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)全球性問題,僅在美國(guó),已經(jīng)有遍及45個(gè)洲超過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)過程,前者解釋了含水層在抽水過程中的壓實(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,其過程見圖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)理論來解釋,在抽水過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%分布在受過冰河作用、苔類泥炭較為常見的北方地區(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?。在薩克拉曼多—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)。叼二、緩解篇措施桿（一背）散AS唉R嚼技術(shù)的應(yīng)刮用批為了滿足虎供水和改冤善水質(zhì)的毯要度求涂,刪含水層存樸儲(chǔ)和恢復(fù)雷技距術(shù)四(ASR兆)話在美國(guó)各苦州得以廣狀泛的應(yīng)用穿。在圣克嫌拉拉山制谷辮,努目前的需惡水量仍然主很餃大奶,根但由于地墻表水的引降入漿,義回灌得以炒實(shí)斥施男,訊使得地下扯水抽汲量廊減剩少?gòu)R,閑從而防止錫了地下水年位重回歷貍史最低位訴。另替外口,唯該區(qū)水資盞源管理局救在當(dāng)?shù)氐男泻恿魃辖ㄋ⒍枇藨z5惜個(gè)蓄水壩芹以收集雨團(tuán)水央,撞這樣增加仰了河水對(duì)未流經(jīng)區(qū)的他地下水的放補(bǔ)給。該鋤區(qū)是美國(guó)福第一個(gè)被孟發(fā)現(xiàn)也是餓第一個(gè)采梨取了有效喊措施而章在矛196倆9涌年前后終舍止了沉降者的地區(qū)。對(duì)同樣的情攻況還有亞蕩歷桑那州袖的中南氏部絹,莊通過引入球科羅拉多綱河的河水極減少了對(duì)舉地下水的持需求強(qiáng)見度鍋,父從而緩解屢了地面沉茂降。凝（二）改牛變土地使輸用類型岸將土地使籌用由農(nóng)業(yè)派用地型向貧城市用地任型轉(zhuǎn)慢變最,炎以降低需測(cè)水強(qiáng)摸度佩,蝕防止地下偽水位的進(jìn)垃一步下降移。特別適請(qǐng)用于佛羅選里達(dá)州的監(jiān)泥沼糖區(qū)逼,粘這種方法漁可以防止腔有機(jī)土的夕進(jìn)一步分浸解。飾（三）節(jié)裁水拿利用含水礦層組貯藏脅和運(yùn)輸?shù)亻e下性水嘗,取要優(yōu)于造企價(jià)高昂的展地表蓄水慣和輸水系仿統(tǒng)。因此策節(jié)水是制士止沉降的存一項(xiàng)重要雖舉措。如賠在圣瓊斯舌地計(jì)區(qū)寸,聯(lián)目前人均其用水量只舌有買192京0毅年的五分乳之滴一胃,龜遠(yuǎn)低于過儲(chǔ)去作為農(nóng)冊(cè)業(yè)用地時(shí)軋的用水量智。因此即儲(chǔ)便是傅在駝197寸6拜～撤197怕7級(jí)和貢198卸7興～狼199辱1灑年償,糧這兩個(gè)加唯州的主要個(gè)的旱期鄰里嶄,催水位還是華保持在歷括史最低水惹位以上。帥（四）加碼固堤防辭防止洪水垂泛濫和海副水入侵。霜例如在加首利福尼亞蓄州萬的授SACR慰AMEN鴉TO-S同ANJO閃AQUI吊N態(tài)三角誓洲爆,堡大面積的排人工堤壩霉及人工島如有效的保枝護(hù)了這觸個(gè)三角泳洲姓,毀使之免遭茅海水的入擦侵辰,射同時(shí)維持因了有利的落淡水坡視度持,安保持了它朵的淡水源席作用。販（五）立德法尺在圣克拉旅拉山谷成筆立了一個(gè)欄專門的水檔資源管理省機(jī)構(gòu)來管傲理該區(qū)的竟用革水法,曠使地表水街和地下水鵝得到了長(zhǎng)耽期有效的瞧綜合利用鋪。許多地躺區(qū)甚至采抬取法制措觸施來防治滑地面沉降委。例川如幣198貓0濫年通過鎖了掃“杜亞歷桑那漫地下水管慶理法驢案狂”板。其基本仍目標(biāo)饞是船:田加強(qiáng)對(duì)已類衰竭含水縮層組的管周理守;撞把有限的姿地下水資勸源進(jìn)行最溜合理的分忘配槍;越發(fā)展新的舞水資源供講應(yīng)來增加塌亞歷桑那尚的地下水予資源。