什么是指覆蓋在溶蝕洞穴發(fā)育的可溶性巖層之上的松散土石體在外動(dòng)力因素作用下，
- 教育綜合
- 2022-07-16 07:56:08
地面塌陷的根本原因
地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一種地質(zhì)現(xiàn)象。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在有人類活動(dòng)的地區(qū)時(shí)，便可能成為一種地質(zhì)災(zāi)害。 地面塌陷或沉陷(land collapse) 是地面垂直變形破壞的另一種形式在自然條件下產(chǎn)生的。巖溶地面塌陷是指覆蓋在溶蝕洞穴發(fā)育的可溶性巖層之上的松散土石體在外動(dòng)力因素作用下向洞穴運(yùn)移而導(dǎo)致的地面變形破壞，其表現(xiàn)形式以場(chǎng)陷為主，井多呈圓錐形塌陷坑。是地面塌陷或沉陷的一種。巖溶塌陷一般規(guī)模較小，發(fā)展速度緩慢，不致給人類生活帶來(lái)突然的影響。長(zhǎng)沙一小區(qū)突發(fā)塌陷，導(dǎo)致塌陷的原因是什么？
為什么會(huì)崩潰？負(fù)責(zé)人說(shuō)：“一方面，覆土比較厚。此外，由于通常的雨水灌溉，土層水分過(guò)多，重量增加。久而久之，下腔的屋頂可能承受不了，會(huì)變形下沉。于是就崩了。”“和地下車庫(kù)沒(méi)關(guān)系，地下室屋頂也沒(méi)什么異常。”
之前也給業(yè)主發(fā)過(guò)類似的解釋，也有業(yè)主不滿意的：“水會(huì)塌，你的草坪不會(huì)進(jìn)水。”“質(zhì)量太差了。”
據(jù)了解，小區(qū)剛交付一年。期間出現(xiàn)精裝房墻面鼓包、業(yè)主家墻面開裂等問(wèn)題。記者隨機(jī)見(jiàn)到的其中一位業(yè)主白女士和姚女士就是其中之一：“最嚴(yán)重的是開裂和鼓包。我們之前有大規(guī)模維權(quán)，今年七八月份也有小規(guī)模維權(quán)。”帕克女士說(shuō)。“包在墻上，墻裂了，還有很多小問(wèn)題，比如門窗，都是普通材料，不防火。”
倒塌區(qū)下面是該社區(qū)的地下車庫(kù)。記者注意到車庫(kù)的頂部出現(xiàn)了裂縫。針對(duì)小區(qū)業(yè)主的擔(dān)憂和疑慮，記者找到了小區(qū)開發(fā)商。對(duì)此，開發(fā)商表示，中心景觀區(qū)采用空心層設(shè)計(jì)，覆蓋空心層上方的土壤。初步判斷是景觀區(qū)空洞層開裂，導(dǎo)致地面下沉，對(duì)住宅樓沒(méi)有影響。
其實(shí)還包括自然災(zāi)害。
地面塌陷是指地表巖石和土壤在自然或人為因素的作用下坍塌，地面形成塌陷坑(洞)的地質(zhì)現(xiàn)象。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在有人類活動(dòng)的地區(qū)，就有可能成為地質(zhì)災(zāi)害。
地面塌陷或下沉是自然條件下地面垂直變形和破壞的另一種形式。巖溶地面塌陷是指在外部動(dòng)力因素作用下，溶腔中發(fā)育的覆蓋可溶巖層的松散土石體向洞穴移動(dòng)而引起的地面變形和破壞。其表現(xiàn)形式主要是現(xiàn)場(chǎng)坍塌，大部分井都是錐形坍塌坑。是一種地面塌陷或下陷。巖溶塌陷一般規(guī)模較小，發(fā)展緩慢，不會(huì)給人類生活帶來(lái)突然的影響。
巖溶地面塌陷
巖溶地面塌陷是發(fā)生在碳酸鹽巖類分布的覆蓋型巖溶區(qū)一種較特殊的地質(zhì)災(zāi)害，是指覆蓋在溶蝕洞穴發(fā)育的可溶性巖層之上的松散土石體在外動(dòng)力因素作用下，向洞穴運(yùn)移而導(dǎo)致的地面變形破壞，其表現(xiàn)形式是產(chǎn)生塌陷坑。由于地面塌陷一般是突然發(fā)生的，可導(dǎo)致突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害。嚴(yán)重者可遭致建筑物和人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。
巖溶地面塌陷的成因機(jī)制有多種解釋，主要有潛蝕論、真空吸蝕論和氣爆論。其中“潛蝕論”國(guó)內(nèi)外已有不少文獻(xiàn)論及，下面簡(jiǎn)要介紹一下。
在覆蓋型巖溶（指的是地表堆積數(shù)米至數(shù)十米厚土層的巖溶化巖層）區(qū)，由于下伏碳酸鹽巖巖溶發(fā)育，存在溶洞、落水洞、溶隙等地下水的良好通道，當(dāng)天然或人為原因使地下水位大幅度下降時(shí)，地下水的流速和水力梯度相應(yīng)加大，對(duì)上覆第四系土層和洞穴、溶隙中的充填物進(jìn)行沖蝕、淘刷，并隨水?dāng)y走，這時(shí)在與碳酸鹽巖體頂板接觸處的土層中開始形成土洞。土洞形成后改變了土層中的原始應(yīng)力狀態(tài)，引起洞頂?shù)奶?。在地下水不斷潛蝕及土體重力坍落作用下，土洞逐漸發(fā)展成拱形。當(dāng)土層厚度大時(shí)可以形成天然平衡拱，土洞停止發(fā)展而隱伏于地下；當(dāng)土層較薄時(shí)，土洞則不能形成天然平衡拱，其頂部不斷坍落，直至達(dá)到地表而形成塌陷坑。塌陷坑形成后，地面便成為地表徑流匯集的場(chǎng)所，坑壁不斷坍塌，同時(shí)還有地表水挾帶物質(zhì)的堆積作用，使陷坑逐漸形成為碟形洼地，地表塌陷暫時(shí)停止發(fā)展。其發(fā)育形成過(guò)程如圖4-6所示。
