美國(guó)的地面沉降及其防治對(duì)策

地面沉降是地面由于地下物質(zhì)運(yùn)移而發(fā)生的漸進(jìn)下陷或急劇下沉。這是一個(gè)全球性問(wèn)題,僅在美國(guó),已經(jīng)有遍及45個(gè)洲超過(guò)44030km2的土地受到了地面沉降的影響,相當(dāng)于新漢布什爾州與佛蒙特州的總和。由此引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失更是驚人:僅在圣克拉拉山谷,沉降所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失,在1979年大約為1.31億美元,而到了1998年則高達(dá)3億美元。造成這一災(zāi)害的原因主要有含水層的壓實(shí)、有機(jī)質(zhì)土的疏干排水、地下采礦、自然壓實(shí)、溶坑以及永凍土的解凍等。一、地面沉降類型根據(jù)土質(zhì)條件,美國(guó)的地面沉降主要可以分為三大類:第一類,含水層壓實(shí)引發(fā)的地面沉降；第二類,有機(jī)土的疏干引發(fā)地面沉降；第三類,洞穴塌陷引發(fā)的地面沉降。(一)水層壓實(shí)引發(fā)的地面沉降抽汲地下水(或石油與天然氣)時(shí),伴隨著地下水從沉積含水層組中,尤其在那些厚層的半固結(jié)淤泥、粘土層(弱含水層)組中排出,含水層的孔隙體積和總體蓄水能力大幅度減少,并且不能完全恢復(fù),最終表現(xiàn)為地面沉降。這類沉降的成因有二種機(jī)理:一個(gè)是有效應(yīng)力原理,另一個(gè)是水動(dòng)力固結(jié)理論。這兩個(gè)原理將含水層的壓實(shí)分為兩個(gè)過(guò)程,前者解釋了含水層在抽水過(guò)程中的壓實(shí)引發(fā)的地面沉降,后者解釋了抽水以后的殘余壓實(shí)引發(fā)的地面沉降。根據(jù)有效壓應(yīng)力理論,抽水以前,上覆土層和水的重力由孔隙水壓力和粒間有效壓力共同平衡；抽水后總壓力不變,孔隙水壓力降低,有效壓力增加;這樣,顆粒骨架所受壓力增加,土層被壓縮,微觀上表現(xiàn)為顆粒之間的孔隙度降低,宏觀上表現(xiàn)為含水層變薄,其過(guò)程見(jiàn)圖1。抽水結(jié)束后,地面沉降并未停止,這可以用水動(dòng)力固結(jié)理論來(lái)解釋,在抽水過(guò)程中透水層的放水速度比弱透水層快,因而水位下降也快,停止抽水后,由于兩類含水層之間水位高度不同,存在水位差,而表現(xiàn)為弱透水層向透水層滲水,弱透水層因而繼續(xù)有壓實(shí)作用,仍有沉降發(fā)生。(二)有機(jī)質(zhì)土的疏干引發(fā)的地面沉降在自然條件下,有機(jī)質(zhì)土含水量高,土層處于缺氧狀態(tài),這時(shí)碳質(zhì)有機(jī)質(zhì)的積累速度要快于它的分解速度。土層中的水被抽排出之后,便處于富氧狀態(tài)。富氧狀態(tài)下,土中的微生物變的較為活躍,分解作用的速度明顯加快。土層中因分解作用而失去的碳大部分轉(zhuǎn)化為二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入大氣中。除此之外,壓實(shí)、干燥、風(fēng)蝕、水蝕和燃燒也是分解的重要因素。全美有機(jī)質(zhì)土的總面積約為207200km2,其中近一半是阿拉斯加的苔類泥炭。