華北華東多城市的地面沉降之困
2011年11月11日
華北平原在下降、長江三角洲的一些地方、汾渭盆地也在下降,地面沉降的范圍還在擴大。不能承重的土地之下,是急遽下降的地下水水位。而如何控制地下水的過度攫取,又牽涉到多個部門,成為社會治理的一個難題。
華北沉降:地下水危機調查
上升的經濟和下沉的地面,是河北滄州的兩個標簽。
新建的高鐵滄州站造型像一艘揚帆的大船,將這個渤海邊上地級城市的野心彰顯無遺。站前馬路即是當地政府要打造的“滄州長安街”,雙向8車道新鋪設的道路,并沒有太多的車輛往來,但路兩邊已經矗立起一座座新落成和尚未完工的龐大建筑。
“十一五”期間,滄州經濟在河北省內從中游水平沖到了前三名。但承載這個正在擴張和上升的城市的,是在沉默中緩緩沉降的土地——從1970年代以來,滄州地面平均沉降了2.4米,是中國地面沉降最嚴重的地區之一。引發地面沉降的罪魁禍首,是地下水超采引起的水位下降。
滄州是華北平原上缺水城市的代表。水文地質研究人員把太行山以東、燕山以南、黃河以北的這一片土地稱為狹義上的華北平原。在這片14萬平方公里的土地之下,幾十米至幾百米深處所埋藏的地下水,維持著北京、天津、石家莊3個人口千萬級的大城市,和以它們為核心的華北城市群的運轉,并滿足著中國糧食主產區之一的龐大用水需求。
水都到哪兒去了
在滄州東部的王大本村,村民黃平榮拿出準備好的一截舊電線,將兩只灌滿水的大桶固定在三輪車上,防止它們在路上歪倒漏水。老黃如此小心翼翼,是因為這兩只大桶里裝的,是他們一家四口3天的飲用水。
王大本村所在的黃驊市,是整個滄州最缺水的地方。這里不僅河道干枯,且由于靠海,地下水全部都是咸水。幾年前,村子里建了苦咸水淡化站,對從200米深井打上來的咸水進行處理,以解決吃水問題。
盡管地名里有個帶水的字,可是滄州現在最缺的就是水。40歲的滄州市水務局水政水資源科科長崔英龍記得,在他小時候,滄州還發過洪水,可到了上世紀80年代,滄州地界的所有河道就已經都沒有水了。
不僅滄州,實際上,從1980年代開始,整個華北平原上的所有河道里幾乎都沒有水。在中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心研究員沈彥俊的電腦上,保存著1980年和2010年的華北平原衛星地圖。兩張地圖上,該地區所有的河道都顯示為白色,即為干涸。
為什么會沒有水?崔英龍給出的一個答案是上游修建了很多水庫,將水都攔截了。建國初期,華北平原曾多次發生洪災,于是,政府決定在此大修水利。到今天,華北平原上共有大大小小的水庫2000多座。
就以滹沱河為例,該河發源于華北平原西部的太行山脈,一路蜿蜒向東,在滄州入渤海。它的上游,有兩個大型一類水庫,分別為庫容量12億立方米的黃璧莊水庫和15億立方米的崗南水庫。滹沱河流到太行山腳下的石家莊時就已經沒有水了,更不用說地處最東端的滄州。
而即使是值得稱道的蓄洪作用,在黃平榮的眼里也并非如此。滄州地質屬于河流沖積平原與海積平原,東部沿海地區全是鹽堿地。過去,海河與黃河的多次泛濫,給滄州帶來大量的泥沙沉淀,改善了土壤,反而利于耕作。如今,且不說洪水,就連地下水也越來越少,地里的土層越來越薄,不利于耕種,并有海水入侵的風險。
自然原因也無法回避。華北平原一直存在一個20-30年的干旱周期,上世紀90年代時期,整個華北經歷了一個枯水期,滄州的年降水量也從原來的600毫米一度降至300毫米-400毫米。不過這兩年,滄州的雨水比較充沛,又回到了往年平均水平。
但更重要的還是人為因素:城市的發展與工農業用水的增長。在1900年,石家莊不過是幾個大村莊的聯合體,1950年,也不過30萬人口,但到了2011年,石家莊的總人口已暴增至1000萬。
根據崔英龍的描述,滄州的發展策略,是要引導產業往東部沿海地區靠攏,以發揮港口優勢,同時也能更多地利用海水淡化。但實際上,截至目前,渤海新區只有一個日產淡水3萬噸的海水淡化項目,這對于龐大的產業園來說,少得可憐。而據當地知情人透露,政府實際上默許企業在園區里打井。地面沉降監測數據也表明,自2005年滄州市區封停自備井以來,地下水漏斗的中心已開始向滄州東部轉移。
就像華北平原的任何一個區域一樣,農業用水,在滄州更是消耗地下水的“大戶”。
農業能少用地下水嗎?