圖4-6 巖溶地面塌陷過(guò)程示意圖
據(jù)研究，地面塌陷的形成必須具備3個(gè)條件：①下伏碳酸鹽巖中巖溶發(fā)育；②孔隙水與巖溶水聯(lián)系密切，且水動(dòng)力條件變化大；③上覆土層較松散且厚度較小，且土層中塌落物質(zhì)有被水流攜走的通道和空間。地下水動(dòng)力條件的變化有自然的和人為的因素，人為因素包括大量開采巖溶水作供水水源和疏干大水巖溶礦井，會(huì)大幅度降低地下水位，水動(dòng)力條件急劇變化（水力梯度大增），較自然因素強(qiáng)烈。上覆土層以沖積和沖洪積成因者地面塌陷較突出，其厚度小于10m者塌陷嚴(yán)重，大于30m者塌陷少見(jiàn)。
根據(jù)本次調(diào)查和收集資料可知，在線路里程610km～618km南東側(cè)的湖北段咸寧市官埠橋—北洪橋一線分布有數(shù)處巖溶塌陷，這些塌陷距離線路較近，故將其形成特征與已造成的危害論述如下。
塌陷地段多分布于垅崗前低洼地帶，陷塌坑多呈圓形漏斗狀，直徑一般1～4m，最大者10m，深1～3m，最深達(dá)15m，塌陷規(guī)模520×104m2。表層多分布全新統(tǒng)黃褐色粘土和砂礫石構(gòu)成的二元結(jié)構(gòu)，厚5～13.8m；中更新統(tǒng)黃紅至黃褐色粘性土，厚10～25m，最厚達(dá)42m。下伏基巖為巖溶較發(fā)育的石炭系黃龍組、二疊系棲霞組碳酸鹽巖和白堊至古近系東湖群礫巖、砂礫巖為區(qū)內(nèi)主要取水含水層，石炭、二疊系碳酸鹽巖受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙及巖溶發(fā)育。目前已造成107國(guó)道的11km水泥路面嚴(yán)重開裂受損，先后發(fā)生5次較大規(guī)模塌陷，形成26個(gè)陷坑。塌陷首發(fā)時(shí)間為1983年，1986年、1987年、1995年、1996年均有發(fā)展，目前處于較不穩(wěn)定狀況，在過(guò)量抽取地下水情況下，可能加劇地面變形。
塌陷使水井報(bào)廢，工廠停產(chǎn)，交通中斷等，并隨時(shí)危及當(dāng)?shù)鼐用竦陌踩Ｒ言斐山?jīng)濟(jì)損失約150萬(wàn)元，潛在危害近750萬(wàn)元。
需要強(qiáng)調(diào)指出的是，在湖北—湖南段管線里程 620～705km（咸寧—赤壁—臨湘）地段分布有寒武、奧陶、石炭、二疊、三疊系的灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖，具備發(fā)生巖溶地面塌陷的機(jī)制和地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。目前該地段還未出現(xiàn)地面塌陷情況，但在工程施工或管道建成運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，一旦因巖溶水開采等使水動(dòng)力條件發(fā)生改變，引發(fā)巖溶地面塌陷的可能性是存在的。
水資源開發(fā)利用的環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)
3.2.1 環(huán)境水文地質(zhì)作用
在水資源的開發(fā)利用中，地下水因其水質(zhì)好，動(dòng)態(tài)相對(duì)穩(wěn)定故被許多國(guó)家作為主要的開發(fā)利用對(duì)象。美國(guó)大約50%的畜牧業(yè)和灌溉用水，40%的公共供水依靠地下水。而地中海島國(guó)馬爾他和位于西亞干燥高原的沙特阿拉伯，則100%的依靠地下水（表3.4）。
表3.4 典型國(guó)家地下水在供水中所占的比重
大規(guī)模地開發(fā)利用地下水，必然引起環(huán)境水文地質(zhì)作用。環(huán)境水文地質(zhì)作用是指地下水在人為和自然因素影響下，由水化學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、水物理學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)變化引起的對(duì)人類生產(chǎn)和生活環(huán)境的制約作用。按作用的機(jī)制，環(huán)境水文地質(zhì)作用主要有環(huán)境水文地球化學(xué)作用、環(huán)境水動(dòng)力學(xué)作用、環(huán)境水物理學(xué)作用、環(huán)境水文地質(zhì)生態(tài)作用。各種作用的控制指標(biāo)及其環(huán)境影響結(jié)果等列于表3.5。