片（六）減殖少落水洞區(qū)產(chǎn)生的影裳響竟已有的案畝例表絕明筆,倆落水洞的具活動(dòng)與地恐下水的抽獄取有直接習(xí)關(guān)創(chuàng)系斧,潔控制地下剖水位的波菠動(dòng)可以防崗止落水洞能的形成。歉佛羅里達(dá)災(zāi)西南水資除源管理區(qū)泛與其他水溝資源機(jī)構(gòu)汁通力合鎖作甚,槽設(shè)立了佛盲羅里達(dá)中孕西部地下城水的臨界志水位。最海低水位的寶提出將會(huì)媽改良一些象誘發(fā)條障件廳,亭減少落水杏洞產(chǎn)生的郵影響。平三、地面毒沉降的監(jiān)療測(cè)糊（一）伸餐長(zhǎng)計(jì)歪——延測(cè)量地面漆沉降和水脹平位移臥鉆孔伸長(zhǎng)補(bǔ)計(jì)可記錄緒地表與鉆至孔底部的牲參照點(diǎn)之葬間垂直距竊離發(fā)生的亂連續(xù)變化理。在含水霉層系出現(xiàn)化壓實(shí)的地暫區(qū)瘋,飄伸長(zhǎng)計(jì)是目精確測(cè)量震觀測(cè)點(diǎn)連紛續(xù)變形的括最有效的悉工具。當(dāng)飯地下階地披標(biāo)志處于飼壓實(shí)含水誦層系底部芝時(shí)繪,候伸長(zhǎng)計(jì)可計(jì)以作為局蜜部測(cè)量的雞穩(wěn)定參照辮點(diǎn)或初始畝點(diǎn)。在一勻個(gè)簡(jiǎn)單的撞儀器中插存入多級(jí)伸綿長(zhǎng)計(jì)還可狡以同時(shí)測(cè)職量不同深鵝度段的含嫌水層系的構(gòu)壓實(shí)程度塑。竿（二）雷薪達(dá)干涉測(cè)撞量技己術(shù)泉(喪InSA先R)期干涉測(cè)量?jī)珊铣煽讖轿咨舆_(dá)彼(奇簡(jiǎn)棟稱邊InSA設(shè)R骨)幻是一種高鴿效的新工章具。它運(yùn)餡用雷達(dá)信窯號(hào)測(cè)量地槳?dú)ぷ冃巍ｉy它的出現(xiàn)周使空間清事晰度和測(cè)葛量分辨率主達(dá)到空前召的高度。畏合成孔徑毒雷違達(dá)悶(霸簡(jiǎn)淋稱獻(xiàn)SAR路)隙通過空間宿飛行器衛(wèi)夸星繞軌道內(nèi)運(yùn)脅行掠,殃數(shù)學(xué)的合首成一個(gè)大家型的操作讀天踩線病,粘并產(chǎn)生高犯空?qǐng)D像分酸辨能力。疾對(duì)某個(gè)地菌區(qū)而適言閉,惱若在一段爛時(shí)期榆內(nèi)五,站它有一些犬穩(wěn)定的雷血達(dá)反射物顆體透,鳥那么就可仁對(duì)反射物勺體處的變怕化進(jìn)行高寄精度的測(cè)腐量。在理株想狀況澡下幟,姐可測(cè)量扭出精5負(fù)～六10m帳m知的抬升變?cè)兓銏D床4廢是加文州紗San勢(shì)Joaq億uin乒Vall秘e剩y細(xì)的一個(gè)油康田區(qū)的雷侮達(dá)干涉砌圖租,倦空白區(qū)為離信號(hào)不連荷續(xù)摔區(qū)比,的主要是指越農(nóng)作物產(chǎn)刃區(qū)。消（三已）角GP逃S鞭測(cè)量裝基于人造太衛(wèi)星的全腔球定位系持統(tǒng)檔(GPS燈)倘的誕生之彈前濟(jì),責(zé)地面測(cè)量扁最常用的孫工具是經(jīng)探緯儀和光號(hào)電測(cè)距鞏儀杯(食簡(jiǎn)望稱義EDM蟲)慣。水準(zhǔn)測(cè)稈量技術(shù)方熱法很簡(jiǎn)絹單蘇,夏但它的精奸確度卻很比高顫,疼即使在測(cè)成量精度要扶求不高的牛情況合下棵,母這種方法導(dǎo)也能夠測(cè)衛(wèi)量到數(shù)英役里月外結(jié)0.05廣(1mm導(dǎo))梅英尺的抬聞升變化。員但在大規(guī)濁模的測(cè)量病中橋,零水準(zhǔn)測(cè)量癥和井ED愧M廣測(cè)量所產(chǎn)停生的錯(cuò)誤犧就會(huì)明顯吐增加。當(dāng)馬測(cè)量范圍標(biāo)較緩小極(齊不超喜過館8km凡)扔且測(cè)量密墊度較大拋時(shí)您,距人們通常纖采用氣泡吐水準(zhǔn)測(cè)頸量攝,伏因?yàn)樗暮寰_度高辯而且成本假相對(duì)較低救。對(duì)于大接規(guī)模的區(qū)城域網(wǎng)應(yīng)該終采用先進(jìn)壇的全球定替位系季統(tǒng)嗎(GPS床)咬進(jìn)行全方肥位的測(cè)量律。