探讨区域地面沉降国内外研究现状.docx

1、探讨区域地面沉降国内外研究现状探讨区域地面沉降国内外研究现状1引言地面沉降是由于地下土层发生压缩变形而使区域性地面标高缓慢下降的一 种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性资源与环境损失 1 。地面沉降影响 范围广，持续时间长，其发育生长常导致地下管线断裂、建筑物塌陷或倾斜、基 础设施损坏， 特别在是一些沿海沉降区， 地面下沉加剧风暴潮灾害和海水入侵的 风险，减弱城市防汛功能，造成耕地盐渍化、地下水受咸潮污染。导致区域性地 面沉降的影响因素非常复杂， 大体可分为自然因素和人为因素。 自然因素包括地 球演化过程中的地质构造活动、 欠固结土层在自重作用下的压缩固结以及海平面 上升引起的相对地面沉降等

2、。人为因素主要包括地下流体资源（地下水、石油、 天然气）和固体矿物开采、地面动静荷载、地下空间开发等。其中，人为因素在 地面沉降生长中作用尤其突出， 特别是过量开采地下水资源引起地下水流场变化， 是引起区域性地面沉降的最主要因素。由于成因机制复杂，地面沉降治理难度大， 已成为备受关注的重要地质灾害， 给世界各沉降区域和国家带来了巨大的经济损失。 据文献资料记载， 中美洲墨西 哥城于 1891 年最早发现地面沉降现象，但当时沉降量微小，危害性未显现，且 将其归因于地壳板块运动等自然因素， 没能引起足够重视。 但现在该城市已经形 成大面积区域性沉降区，平均沉降量达到 0.3cm/a ，最大累计沉降

3、量超过 7.5m。 之后，日本于 1898 年在新泻发生因人为因素引起的地面沉降，至 1958 年地面 沉降速率已达到530mm/a2。上世纪50年代后，随着城市化进程的加快，地面 沉降在世界范围内普遍发生，到 1995 年美国 50 个州均发生地面沉降，年均控 制成本达 4 亿美元 3 。我国自 1921 年在上海首次发现抽水地面沉降以来，目 前已有 96 个城市和地区发生不同程度的地面沉降，且 80%分布在经济发达的沿 海地区 4 ，其中最为严重的长江三角洲地区（含上海、苏锡常、杭嘉湖），总 沉降面积达26830km2跨省区过量开采地下水已使该区形成一个巨大的地下水 降落漏斗，地面沉降也相

4、应地呈现大面积区域性扩展 5 。此外，泰国曼谷、意 大利拉文纳、伊朗伊斯法罕、印尼雅加达等全球 60 多个国家和地区都在饱受地 面沉降带来的危害和困扰。地面沉降给人们的生产和生活造成了极大的不便， 并引发一系列资源、环境、 经济以及社会问题。 迫于地面沉降问题的严重性， 各个国家的政府和学者都积极 开展包括成因机理、沉降量监测、沉降发展过程模拟预测等地面沉降科学研究。 联合国教科文组织（UNESCO还专门成立了地面沉降工作组， 并联合国际水文科 学协会（IAHS）以及其它一些组织机构分别于1969年、1976年、1984年、1991 年、1996年、2000年和2005年在日本东京、美国阿那纳

5、海姆、意大利威尼斯、 美国休斯顿、 荷兰海牙、 意大利拉韦纳和中国上海召开七届地面沉降国际学术研 讨会，对许多国家或地区的地面沉降监测、研究和防治产生了深远的影响 6 。第八届国际地面沉降会议也拟定于 2010 年 10 月在墨西哥举办。总之，开 展广泛而深入的地面沉降研究， 对政府及相关机构及时发现潜在隐患、 拟定合理 的防治措施、保障经济社会与生态环境可持续发展方面具有重要意义。2国内外地面沉降研究现状地面沉降作为一种普遍存在且有由来已久的地质灾害， 受到各国学者的广泛 重视，由此开展了大量有关地面沉降监控理论及技术的科学研究工作， 使得部分 区域的沉降生长得到有效控制。 随着计算机技术的