1934年,統治華北的偽滿政權曾對華北農村做過一次大規模調查,并寫成《華北農村慣行調查》一書在日本出版。書中描述,當時華北平原主要種植小麥、谷子和大豆,耕作制是兩年三熟。而在新中國成立后,為提高糧食產量,華北平原的作物熟制變成了一年兩熟,冬天種小麥,夏天種玉米。
農業產量的提高,除了品種的改善,更多與水肥的大幅增加有關。而在降雨并不充沛的華北,提高灌溉量的唯一途徑,就是大舉開采地下水。
滄州市水文水資源勘測局項目辦主任付學功回憶說,30年前,當地農村一畝玉米的產量不過兩三百斤左右。可現在,由于灌溉水量和化肥用量的增加,一畝地的產量就高達1000斤。
數據顯示,在華北平原,農業用水占到地下水開采量的70%以上。由于水資源的日益緊缺,盡管華北的糧食絕對產量仍在增長,但已接近增長的天花板。在其它地區糧食產量大增的情況下,華北的糧食產量在全國糧食總產量中所占份額卻在下降。在上世紀七八十年代,黃淮海平原的糧食產量曾占全國糧食總產量的30%,到近年下降到約22%,已經下降了10%。
根據沈彥俊的研究,華北平原的農業一年耗水量高達870毫米,而多年平均降雨量只有500毫米左右,這多出來的370毫米,都依賴地下水的補足。如果能夠在經濟效益與生態效益之間找到一個平衡點,適當地少澆點水,對保護華北平原地下水將意義重大。此外,發展農業節水設施與技術也是重要途徑。
“用地下水澆地,這實際上是在拿極為珍貴的地下水來換取一些極為廉價的糧食。”沈彥俊再三地說。他算了一筆賬,打井抽水所耗的電費、化肥農藥的成本,再加上地下水水位下降造成的各種生態影響,以及長期使用過量化肥對土壤地下水的污染,用這些代價只換來糧食的高產量,是極為不合算的。
而令沈彥俊心生無奈的卻是,由于分散的小農經濟體制,像噴灌、滴灌這樣的節水技術,很難在農民中推廣下去。“人們一般只關心眼前利益,覺得我用井水澆地挺好的,為什么還要多花錢來鋪設這些管道?而農業主管部門只關心糧食產量,對水資源保護問題并不感興趣。”
“要讓農民改變灌溉方式,搞節水農業,最有效的辦法莫過于提高用水價格,包括地下水的價格,但這會抬高糧食價格,因此需要政府給予農民補貼。因此,農業節水實際上是個系統工程,很瑣碎,也很復雜,卻長期不受重視,可以說是地下水保護環節中是最難的一環。”沈彥俊這樣認為。
有人直言,嚴重缺水的華北平原已經根本不適合再發展農業。對此,沈彥俊也指出,眼下華北平原應當放棄一年兩熟的耕作制,讓土地有喘息的機會。小麥是高耗水作物,不應再繼續耕種,而應選取某個高產玉米品種作為主要的作物。“但問題是,且不說糧食安全如何保障,華北地區的農民有種植小麥的悠久傳統,你讓他們自己不種麥子,其中黃河以北的華北平原改變了他們不啻面的習慣,這也令他們很難接受。”
下沉的地面如何修復
由于是粘土地質,滄州的地面在均勻地下沉,而不是塌陷,因而生活在這里的人們,平日里并不會感覺到太多的異常,但稍一留心,還是會發現許多細節:穿過城區的京滬鐵路,由于地面沉降,鐵軌下面需要年年墊石,現在軌道已高出地面500毫米;市區里,新修的街道路面要比舊馬路高出一截;市郊佟家花園村的一口機井,井邊的水泥臺面已經開裂、下降了十幾厘米,露出了包裹在里面的水管;每到下雨時,城區里到處都是積水,必須用排水機排水。