猴GP育S價(jià)可借助于支人造地球溪衛(wèi)星進(jìn)行悠三邊測(cè)量賤定位。它壯的原理就房是利用雷墳達(dá)信號(hào)從精衛(wèi)星傳到融接收天線術(shù)所需的時(shí)量間來計(jì)算戀距離。通乞過接收器傘與至矛少便4記顆人造衛(wèi)孕星之間的劈距詢離值(跨即三邊測(cè)而量煤術(shù)利)嫁就可準(zhǔn)確姐地確定所沒處位置的金三維坐標(biāo)諷。目輩前俊GP惰S年可達(dá)到的鮮精度懂為浮5框～甩8c萄m母。在地面陳沉降和其表他的地殼頑運(yùn)動(dòng)測(cè)量議中王,況當(dāng)兩恐臺(tái)頑GP賴S獲接受器放初在各自的抬觀測(cè)點(diǎn)上否同時(shí)接受武由同組衛(wèi)踏星輸群侄(扔至少免由記4構(gòu)顆人造衛(wèi)連星組沉成癥)塞發(fā)射出的浮雷達(dá)信號(hào)沙時(shí)婆,推這兩個(gè)觀詠測(cè)點(diǎn)的相黃對(duì)位置即沸可確定。即在隨后的悟某個(gè)時(shí)間敲段港里丈,龜當(dāng)人造衛(wèi)勢(shì)星再次捕齊捉到這兩濃個(gè)觀測(cè)點(diǎn)途時(shí)倦,嘩它們?cè)谶@始段時(shí)間里油發(fā)生的相香對(duì)運(yùn)動(dòng)就持可被測(cè)出絹。躁測(cè)量網(wǎng)上覽的各個(gè)觀析測(cè)點(diǎn)都可撲采用該方鈴法進(jìn)行測(cè)珠量。第一管個(gè)地面沉乳降監(jiān)測(cè)測(cè)追量箱網(wǎng)貫199降2頌?zāi)暝诩永愿Ｄ醽喣酃f沙漠稅的均Ante線lop猾e租山谷中誕暑生。它主刷要用于確見定古階地芝的沉衫降哀,微確保測(cè)量想點(diǎn)橡間榆(麥間距為幾粒十英飼里艙)膝的測(cè)量精請(qǐng)度以便今庸后的沉降引監(jiān)測(cè)屈。盲GPS士劇測(cè)量技術(shù)烤也是一種縣多功能的勸勘探手閑段捕,鞭它可以迅花速地判定瘦沉降的大弦概位邁置席,意以便設(shè)置允更加精密箭可隨時(shí)隨存地測(cè)量的可儀地器切(僻如伸長(zhǎng)膜計(jì)計(jì))回。加拿大紀(jì)和伊朗也便已應(yīng)用了唱這種監(jiān)測(cè)陽方法。如襲在伊朗慶的淘Raf旅sanj趕a威n勝平原搬。肢199傘8奸年穿和既199搏9悲年的兩山次之GP治S辰大地高程半檢番測(cè)扇,窩8罵個(gè)月的沉輛降量蹲為蓬1勉0首～日80mm怕,伯其測(cè)量精饞度絲在屬5刃～察8m封m險(xiǎn)之間。暖表魔1鋸列出了各頌種沉降監(jiān)器測(cè)方法的險(xiǎn)比較。激表繪1膏意沉降監(jiān)鬼測(cè)方法的春比較負(fù)測(cè)量方法東測(cè)量方式孔分辨率監(jiān)空間測(cè)量慶密度掙空間測(cè)量灘范圍勇水準(zhǔn)儀稱垂直測(cè)量金0.芝1幻～臥1灶1轎0悄～莫100勇線服—和網(wǎng)紹光電測(cè)距今儀攔水平測(cè)量涼1擱1不0近～朗100將線艇—板網(wǎng)庫伸長(zhǎng)儀醬垂直測(cè)量睜0.0環(huán)1絹～厘0.1混1秀～梅3怨消點(diǎn)術(shù)點(diǎn)金卷尺筆水平測(cè)量割0.3材1仙～肆10副1瀉～趙10掏線列荷不脹鋼尺熔水平測(cè)量懼0.00蓋01襯1饒線范石英管跨垂直測(cè)量墳0.00弱001輝1猾線棵GPS楊水平測(cè)量遭20狼1腰0奔～粱100塘網(wǎng)萍

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支InSA騾R魯測(cè)距禽5驢100烈00悶0餡～峽1000軋000借0送象素點(diǎn)詠?zhàn)?妨表中所示顏分辨率為躁最大分辨私率鏟；蠅InSA愉R警捐圖上的一脅個(gè)象素點(diǎn)跟在實(shí)際地聲面上代壽表瘦4賴0勾～閃80m嶺2四、結(jié)語效根據(jù)土質(zhì)塵條急件早,董美國(guó)的沉姓降主要憐有婦3控種類栗型洽:封含水層組蓋的壓彈實(shí)怖,蒼有機(jī)土的透疏干以及覆可溶巖的恒洞穴塌陷劍產(chǎn)生的沉況降。禍對(duì)信3絡(luò)種沉降過撿程的研究賊表根明普,悄人類活動(dòng)修尤其是對(duì)膀地下水的尼惡性開采典是引起沉限降的主蠶因輩,齒為此美國(guó)疊各州提出勢(shì)了以下措旗