上海地面沉降災(zāi)害的歷史與防治措施

上海地面沉降災(zāi)害的歷史與防治措施

1上海預(yù)防地面沉降災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)中國(guó)平原上已有45多個(gè)城市和地區(qū)，發(fā)生了區(qū)域沉降問(wèn)題。上海是第一個(gè)也是最重要的預(yù)防和控制城市。早在1921年通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)中心城區(qū)有地沉現(xiàn)象。自20世紀(jì)20年代以來(lái),上海出現(xiàn)的地面沉降災(zāi)害有潮水上岸、暴雨導(dǎo)致馬路積水、高潮橋下通航受阻等現(xiàn)象。1956年以來(lái),上海采取了一系列的防治措施,如修建防汛墻、開展地下水人工回灌等,使上海地面沉降在1966~1995年得到有效控制,地面沉降災(zāi)害也減少到了最低程度,同時(shí)地下水資源也得到了充分的開發(fā)利用。上海在防治平原區(qū)地面沉降災(zāi)害方面,為中國(guó)其它地面沉降城市或地區(qū)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。本文是這方面成果的介紹。2沉降期20世紀(jì)2020年1921~1995年,上海市中心城區(qū)地面平均累計(jì)沉降1807mm,年均沉降量約為24mm。根據(jù)歷年沉降變化特征,可以把上海市中心城區(qū)地面沉降歷史分為兩大時(shí)期,即1921~1965年的快速沉降時(shí)期和1966~1995年的緩慢沉降時(shí)期。在1921~1965年的快速沉降時(shí)期,中心城區(qū)地面平均累計(jì)沉降量為1691mm,年均沉降38mm,最大沉降量2.63m。在1966~1995年的緩慢沉降時(shí)期,中心城區(qū)地面平均沉降116mm,年均沉降約4mm?？焖俪两禃r(shí)期還可分為明顯沉降階段(1921~1948年)、加快沉降階段(1949~1956年),劇烈沉降階段(1957~1961)和緩慢沉降階段(1962~1965年)等四個(gè)階段;緩慢沉降時(shí)期還可分為地面微量回彈階段(1966~1971年)、微量沉降階段(1972~1989年)和地面沉降加快階段(1990~1995年)等三個(gè)階段。3地面沉降3.1快速沉降時(shí)期1921年以來(lái),上海市中心城區(qū)因地面沉降發(fā)生的潮水上岸洪災(zāi)共8次,其中有6次發(fā)生在1921~1965年快速沉降時(shí)期,只有2次發(fā)生在1966~1995年的緩慢沉降時(shí)期。其中1949年7月25日的潮水上岸洪災(zāi)最為嚴(yán)重,潮位比前三次低,洪災(zāi)范圍卻比前三次大,市區(qū)大部分被淹,水深0.3~2.0m,死亡34人,房屋損壞11768間。3.2暴雨造成的道路洪水每逢暴雨,由地面沉降造成的低洼地區(qū)往往積水成災(zāi)。從1949年以后,每次風(fēng)暴潮暴雨造成的市區(qū)馬路積水現(xiàn)象嚴(yán)重。20世紀(jì)80年代以來(lái),一般性暴雨也導(dǎo)致中心城區(qū)馬路積水成災(zāi),如1981~1994年的13年中,全市暴雨共292次,其中22次發(fā)生在中心城區(qū),均導(dǎo)致了地面積水災(zāi)害,年均1.7次,90年代每年增至約3次1。3.3黃金水道蘇州河是上海重要的水上運(yùn)輸線,也是上海的黃金水道之一。每逢4m以上的高潮位時(shí),中心城區(qū)蘇州河橋下凈空不足2.5m,通航就被迫停止,一年約30次以上。3.4地面相對(duì)上升、底部脫裂、管井沉、樁頂開裂其它地面沉降災(zāi)害現(xiàn)象有碼頭下沉、倉(cāng)庫(kù)進(jìn)水;建筑物相對(duì)上升,底部脫裂;深井管道相對(duì)上升、井臺(tái)開裂;地面水準(zhǔn)點(diǎn)失穩(wěn);河床下沉;及地貌形態(tài)改變—地面沉降洼地形成等。3.5蘇州河運(yùn)輸損失上海市地面沉降經(jīng)濟(jì)損失主要包括黃浦江、蘇州河防汛墻建設(shè)經(jīng)費(fèi),蘇州河運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)損失,港口、碼頭下沉經(jīng)濟(jì)損失及其它損失(如地下管線建設(shè)費(fèi)、防汛墻修補(bǔ)費(fèi)及地面沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與研究專項(xiàng)投入費(fèi))等四項(xiàng)。年均地面沉降經(jīng)濟(jì)損失約在7300萬(wàn)元人民幣以上。