表3.5 環(huán)境水文地質(zhì)作用的類型及作用結(jié)果
3.2.1.1 環(huán)境水文地球化學(xué)作用
環(huán)境水文地球化學(xué)作用是指在人工干預(yù)下，在一定滲流和水文地球化學(xué)條件下，物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化的作用，是決定污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的主要作用。主要有酸堿作用、氧化-還原作用、吸附-解吸作用、絡(luò)合與螯合作用、稀釋和濃縮作用、生物凈化與濃集作用、放射性衰變和細(xì)菌繁殖與衰亡作用，以及污染質(zhì)在水中的彌散作用。通過(guò)這些作用，水污染物質(zhì)在環(huán)境系統(tǒng)中發(fā)生遷移、富集、轉(zhuǎn)化、分散、凈化、毒性改變，從而造成水質(zhì)惡化、公害病等不良環(huán)境影響，或使水體發(fā)生凈化作用。
3.2.1.2 環(huán)境水動(dòng)力作用
環(huán)境水動(dòng)力作用是指由地下水動(dòng)力要素變化而引起的地質(zhì)環(huán)境中相互間的能量交換作用。通過(guò)荷載效應(yīng)、應(yīng)力腐蝕效應(yīng)、孔隙水壓力效應(yīng)、潛蝕吸蝕效應(yīng)等作用，破壞地質(zhì)環(huán)境中不同單元間的力學(xué)平衡，引發(fā)地面沉降、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。地下水位的下降，會(huì)造成水動(dòng)力場(chǎng)各要素如水力坡度、滲透速度、水壓力的變化。
3.2.1.3 環(huán)境水物理學(xué)作用
環(huán)境水物理學(xué)作用是指地下水對(duì)熱能的傳播和轉(zhuǎn)化而引起的建筑物地基失穩(wěn)和地下水水質(zhì)變壞的環(huán)境作用。由于人工熱流出物的影響，水溫度發(fā)生變化可引起水體熱污染，影響水質(zhì)和水生生態(tài)平衡。
3.2.1.4 環(huán)境水文地質(zhì)生態(tài)作用
水質(zhì)、水量和水溫等變化都可引起生態(tài)平衡的破壞。大量開采地下水造成的區(qū)域性水位下降，使包氣帶土壤水分減少，土壤結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)土壤沙化和草原退化；不恰當(dāng)?shù)囊喔仍斐傻牡叵滤簧仙l(fā)土壤鹽漬化，從而破壞農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡；水污染物中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物過(guò)多，可造成湖泊、海灣等水體中藻類災(zāi)害性的生長(zhǎng)，使水體質(zhì)量下降，危害水生生態(tài)系統(tǒng)。
3.2.2 水資源開發(fā)利用的環(huán)境地質(zhì)正效應(yīng)
水資源的開發(fā)利用對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了不可估量的作用，如果在科學(xué)評(píng)價(jià)，合理開發(fā)基礎(chǔ)上利用，則會(huì)促使環(huán)境變化向有利于人類生存的方向發(fā)展，這種作用叫做正的環(huán)境效應(yīng)。
3.2.2.1 地表水利用過(guò)程中的環(huán)境地質(zhì)正效應(yīng)
通過(guò)筑壩形成水庫(kù)，以提高水位，調(diào)節(jié)徑流，改善水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)灌溉、發(fā)電、供水、防洪、航運(yùn)等綜合效益所帶來(lái)的環(huán)境正效應(yīng)如下。
3.2.2.1.1 增加蒸發(fā)，利于防洪
由于水庫(kù)增大了自由水面的面積，增加了蒸發(fā)損失，美國(guó)的大平原南部一些水庫(kù)在降雨較少的年份，最大蒸發(fā)損耗達(dá)42%，這對(duì)于專為用于防洪而營(yíng)建的小水庫(kù)來(lái)說(shuō)，水量損耗可以增加水庫(kù)的防洪能力，因?yàn)樗购樗垦杆贉p小。美國(guó)大平原南部由于年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于年徑流量，水庫(kù)的防洪效益比美國(guó)其他地區(qū)都好，俄克拉何馬州體格河上的25座水庫(kù)的臨時(shí)蓄洪作用使特大洪水淹沒(méi)和洪泛平原的面積減少了23%。
3.2.2.1.2 調(diào)節(jié)徑流