6、不断发展、 相关学科的进一步 融入以及一批高新技术的出现， 区域地面沉降研究从广度和深度上都有了较大的 推进，目前主要集中在地面沉降的成因机制、 地面沉降的监测技术 （特别是卫星 测量及雷达干涉测量的应用）、地面沉降的模拟及预测、地面沉降灾害评价、地 面沉降治理及缓解措施等重要方向。2.1地面沉降的成因机制地面沉降发育是受多重因素综合影响的复杂过程。 如上海市城市建设的沉降 影响约占地面沉降总量的 30%，是上海地面沉降另一重要制约因素 7 。天津地 区的构造沉降基本年速率为1.3 2.0mm是一个背景性的长期性的过程8。人 们将这种受自然因素和人为因素共同作用的地面沉降称为广义地面沉降 9,

7、 10 ， 但考虑到自然沉降在沉降总量中的微弱比重， 实际研究中多只分析人为地面沉降。2.1.1开采地下水引起的地面沉降 世界上广泛存在因超量开采地下水资源而引发的地面沉降现象。 据调查，美 国 80%以上已确定的地面沉降是人类抽取地下水的结果 11 ，我国因抽水而导致 的地面沉降已遍及 17个省市，总沉降面积达七万平方公里 12 。监测显示地面沉降量与地下水位下降幅度呈高度正相关， 地面沉降分布范围 与地下水位降落漏斗基本吻合， 而且地面沉降发育和生长的过程与地下水的开采 过程基本保持一致或滞后一个时段。 一般而言，地面沉降的发展都经历过缓慢沉 降、显著沉降、急剧沉降等几个阶段，与同期地下水

8、少量、大量、超量开采几个 阶段相对应。 在开展压缩开采量、 人工回灌等治理措施之后， 随着地下水位逐步 恢复，沉降速率减小。特别是人工回灌地下水， 可能引起地面在一段时间内回弹。地面沉降是渗流场变化和地层应力重分布的过程 13 。过量开采地下水会引 起松散地层大量释水， 造成含水层水位下降， 孔隙水压力减小， 同时含水层水位 的下降也会影响相邻弱透水层水场的稳定， 引起弱透水层水位下降， 从而弱透水 层孔隙水压力也减小。 根据太沙基的有效应力原理， 在土体总应力不变的情况下， 这部分减少的孔隙水压力必然转化成土骨架承担的有效应力。 故最终有效应力增 加，引起土层压密，表现出地面沉降。地面沉降量

9、主要来源于弱透水层 （黏性土层）压缩变形和含水砂层压缩变形， 对弱透水层和含水砂层变形特征的研究是抽水地面沉降机理研究的重要内容。 黏 性土的变形具有塑性变形和蠕变的特点， 而砂性土的变形特征较为复杂。 薛禹群 等试验表明， 不同的砂性土在不同的应力条件下会有不同的表现， 有的表现为弹 性变形，有的表现为非线性变形， 压缩变形以塑性变形为主并包含有蠕变是它变 形的基本特点 5, 12, 14 。所以砂土层变形也存在迟后效应。发生地面沉降的地区一般都是由岩性不同的多种土层 （如砂土层、 黏质土层 等）组成，各土层的沉降量不仅与土层自身特性（如压缩性）有关，还与土层的 厚度以及地下水的采灌格局有关

10、。 压缩性小的砂性土层如果厚度大， 也会引起较 大的沉降。 抽采和回灌水的状况影响地下水位的变化， 导致土层经历不同的应力 路径和应力历史， 进而使土层表现不同的变形特征。 薛禹群等研究了上海土层在 5 种地下水位变化模式下的变形特征 15 。对于大面积区域性地面沉降， 由于水文地质背景复杂， 各土层的变形特征不 可一概而论。研究区域性地面沉降的成因机制需要将不同的水文地质单元分离出来分别 研究，试验证明相同的水文地质单元在不同的时期由于地下水位的不同也可能表 现出不同的变形特征 5 。2.1.2地面建筑荷载引起的地面沉降近 20 年来，城市建筑物高层化和密集化趋势明显， 地面荷载急剧增大，