付學功介紹說,在上世紀60年代以前,滄州人還能依靠地表水和少量的淺層地下水過活。當時,由于滄州農業的水利化程度極低,農業產量低,且不穩定。1966年,國務院召開了北方8省(市)抗旱會議。會后,滄州提交了合理開發利用深層地下水的規劃報告。在這種形勢下,滄州各縣成立了打井隊,掀起了打井熱潮。而整個華北地下水的開采歷史也與此大致相同。
付學功說,地下水的分布,就像多層夾心餅干一樣,第一層土是第Ⅰ含水層,下面是一層粘土,粘土之下是第Ⅱ含水層,第二含水層下又是一層粘土,粘土之下是第Ⅲ含水層……依此構造,滄州地下共有5個含水層。由于特殊地理環境,當地的第Ⅰ、Ⅱ含水層即淺層地下水,多為咸水或微咸水,只有200米以下的第Ⅲ含水層的水才是淡水。因此,根據滄州水文局2005年的統計數據,盡管淺層井的數量比深層井多出兩倍,但深層地下水的開采量高達8.7億立方米,是淺層地下水的2.4倍。
隨著開采量的增加,井越打越深。尤其是滄州東部,由于淺層地下水都是咸水,所以大部分都是深井,最深的打到500多米。深井成本昂貴,一口200多米的深井就要20多萬。
有數據表明,隨著地下水開采量的增加,1974-2000年間,華北平原地下水位以將近每年1米的速度下降。
由于地下水開采過度,滄州地下已經形成一片巨大的地下水漏斗區。據資料顯示,與40年前相比,滄州地區地下水水位已經平均下降了80米,其中最深的漏斗位于市區,達到負100米。
在華北平原,像滄州這樣完全沒有地表水可用的城市,還有天津。而北京由于開發過度,地下水水位也下降迅速。除京津兩地外,河北省內還有保定、衡水、任丘、南宮、霸州等9個主要地面沉降區。
深層地下水的水位下降,是引起地面沉降的真正原因。這等于把夾心餅干的第3層夾心給抽薄抽空了,上面的粘土層就會自動下壓,形成地面的大面積沉降。
為防止地面繼續沉降和挽救深層地下水,滄州市于2005年開始采取措施保護地下水,在此后的3年時間里,關停了市區里的282眼自備井。這一措施很快取得成效:到2009年底,滄州市區地下水位比2005年平均上升了18米左右。
但地面沉降已然不可修復——即使深層地下水的水位恢復了,地面也不能恢復到原狀。打個比方,如果將一個水桶裝滿富含水的沙子,再在底下開一個小洞,將水放走,把洞補上后,再重新往桶里澆水,沙子也不能恢復到原先的高度。
更何況,即使現在完全停止開采深層地下水,滄州深層地下水的水位也難以恢復到原先的水平。對此,付學功解釋說,深層地下水的補給方式有兩種,一種是躍流補給,即由淺層地下水滲透到下一層;另一種是側向補給,即由旁邊的同一含水組來補給。而滄州淺層地下水也開發較多,已經沒有余力補給下一層地下水,因此,當地深層地下水的補給主要依靠后一種方式。由于華北平原西高東低,地下水的整體補給趨勢是由太行山的山前平原區向東部平原區流動。而到了最東端的滄州,由于坡度減緩,補給的速度也非常緩慢。
實際上,滄州2005年開始的封停自備井之所以取得了顯著效果,與地下水的這一補給原理也不無關系。由于滄州深層地下水水位下降的厲害,就像是一塊全干的海綿,將周邊同層地下水都給“吸”了過來,因此,實際上是加快了側向補給的速度。而隨著深層地下水恢復到一定程度,相當于海綿趨近飽和,吸水的作用也減小了,側向補給的速度也會減慢。
因此,要使深層地下水完全恢復到開采前的水平,需要非常長的時間。至于究竟需要多少年,付學功沒有正面回答,只是感嘆了一句:“現在滄州有的地方用的甚至是1億年前積累下來的地下水啊!”
