009~2017年均地面沉降量為2.54mm,9年間年沉降量減小相對(duì)減緩,2017年相比2009年減小52.6%。2001~2017年間,I1區(qū)持續(xù)發(fā)生地面沉降,但總體呈減緩趨勢(shì)。
其中I1區(qū)淺部土體年壓縮量總體呈減小趨勢(shì),年壓縮量由2001年的6.31mm減小49.8%至2017年的3.17mm。受附近基坑降水影響,2005年淺部土體年壓縮量突增,達(dá)到17.29mm;2009年淺部土體年壓縮量相比2001年減小15.2%,2017年壓縮量相比2009年減小40.7%;淺部土體年均壓縮量在2001~2008年間為8.32mm,在2009~2017年間為3.61mm。
相比地面沉降量和淺部土體壓縮量,2001~2017年間I1區(qū)深部土體壓縮量變化更大;年變形量從2001年的-14.77mm(壓縮量)變化為2017年的0.81mm(回彈量),年壓縮量減小105.5%。深部土體在2009年開始回彈,2001~2008年間年均壓縮量為8.61mm,年變形量范圍在1.55~15.83mm間,2009年的年變形量相比2001年減小102.5%。2009~2017年間深層年均回彈量為1.07mm,年回彈量在0.36~2.03mm間,2009年后深層回彈量變化較小。
選取重點(diǎn)防治區(qū)I2區(qū)范圍內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)較齊全的F24分層標(biāo)進(jìn)行分析。該分層標(biāo)2001年開始啟用,圖4為該標(biāo)監(jiān)測的2001~2017年沉降。重點(diǎn)防治區(qū)I2區(qū)總地面沉降量在2001~2017年間逐年減小,從2001年18.55mm到2017年4.11mm,減小77.8%。2001~2008年均地面沉降量為12.20mm,2009年沉降量相比2001年減小79.7%;2009~2017年間地面沉降量變化較小,年均壓縮量為4.75mm,2017年沉降量相比2009年增大9.3%。
圖4 重點(diǎn)防治區(qū)I2區(qū)變形量變化Fig.4 Change of deformation amount in zone I2
淺部土體在2001~2017年間一直發(fā)生壓縮,年壓縮量雖有所波動(dòng)但總體減小,由2001年的8.58mm至2017年的4.13mm減小了51.9%。2001~2008年間淺層年均壓縮為4.51mm,2009~2017年間年均壓縮量為5.64mm,相比2001~2008年間增大了25.1%。受基坑降水影響,2010年淺部土體年壓縮量突增,達(dá)到12.57mm。
深部土體年壓縮量在2001~2017年間整體呈減小趨勢(shì),2017年變形量相比2001年減少100.2%。該區(qū)同樣在2009年開始回彈,2001~2008年間年變形減速明顯,2009年相比2001年減小102.1%,此間年均壓縮量為7.69mm;2009~2017年間年變形波動(dòng)較小,此間年回彈量在0.02~2.25mm間波動(dòng),年均回彈量為0.89mm。
次重點(diǎn)防治區(qū)分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)相比重點(diǎn)防治區(qū)數(shù)據(jù)較缺乏,選取次重點(diǎn)防治區(qū)范圍內(nèi)分層標(biāo)F29在2001~2017年間監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖5)。相比重點(diǎn)防治區(qū),次重點(diǎn)防治區(qū)地面沉降量2001~2017年間變化范圍較小,2003年達(dá)到最大年沉降量4.87mm,2015年達(dá)到最大年回彈量4.41mm,2015年變形量相比2003年減小190.6%。2006年出現(xiàn)回彈,2001~2008年間年均地面沉降量為1.45mm;2009~2017年間年均地面回彈量為1.55mm,年均變形相比2001~2008年間減小207.1%。
圖5 次重點(diǎn)防治區(qū)分層標(biāo)F29變形量變化Fig.5 Change of deformation amount of F29 in zone II
2001~2017年間,淺部土體最大年壓縮量為2003年的1.9mm,最大年回彈量為2015年的2.46mm。2001~2008年間及2009~2017年間年均變形量分別為回彈壓縮0.85mm、0.62mm,相對(duì)減小172.6%。
深部土體在2001~2017年間年壓縮量較小,此間年均壓縮量為0.21mm;最小變形量為2003年的壓縮量2.97mm,最大變形量為2017年的回彈量2.4mm,相比2003年減小180.8%。2001~2008年間深層年均壓縮量為0.6mm,2009~2017年間年均回彈量為0.93mm,年均變形量減小256.5%。
