中國上海與越南河內(nèi)地面沉降發(fā)育背景對(duì)比研究

林金鑫

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 自然資源部地面沉降監(jiān)測(cè)與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

地面沉降作為全球性地質(zhì)災(zāi)害，直接威脅區(qū)域高程安全，降低城市防汛抗洪能力，并對(duì)市政設(shè)施造成影響，帶來安全隱患，其危害在低海拔的沿海地區(qū)尤為嚴(yán)重，如中國長江三角洲、越南紅河三角洲等河口三角洲地區(qū)[1-3]。從全球范圍來看，地面沉降防治具有重要性和緊迫性，但是不同國家和地區(qū)防治水平差異較大。位于長江三角洲的上海市是中國最早發(fā)現(xiàn)地面沉降且危害最為嚴(yán)重、防治效果最為顯著的城市之一[3-4]。從上世紀(jì)六十年代起，通過采取限制地下水開采、調(diào)整地下水開采層次、地下水人工回灌等防治措施，上海地面沉降得到了有效控制，目前已進(jìn)入微量沉降階段[4-5]。地面沉降亦是影響越南河內(nèi)城市發(fā)展的重要因素之一，并危及其城市安全，但是河內(nèi)地面沉降監(jiān)測(cè)與防治工作起步相對(duì)較晚，監(jiān)測(cè)設(shè)施數(shù)量較少[6-13]，應(yīng)當(dāng)引進(jìn)適用的地面沉降防治經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)方法。

地面沉降得到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，并開展了大量的學(xué)術(shù)研究，包括機(jī)理研究、監(jiān)測(cè)技術(shù)研究、防治措施研究等，但大多是基于某一地區(qū)開展的研究，針對(duì)不同地區(qū)的對(duì)比研究開展較少。目前，長江三角洲已經(jīng)開展了長期的地面沉降監(jiān)測(cè)工作，積累了大量數(shù)據(jù)，為相關(guān)研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其地面沉降研究程度高，學(xué)術(shù)成果豐碩。紅河三角州地區(qū)的相關(guān)學(xué)術(shù)論文，主要集中在河內(nèi)市地面沉降研究，且多為基于InSAR技術(shù)的地面沉降時(shí)空特征及誘因分析等[6-13]，同時(shí)也有一些地下水、工程建設(shè)活動(dòng)等對(duì)地面沉降的影響研究。

本文聚焦中越共同應(yīng)對(duì)的地面沉降災(zāi)害問題，選取長江三角洲重點(diǎn)城市上海市、紅河三角洲重點(diǎn)城市河內(nèi)市，開展地面沉降發(fā)育背景對(duì)比分析研究，以期為河口三角洲地區(qū)的地面沉降防治及研究提供基礎(chǔ)信息支撐。

1 研究區(qū)概況

地處長江三角洲沖積平原東南緣的上海市，是國務(wù)院批復(fù)確定的中國國際經(jīng)濟(jì)、金融、貿(mào)易、航運(yùn)和科技創(chuàng)新中心。上海地質(zhì)環(huán)境條件非常脆弱，第四紀(jì)地層極易壓縮變形導(dǎo)致地面沉降災(zāi)害發(fā)生，長期困擾著城市的發(fā)展[14]。1921～1965年市區(qū)平均累計(jì)地面沉降量達(dá)1.69 m，最大年沉降速率超過100 mm/a。面對(duì)脆弱的地質(zhì)環(huán)境與高強(qiáng)度的城市開發(fā)建設(shè)，上海開展了大量的地面沉降調(diào)查監(jiān)測(cè)與防治工作，通過實(shí)施一系列行之有效的控制措施，至2009年已將年均地面沉降速率控制在6 mm/a以內(nèi)，且近十年年度平均沉降速率保持基本穩(wěn)定，2020年全市年均速率約為5 mm/a，為上海城市安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

地處紅河三角洲西北部的河內(nèi)市，是越南社會(huì)主義共和國的首都，也是越南第二大城市及政治中心和直轄市。其成陸歷史比上海更短，沉積了一定厚度的第四紀(jì)覆蓋層，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱，地層容易壓縮變形導(dǎo)致地面沉降災(zāi)害發(fā)生[15-17]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，1988～1995年河內(nèi)市最大沉降速率達(dá)到了44 mm/a[7]；根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果，2016～2020年其最大沉降速率超過了50 mm/a[2]。目前，地面沉降制約河內(nèi)城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)得到越南政府和學(xué)者的高度關(guān)注。