滄州市水務局水政水資源科科長崔英龍坦承,地下水的事情不好說,“說了恐怕會影響滄州市的招商引資。”北京大學水資源研究中心主任鄭春苗則直言:“地面沉降與地下水的問題,其根本原因還是與經濟發展模式密切相關。”
2009年,石家莊的地下水占到整個城市用水量的50%以上,盡管石家莊市政府在當年就宣布要關停市區自備井,但卻阻力重重,至今進展緩慢。如今,石家莊人的飲用水主要依靠崗南水庫。緊挨水庫邊上的,是中國著名的紅色圣地西柏坡。一個最新的消息是,西柏坡鎮所在的平山縣宣布要建設一個14萬人口的“西柏坡市”。
對此,沈彥俊表示,“一旦西柏坡建市,當地用水量肯定大幅增加,再加上污染問題,到時崗南水庫的水還夠不夠、能不能吃,就要畫一個大大的問號。那么地下水的開采,就更難以控制了。”
華北平原的沉降,還在悄無聲息地繼續。
上海:一個城市在沉降中的自救
蔣明鏡先后在日本、英國和加拿大從事了8年的研究工作之后,2006年決定回中國發展。站在上海黃浦江邊遠望對岸,陸家嘴聳立的摩天樓群令他感到興奮,同時,這位研究巖土力學的專家也相信,發揮自己專業特長的機會應該就在這里。蔣明鏡知道,他腳下的這塊土地是由近千年來長江帶來的泥沙所形成的軟土層結構,數千幢快速建起的高樓在推動上海發展的同時,也會產生一系列的問題——加劇地面沉降便是其中之一。
過度抽取地下水,曾經是造成上海地面沉降的主要原因,然而在采取有效的“控沉”措施以后,如今影響上海地面沉降的另一個原因,是不斷拔地而起的高層建筑。自上世紀90年代以來,高樓林立的陸家嘴地區的地面沉降就達每年12毫米到15毫米。
“樓升”造成的“地降”
雖然早在1934年上海就擁有了總高82米的“遠東第一高樓”國際飯店,但高層建筑數量的迅速膨脹還是近10年的事。數字顯示,上海建于上世紀五六十年代的高層建筑有40幢;建于80年代的有650幢;而90年代十年間就興建了2000多幢,其中百米以上的超高層建筑有100多幢。自1993年以來,上海平均每天“站”起一座高樓,目前高層建筑已有七八千座。
上海的軟土層地表具有“含水量大、孔隙大及壓縮性大”三大特征,就像一塊海綿,在一擠一泡水的同時,會出現嚴重的變形。以往人們認為除了地下水開采,高容量的高層建筑在上海地面沉降中的影響能達到三成,但是上海地質學會秘書長劉守祺說,“根據目前的研究成果,發現高層建筑的影響能達到四成,對地質環境的影響非常明顯”。
為了應對地面沉降問題,上海2003年出臺了針對容積率的“雙增雙減”政策,即增加公共綠地和公共活動空間,減少建筑容量和高層建筑,同時也規定了住宅2.5、商用4.0的容積率上限。實施一年后,上海市中心總建筑量已減少約400多萬平方米,上海376個容積率過高的歷史遺留項目,平均降低容積率17%。和地下水超采造成的沉降一樣,密集建設高層建筑引發的沉降,在精明的上海人面前,似乎也得到了控制。上海整體沉降的平均數值繼續下降,直到2010年的不到6毫米。
上海地面沉降的速度降下來了,但大量建筑和地鐵施工造成的“不均勻沉降”仍然困擾著上海。2003年,為了了解地面沉降與地面建筑的相互影響關系,上海市地質調查研究院與上海市城市規劃院合作進行了專項調查。調查發現,單個高層建筑發生的一般是均勻沉降,這種沉降不大會對該建筑物本身產生太大的影響。但在眾多位置、規格不一的高層建筑的合力作用下,整個上海市的地表會形成區域性的甚至整體的不均勻沉降。
目前為同濟大學地下建筑與工程系教授的蔣明鏡稱,地面不均勻沉降和沉降速度過快一樣,都將引發多種城市災害,例如,地面不均勻沉降導致防汛墻的防汛標準持續降低,迫使不斷投入資金加高防汛墻;建筑沉降威脅著煤氣、供水等市政管線的安全;隧道不均勻沉降又導致機動車加速磨損,增加運營風險和維修費用等。
蔣明鏡說,建筑物建好后,一開始會有一定的沉降,但隨著地基下的土壤逐步發生固結,沉降也就穩定下來甚至停止。但是當周邊再有建筑施工時,就會使本來穩定的老建筑再次發生沉降。而且一個地區雖然總體上都是軟土,可是每隔幾米土質都不一樣,有的硬一些,有的軟一些,這就需要在施工前進行風險檢測和評估,并提出施工修改建議,例如需不需要對地基周圍進行加固和支撐,以有效防范沉降。
可是,蔣明鏡回國后發現,在摩天大樓林立的上海,沒有一家本地公司請他進行相關的評估。一些建筑公司請的專家并不是專門從事這方面研究的,“國內在巖土工程方面的技術水平很落后。”他說,在日本,每個企業在建筑施工時都很重視預先的沉降評估,因為那里的土地都是私有化的,如果施工給其他建筑造成損害,那是要賠償一大筆錢的。