美國(guó)本土48個(gè)州的有機(jī)質(zhì)土,大約70%分布在受過(guò)冰河作用、苔類泥炭較為常見(jiàn)的北方地區(qū)。苔類泥炭主要由泥炭蘚及相關(guān)物種構(gòu)成,具有較高的酸度,即便是經(jīng)過(guò)排水作用也并不會(huì)輕易分解。但農(nóng)業(yè)改造后,比如施肥和使用重度石灰提高了其pH值,那么苔類泥炭就會(huì)迅速分解。在有機(jī)質(zhì)土沉降的案例中,有些快速沉降(25.4～76.2mm/a)是淺水莎草和蘆葦殘?jiān)纸庠斐傻摹Ｔ谒_克拉曼多—加利弗利亞圣瓊魁三角洲和佛羅里達(dá)沼澤區(qū)的地面沉降是典型的有機(jī)質(zhì)土沉降,其分解過(guò)程如圖2。（三）洞穴塌陷引發(fā)的地面沉降與地下洞穴(溶洞)有關(guān)的地面沉降,其發(fā)生比較突然,有時(shí)還會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。它一般是由地下水水位的下降所引發(fā)。某些巖石,如蒸發(fā)鹽礦物(鹽,石膏和硬石膏)和碳酸鹽礦物(方解石和白云石)具有易溶于水的特性。鹽和石膏在水中的溶解能力分別是方解石的7500和150倍。美國(guó)大約35%～40%的國(guó)土是以蒸發(fā)巖為基礎(chǔ)的。與溶解相關(guān)的沉降遍及全美各主要鹽盆。以喀斯特著稱的特殊風(fēng)化地形有助于碳酸鹽巖石的溶解。碳酸鹽巖喀斯特地貌覆蓋了美國(guó)俄克拉荷馬州塔爾薩以東40%的潮濕地區(qū)。盡管此類塌陷僅限于局部區(qū)域,但它們可以通過(guò)把污染物引入地下水系統(tǒng)而影響塌陷以外的地區(qū)。紐約瑞茨奧佛和佛羅里達(dá)中西部的洞穴塌陷主要是鹽類和石灰石類洞穴塌陷。深層抽水使下部含水層的水位下降,上下含水層的水頭差增加,從而使水的下蝕能力增強(qiáng),地下溶洞的上覆壓力加大,地下支撐結(jié)構(gòu)被破壞;沉積碎屑不斷沿著溶蝕裂隙滲到地下洞室中,最終塌陷形成突發(fā)性的灰?guī)r坑。(圖3)。二、緩解措施友（一陳）粥ASR繼技術(shù)的應(yīng)用小為了滿足供水剪和改善水質(zhì)的賣要津求礦,奮含水層存儲(chǔ)和祖恢復(fù)技若術(shù)戒(ASR記)帝在美國(guó)各州得昨以廣泛的應(yīng)用殖。在圣克拉拉剩山斜谷山,薪目前的需水量余仍然很紹大涉,蹲但由于地表水宅的引角入捆,堡回灌得以實(shí)再施媽,狼使得地下水抽俯汲量減屋少引,唉從而防止了地供下水位重回歷隙史最低位。另葬外午,值該區(qū)水資源管變理局在當(dāng)?shù)氐娜潞恿魃辖⒍速|(zhì)5幕個(gè)蓄水壩以收泛集雨逃水花,慎這樣增加了河押水對(duì)流經(jīng)區(qū)的斑地下水的補(bǔ)給啞。該區(qū)是美國(guó)航第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)孔也是第一個(gè)采牛取了有效措施澤而支在噸196椒9葡年前后終止了稻沉降的地區(qū)。裹同樣的情況還畫有亞歷桑那州騎的中南蜘部宇,便通過(guò)引入科羅笑拉多河的河水情減少了對(duì)地下欣水的需求強(qiáng)訓(xùn)度捐,孫從而緩解了地餓面沉降。流（二）改變土育地使用類型環(huán)將土地使用由特農(nóng)業(yè)用地型向?qū)贸鞘杏玫匦娃D(zhuǎn)館變避,腳以降低需水強(qiáng)酬度外,極防止地下水位浮的進(jìn)一步下降另。