2 對(duì)比研究要素

本文從地面沉降發(fā)育的自然因素、人為因素兩個(gè)方面，分別選取了地質(zhì)背景條件、主要誘發(fā)因素等為一級(jí)要素，進(jìn)行上海市與河內(nèi)市地面沉降發(fā)育背景對(duì)比分析。參考兩個(gè)對(duì)比城市地面沉降相關(guān)研究文獻(xiàn)，將地質(zhì)背景條件要素細(xì)化分解為地形地貌及水文特征、第四紀(jì)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件等二級(jí)要素；主要誘發(fā)因素則細(xì)化分解為地下水開發(fā)利用狀況、工程建設(shè)活動(dòng)等二級(jí)要素。

海拔高度等地形地貌特征影響地面沉降的危害程度；采用地下水利用替代等地面沉降防治措施需要基于地表水資源情況等水文特征；松散沉積物厚度等第四紀(jì)地質(zhì)條件是評(píng)價(jià)地面沉降易發(fā)性的主要判別要素；地下水資源情況等水文地質(zhì)條件是評(píng)價(jià)地面沉降易發(fā)性的另一主要判別要素；工程地質(zhì)條件對(duì)地面沉降亦有重要影響，尤其是高含水量、高壓縮性、高孔隙比、低強(qiáng)度的軟弱黏性土層極易產(chǎn)生地面沉降，軟弱土層厚度亦是地面沉降易發(fā)性的主要判別要素之一。

在地面沉降的兩類影響因素背景中，人為因素已遠(yuǎn)超自然因素。其中地下水不合理開發(fā)利用仍是全球地面沉降的最主要誘發(fā)因素[18]，亦是上海市和河內(nèi)市地面沉降的主要誘發(fā)因素。隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口不斷向城市集中，由此帶來的大規(guī)模工程建設(shè)活動(dòng)，成為近年來各大城市地面沉降新的重要誘發(fā)因素[19-21]。

3 對(duì)比分析

基于對(duì)比研究要素，針對(duì)地質(zhì)背景條件、誘發(fā)因素等地面沉降發(fā)育背景，進(jìn)行了上海和河內(nèi)地面沉降發(fā)育背景共性與特性特征的對(duì)比分析（表1）。

3.1 地質(zhì)背景條件

（1）地形地貌及水文特征

上海市與河內(nèi)市都屬于低海拔地區(qū)，高程資源非常寶貴，地面沉降造成的影響和危害較大。上海除西南部有十余座零星剝蝕殘丘外，地形平坦，境內(nèi)地面標(biāo)高大多在2.5～4.5 m之間；河內(nèi)平原地形約占3/4，其中北部平均海拔8～12 m，西北部平均海拔12～15 m，中心平均海拔5～7 m，南部和東南部平均海拔3～4 m[6-12]。

上海全市河網(wǎng)密布，形成了以黃浦江為主干的水系，且北界長江，地表水資源豐富。河內(nèi)市湖泊池塘眾多，如還劍湖、西湖、七畝湖、竹帛湖、禪光湖等；紅河流經(jīng)河內(nèi)市，不僅帶來豐富的水資源，且當(dāng)夏季水位高漲時(shí)，可能會(huì)發(fā)生洪水淹沒城市的現(xiàn)象[22]。豐富的地表水資源，為地下水替代利用等地面沉降防治措施在兩個(gè)城市的應(yīng)用提供了條件。

（2）第四紀(jì)地質(zhì)條件

表1 上海與河內(nèi)地面沉降發(fā)育背景綜合對(duì)比Table 1 Comprehensive comparison of land subsidence development background between Shanghai and Hanoi

容易壓縮變形的第四紀(jì)松散沉積物，是兩個(gè)城市地面沉降發(fā)育的主要內(nèi)因。上海市的第四紀(jì)松散沉積物厚度一般在150～350 m[14]，河內(nèi)市第四紀(jì)松散沉積物最大厚度約100 m[16-17]。由第四紀(jì)地質(zhì)條件看，上海市地面沉降的易發(fā)程度要高于河內(nèi)市。