一般防治區(qū)分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)最少,通過分層標(biāo)F28和分層標(biāo)F69沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析該防治區(qū)2001~2017年間沉降時(shí)空變化(圖6)。2001~2017年間,一般防治區(qū)年地面沉降量總體呈減小趨勢(shì),受淺層段影響,2012年地面沉降量突增;2001年沉降量為6.86mm,2017年回彈量為2.66mm,變幅138.8%。2001~2008年間變形量變化不大,此間年均沉降量為5.13mm,2009年相比2001年減小35.9%;2009~2017年間由地面沉降轉(zhuǎn)變?yōu)榛貜棧?017年變形量相比2009年變化160.5%,此間地面年均回彈量為0.16mm。2012年分層標(biāo)F69監(jiān)測地面沉降量突增至18.34mm,這可能是分層標(biāo)剛投入使用,尚未穩(wěn)定所造成。
圖6 一般防治區(qū)分層標(biāo)F28和F69變形量變化Fig.6 Change of deformation amount of F28 and F69 in zone III
2001~2017年間淺層壓縮量整體呈減小趨勢(shì),2001年壓縮量3.26mm,2017年壓縮量0.15mm,減小95.4%。2001~2008年間年均壓縮量為2.49mm;2009~2017年間年均壓縮量2.68mm,2017年壓縮量相比2009年減小97.5%。
深部土體在2001~2017年間先壓縮后回彈。2001~2008年均壓縮量為2.63mm,2009年開始回彈,2009年變形量相對(duì)2001年變幅145.0%;2009~2017年間年均回彈量為2.84mm,2017年回彈量相比2009年增大72.9%。
總體來看,2001~2017年間,上海陸域地區(qū)地面沉降量總體呈減小趨勢(shì)。表1中四個(gè)防治區(qū)2009~2017年間年均地面沉降量相比2001~2008年間大幅減小(最小61.0%),可見2001~2017年間上海地面沉降防治效果顯著。地面沉降量變化趨勢(shì)與深部土體變形量變化趨勢(shì)大抵相同,2001~2008年間各防治區(qū)地面沉降量大幅減小,2009~2017年間減小速率較平緩。2001~2008年間,重點(diǎn)防治區(qū)年均地面沉降量相比次重點(diǎn)及一般防治區(qū)差值約10mm,2009~2017年間差值減至約3mm,重點(diǎn)防治區(qū)地面沉降防治效果相對(duì)更顯著。各防治區(qū)深部土體在2009年左右開始回彈,淺部土體年壓縮量變化不大,不回彈或回彈量小,與淺部土體發(fā)生自然固結(jié)、含有易壓縮且壓縮不可逆軟土層、工程建設(shè)及基坑降水等因素有關(guān)。
表1 各防治區(qū)年變形量統(tǒng)計(jì)Table 1 Annual deformation statistics of each control area
上海2001~2017年間各防治區(qū)呈現(xiàn)的地面沉降變化特征與上海市采取的減少地下水開采增加地下水回灌的控制措施有關(guān),尤其與深部含水層的地下水采灌有關(guān)。本文選取各防治區(qū)深部土體變形量變化、地面沉降量變化與相應(yīng)區(qū)域深部含水層(A3、A4、A5)抽灌井凈抽水量(開采量減去回灌量)變化進(jìn)行對(duì)照,從不同防治區(qū)角度分析地面沉降和凈開采響應(yīng)關(guān)系。凈開采變化雖對(duì)淺部土體變形也有一定作用,但受淺部土體巖性及建筑荷載、基坑排水等多因素影響,兩者間響應(yīng)較差,故本文不作分析。
重點(diǎn)防治區(qū)I1區(qū)是上海市最主要采灌地區(qū),開采量和回灌量占比最大。選取該區(qū)2001年以來分層標(biāo)F4深部土體及地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與整個(gè)重點(diǎn)防治區(qū)I1區(qū)范圍內(nèi)深層采灌井凈抽水量進(jìn)行對(duì)照(圖7)。
圖7 重點(diǎn)防治區(qū)I1區(qū)沉降與凈抽水關(guān)系圖Fig.7 The relationship between settlement and net pumping in zone I1
2001~2017年間,I1區(qū)深層年凈采量由2002年的最大值2.23×107m3(正值表示開采量)減小到2017年的-5.22×106m3(負(fù)值表示回灌量),減小123.4%;而地面和深層土層分別由2002年的沉降22.08mm、15.83mm變化為2017年的沉降2.36mm、回彈0.81mm,分別減小89.3%、105.1%。
I1區(qū)深層年凈采量2009年開始變?yōu)樨?fù)值,即I1區(qū)深層回灌量超過開采量,深部土體年變形量同時(shí)在2009年變?yōu)檎导撮_始回彈。地面沉降量變化趨勢(shì)和深部土體變形量相同,其對(duì)凈抽水變化響應(yīng)迅速,故壓縮開采、增大回灌可有效防控地面沉降。
受淺部土體壓縮影響,地面沉降量大于深層壓縮量,2005年地面沉降量突增也緣于淺部土體壓縮量變化。2001~2008年間,深部土體年壓縮量值介于1.55~15.83mm間,2009~2017年間深層回彈量介于0.36~2.03mm間??梢?009年之后深部土體回彈量變化趨勢(shì)相對(duì)平緩,壓縮開采、增大回灌的地面沉降防治措施仍然有效,但收效不顯著。