水庫(kù)對(duì)徑流的影響主要表現(xiàn)在對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用上，使流量在時(shí)間上重新分配，使下游河道水流的長(zhǎng)期和短期的變化幅度減小，有利于水生物的生活。
3.2.2.1.3 增加地下水的入滲補(bǔ)給量
水庫(kù)修建后，往往在庫(kù)區(qū)附近地區(qū)增大了地表水入滲補(bǔ)給時(shí)間和面積，促使地下水位回升，有利于減緩或防止地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。
當(dāng)然水庫(kù)的修建引起蒸發(fā)量的增大，從水資源角度來(lái)說(shuō)是一種損失，也使用于灌溉、發(fā)電、航運(yùn)等興利方面的效益減小。
3.2.2.2 地下水資源開發(fā)利用中的環(huán)境地質(zhì)正效應(yīng)
合理開發(fā)利用地下水可以為當(dāng)?shù)貛?lái)下列環(huán)境正效應(yīng)。
3.2.2.2.1 控制土壤返鹽
土壤鹽分變化與潛水動(dòng)態(tài)密切相關(guān)。地下水位埋深越淺，潛水蒸發(fā)量越大，向表土輸送的鹽分就越多，也就越容易造成土壤鹽漬化。反之，如果將地下水位控制在一定的深度，就能抑制土壤返鹽，并使鹽堿地得到改良。如河北平原石津灌區(qū)實(shí)行井灌與渠灌相結(jié)合，控制地下水位埋深在2.5～3m，使全灌區(qū)鹽堿地面積由1972年的4.21×108m2減少到20世紀(jì)80年代的240×106m2；山東禹城試驗(yàn)區(qū)改引黃灌溉，為井灌，加上明溝排水，使鹽堿地大幅度下降。整個(gè)黃淮海平原，自20世紀(jì)50年代后期大規(guī)模開采淺層地下水到80年代中期，鹽堿地已減少了一半。
3.2.2.2.2 調(diào)蓄地下庫(kù)容
在地下水位埋深較淺地區(qū)，合理降低水位可增大地下調(diào)蓄庫(kù)容，有利于降水滲入補(bǔ)給。從1975～1988年，河北平原京津以南地區(qū)，淺層水水位平均下降了5.9m，騰空了地下庫(kù)容2.9×1010m3，增大了地下調(diào)蓄能力。在黃河平原上，從1966年以后，地下水的開采不斷增大，加上深挖河道降低地下水的排泄基準(zhǔn)面，促進(jìn)了地下水的水平排泄，使該區(qū)地下水位埋深長(zhǎng)年處于2～3m的狀態(tài)，增強(qiáng)了降水入滲能力，也減少了地表徑流。
3.2.2.2.3 改善水質(zhì)
傍河開采地下水，激發(fā)河流補(bǔ)給，不僅供水穩(wěn)定，而且利用巖層的天然過(guò)濾和凈化作用，使難于利用的多泥沙河水，轉(zhuǎn)化為水質(zhì)良好的地下水，為沿河城鎮(zhèn)和工業(yè)集中供水提供水源。北京、西安、蘭州、西寧、太原、哈爾濱等大城市，大型供水水源地都是傍河取水型的。
3.2.2.2.4 減緩?fù)恋厣衬?/p>
利用深層地下水灌溉，可以增加土壤水含量，促進(jìn)植被生長(zhǎng)，減少土地沙漠化面積。
3.2.3 水資源開發(fā)利用的環(huán)境地質(zhì)負(fù)效應(yīng)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類對(duì)水資源開發(fā)利用量不斷增加，常常改變了水資源的自然循環(huán)過(guò)程、方式和強(qiáng)度，從而給當(dāng)?shù)丨h(huán)境帶來(lái)一系列不利的影響，這種現(xiàn)象稱為環(huán)境負(fù)效應(yīng)。
3.2.3.1 區(qū)域地下水位下降，局部淺層水資源枯竭
地下水的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)質(zhì)上是其補(bǔ)給與排泄兩個(gè)環(huán)節(jié)宏觀上的綜合表現(xiàn)。例如在含水層中，補(bǔ)給水量大于排泄水量，便引起水量增加，水位上升；反之，則水量減少，水位下降。從一個(gè)地區(qū)來(lái)說(shuō)，地下水未經(jīng)大量開采之前，基本上處于一種動(dòng)態(tài)均衡狀態(tài)，地下水位大致保持相對(duì)穩(wěn)定。但是，隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)加劇，地下水多年平均開采量超過(guò)多年平均補(bǔ)給量，就會(huì)破壞這種動(dòng)態(tài)均衡狀態(tài)，消耗含水層的“儲(chǔ)存量”，其結(jié)果就出現(xiàn)了直觀上的地下水位逐年下降。
地下水超量開采的直接后果是區(qū)域水位持續(xù)性下降，地下水降落漏斗范圍不斷擴(kuò)大。日本東京地區(qū)、美國(guó)加利福尼亞中央谷地、墨西哥城等處均因大規(guī)模開發(fā)地下水而造成區(qū)域地下水位下降，局部地段淺層含水層中的地下水已趨枯竭，出現(xiàn)出水量減小，水位降深加大，吊泵甚至井孔報(bào)廢現(xiàn)象。