（3）水文地質(zhì)條件

上海市與河內(nèi)市都具有豐富的地下水資源，且主要可分為潛水和承壓水2大類。從含水層數(shù)量上分析，上海市有7個(gè)第四紀(jì)含水層，而河內(nèi)市僅有2個(gè)第四紀(jì)含水層。從含水層土性上分析，上海市的含水層顆粒較小，多為粉土、砂土、粉砂、細(xì)砂；河內(nèi)市的含水砂層顆粒較大，多為細(xì)砂、中粗砂、礫石、卵石等，其富水性一般要高于上海市。從含水層深度上分析，上海市第一承壓含水層與河內(nèi)市更新世承壓含水層最為接近，但第一承壓含水層的厚度要薄，第一、二承壓含水層綜合起來則可以和河內(nèi)市承壓含水層相類似。上海市第三、四、五承壓含水層的深度則遠(yuǎn)大于河內(nèi)市承壓含水的深度（圖1）。豐富的地下水資源，為兩個(gè)對(duì)比城市地下水大規(guī)模開發(fā)利用提供了條件。

（4）工程地質(zhì)條件

上海市與河內(nèi)市都分布有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的軟弱土層，一經(jīng)擾動(dòng)，其強(qiáng)度會(huì)明顯降低，且固結(jié)變形時(shí)間長，變形量大，易產(chǎn)生較大的地面沉降和不均勻沉降。軟弱土層在上海市廣泛分布，僅在局部地區(qū)缺失；而河內(nèi)市約有一半地區(qū)分布有軟弱土層[23]。同時(shí)，兩個(gè)對(duì)比城市地表100 m以淺都存在較厚的砂層，增加了地面沉降的易發(fā)程度。

3.2 主要誘發(fā)因素

（1）地下水開發(fā)利用的影響

圖1 上海與河內(nèi)典型水文地質(zhì)鉆孔柱狀圖(上海數(shù)據(jù)選自“上海地質(zhì)資料信息共享平臺(tái)”，河內(nèi)數(shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)[18])Fig.1 Typical hydrogeological borehole histogram of Shanghai and Hanoi

通過累計(jì)地面沉降量與地下水水位歷時(shí)曲線的對(duì)比（圖2），可以發(fā)現(xiàn)上海與河內(nèi)兩個(gè)對(duì)比城市的地面沉降與地下水水位有著很好的相關(guān)性，地面沉降受地下水開發(fā)利用影響。

圖2 上海某承壓含水層土層(a)與河內(nèi)某典型水站(b)累計(jì)沉降與地下水水位歷時(shí)曲線（河內(nèi)數(shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)[6])Fig.2 Duration curve of cumulative deformation and groundwater level of a confined aquifer in Shanghai (a) and a typical water station in Hanoi (b)

歷史上，為滿足工業(yè)生產(chǎn)和居民生活飲用等用途，上海市長期開采深層地下水，其最大的年度地下水開采量超過2億噸，從而導(dǎo)致區(qū)域地下水位下降，進(jìn)而產(chǎn)生顯著的地面沉降。

河內(nèi)市自從法國殖民時(shí)期，地下水就是其主要供水來源之一，且地下水開采量持續(xù)增長。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)不完全統(tǒng)計(jì)結(jié)果[7-12]，1909年河內(nèi)市地下水開采量約為每年730萬噸，1975年開采量約為每年0.56億噸，1991年約為每年1.46億噸，2008年約為每年2.74億噸，超過了上海歷史最大年度開采量，且2008年以來地下水開采量增速變大（表2）。大量的地下水開采導(dǎo)致河內(nèi)市地下水水位下降，進(jìn)而誘發(fā)地面沉降。

表2 河內(nèi)市地下水開采量Table 2 List of groundwater exploitation in Hanoi

上海市隨著各種針對(duì)地下水管理的地面沉降防治措施的實(shí)施，目前地下水年度開采量已經(jīng)小于200萬噸。地下水開發(fā)利用對(duì)地面沉降的影響在減小，人類工程建設(shè)活動(dòng)等其它因素的影響在增強(qiáng)。與之不同，河內(nèi)市地下水開采量還在增加，目前其年度開采量已經(jīng)超過3.65億噸（圖3），是上海歷史最大年度開采量的1.8倍多。河內(nèi)市地面沉降仍主要受地下水開發(fā)利用影響，但工程建設(shè)活動(dòng)等其它因素的影響也不可忽視。

