城市地下水开采引起地表沉降关系论述

何连富 朱波 张学钊

【摘要】地面沉降是指地壳表面在自然力的作用下或人类经济活动影响下造成区域性的总体下降运动。可以给人民生活造成严重的危害，对工农业生产，交通运输和城市建设产生重大的经济损失。本文通过对某些城市地下水的开采与地表沉降的研究，论述了二者之间的关系，并讨论如何利用GPS获取动态监测数据。

【关键词】地下水开采；地表沉降；动态监测；GPS

中图分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：

1 地表沉降

1.1 地表沉降的涵义

地表沉降系指地壳表面在自然力作用下或人类经济活动影响下造成区域性的总体下降运动。其特点是以向下的垂直运动为主体，而只有少量或基本上没有水平方向位移。其速度和沉降量值以及持续时间和范围均因具体诱发因素或地质环境的不同而异。目前国内外工程界所研究的地表沉降主要是指由抽取液体（以地下水为主，也包括油、气）所引起的区域性地面沉降。本文的地表沉降是指我国《岩土工程勘察规范》中规定的：在较大面积内由于抽取地下水引起水位下降而造成的地面沉降。

1. 2 地表沉降的危害特点

(1）沿海、沿江城市区域潮水上岸，潮水可能漫溢市区的道路、工厂、商店及村庄、农田，经济损失严重；

(2）城市下水道排水不畅，降雨积水成灾，发生大面积内涝灾害；

(3）河道桥下净空减少，过航能力降低，影响交通运输；

(4）城镇区内，建筑物由于地面沉降影响产生不均匀变形，危及稳定安全；

(5）既有河海堤坝或防汛墙，其防洪朝的能力降低，致使城市抵御自然灾害的能力降低；

(6）港口码头失效，作用功能降低；

(7）道路设施以及地下管道遭受破坏；

(8）地下水取水设备失效。

1.3 地表发生沉降的原因分析

1.2.1 自然因素分析

（1）新构造运动可使地面随基底面升降

（2）强烈地震对地表沉降的影响

（3）土层的天然固结

1.2.2 人为因素分析

（1）抽取地下气、液体的影响

因各种目的而进行的浅层疏干排水和抽取深层的气、液体，使地层内的气、液压降低，土粒间的有效应力增加，地层压密，形成区域性碟形洼地。这种因抽取地下水而形成的地表沉降，是地表沉降现象中发育最普遍，危害最严重的一类。由于城市的快速发展，对地下水的需求急剧增加，因此地下水的开采量也成倍的增加，由此引起的地表沉降成为了当前城市地面沉降的最主要因素。

（2）大面积地面堆载的影响

分布有巨厚的高压性淤泥和淤泥质土的低洼地区，随经济建设的开放，需在洼地上大面积的堆填。其软土在堆载荷重的作用下，产生一堆压缩固结，可形成地区性的地面沉降。此类沉降，受场地软土的工程特性、层厚和堆载大小的控制，是构成滨海平原城市总地表沉降的一个组成部分，是不容忽视的。

1.4 地表沉降发生的机理

地下水经过抽水后使地层压密，是由于含水层水位下降引起土层中空隙水压力降低，颗粒间有效应力增加的缘故。因此，有效应力原理使抽水引起土层压密。

图1 抽水后土层有效应力的增加

图（1）中P为土层的总压力，c为抽水前的有效应力，b为抽水前的孔隙水压

力，抽水前上述诸力处于平衡状态，即

P = c + b(1.1)

抽水后随着水压下降了a，土层中孔隙水压力随之下降，颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总压力基本保持不变，故此下降了的a值即转化为有效应力增量。

P = ( c + a ) + ( b – a )(1.2)