我國(guó)的華北平原水位下降較普遍，深層水水位每年以3～5m的速率下降，天津、滄州、衡水、德州一帶降落漏斗已連成一片，面積達(dá)3.18×104km2。其中滄州漏斗面積達(dá)9830km2，漏斗中心水位埋深達(dá)78m。淺層水水位降落漏斗分布于北京市及京廣鐵路沿線的保定、石家莊、邢臺(tái)、邯鄲到安陽(yáng)一帶，面積達(dá)1.89×104km2。我國(guó)蘇-錫-常地區(qū)，隨著近些年鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展，地下水利用量逐年增加，由于開采地點(diǎn)集中，時(shí)間集中和開采層次集中（多開采第Ⅱ承壓水），致使自80年代中期以來(lái)，地下水位以平均0.5～1.5m/a的速度下降，區(qū)域地下水降落漏斗1996年就超過(guò)了5000km2，吳縣、錫山和武進(jìn)3市漏斗中心水位埋深已分別達(dá)65m、75m和80m。
區(qū)域地下水位下降，不僅直接造成取水工程效益下降或報(bào)廢，還會(huì)誘發(fā)泉水?dāng)嗔?，地面沉降、巖溶塌陷、地下水質(zhì)惡化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。
3.2.3.2 泉水流量衰減或斷流
北方旅游城市的部分著名巖溶泉水，因泉域內(nèi)地下水開采布局不合理，在泉水周圍或上游鑿井開采同一含水層的地下水，導(dǎo)致泉水流量衰減，枯季斷流，甚至干涸。如山東濟(jì)南巖溶泉群（趵突泉等）枯季出現(xiàn)斷流。山西太原晉祠泉流量已由20世紀(jì)50年代的1.98m3/s，逐漸衰減，至90年代初已斷流。西北內(nèi)陸干旱區(qū)，由于在黃土帶大量開采地下水以及在出山口過(guò)多興建地表水庫(kù)及在戈壁帶修建高防滲渠道，改變了河水對(duì)地下水補(bǔ)給的天然條件，河水滲漏補(bǔ)給量大量減少，造成山前沖洪扇泉水溢出流量大幅度下降。如甘肅河西走廊石羊河流域，20世紀(jì)70年代的泉水流量比60年代減少五分之三，原有綠洲的泉灌區(qū)逐漸變?yōu)榫鄥^(qū)。同樣，新疆吐魯番盆地的坎兒井的水量亦出現(xiàn)了衰減，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)不利的影響。
3.2.3.3 地面沉降
地面沉降是指地面高程的降低，又稱地面下沉或地沉，均指地殼表面某一局部范圍內(nèi)的總體下降運(yùn)動(dòng)。地面沉降以緩慢的、難以察覺(jué)的向下垂直運(yùn)動(dòng)為主，只有少量的或基本沒(méi)有水平方向的位移，可能影響的平面范圍可達(dá)幾千平方公里。在某些實(shí)例中地面沉降是一種自然動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象，而多數(shù)是由人類活動(dòng)所引起的，常以地殼表層一定深度內(nèi)巖土體的壓密固結(jié)或下沉為主要形式。
自19世紀(jì)末以來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)人類工程活動(dòng)強(qiáng)度和規(guī)模的不斷增大，許多地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)了地面下沉現(xiàn)象。在諸多實(shí)例中，由于人類抽取地下液體的工程活動(dòng)而引起的地面沉降最為普遍。意大利的威尼斯城是最早被發(fā)現(xiàn)因抽取地下水而產(chǎn)生地面沉降的城市。之后，日本、美國(guó)、墨西哥、中國(guó)、歐洲和東南亞一些國(guó)家中的許多位于沿?；虻推皆系某鞘谢虻貐^(qū)，由于抽取地下液體而先后出現(xiàn)了較嚴(yán)重的地面沉降問(wèn)題（表3.6）。
表3.6 世界各地地面沉降概況一覽表
我國(guó)從20世紀(jì)60年代起，在上海、北京、天津、西安等城市先后出現(xiàn)了地面沉降現(xiàn)象。處于渭河第二級(jí)階地的西安市城區(qū)，地面沉降已經(jīng)發(fā)展到了極其嚴(yán)重的地步，與之伴生的地裂縫等嚴(yán)重影響了城市的發(fā)展。許多樓房建筑物遭到破壞，多處道路、煤氣和輸水管道被錯(cuò)斷，某些古建筑受到明顯影響；鐘樓在1971～1988年間累計(jì)沉降279.4mm，大雁塔向西傾斜886mm，向北傾斜170mm，南城墻西段曾因?yàn)榈亓芽p和沉降不均勻發(fā)生坍塌。1976年之前，西安地面沉降極緩，年平均沉降速率5.3mm，其后隨著地下承壓水開采量加大，承壓水位下降，地面沉降與承壓水位漏斗吻合，形成復(fù)合型沉降區(qū)。到1988年時(shí)，沉降地域面積達(dá)160km2，市區(qū)年平均沉降速率34.6mm，有7個(gè)沉降中心。其中胡家廟沉降中心累計(jì)沉降已達(dá)1 230mm，后村—觀音廟沉降中心累計(jì)沉降量達(dá)1 330mm。市區(qū)地裂縫活動(dòng)程度日趨劇烈，總長(zhǎng)度達(dá)76.68km，垂直位移速率5～30mm/a，水平位移3～4mm/a。雖然西安市區(qū)地裂縫的產(chǎn)生與關(guān)中盆地的新構(gòu)造隱伏斷裂活動(dòng)有一定的聯(lián)系，但是地面的不均衡沉降也是其直接的誘因。所以地裂縫分布范圍與地面沉降范圍重合，地裂縫多沿著各個(gè)沉陷中心的一側(cè)伸展。