11、逐 渐成为城市地面沉降新的重要制约因素。研究发现，大规模城市建设使上海 1989-1995 年间的平均沉降率比 1972-1988 年间的平均沉降率增长 3 倍 7 。城 市建设的规模及其增长速度直接导致工程性地面沉降的同步增长， 且建筑密度越 大，容积率越高，地面沉降越明显 16 。在地面建筑荷载的作用下， 土体产生附加应力， 导致持力土层变形并伴随瞬 时沉降，这一般发生在施工阶段瞬时完成。 之后运营期间， 土体的超静水压力迫 使土中水产生流动的渗流（形成了水头差），土的孔隙比改变。随着时间推移， 土的应力应变关系不断改变， 土的固结逐渐趋于稳定。 故饱和土体在外荷载作用 下的沉降过程包含有

12、瞬时沉降和固结沉降。通常，单体建筑荷载引起的基础变形是浅部的和局部的， 历时时间较短， 危 害性也有限。但对于高群体集中建筑物荷载， 由于在基底一定深度处产生附加应力的叠加， 其对地面沉降的影响也表现出相邻建筑的单体基础变形的相互叠加， 因此在一定 的地质条件下，可能诱发大面积区域性地面沉降 17 。针对上海城市建设对地面沉降的影响，沈国平、王莉（ 2003）通过对典型地 区调查研究认为地面沉降与建筑规模、 建筑容积率、 集中建设或分散建设、 新增 建筑等均存在关联关系。介玉新等 （2007）提出了等效影响荷载的概念， 并据此较好的分析和解释了 上海大面积建筑荷载引起的地面沉降的现象。 唐益群

13、等 （2007）对密集高层建筑 物群诱发的地面沉降叠加效应及其影响范围展开了初步研究， 为防治因密集建筑 荷载引发地面沉降提供了有益的参考。2.2地面沉降监测技术 长期、连续地进行地面沉降监测是准确把握地面沉降生长趋势及时空分布规 律的前提与根本。常规地面沉降监测主要依靠重复水准测量，同时设置基岩标、 分层标以掌握不同深度地层的变形情况。 常规方法测量精度高， 且实施灵活， 在 范围较小（8km的城市地面沉降监测中十分受用， 但在进行大面积区域性地面沉降监测时，因作业周期长、实时性差、资源耗费大等固有缺陷而显得效率低下。随着空间测量技术的发展，地面沉降监测手段日益先进，使得准确、迅速、 大面积

14、监测地面沉降成为可能。2.2.1全球定位系统（ Global Positioning System,GPS ）GPS测量技术具有高精度、全天候、自动化监测的优势。自 20世纪90年代开始，各国都相继开展了利用 GPS大地高变化量反映地面沉降的研究，如美 国于1992 年在加利福尼亚州莫哈韦沙漠的 Antelope 山谷建立第一个地面沉降 GPS监测网，用以确定水准桩标的沉降变形，伊朗也于1998年开始运用GPS技 术对 Rafsanjan 平原抽水引起的地面沉降状况进行评估。早期的地面沉降 GPS 监测多用来快速、粗略确定沉降地区，以方便后续精确的连续测量 11 。随着GPS数据处理方法研究的

15、加深以及相关软硬件的升级， GPS高程分量精度已大幅度提升至毫米级。实验表明，在技术适当的条件下，GPS测定的大地 高的精度可稳定在土 2mm左右，对地面沉降的分辨率可以达到 3mm18。这证明 了 GPS监测地面沉降的可行性与可靠性。目前 GPS精密定位技术已经逐步取代 区域性水准测量而得到普遍应用，是区域性地面沉降监测网络的重要组成部分， 为世界各沉降区域（如墨西哥 Aguascalientes19 、意大利 Venice20 、印尼 Jakarta21 、中国上海 18 、天津22 、西安23 等）的地面沉降研究工作积 累了大量具有高精度高时间分辨力特征的基础数据资料。2.2.2合成孔径