在大多数情况下可以认为这种压密是一维的。压密的时间延滞将随土层的透水性而异。

2 地下水开采与地表沉降的关系

2.1 城市地下水位变化信息与地表沉降信息的采集方法

（1）地下水位变化信息的采集方法

地下水位数据是利用城市水利部门的地下水位测报记录,在地形图上绘制出地下水位等值线图,地面上同点不同时期的地下水位差即为地下水位降低量W。

（2） 地表沉降信息的采集方法

地表沉降数据根据城市测量部门定期的水准复测原始记录(非最终平差后的结果)获取,要求城市测量部门在水准点复测过程中必须按国家3等水准测量(含3等)以上的精度进行。水准点复测的基准点必须是远离城区的岩基国家水准点,基准点的个数不得少于3个,当基准点间高差符合基准点稳定判别准则的要求后，取其中1个基准点作为最终基准点(即城市水准点的高程起算点)。若城市周边无岩基水准点应自己埋设岩基水准点,岩基水准点最好直接嵌固在基岩出露地区的岩石上。根据水准复测原始记录及高程起算点高程获取城区各水准点的真实高程H′,同一水准点不同复测期的高程差即为该水准点处的城市地表下沉量h′,根据城市地表下沉量h′即可绘制出城市地表下沉等值线图,在等值线图上即可以确定城市任一位置的地表下沉量h。

（3） 分析用数据点的选择方法构建地下水位变化与城市地表沉降数学模型(简称数学模型)时采用的数据点一般选择在周边没有大的景观改变位置(即在数据分析年限内基本没有土方工程、土建工程和拆迁工程),数据分析年限是指从资料收集开始到资料收集结束期间的时间跨度,也就是说数据点应位于未改造的老城区内。

（4） 地表沉降监测与地下水位监测的匹配数学模型构建采用的数据必须是同期的地表沉降监测结果和地下水位监测结果,也就是说地表沉降监测与地下水位监测必须同步进行。同一数据点(坐标相同)不同年份同步地表沉降监测与地下水位监测结果,即构成该数据点的数据分析链。

2.2城市地下水位降低与城市地表沉降关系的数学分析

利用计算机模拟的方法得出地表沉降与地下水位降低的关系

h=2.7113 ** ln(W/100+1)+0.0031 (2.1)

式中,h为地表沉降量(单位为m),W为地下水位降低量(单位为m),E为地表到硬岩间土层的加权平均压缩模量(单位为MPa),d为地表到硬岩间的铅直距离(即地表到硬岩间的土层厚度,单位为m)。参见下图2：

图2 城市地表沉降相关示意图

在上式中

E =/ (2.2)

=d (2.3)

式中Ei为各土层的压缩模量,di为与对Ei对应的土层厚度。

2.3 GPS技术用来观测地表沉降的原理

2.3.1 GPS的系统组成及其测量坐标系统

（1）GPS定位技术的发展

GPS是全球定位系统(global positioning system)的英文缩写，它是随着现代化科学技术的发展而建立的新一代精密卫星定位系统，指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。在利用人造地球卫星进行测量的初期，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，由地面的观测站对卫星的瞬时位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网。同时也利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距网。用以上两种观测方法，均可解决常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题。

（2）GPS定位系统的组成

GPS系统主要由三大部分组成，即GPS卫星星座(空间部分)、地面监控系

统(控制部分)和GPS信号接收机(用户部分)。

（3）GPS测量坐标系统

GPS定位技术是通过安置于地球表面的GPS接收机，同时接收四颗以上的GPS卫星信号来确定地面点位置的技术。观测站固定在地球表面，其空间位置随地球自转而变动，而GPS卫星围绕地球质心旋转且与地球自转无关。因此，在卫星定位中，需要研究建立卫星在其轨道上运动的坐标系，并寻求卫星运动的坐标系与地面点所在坐标系之间的关系，实现坐标系之间的转换。

2.3.2 用GPS监测地面沉降的可行性

随着测绘学科的发展，测绘仪器越来越精密，各种仪器功能更加完备，测量与数据处理方法也更加多样，使得数据结果误差更加微小，精确度更高。与此同时，计算机技术和程序设计方法的发展，面向过程的结构化程序设计方法已经逐渐落后于应用软件开发的需要，传统的手工作业正在被计算机所取代。