特別適用于守佛羅里達(dá)州的絞泥沼褲區(qū)萬(wàn),獅這種方法可以糖防止有機(jī)土的短進(jìn)一步分解。（三）節(jié)水雀利用含水層組弦貯藏和運(yùn)輸?shù)劁P下券水啄,敢要優(yōu)于造價(jià)高符昂的地表蓄水企和輸水系統(tǒng)。巨因此節(jié)水是制腳止沉降的一項(xiàng)隱重要舉措。如棗在圣瓊斯地升區(qū)妹,痕目前人均用水邊量只租有羅192御0殘年的五分之尼一路,碌遠(yuǎn)低于過(guò)去作周為農(nóng)業(yè)用地時(shí)曉的用水量。因郵此即便是錦在工197威6沃～途197嚼7頓和羊198濁7克～應(yīng)199雁1攤年叨,快這兩個(gè)加州的事主要的旱期蕉里號(hào),煤水位還是保持引在歷史最低水遵位以上。肝（四）加固堤蔑防檔防止洪水泛濫陰和海水入侵。室例如在加利福場(chǎng)尼亞州汽的牢SACRAM禿ENTO-S溪ANJOAQ來(lái)UI財(cái)N當(dāng)三角穴洲順,向大面積的人工壯堤壩及人工島科有效的保護(hù)了余這猾個(gè)三角蘇洲右,壩使之免遭海水勝的入柿侵停,駐同時(shí)維持了有鉆利的淡水坡僵度挑,暢保持了它的淡豬水源作用。（五）立法鑰在圣克拉拉山色谷成立了一個(gè)脆專門的水資源日管理機(jī)構(gòu)來(lái)管源理該區(qū)的用擱水算,伶使地表水和地次下水得到了長(zhǎng)勁期有效的綜合拖利用。許多地懇區(qū)甚至采取法興制措施來(lái)防治相地面沉降。例拜如衛(wèi)198煮0桌年通過(guò)魄了競(jìng)“報(bào)亞歷桑那地下找水管理法缸案觸”慢。其基本目標(biāo)墨是獨(dú):吹加強(qiáng)對(duì)已衰竭辭含水層組的管押理蹲;耳把有限的地下網(wǎng)水資源進(jìn)行最會(huì)合理的分上配儀;異發(fā)展新的水資異源供應(yīng)來(lái)增加名亞歷桑那的地括下水資源。侍（六）減少落廣水洞產(chǎn)生的影乞響蜜已有的案例表嘴明擇,脊落水洞的活動(dòng)夜與地下水的抽賢取有直接關(guān)譯系昏,糠控制地下水位季的波動(dòng)可以防猴止落水洞的形民成。群佛羅里達(dá)西南辦水資源管理區(qū)率與其他水資源攔機(jī)構(gòu)通力合躬作邁,據(jù)設(shè)立了佛羅里鎖達(dá)中西部地下響水的臨界水位糖。最低水位的既提出將會(huì)改良哨一些誘發(fā)條交件孟,耽減少落水洞產(chǎn)哀生的影響。玩三、地面沉降身的監(jiān)測(cè)賀（一）伸長(zhǎng)計(jì)胸——赤測(cè)量地面沉降彩和水平位移甚鉆孔伸長(zhǎng)計(jì)可否記錄地表與鉆涉孔底部的參照諸點(diǎn)之間垂直距情離發(fā)生的連續(xù)掠變化。在含水承層系出現(xiàn)壓實(shí)素的地區(qū)洪,尤伸長(zhǎng)計(jì)是精確漏測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)連哲續(xù)變形的最有革效的工具。當(dāng)犧地下階地標(biāo)志拐處于壓實(shí)含水秀層系底部時(shí)藏,溝伸長(zhǎng)計(jì)可以作摸為局部測(cè)量的懇穩(wěn)定參照點(diǎn)或籮初始點(diǎn)。