選取重點(diǎn)防治區(qū)I2區(qū)分層標(biāo)F24深部土體及地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和其附近10km內(nèi)深層抽灌井凈抽水量進(jìn)行對(duì)比(圖8)。2001~2017年間,附近凈抽水量由2002年的最大值1.83×107m3減小到2017年的-444m3,減小100.0%。2017年地面及深層變形量相比2002年分別減小70.2%、100.2%,I2區(qū)地面沉降量及深部土體壓縮量對(duì)凈采水變化整體響應(yīng)良好。2001~2008年間,深部土體年壓縮量值介于2.31~15.34mm間,2009~2017年間深層回彈量介于0.02~2.25mm間,2009年后隨著凈抽水量減少,深部土體回彈量變化較小。
圖8 重點(diǎn)防治區(qū)I2區(qū)分層標(biāo)F24沉降與凈抽水關(guān)系圖Fig.8 The relationship between settlement of F24 and net pumping in zzone I2
選取次重點(diǎn)防治區(qū)分層標(biāo)F29深部土體及地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與其附近10km范圍內(nèi)深層抽灌井凈抽水量進(jìn)行對(duì)照(圖9),分析其沉降凈抽水關(guān)系。2003~2010年間,分層標(biāo)F29附近10km凈抽水量由2003年的3.56×106m3減小到2010年的0,地面及深層變形量分別減小88.1%、111.8%。2010~2017年間凈采水介于0~1.1×104m3間,相比2003~2010年間變化范圍極小,地面及深層變形量分別介于-0.76~4.41mm、0.21~2.4mm間,凈采水保持相對(duì)不變時(shí),地面及深部土體仍保持回彈。
圖9 次重點(diǎn)防區(qū)II沉降與凈抽水關(guān)系圖Fig.9 The relationship between settlement of F29 and net pumping in zone II
選取一般防治區(qū)分層標(biāo)F28、F69監(jiān)測數(shù)據(jù)及其附近10km深層抽灌井凈抽水量進(jìn)行對(duì)照(圖10)。2003~2011年間,附近深層凈抽水量由2003年的3.29×106m3減小到2011年的-7.75×105m3,減小了123.5%,地面沉降量及深部土體壓縮量分別減小了141.0%、171.8%,沉降凈抽響應(yīng)較好。2012~2017年間,凈抽水量由2012年的-5.47×105m3減小至2017年的-1.23×106m3,減小絕對(duì)值的124.5%,而深層回彈量減小59.5%,深部土體雖仍在回彈但回彈變化對(duì)凈抽水響應(yīng)較差。
圖10 一般防治區(qū)III沉降與凈抽水關(guān)系圖Fig.10 The relationship between settlement of F28 and F69 and net pumping zone III
從四個(gè)防治分區(qū)總體來看,2001~2017年間上海陸域地區(qū)地面沉降量及深部土體位移量變化趨勢(shì)對(duì)凈抽水量變化整體響應(yīng)良好;深部土體壓縮量減小帶動(dòng)地面沉降量減小,壓縮開采、增大回灌能有效防治地面沉降災(zāi)害。2009年后上海市陸域地區(qū)深部含水層開始回彈,之后隨著凈抽水量繼續(xù)減小回彈變化緩慢;除一般防治區(qū)外,其它防治區(qū)回彈量在3mm內(nèi)輕微波動(dòng)。人工回灌對(duì)于深部土體回彈增大效果不明顯。
上海2001~2017年間地面沉降量總體呈減小趨勢(shì),地面沉降防治效果顯著。地面沉降量變化趨勢(shì)與深部土體變形量變化趨勢(shì)大抵相同,2001~2008年間各防治區(qū)地面沉降量大幅減小,2009~2017年間減小速率較平緩。2001~2008年間,重點(diǎn)防治區(qū)地面沉降量相比次重點(diǎn)及一般防治區(qū)年均沉降差值約10mm,2009~2017年間差值減至約3mm,重點(diǎn)防治區(qū)地面沉降防治效果相對(duì)更顯著。但重點(diǎn)防治區(qū)在2001~2017年間地面沉降雖然減緩但持續(xù)發(fā)展,而次重點(diǎn)和一般防治區(qū)則在2009年后由地面沉降轉(zhuǎn)變?yōu)榈孛婊貜?。各防治區(qū)深部土體在2009年左右均開始回彈,淺部土體年壓縮量變化不大,幾乎不回彈或微量回彈,與淺部土體發(fā)生自然固結(jié)、含有易壓縮且壓縮不可逆軟土層、工程建設(shè)及基坑降水等因素有關(guān)。
從3個(gè)防治區(qū)總體來看,2001~2017年間上海地面沉降量及深部土體位移量變化趨勢(shì)對(duì)凈抽水量變化整體響應(yīng)良好;深部土體壓縮量減小主導(dǎo)地面沉降量減小,壓縮開采、增大回灌能有效防治地面沉降災(zāi)害。2009年后上海市深部含水層開始回彈,之后隨著凈抽水量繼續(xù)減小回彈變化緩慢;除一般防治區(qū)外其它防治區(qū)回彈量在3mm內(nèi)輕微波動(dòng)。人工回灌對(duì)于增大深部土體回彈的效果不明顯。