圖3.3 天津地區(qū)1965～1988年地面沉平均速率圖
據(jù)王若柏（1994）研究，位于渤海灣平原的天津地區(qū)，在大量開采地下水之前的20世紀(jì)前半葉，水準(zhǔn)觀測(cè)表明，其新構(gòu)造沉降速率為4～6mm/a。1923年開始開采承壓水，1959年在天津市區(qū)發(fā)現(xiàn)地面沉降的現(xiàn)象。20世紀(jì)60年代后期工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模開采地下水，其中1970～1971年平均開采地下水0.89×108m3，地面沉降速率為40mm/a；1972～1985年平均開采地下水（1.0～1.2）×108m3/a，地面沉降量為75～120mm/a；1986年關(guān)井減采，1988年開采量下降為0.67×108m3，地面沉降減緩為24mm/a。這顯示地面沉降速率與地下水開采量成正相關(guān)關(guān)系。在整個(gè)天津地區(qū)，1975年地面沉降范圍還只有600km2，有市區(qū)和寧河（漢沽）兩個(gè)沉降中心；1979年時(shí)沉降范圍猛增到4 000km2，天津、寧河和武清沉降中心擴(kuò)大而聯(lián)結(jié)為大型復(fù)合沉降中心；1983年時(shí)沉降范圍增至6 000km2，各沉降中心沉降速率極高，如天津市區(qū)113.3mm/a、漢沽118.0mm/a、塘沽107mm/a、任丘40mm/a；1988年整個(gè)地區(qū)沉降面積達(dá)7 000km2，許多中等城市都發(fā)生沉降，形成一個(gè)規(guī)模巨大的多中心復(fù)合型沉降區(qū)（圖3.3）。天津市區(qū)的工學(xué)院水準(zhǔn)點(diǎn)，1996年埋設(shè)標(biāo)高為3.39m，到1988年時(shí)僅有1.64m，反映出22a里地面累計(jì)沉降1.75m。市區(qū)沉降中心最大累積沉降量已達(dá) 2.62m之多。塘沽和漢沽的某些區(qū)域，地面出現(xiàn)負(fù)標(biāo)高或者與海平面持平。由于地面沉降，市區(qū)出現(xiàn)污水外溢，海河河道泥沙大量淤積，汛期排洪不暢，沿河兩岸出現(xiàn)沼澤化，海水倒灌，水質(zhì)惡化，風(fēng)暴潮災(zāi)害損失劇增。這一系列的環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。
上海市位于長(zhǎng)江三角洲前沿，松散沉積物厚達(dá)300m。1921～1965年市區(qū)地面平均下沉1.76m，最大沉降量 2.63m。1966年采取控制措施以來(lái)，地面沉降得到緩解（劉鐵鑄，1994）。位于渤海灣的大港油田，地面標(biāo)高1～3m。自從1965年投產(chǎn)以來(lái)，油田注水和生活用水大量抽取第四系淡水，使某些區(qū)域地下水位由0m下降到-80m（北大港），全區(qū)地面沉降0.808m，沉降中心下沉達(dá)1.70m。這使得油田管理系統(tǒng)變形甚至斷裂，風(fēng)暴潮和洪水危害油井、港口和各種建筑物（李德生等，1994）。
蘇州、無(wú)錫、常州三市自20世紀(jì)60～70年代發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，至1994年，三市沉降中心累計(jì)沉降量分別為1 407mm，1 140mm和1 050mm，三市因地面沉降造成的直接經(jīng)濟(jì)損失已達(dá)12億元，間接損失無(wú)法估量。
地面沉降造成的危害極大，必須認(rèn)真防治。具體措施如下：
（1）壓縮地下水開采量，嚴(yán)禁超采。這是防止地面沉降的根本措施。應(yīng)通過(guò)“開源節(jié)流”的方式，減少地下水的開采量，實(shí)行分質(zhì)供水，優(yōu)質(zhì)優(yōu)用，地下水僅作為飲用，工業(yè)用水盡量多利用地表水，推廣循環(huán)用水技術(shù)。
（2）調(diào)整開采層次，盡量開發(fā)深層地下水。蘇-錫-常地區(qū)的地面沉降主要是于開采“三集中”所造成，應(yīng)實(shí)行科學(xué)規(guī)劃，調(diào)整開采層次，如工業(yè)用水應(yīng)盡可能利用水質(zhì)相對(duì)差一點(diǎn)的第Ⅰ承壓水，保護(hù)水質(zhì)好的第Ⅱ承壓含水層的地下水，只作為飲用水供水，改變目前飲水開發(fā)第Ⅰ承壓層水，工業(yè)用第Ⅱ承壓層水的現(xiàn)象，即人吃壞水，工業(yè)用好水的不合理現(xiàn)象。