16、雷达干涉测量（ Interferometric Synthetic ApertureRadar,InSAR)InSAR 技术具有全天候、 高精度和一定的对地穿透力等特性， 且具有极高的 空间分辨力，能获取连续地表位移的详尽空间信息。另外 InSAR 作为一种空基 遥感探测技术， 无需布设地面观测站， 是一种低成本、 高效率的全新对地观测方 法。InSAR技术以传统监测手段无可比拟的优越性迅速获得各国地面沉降学者的 广泛亲睐。基于 InSAR 而发展起来的差分干涉测量( Differential InSAR,D-InSAR ) 主要是利用发生地面沉降前后的两景(或多景)重复轨道 SAR 复数图像

17、来提取仅与地面形变有关的差分相位信息， 在消除干涉相位的地形因素影响后， 理论上 可以监测毫米量级的地面沉降 24 。目前, 基于 D-InSAR 的地面沉降监测已取得 许多成功应用：Jin Baek等运用JERS-1卫星1992-1998年间获取的23景干 涉图像对韩国 Samchuk 煤矿地面沉降进行了分析，显示该地区发生显著地面沉 降，最大沉降量为22cm.25 ； V.Akbari等对ENVISAT卫星2004-2007年间伊 朗Mashhad山谷的17景SAR影像数据进行差分干涉测量处理，获取了该地区 地面沉降的时间演化信息 26 ；此外，我国上海 27 、苏州28 、天津29 、西

18、 安30 等地也都相继开展了地面沉降 D-InSAR 监测技术的研究与应用。由于 D-InSAR 方法受时间去相关和空间基线去相关导致的干涉相位噪声以 及大气延迟等因素的干扰会造成干涉质量下降， 为弥补其不足并提高精度， 近几 年又发展起来了一种高级 D-InSAR 方法基于永久散射体的雷达差分干涉测 量(D-l nSAR Based on Perma nen tScatters,PS-l nSAR)，其基本思想是在一组时 间序列的SAR图像上识别出在长时间间隔内仍保持高相关性的 PS点，这些离散的PS点可构成一个“天然的GPS监测网”，经过消除大气干扰和 DEM误差影 响后可以在这些 PS

19、点上高精度地估算时间序列的地表形变量 24 。PS-lnSAR 的发展与应用是大面积、高精度监测地面微弱变形的技术革命， 在区域性地面沉降监测中具有广阔的应用前景和不可替代的优势。 当前我国在这 一方面的研究已取得一定的进展 31, 32 。目前，地面沉降监测手段呈现多极化综合发展的趋势， 各种监测方法相互补 充、相互检核，保证监测成果丰富、可靠。我国长江三角洲以及华北平原等区域 都已布设区域地面沉降监测网络，包括地面沉降监测水准网、地面沉降 GPS监测网以及地下水位(水量)动态监测网，当然 lnSAR 作为一种重要监测方法已 经进入实用阶段， 这些丰富的监测手段提供了大量的多源观测数据， 为

20、进一步研 究和掌握区域地面沉降成因机理以及时空演化规律提供有力可靠的数据支持。 GPS/lnSAR 融合技术，由于综合了二者优良性能，前景诱人 33-35 。2.3 地面沉降模拟及趋势预测地面沉降模型是地面沉降研究的重要内容， 抽水引起地面沉降的过程模拟及 趋势预测是当前模型研究的重要方面。 国内外很多学者针对不同的水文地质条件 及地下水采灌状况， 提出了许多不同的地面沉降模拟预测方法， 概略分类为： 确 定性模型、随机统计模型、人工智能模型。2.3.1 确定性模型确定性模型基于抽水引起地面沉降的成因机制， 描述水的渗流情况 （渗流场 模型）、土的变形特性（应力场模型）以及土与水的相互作用（二