GPS定位技术以其效率高、精度高、实时性强等诸多优势对常规测量技术产生了极大冲击，作为水准测量的代替和补充,GPS大地高程测量正在成为高程测量的一种重要形式和手段。在滑坡、地震、地裂缝等地质灾害监测方面得到广泛应用，它的平面相对定位精度已达到了0.1~1×甚至更高。而传统的精密水准测量周期长,经费高。根据GPS测量测得的大地高变化代替水准测量点，则能根据GPS测量测得的大地高变化代替水准测量点的沉降值、其可靠性及精度如何等有关问题已得到解决。

3 对观测数据的处理

3.1 对数据进行处理的原理以及成果计算方法

不同的GPS接收机安置在不同的地面点上，经过测量，不同点的地表沉降量、地面水平移动量，以及地表变化的速度是有所不同的，将这些GPS控制点连接起来，即可以展现为各类不同的曲线图。计算地表沉降量、地表沉降速度、地面点水平位移等各项数据的计算方法如下：

（1）地表沉降量的计算 （方法见2.1.3）

（2）各地表沉降观测点的移动和变形计算

利用GPS接收机可以获取地表观测点的坐标（，），和高程（），然后据已知两观测点确定的GPS控制网边进行归算，从而获得该测点的横向和纵向水平位移值。

各点移动和变形按以下公式计算：

1）m次观测时n点的下沉

Ｗ＝Ｈ－Ｈ （3.1）式中：Ｗ——n点的下沉值，单位：mm；

Ｈ、——分别为首次和m次观测时的高程，单位mm；

2）n号点的水平移动

（3.2）

式中：——表示n点的水平位移，单位：mm

（，）——表示m次观测时n点的坐标；

（，Y）——表示第一次全面观测时n点的坐标；

——表示水平移动方向的方位角。

3)n号点的下沉速度

（3.3）

式中，——分别表示次和次观测时（即前后量词观测）n点下沉值；t——两次观测的间隔天数。

4 城市地面沉降的防治措施

4.1 加大教育宣传力度,提高全民的防灾减灾意识

首先要不断加强环境保护宣传,加大2004年3月1日实施的“地质灾害防治条例”的宣传贯彻,唤起全民的防灾减灾意识,使防灾减灾和环境保护成为全民的共识,这是防治和减少各种人为环境地质灾害的根本前提;其次要建立健全保护地下水资源的管理机构和各项制度,严格依法管理,做到保护和合理利用地下水资源;调整地下水开发利用思路,实施地下水资源的可持续利用。

4.2 实行限量开采地下水

在城市规划布局时,根据地下水的分布、可开采量等因素规划工业区及生活区,并根据需求进行地下水资源分配,做到有计划的开采地下水。

4.3 建立城市地表沉降观测系统

地面沉降观测包括两个过程:一是建立水位模型,即确定含水层水位与开采之间的关系;二是建立土力学模型,计算由于含水层水位变化引起的粘土层与含水层本身的变化规律。若能借助于人工智能和决策系统,可建立一个理想的地面沉降专家系统,增加决策的科学化水平。

4.4 人工回灌补给地下水

对地下水过量开采的地区,为了促使地下水位回升和控制地面下沉,采用地表水人工回灌补给地下水是一种有效的办法。上海市从1965年起实施地下水人工回灌,累计回灌水量达到6亿,目前年平均沉降量不到历史上最高年均沉降量的10%,有效地控制了地面下沉。

4.5 调整地下水开采层次

造成地面沉降的主要原因是地下水的集中开采(开采时间集中,地区集中,层次集中),因而适当调整地下水的开采层次和合理支配开采时间,能有效地控制地面沉降。如上海市在市区有利地段增凿第四、五含水层和岩溶裂隙含水层深井,代替部分第二、三含水层抽水井,不仅有效改善了用水紧张状态,而且在一定程度上控制了地面下沉。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。