（3）通過(guò)人工回灌等措施增加地下水補(bǔ)給量。上海市為了使地下水回升和達(dá)到控制地面沉降的目的，自1966年開始，以“冬灌夏用”為主，“夏灌冬用”為輔的區(qū)域性地下水人工回灌措施，使地下水獲得了大量人工補(bǔ)給，市區(qū)地面隨著區(qū)域水位的大幅度回升，由過(guò)去常年沉降轉(zhuǎn)為“冬升夏沉”狀態(tài)，并使地面沉降得到了基本控制。
（4）加強(qiáng)城市雨水利用工作。學(xué)習(xí)德國(guó)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用生態(tài)學(xué)補(bǔ)償原理，通過(guò)屋面集水，人行道使用滲水材料等技術(shù)，增加城市地下水補(bǔ)給量，減少城市無(wú)效徑流，提高雨水利用率。
3.2.3.4 巖溶地面塌陷
巖溶地面塌陷指覆蓋在溶蝕洞穴發(fā)育的可溶性巖層之上的松散土石體，在外動(dòng)力因素作用下，發(fā)生的地面變形破壞。其表現(xiàn)形式以塌陷為主，并多呈圓錐形塌陷坑。自然條件下產(chǎn)生的巖溶塌陷一般規(guī)模小，發(fā)展速度慢，不會(huì)給人類生活帶來(lái)較大的影響。但在人類工程生活中產(chǎn)生的巖溶塌陷規(guī)模較大，突發(fā)性強(qiáng)，且常出現(xiàn)于人口聚集地區(qū)，給地面建筑物和人身安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅，造成地區(qū)性的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。
由于巖溶洞穴或溶蝕裂隙的存在、上覆土層的不穩(wěn)定性和地下水對(duì)土層的潛蝕搬運(yùn)作用，采排巖溶地下水常引起地面塌陷。前者是塌陷產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，后者是引起塌陷的動(dòng)力條件。自然條件下，地下水對(duì)巖溶充填物質(zhì)和上覆土層的潛蝕作用也是存在的，不過(guò)這種作用很慢，故塌陷較少，而且規(guī)模不大。人為采排地下水，對(duì)巖溶充填物和上覆土層的侵蝕搬運(yùn)作用大大加強(qiáng)，促進(jìn)了地面塌陷的發(fā)生和發(fā)展。此類塌陷的形成過(guò)程大體可分如下四個(gè)階段：
（1）在抽水、排水過(guò)程中，地下水位降低，水對(duì)上覆土層的浮托力減小，水力坡度增大，水流速度加快，水的侵蝕作用加強(qiáng)。溶洞充填物在地下水的侵蝕、搬運(yùn)作用下被帶走，松散層底部土體下落、流失而出現(xiàn)拱形崩落，形成隱伏土洞。
（2）隱伏土洞在地下水持續(xù)的動(dòng)水壓力及上覆土體的自重作用下，土體崩落、遷移，洞體不斷向上擴(kuò)展，引起地面沉降。
（3）地下水不斷侵蝕、搬運(yùn)崩落體，隱伏土洞繼續(xù)向上擴(kuò)展。當(dāng)上覆土體的自重壓力逐漸趨于洞體的極限抗壓、抗剪強(qiáng)度時(shí)，地面沉降加劇，在張性壓力作用下，地面產(chǎn)生開裂。
（4）當(dāng)上覆土體自重壓力超過(guò)了洞體的極限抗壓、抗剪強(qiáng)度時(shí)，地面產(chǎn)生塌陷。同時(shí)，在其周圍伴生有開裂現(xiàn)象。這時(shí)因?yàn)橥馏w在下塌過(guò)程中，不但在垂直方向產(chǎn)生剪切應(yīng)力，還在水平方向產(chǎn)生張力所致。
圖3.4 徐州市塌陷區(qū)土洞發(fā)育示意圖
巖溶地面塌陷在我國(guó)許多城市均有發(fā)生，如桂林、徐州、常州等市。徐州市主要開發(fā)利用巖溶地下水，第四系松散層厚度5～30m，每天供水量40×104m3，大大超過(guò)其補(bǔ)償量[每天（20～25）×104m3]，導(dǎo)致巖溶地下水位連年下降，漏斗中心水位埋深已大于90m，在上覆土層中形成了許多土洞。1992年4月12～13日，云龍區(qū)新生里2×104m3范圍內(nèi)發(fā)生巖溶地面塌陷，形成塌坑9個(gè)，最大一個(gè)長(zhǎng)25m，寬19m，共破壞民房224間，直接經(jīng)濟(jì)損失4000萬(wàn)元，其土洞發(fā)育機(jī)制如圖3.4所示。
3.2.3.5 海水入侵
沿海城市和地區(qū)在濱海含水層中超量開采地下水，造成咸淡水界面變化，海水侵入含水層，地下水水質(zhì)惡化，礦化度及氯離子濃度增高。
海水入侵是沿海地區(qū)水資源開發(fā)帶來(lái)的特殊環(huán)境問(wèn)題，在國(guó)外廣泛存在。美國(guó)的長(zhǎng)島、墨西哥的赫莫斯城，以及日本、以色列、荷蘭、澳大利亞等國(guó)家的濱海地區(qū)都存在這一問(wèn)題。