圖3 上海與河內(nèi)年度地下水開采量對(duì)比曲線（河內(nèi)數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[7-12]）Fig.3 Comparison curve of annual groundwater exploitation between Shanghai and Hanoi

（2）工程建設(shè)活動(dòng)的影響

近年來，上海市受大規(guī)模工程建設(shè)活動(dòng)的影響，尤其是以深基坑工程為代表的地下空間開發(fā)利用活動(dòng)，出現(xiàn)了淺部軟土層和含水砂層呈現(xiàn)持續(xù)壓縮的現(xiàn)象，不均勻沉降問題顯現(xiàn)，工程建設(shè)活動(dòng)誘發(fā)的淺部土體壓縮成為目前上海地面沉降產(chǎn)生的重要外因。

河內(nèi)市的地面沉降空間分布及發(fā)展趨勢(shì)與城市建筑物分布及市區(qū)范圍擴(kuò)展具有相關(guān)性[6-12]，且若進(jìn)行地下空間資源開發(fā)利用時(shí)，亦會(huì)誘發(fā)地面沉降[21]。

4 結(jié)語

上海歷史上地面沉降發(fā)育嚴(yán)重，但在大面積長期監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，針對(duì)地下水開發(fā)利用和工程建設(shè)活動(dòng)等誘因，開展了大量研究并采取了系列防治措施，實(shí)現(xiàn)了地面沉降有效防控。河內(nèi)市存在更大規(guī)模的地下水開發(fā)利用，且隨著城市發(fā)展，建設(shè)活動(dòng)持續(xù)發(fā)生，其地質(zhì)條件易發(fā)地面沉降，但目前未見有大規(guī)模實(shí)施的防治措施，地面沉降仍在發(fā)育。上海市與河內(nèi)市在地面沉降發(fā)育地質(zhì)背景條件、主要誘發(fā)因素上雖然各有其特性，但總體上具有很多共性，為上海和河內(nèi)兩個(gè)三角洲城市地面沉降防治經(jīng)驗(yàn)的相互借鑒提供了條件。

（1）自第四紀(jì)以來，上海市與河內(nèi)市砂層和粘性土層皆交替出現(xiàn)，構(gòu)成了2個(gè)河口三角洲城市地面沉降發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)；兩個(gè)對(duì)比城市含水層及軟土層發(fā)育，地質(zhì)結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生地面沉降。

（2）不合理開采地下水是上海市與河內(nèi)市地面沉降的主要誘發(fā)因素。但上海采取了系列措施進(jìn)行地下水管理，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域地面沉降的有效防控；河內(nèi)仍在繼續(xù)大規(guī)模開發(fā)利用地下水資源，其應(yīng)當(dāng)實(shí)施針對(duì)性的防治措施，如利用地表水替代地下水開發(fā)利用、地下水人工回灌等。

（3）以深基坑工程為代表的建設(shè)活動(dòng)成為上海地面沉降發(fā)育的另一主要誘因，同時(shí)也會(huì)加劇河內(nèi)地面沉降的發(fā)育。目前河內(nèi)城市仍在持續(xù)開展工程建設(shè)活動(dòng)，上海工程性地面沉降的相關(guān)研究成果未來可以考慮在河內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

（4）受限于收集的河內(nèi)市資料有限，兩個(gè)城市的地面沉降發(fā)育背景對(duì)比研究還有待進(jìn)一步深入。同時(shí)需要在發(fā)育背景對(duì)比的基礎(chǔ)上，開展地面沉降發(fā)育狀況及調(diào)查監(jiān)測(cè)防治工作等的對(duì)比研究，以期為兩個(gè)城市地面沉降防治提供更好的借鑒建議。

（5）對(duì)于河口三角洲地區(qū)，地面沉降防治應(yīng)當(dāng)先調(diào)查清楚其發(fā)育的地質(zhì)背景，尤其是地下水含水層、軟弱土層等的分布情況；地下水開發(fā)利用、工程建設(shè)活動(dòng)等容易誘發(fā)地面沉降，應(yīng)考慮在地面沉降調(diào)查監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立地下水管理與工程建設(shè)管控相結(jié)合的地面沉降綜合防控體系。