21、者耦合）。通 常确定性模型又称为土水模型。1渗流场模型：要求有再现地下水系统的能力，能真实刻画实际地下水系 统中发生的物理过程 36 。该模型主要分为经验模型、二维模型、准三维模型、 三维模型。 其中准三维模型将含水层的地下水作水平渗流， 粘土、亚粘土层中的 水流作一维垂向渗流处理。 我国上海 37 和天津38 早期所建立的地面沉降模型 均为此类模型。三维模型由于将含水层和弱透水层中的地下水均作三维渗流处理， 可较好地刻画地下水流场的真实状态，但数据参数要求高。2应力场模型：根据土层的固结特征，应力场模型简单分为线弹性模型、 非线性弹性模型和流变模型。 线弹性模型简单认为土层的应力应变关系符合

22、胡克 定律，计算量较小，应用较多 37, 38 。非线性弹性模型和流变模型分别考虑到 了土层固结的非线性及蠕变特性， 较符合实际土体非线性、 非弹性及各向异性特 征。在土的固结过程中，流固耦合效应会导致土中孔隙比变化及渗透系数变化， 进而影响地下水的渗流和土体的固结， 所以地面沉降数值模拟必须考虑渗流场和 应力场间的耦合模式。按照渗流场和应力场结合方式， 地面沉降模型可分为： 两步计算模型、 部分 耦合模型和完全耦合模型 36 。 两步计算模型：先由渗流场模型求出水位或水压，作为应力场模型的边 界条件，在进行沉降计算。两步模型计算原理简单，所需参数少，但它只限于计 算一维垂向变形，且不考虑抽水

23、过程中土层渗透性和贮水性的改变。我国上海、 天津建立的地面沉降模型都采用此耦合方式 37, 38 。 部分耦合模型：在两步基础上，考虑到土体的固结导致土中孔隙比、土 的压缩性及透水性的动态变化。 如冉启全和顾小芸 1998 年建立的三维渗流与一 维固结部分耦合地面沉降模型 39 。3完全耦合模型：完全耦合模型基于著名的比奥 （Biot） 固结理论，考虑孔 隙水压力的变化对土体变形的影响以及土体变形对孔隙水压力的影响， 将渗流场 模型和应力场模型统一于相同的物理空间 40 。该模型的地下水流和土体变形既 可以是一维的，也可是二维、三维的，不仅反映地面沉降，也能反映土层的水平 位移。如骆祖江等建立

24、的吴江市浅层地下水开采与地面沉降控制三维全耦合模型41。完全耦合模型涉及的参数复杂， 计算量大， 目前在大面积区域性地面沉降 数值模拟和预测中的研究还需要进一步加强。2.3.2随机统计模型地面沉降是多因素影响下松散土层压缩固结的结果， 其发育生长亦表现出随 机性、趋势性及周期性。 当确定性模型难以准确建立时， 构建基于大量监测数据 的随机统计模型也是行之有效的方法之一。 常用的随机统计模型有回归分析模型、 时间序列模型和灰色模型。回归分析模型采用拟合数学关系式表达输出变量与 (多个)输入因子间的相 关关系，其拟合和预测精度与样本容量大小有关。 Mizumura 和 Kazumasa 运用 回归

25、方程模型研究了地面沉降量与历史沉降量、 地面水位及降雪量间的关系， 并 对日本强降雪地区未来 1-2 月的地面沉降生长趋势进行预测，取得了良好效果42；潘云等建立了天津市区地下水开采量 -沉降量、地下水位 -沉降量的线性回 归方程，并预测了以后 9 年的地面沉降发展情况，结果显示可靠 43 。回归分 析模型计算简单， 无需确定沉降区域的水文地质参数， 但该模型的准确建立需要 立足于大量监测数据之上，且所建模型不能反映地下岩土介质的本构关系。时间序列分析通过时间序列的历史数据揭示现象随时间变化的规律， 并将这 种规律用数学模型加以表达， 通过模型将这种规律延伸到未来， 从而对对象的未 来状态作出