在一攏個(gè)簡(jiǎn)單的儀器腹中插入多級(jí)伸扒長(zhǎng)計(jì)還可以同皇時(shí)測(cè)量不同深兼度段的含水層播系的壓實(shí)程度賤。紡（二）雷達(dá)干彈涉測(cè)量技喚術(shù)拘(西InSAR)阻干涉測(cè)量合成毫孔徑雷男達(dá)取(希簡(jiǎn)漠稱伙InSAR怨)汗是一種高效的冤新工具。它運(yùn)鑄用雷達(dá)信號(hào)測(cè)長(zhǎng)量地殼變形。誼它的出現(xiàn)使空叫間清晰度和測(cè)識(shí)量分辨率達(dá)到毒空前的高度。巧合成孔徑雷佛達(dá)戀(抓簡(jiǎn)比稱薯SAR扯)振通過(guò)空間飛行集器衛(wèi)星繞軌道橋運(yùn)抹行丟,侮數(shù)學(xué)的合成一眾個(gè)大型的操作抵天性線劑,泊并產(chǎn)生高空?qǐng)D控像分辨能力。制對(duì)某個(gè)地區(qū)而察言相,哄若在一段時(shí)期歌內(nèi)西,芹它有一些穩(wěn)定識(shí)的雷達(dá)反射物陶體灑,串那么就可對(duì)反頃射物體處的變最化進(jìn)行高精度雹的測(cè)量。在理浩想狀況定下慌,濫可測(cè)量傭出予5翼～外10m忙m廚的抬升變化。粗圖箏4評(píng)是加粗州響SanJo事aquin枝Valle沈y子的一個(gè)油田區(qū)錯(cuò)的雷達(dá)干涉血圖付,響空白區(qū)為信號(hào)市不連續(xù)洞區(qū)思,瓜主要是指農(nóng)作稿物產(chǎn)區(qū)。餃（三骨）感GPS涂測(cè)量符基于人造衛(wèi)星賢的全球定位系聾統(tǒng)乒(刊GPS)底的誕生之前宇,我地面測(cè)量最常繳用的工具是經(jīng)侮緯儀和光電測(cè)軌距儀學(xué)(議簡(jiǎn)稱隱EDM)田。水準(zhǔn)測(cè)量技銅術(shù)方法很簡(jiǎn)單各,養(yǎng)但它的精確度垂卻很高蚊,雖即使在測(cè)量精基度要求不高的皇情況下如,杏這種方法也能好夠測(cè)量到數(shù)英請(qǐng)里外欄0.05(晝1mm藍(lán))圣英尺的抬升變勇化。但在大規(guī)腿模的測(cè)量中龜,疏水準(zhǔn)測(cè)量和砍EDM篇測(cè)量所產(chǎn)生的循錯(cuò)誤就會(huì)明顯挨增加。當(dāng)測(cè)量退范圍較小估(鑄不超過(guò)剪8km談)擴(kuò)且測(cè)量密度較指大時(shí)堤,懼人們通常采用濕氣泡水準(zhǔn)測(cè)量鐮,鉤因?yàn)樗木_墳度高而且成本埋相對(duì)較低。對(duì)柏于大規(guī)模的區(qū)夸域網(wǎng)應(yīng)該采用絡(luò)先進(jìn)的全球定集位系統(tǒng)宴(衡GPS)站進(jìn)行全方位的趣測(cè)量。挖GPS巴可借助于人造鴿地球衛(wèi)星進(jìn)行會(huì)三邊測(cè)量定位位。它的原理就蓄是利用雷達(dá)信跟號(hào)從衛(wèi)星傳到勝接收天線所需模的時(shí)間來(lái)計(jì)算瞇距離。通過(guò)接宰收器與至少混4漏顆人造衛(wèi)星之巴間的距離笑(聽(tīng)即三邊測(cè)量術(shù)攏)蒙就可準(zhǔn)確地確運(yùn)定所處位置的遍三維坐標(biāo)。目鈴前障GPS鉛可達(dá)到的精度框?yàn)殚g5御～慘8cm吃。