蔣明鏡的專業知識似乎在工程評估方面派不上用場,卻能在自己買房時進行“專業評估”。他在上海買的是舊小區基礎上開發的住宅,因為那樣的建筑,地基下土壤已經基本固結。他不買在農田上建起來的和靠近江河堤壩的住宅,因為那些地方的土壤比較松軟。也不買附近可能修地鐵和高層建筑的住宅,因為老建筑都會被新建筑所影響,容易產生繼續沉降。
上海市徐匯區凱華公寓的住戶們就沒有蔣明鏡這么多土壤和建筑知識了,他們在買下住房時并沒有在意附近是否要修地鐵。這座1998年竣工的6棟連在一起的樓房,在2003被發現房屋墻壁出現裂縫。56戶居民集體投訴說,裂縫最寬處可以伸進一排手指,而且樓體看起來也“歪了”,這些投訴者懷疑這些現象與住宅樓地下20米深處正在進行的地鐵明珠2線隧道施工有關。
不均勻沉降造成的地質災害已經引起了地質學專家越來越多的關注。上海市地質學會秘書長劉守祺在接受《中國新聞周刊》記者采訪時一開始就說,“我已經不研究地下水造成的沉降了,我現在研究的是,施工過程中不均勻沉降造成的地質災害。”
漫長的“控沉”歷程
可是,劉守祺畢竟研究地下水問題幾十年,最近他一直關注著泰國曼谷洪水的新聞。在他看來,曼谷洪水泛濫的原因 “除了氣候,就是地面沉降鬧的,海水回灌進曼谷了。”劉守祺30年前就受到過泰國有關方面的邀請,研究曼谷的地面沉降問題。多年來,曼谷以每年1.5厘米至5.3厘米的速度下沉,直到現在城區已經有一大部分處于海平面之下。劉守祺的觀點和世界銀行專家簡。博喬基本一致:曼谷下沉的原因之一,就是毫無節制地抽取地下水。
然而,對于同樣被認為沉降嚴重的上海,劉守祺并不怎么擔心,他對《中國新聞周刊》說,上海發生曼谷那樣的災難“可能性很小”。
2009年,有媒體報道稱,美國科羅拉多大學一份最新研究報告表明,全球33個人口密集的大型三角洲地區中,有三分之二正面臨“地陷海升”的雙重威脅,而中國的長江三角洲、珠江三角洲及黃河三角洲,已躋身這一危機榜上最嚴重的一級。報道對上海的描述是,“城市平均標高才4米,而黃浦江漲一次潮就高達5米多,再繼續沉陷2米,上海立刻就會陷入汪洋。”
研究上海地質幾十年的劉守祺不完全認同上述說法:地陷海升確實已成既有事實,但美國學者將中國的三個三角洲列為“最嚴重級別”,這個結論還有待商榷。
實際上,上海從上世紀二三十年代開始就被發現有嚴重的沉降現象。最開始提出上海沉降的,是一個叫沃爾遜的外國人,根據1921年至1938年的“重復水準點”測量結果,提出了上海存在地面沉降。從1921年到1965年,上海市區總共沉降了1.69米。而從1966年到2000年,市區平均累計沉降量為218毫米,每年沉降6毫米。
地面沉降是上海主要的地質災害,與它軟土的地質特點有很大關系。上海境內除西南部有少數丘陵山脈外,全為低平的平原,是長江三角洲沖積平原的一部分,平均海拔高度為4米左右。整個地區好像是從東向西傾斜的半個碟子,極易受到海平面上升和地層擠壓的影響。土的結構是一層砂層、一層粘土層。砂土孔隙大,含水。上海的地下水,主要就在它的5個含水砂層中。
劉守祺告訴《中國新聞周刊》,“當集中過量地開采了某一沙層的地下水后,沙層因為孔隙水被抽走而壓縮固結,它上面的土層就整體往下壓,抽水越多的地方,壓得越低,這就形成了上海的地面沉降。”
上海最早于1860年開采地下水。一百年后的1963年,上海地下水開采量達到頂峰,年開采總量達2.03億立方米。開采地下水最多的時期,也是上海沉降最厲害的時期,上海地方志辦公室網站記載,1957年至1961年上海各地區平均沉降110毫米,個別地區達到170毫米。
同濟大學教授、地質學家汪品先在一次演講中曾說,“如果按1965年的下陷速度而不加控制的話,上海在1999年已經沉沒入海了。”
上世紀80年代,劉守祺在上海地質調查研究院時曾經進行過調研,估算出每沉降1毫米可以造成2億元的經濟損失。這里有直接的損失,例如沉降對堤壩、住宅、廠房的損壞、對道路和橋梁的損壞,各種輸水輸氣管線的破壞和沖毀農田等等。也有間接的損失,例如海水倒灌造成農業的損失、交通運輸運力下降的損失、工廠和商店被淹后的經濟損失。劉守祺說,“現在經濟的發達程度遠超過80年代,每沉降一毫米的損失可就不止2億了!”