26、预测。XiaLinyuan等研究显示运用ARMA模型模拟和预测工程引起 的地面蠕变具有较好的适用性 44 。焉建国等利用自回归模型对上海地面沉降进行了拟合和推估，结果显示AR(4)模型能较好地反映上海地面沉降的变形趋势45。灰色模型提供了贫信息情况下解决系统问题的新途径。 它根据各因素之间发 展态势的相似或相异程度来衡量因素间的关联程度， 无需太多样本量和典型的分 布规律。该模型已经运用于上海 46 、天津47 、台湾 48 、苏州 49 、洛阳 50 等地的地面沉降预测当中。2.3.3人工智能模型广义上讲，人工智能 (Artificial Intelligence, AI) 就是用计算机模拟

27、和再现人类的某些智能行为 51 。 20 世纪 90 年代以来，人工智能模型随着计算 机技术的飞速发展而取得重大突破， 并在处理大规模复杂系统中出现的组合爆炸、 非线性、高维、多峰值、不连续、非凸性及带噪声等难解问题时，表现出常规统 计模型无可比拟的通用、稳健、简单、并行处理等优越性能 52 。目前运用较广 泛的人工智能模型有： 以大规模非线性、并行分布式处理为特色的人工神经网络、 擅长于自适应全局优化的遗传算法及擅长于模拟智能行为的模糊计算。 鉴于人工智能模型的优越性， 地面沉降学者已经将其用来研究地面沉降的生 长趋势，并取得一定的效果，为地面沉降的治理提供了理论依据。 Hung-Zi CH

28、EN 等采用人工神经网络模型对台湾 Pei-Kang 地区的地面沉降进行预测， 结果显示 预测误差可达到 1cm53 。王忠忠、钱为民构建了上海高桥地区的径向基神经网 络模型，并对 1990-2010 年的地面沉降进行了预测 54 。李红霞等建立了基于 混沌优化 BP 神经网络的地面沉降预测模型， 结果显示具有较高的拟合精度和较 强的泛化能力 55 。2.4 地面沉降治理及减缓措施地面沉降是一种累进式的地质灾害， 严重障碍人类经济及社会的可持续发展， 必须采取地面沉降治理及减缓措施防止其恶性生长。 早期的地面沉降防治措施多 趋向于从社会经济角度出发， 如压缩或限制地下水开采量、 调节地下水开采

29、层次 和人工回灌 （固体或液体 ）等。随着地面沉降的不断发育及区域性扩展， 人们越来 越注意到地面沉降必须从技术、行政、社会、经济、法律、政治等多方面进行系 统综合考虑 1 。上海 2006 年颁布了上海市地面沉降防治管理办法，使地 面沉降治理及减缓工作上升到行政高度。 技术措施是开展地面沉降综合治理工作 的理论依据， 近年来取得了一些重要进展， 如上海和苏锡常地区逐步建立起统一 的地面沉降监测网络， 加强了各种监测资料的交流和共享， 这对了解区域地面沉 降整体分布规律和生长趋势以及提出综合、 协调的治理措施相当有利 5 。此外， 加强科普宣传、提高全民节约水资源及保护地质环境的意识也是地面沉

30、降治理工 作的重要方面。3结语区域地面沉降作为一种全球普遍存在的重要地质灾害， 国内外许多学者已经 对其进行了大量广泛而深入的研究， 为地面沉降综合防治提供了丰富的理论依据。 本文对当前国内外地面沉降研究中的成因机制、 监测技术、 模拟及预测模型、 防 治措施等 4 个重要方向进行了全面而系统的论述。然而必须指出的是，当前对 区域地面沉降的研究多是针对抽水 （ 引起） 地面沉降而展开的， 对于其它次要因素 如动静荷载、工程建设以及土体自重应力等引起地面沉降的成因机制及数学模型 的研究，还远远不够深入。参考文献1郑铣鑫 , 武强, 侯艳声, 等. 关于城市地面沉降研究的几个前沿问题J. 地球学报

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