我國(guó)海岸線長(zhǎng)達(dá)1.8×104km，沿海地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)，海水入侵會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。如大連、錦西、秦皇島、青島、廈門等地，由于海水入侵，水質(zhì)惡化、大量水井報(bào)廢、糧食絕產(chǎn)、果園被毀、嚴(yán)重地妨礙了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和旅游業(yè)的發(fā)展。
萊州灣沿岸的萊州市，1976～1989年14a內(nèi)，地下水可開采量為16.2×108m3，實(shí)際開采量達(dá)24.58×108m3，共超采8.38×108m3，形成了地下水降落漏斗，中心水位最低標(biāo)高為-16.74m，引起了海水大面積入侵。旅大地區(qū)金州灣沿岸的大魏家水源地，從1969年建成投產(chǎn)以來(lái)，由于實(shí)際開采量（6.2×104m3/d），為允許開采量（3.1×104m3/d）的2倍，漏斗中心水位降深最大達(dá)13.58m，水位標(biāo)高最低為-9.86m，引起海水入侵，水中Cl-含量普遍上升。
3.2.3.6 水質(zhì)惡化
由于大規(guī)模開發(fā)地下水，導(dǎo)致區(qū)域水位下降，包氣帶厚度增加，促使環(huán)境水文地球化學(xué)作用增強(qiáng)，從而影響地下水的水質(zhì)，這種現(xiàn)象在許多地區(qū)都發(fā)生過(guò)，徐州市尤為明顯。由于大規(guī)模的超采，使該區(qū)地下水位以2m/a的速度下降，降落漏斗以每年8km2的速率擴(kuò)展，因此引起了水動(dòng)力場(chǎng)及水文地球化學(xué)環(huán)境的一系列變化。其變化較為明顯的是地下水系統(tǒng)中氧化還原環(huán)境的改變，使原來(lái)地段變成了包氣帶，造成某些礦物及化學(xué)成分的氧化變成較易溶解的鹽類。例如，殘存于土壤里的在包氣帶條件下會(huì)被硝化而形成易遷移的和，其反應(yīng)方程式為：
環(huán)境地質(zhì)與工程
同時(shí)也促使包氣帶中難溶的硫化物變?yōu)橐兹芙獾牧蛩猁}，加重了和的污染。由于硝化作用導(dǎo)致水中和離子增多以及pH降低，大大促進(jìn)了CaCO3的溶解；同時(shí)當(dāng)pH接近6時(shí)，又能阻止CaCO3的沉淀反應(yīng)。因此，地下水中Ca2+、Mg2+離子含量總體上呈上升趨勢(shì)；此外，由于水位的大幅度下降地下水流速增大，水循環(huán)交替加快，加強(qiáng)了氧化作用，增大了淋濾的路徑，加強(qiáng)了淋濾作用，造成在灌溉污水及地表固體廢物和糞便垃圾和淋濾水下滲過(guò)程中使包氣帶中大量易溶的鈣、鎂的氯化物和硫酸鹽不斷溶解，增加了地下水中Ca2+、Mg2+、離子濃度；同時(shí)由污染組分分解形成的CO2不斷溶于水，使pH降低，使更多的碳酸鹽礦物溶解，造成了大面積的硬度污染。
這類地下水水質(zhì)惡化現(xiàn)象，在我國(guó)北方大量開采地下水的許多大中城市，如北京、石家莊、西安、呼和浩特、新鄉(xiāng)、開封、蘭州等表現(xiàn)得特別明顯。例如，在我國(guó)為數(shù)不多的幾個(gè)以地下水作為惟一供水源的大城市之一的石家莊市，市區(qū)大部分范圍內(nèi)的孔隙潛水，在60年代中期大量開采地下水的初期，礦化度一般僅為0.3～0.4g/L，總硬度一般為13～15德國(guó)度（扇間地帶，因徑流條件較差，其礦化度和硬度較高）；而到80年代中期，大多數(shù)地區(qū)的礦化度已上升到0.5～0.8g/L，硬度上升到17～25德國(guó)度。在地下水開采強(qiáng)度最大的區(qū)域地下水降落漏斗中心地段，礦化度達(dá)到了0.85～1.0g/L，個(gè)別點(diǎn)上已大于 1.5g/L，硬度達(dá)到30～33德國(guó)度，個(gè)別點(diǎn)上達(dá)到64.6德國(guó)度。另?yè)?jù)河南省第一水文地質(zhì)大隊(duì)監(jiān)測(cè)資料，新鄉(xiāng)市區(qū)的孔隙潛水在1984～1989年的5a內(nèi)，礦化度和總硬度均隨著開采量的增加和區(qū)域地下水位降落漏斗的加深而迅速上升。每年，礦化度的上升速率為0.028～0.10g/L，硬度上升速率為0.5～5德國(guó)度。應(yīng)特別指出的是，地下水硬度的大幅度升高，目前已成為北方城市地下水開采過(guò)程中水質(zhì)惡化的一個(gè)主要問(wèn)題。例如，北京市水源七廠，1964年投產(chǎn)時(shí)地下水的硬度為17～18德國(guó)度，1978年則升高到33.1德國(guó)度，平均每年以0.9°的速率遞增。西安市地下水硬度的年增幅為1.03°～3.82°。蘭州市年增幅為1.75°，其中，馬灘水源地帶供水井中的最高硬度值已達(dá)123.5德國(guó)度。據(jù)有關(guān)部門初步估計(jì)，我國(guó)北方城市，為軟化地下水水質(zhì)，每年需要上億元費(fèi)用。