上海地面下沉的速度在1966年終于得到了控制,1966年到2000年,市區平均累計沉降量為218毫米,每年沉降6毫米多一點,“控沉”效果顯著。劉守祺甚至記得上世紀80年代個別地區在回灌后還出現了上升的現象。
這一變化得益于上海從1965年以來實施的一系列措施,主要是限制地下水開采和人工回灌地下水,要求地下水用戶在冬天向地下回灌與其夏季開采等量的自來水,從而恢復土層彈性,控制地面沉降。上海還修建了最先進的防洪堤壩,建立地面下沉及地下水位監測系統,并正在建設地面沉降自動化預警預報系統工程。
上世紀90年代,隨著經濟高速發展,上海地下水開采量又有所回升,1996年地下水開采量已達1.5億立方米,沉降現象也隨之開始加劇。自2003年起,為緩解地面沉降的壓力,上海開始繼續減少地下水開采量,據上海市政府網站發布的2009年和2010年水資源公告顯示,2009年上海市地下水實際開采總量為2553萬立方米,比2008年減少632萬立方米;地下水人工回灌總量為1755萬立方米。2010年,上海地下水開采量已壓縮到2000萬立方米,是建國以來上海地下水開采量的最低點,僅僅是1963年開采量的十分之一。
從上世紀90年代開始,上海市投入3500萬元,建立了一張覆蓋全市的地面監測網絡。目前網絡已包括全市各區縣的43個基巖標、146個GPS監測點和326個水位觀測點,能夠隨時預報上海各區域地面沉降現狀,為工程建筑項目提前拉響沉降“警報”。
“長三角”聯合“控沉”
“光我們控制地下水開采不行,上海的地下水與江蘇、浙江都連在一起,需要大家一起控制,長三角城市之間要協調合作。”劉守祺說。
2005年,南京地質礦產研究所副所長郭坤一耗時4年,花費2000萬元進行了詳細調查,發布《長三角地區地下水資源與地質災害評價》。報告認為,長三角地區地面沉降區內累計沉降已超200毫米,面積近10000平方千米。蘇錫常(江蘇省的蘇州、無錫、常州)地區因不均勻沉降,目前已發生22處地裂縫地質災害。上海從上世紀初到2003年,因沉降造成的損失是2900億元;蘇錫常地區和浙江嘉興也損失了500多億元。
郭坤一發出警告:按照當時的沉降速度,到2050年,海平面將會上升40厘米至70厘米,長三角很可能就此桑田變滄海。
浙江省國土資源廳地質環境檢測院總工程師趙健康對長三角的沉降形勢卻感到樂觀,“如今已經不是這個情況了,沉降好轉了很多,個別地區還上升了。”
趙健康所在的地質監測院每年都要對浙江全省的沉降情況進行監測,并發布當年的環境公報。他們發現,2009年浙江沿海平原地面沉降繼續呈現減緩趨勢。
趙健康說,長三角的上海、江蘇和浙江聯動防沉降工作開始于1999年,聯動以后浙江省每年都大幅降低地下水開采量,生活用水多使用地面水,例如從太湖的上游引水。地下水開采量由2000年的1.5億立方米下降到去年的1600萬立方米。但是因為浙江是長三角里沉降程度較輕的,所以沒有采用回灌。
長三角的另一個“角”江蘇沉降的程度和速度則遠高于浙江,采取的措施則顯得更嚴厲。從20世紀80年代開始,蘇錫常一帶的鄉鎮企業風起云涌,但由于環保意識不強,污水廢水的排放造成了地表水嚴重污染,不得已只好轉向地下取水,而過量的開采地下水又使得蘇錫常的“漏斗”連成一體。無錫、蘇州、常州三市及外圍鄉鎮,以地下水水位下降10米計算,漏斗面積已達5000平方公里。
20世紀30年代時,蘇州只有地下深井兩口,到90年代,已增加到304口;地下水開采量從20世紀30年代的日開采500噸飆升至90年代的12萬噸,由此帶來的便是地下漏斗水位由3米下降到61米多。2000年,蘇州市區地面累計沉降普遍達到40厘米到60厘米,嚴重地段超過160厘米,無錫市區、常州市區最大累計地面沉降量分別超過120厘米、110厘米。