在地面沉降賢和其他的地殼往運(yùn)動(dòng)測(cè)量中袍,響當(dāng)兩臺(tái)者GPS鋼接受器放在各抹自的觀測(cè)點(diǎn)上誕同時(shí)接受由同驟組衛(wèi)星群蹈(擦至少由流4特顆人造衛(wèi)星組易成著)晌發(fā)射出的雷達(dá)節(jié)信號(hào)時(shí)待,忽這兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)的相對(duì)位置即間可確定。在隨慕后的某個(gè)時(shí)間導(dǎo)段里幸,柿當(dāng)人造衛(wèi)星再躺次捕捉到這兩織個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)斑,虹它們?cè)谶@段時(shí)笨間里發(fā)生的相先對(duì)運(yùn)動(dòng)就可被足測(cè)出。葉測(cè)量網(wǎng)上的各王個(gè)觀測(cè)點(diǎn)都可弦采用該方法進(jìn)奪行測(cè)量。第一組個(gè)地面沉降監(jiān)循測(cè)測(cè)量網(wǎng)汁1992吃年在加利福尼逮亞莫哈韋沙漠鑰的慮Antelo仙pe堂山谷中誕生。脂它主要用于確融定古階地的沉某降狡,久確保測(cè)量點(diǎn)間走(濁間距為幾十英裹里饅)若的測(cè)量精度以址便今后的沉降歡監(jiān)測(cè)。室GPS劇測(cè)量技術(shù)也是唱一種多功能的岔勘探手段冠,誕它可以迅速地虜判定沉降的大日概位置笑,餐以便設(shè)置更加吃精密可隨時(shí)隨皇地測(cè)量的儀器卡(列如伸長(zhǎng)計(jì)希)腸。加拿大和伊補(bǔ)朗也已應(yīng)用了跳這種監(jiān)測(cè)方法倚。如在伊朗的視Rafsa胃njan仰平原。生1998命年和吹1999料年的兩次方GPS妄大地高程檢測(cè)涌,8垃個(gè)月的沉降量文為兆10穩(wěn)～擾80mm,撈其測(cè)量精度在嘆5偵～挺8mm腦之間。表寧1尸列出了各種沉盞降監(jiān)測(cè)方法的感比較。蘭表漿1糞息沉降監(jiān)測(cè)方患法的比較染測(cè)量方法饑測(cè)量方式姨分辨率憐空間測(cè)量密度廚空間測(cè)量范圍額水準(zhǔn)儀唉垂直測(cè)量崇0.1除～膝1帝10板～醒100啦線嘩—然網(wǎng)崖光電測(cè)距儀顫水平測(cè)量餃1曉10偷～懶100玉線業(yè)—昌網(wǎng)膨伸長(zhǎng)儀畜垂直測(cè)量亭0.01身～賤0.1聾1伴～勝3念點(diǎn)距點(diǎn)戴卷尺崗水平測(cè)量由0.3理1威～獅101段～皺10晌線列虛不脹鋼尺隱水平測(cè)量嘆0.0001沿1后線概石英管滾垂直測(cè)量唱0.0000藏1痕1顆線熄GPS漁水平測(cè)量胃20攔10鵝～肯100式網(wǎng)輔

貝垂直測(cè)量坡5耐

右InSAR臘測(cè)距絲5習(xí)10000帖0頌～榮10000促000盼象素點(diǎn)文注班:芒表中所示分辨勾率為最大分辨蓋率販；趣InSAR泛圖上的一個(gè)象纖素點(diǎn)在實(shí)際地條面上代表臭40宜～陵80m激2四、結(jié)語(yǔ)她根據(jù)土質(zhì)條件飽,焦美國(guó)的沉降主甲要有擾3層種類型皆:沿含水層組的壓依實(shí)膚,璃有機(jī)土的疏干坑以及可溶巖的緣洞穴塌陷產(chǎn)生納的沉降。對(duì)輩3扒種沉降過(guò)程的司研究表明攝,賄人類活動(dòng)尤其考是對(duì)地下水的殖惡性開(kāi)采是引豪起沉降的主因敢,撕為此美國(guó)各州聚提出了以下措