2000年8月,江蘇省人大頒布了《關于在蘇錫常地區限期禁止開采地下水的決定》,在全國率先通過立法實施地下水限期禁采。此后,地面沉降速率有所減緩。蘇州沉降速率從每年25毫米以上降到小于10毫米;無錫從每年100毫米降到10毫米~15毫米,常州從過去最高每年120毫米降到每年8毫米。
趙健康也很驚訝為什么長三角的聯動配合得這么默契。他現在很欣賞的一個說法是,“地下水是沒有行政區劃的”。
我們生活的城市很可能正在一點一點往下沉,只不過我們一時沒有覺察到。
就算地質狀況相對穩定的北京,也同樣面臨著地面沉降所帶來的麻煩。1998年,曾在順義地區出現的一條裂溝,就迫使一座橡膠廠搬遷;現在這條沉降溝已經發展到800米寬,25公里長。
由于地面沉降,北京的城市基礎設施受到了一定程度的損害。在1800平方公里的沉降帶內,已經發現50余處險情,工廠、居民區樓房墻壁開裂、地基下沉、地下管道工程損壞等,一些建筑物的抗震能力和使用壽命也受到影響。
據了解,目前,北京已經啟動地面沉降檢測網站預警、預報系統,及時發現問題以采取有效措施加以應對。
應對地面沉降:有何良方?
而在東部一些沿海城市,地面沉降所帶來的問題則更為嚴重。這些地區面臨著地面沉降和海平面上升的雙重壓力,致使海岸侵蝕加劇,海水入侵,地下水受到咸潮污染,而讓人談之色變的風暴潮更是越來越猛烈。
上海自1921年發生地面沉降以來,至今沉降面積已達一千平方公里,沉降中心最大沉降量2.6米。其他沉降中心最大沉降量超過兩米的城市還有天津、太原、西安等,其中天津六成的地面發生了沉降。
在江蘇的蘇州、無錫、常熟等地,地面沉降也相對嚴重。資料顯示,該地區沉降面積已達5700平方公里,約占這一地區平原面積的一半,沉降中心最大沉降量達2.8米。中國地質環境監測院副總工程師何慶成告訴記者,在這一地區,有一座花費數千萬元新建的高樓,因為地面沉降,出現了裂縫,最后不得不拆掉。
據初步統計,目前,我國有96個城市和地區發生了不同程度的地面沉降,80%分布在東部地區。沉降速度是每年10毫米至56毫米。存在較嚴重地面沉降的城市超過50個。
如此多的城市出現地面沉降,究竟是什么原因造成的?
何慶成解釋說,首先是地質因素。地殼運動就會使得有的地方抬升,有的地方下降。還有土壤的自然壓縮,土壤中的有機物會慢慢分解,在自然重力作用下,原來松散地層或半松散地層變成致密、堅硬或半堅硬巖層,地層厚度變小,這就會造成某一地區的地面出現沉降現象。
不過,眾多城市沉降的主要原因還是人為。地下水、石油、天然氣、地熱等的過度開采,城市建筑、重大工程造成地基土體發生緩慢變形……這些都在一點點改變著我們的城市。
以開采地下水為例,當一個含水層的水被采出后,這個層位及相鄰的弱透水層位就會像被擠干的毛巾,發生萎縮,體現在地表就是沉降。地下水是流動的,當你在一個地方抽水,其實流出來的是一片同層位的水,所以由此引起的沉降也是連片的。
在過度開采地下水上,長江三角洲最為典型。1970年以前,這個地區城市的紡織業發達,但能源緊缺,所以大量集中開采地下水用于紡織廠的空調降溫。1980年以來,隨著城市周邊地區的鄉鎮企業興起,他們不僅大量開采地下水,而且向地表河道不斷排放污水,這使得地表水質量普遍下降,地下水開采規模日趨擴大。
而在華北地區,因為缺水,地下水的開采量增加,地下水位下降,形成了漏斗,破壞了地層巖土力學平衡,很多地方都出現了沉降。
何慶成告訴記者,地面沉降一個大的危害就是出現地裂縫。地面沉降比較均勻時,其破壞性顯得不那么突然,而不均勻時,就容易出現地裂縫。如果建筑物正好在這個地裂縫上,又不是鋼筋混凝土澆鑄的,墻體就容易裂開,存在較大的安全隱患。西安市區內,就已經出現了11條明顯的地裂縫。城市地面不均勻的沉降,很可能造成掩埋在地下的管線被拉斷,從而帶來巨大的安全隱患。
實際上我國開展監測比較晚,監測時的起始數據跟國外不同。不管怎樣,可以肯定的是,隨著地下水、油氣等開采量越來越大,地面沉降會加劇,面積也會擴大。相對來說,東部沿海地區更為嚴重。
何慶成認為,雖然地質原因造成的地面沉降很難控制,但人為因素所致的沉降,是可以應對的。
“地面沉降一旦形成規模,以人類現在的能力和技術,治理和恢復起來比較困難。如果我們發現及時、杜絕或者減少沉降的人為因素,是可以減緩或者中止正在下沉的趨勢。”何慶成說。對于已經形成的地下漏斗,可以采用人工回灌地下含水層的方式,把它填滿。
據了解,河北省也正探討把南水北調調過來的水注入地下,利用地下漏斗建成“地下水庫”,控制地面沉降。在上海、北京等城市,地下水回灌都取得了不錯的效果。2006年,上海平均地面沉降量為7.5毫米,比2000年的平均地面沉降量低了4.8毫米。
采取多種措施防止地面沉降
地面沉降在經濟發達地區可能導致嚴重的財產和基礎下部建筑的損失。最具有代表性的地面沉降是由人為造成的,由于人為抽取地下水而導致含水層系統受壓縮而產生地面沉降。針對這種情況必須采取措施減少地下水的使用量,增加地面水補給。因此,隨時正確監測地面和地下水位沉降,并提供標準的數據對于預測和預報地面沉降工作至關重要。美國地質調查局的研究人員根據地面沉降的特點以及實際情況,對其采用以下幾種方法來減緩地面沉降的速度,以及修復地面沉降,把損失降到最低。
1、含水層存儲和修復技術
為了滿足供水和改善水質的要求,含水層存儲和修復技術在美國各州得以廣泛應用。在圣克拉拉山谷,目前需水量仍然很大,但由于地表水的引入,回灌得以實施,使得地下水抽汲量減少,從而防止了地下水位繼續下降。另外,該區水資源管理局在當地的河流上建立了5個蓄水壩以收集雨水,這樣增加了河水對流經區的地下水的補給。這個地區是美國第一個被發現也是第一個采取有效措施并在1969年前后終止了沉降地區。同樣的情況還有亞利桑那州的中南部,通過引入科羅拉多河的河水,減少了地下水的需求強度,從而緩解了地面沉降。
2、改變土地使用類型
為了防止地面沉降,將土地使用由農業用地型向城市用地型轉變,以降低需水強度,防止地下水位的進一步下降。佛羅里達州的泥沼區使用這種方法可以防止有機土的進一步分解,減緩有機質氧化的速度,使地面發生沉降的速度降低,地基更加穩定。
3、節水
利用含水層組貯藏和運輸地下水,要優于造價高昴的地表蓄水和輸水系統。美國的研究人員采用先進和合理的地下水運輸方法,作出地下水使用的遠景規劃。節水是制止沉降的一項重要措施。例如在圣瓊斯地區,目前人均用水量只有1920年的1/5,遠低于過去作為農業用地時的用水量。因此即便是在1976年~1977年和1987年~1991年期間,這兩個州的主要旱期里,水位還是保持在歷史最低水位以上。
4、加固堤防
對沿海城市進行海岸加固,建造堤防防止洪水泛濫和海水入侵。例如在加利福尼亞州境內三角洲地區,大面積的人工堤壩及人工島有效地保護了這個三角洲,使之免遭海水的入侵,同時維持了有利的淡水坡度,保護了淡水源。
5、立法保護地下水
美國對地下水的使用進行立法,使水資源有一個合理的使用環境。如在圣拉拉山谷成立一個專門的水資源管理機構來管理該區的用水,使地表水和地下水得到了長期有效的綜合利用。美國許多地區甚至采取法制措施來防治地面沉降。例如1980年通過了《亞利桑那地下水管理法案》。其基本目標是加強對已衰竭含水層組的管理,把有限的地下水資源進行最合理的分配,開發新的水資源供應來增加亞利桑那的地下水資源。
6、減少落水洞產生的影響
美國已有的案例表明,落水洞的活動與地下水的抽取有直接關系,控制地下水位的波動可以防止落水洞的形成。如美國佛羅里達西南水資源管理區與其他水資源機構通力合作,設立了佛羅里達中西部地下水的臨界水位。最低水位的提出將會改良一些誘發條件,減少落水洞產生的影響。