4經(jīng)濟(jì)沉降和生態(tài)采取自1956年以來(lái)上海采取了一列地面沉降防治措施。主要包括以下8個(gè)方面。4.1中心城區(qū)沿江的水利工程1956年以前,上海市中心城區(qū)沿黃浦江、蘇州河兩岸沒有防汛墻,外灘只有鐵鏈相連的柵欄。從1956年起,中心城區(qū)沿江沿河開始陸續(xù)修建防汛墻;至1998年,中心城區(qū)防汛墻經(jīng)過(guò)4次加高加固,總長(zhǎng)達(dá)208km,其中129km達(dá)到千年一遇潮位的標(biāo)準(zhǔn)2。4.2一個(gè)單座水泵1956年以來(lái),上海市逐漸建起了市政排澇泵站,截止1996年底,中心城區(qū)建有排澇泵站161座,裝機(jī)泵616套,總排水能力969m3/s,總服務(wù)面積230km2。4.3降低地下水位限制開采地下水,中心城區(qū)地下水開采量從1963年的1.1×108m3減少到(1.1~1.2)×107m3,使地下水位上升以達(dá)控制地面沉降的目的。4.4“冬用”構(gòu)成地下水人工回灌以“冬灌夏用”為主、以“夏灌冬用”為輔,始于1965冬季34。1965~1995年的30年間共回灌地下水量5.98×108m3,平均年回灌近2×107m3。4.5淺部土層地面沉降由于深部土層的單位變形量(某單位厚度土層在單位水頭作用下的變形量)明顯小于淺部土層,所以等量開采第四、五含水層地下水產(chǎn)生較小的地面沉降量,來(lái)代替開采第二、三含水層產(chǎn)生較大的地面沉降量,以達(dá)到控制地面沉降的目的。1980~1995年第四、五含水層開采量已占73.2%(1965年僅占28.7%)。4.6灌方案控制目標(biāo)的確定上海市制訂年度地下水采灌方案是從1966年起一直保持至今。年度采灌方案是在評(píng)價(jià)上年地下水采灌方案執(zhí)行情況及地面沉降情況的基礎(chǔ)上,制定新一年地面沉降控制目標(biāo)。通過(guò)地下水運(yùn)動(dòng)與地沉耦合的數(shù)學(xué)模型反復(fù)計(jì)算,尋找達(dá)到地面沉降控制目標(biāo)的最佳采灌方案,并由政府批準(zhǔn)實(shí)施。4.7地面浮巖基準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)上海是中國(guó)開展地面沉降監(jiān)測(cè)與研究最早的城市。通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量,于1921年發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象,1952~1960年發(fā)現(xiàn)上海中心城區(qū)地面嚴(yán)重下沉。從1965年至今相對(duì)佘山基準(zhǔn)點(diǎn),每年對(duì)中心城區(qū)和近郊區(qū)于冬灌期和夏用期各進(jìn)行一次Ⅰ、Ⅱ等水準(zhǔn)測(cè)量,監(jiān)測(cè)地面水準(zhǔn)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)對(duì)全市地下水采灌量、水位、水質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);建立基巖標(biāo)和分層標(biāo)對(duì)土層變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。1962~1995年間,上海取得了一系列地面沉降勘察研究成果1256。4.8實(shí)施《上海市深井管理辦法》上海采取法制措施來(lái)防治地面沉降可上溯到1963年,在中國(guó)也是最早的。1963年6月上海市人民委員會(huì)發(fā)布實(shí)施《上海市深井管理辦法》,直接把“保護(hù)和合理使用地下水源,防止地面沉降,嚴(yán)格控制深井用水”作為目的。后又經(jīng)上海市政府多次修改后重新頒布。5上海沉降預(yù)防5.1高標(biāo)準(zhǔn)抗洪墻工程自1956年以來(lái),沒有發(fā)生過(guò)一般性高潮位產(chǎn)生的地面沉降洪災(zāi)。20世紀(jì)80年代以來(lái),中心城區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)防汛墻有效地防止了風(fēng)暴潮洪災(zāi)。如1997年8月18日在黃浦公園站產(chǎn)生風(fēng)暴潮創(chuàng)歷史潮位5.72m,但是中心城區(qū)沒有發(fā)生風(fēng)暴潮洪災(zāi)。5.2暴雨的垂直分布理論上講,市區(qū)現(xiàn)有排澇泵站可以排走市區(qū)約300mm的暴雨量。從1981~1994年,超過(guò)300mm的暴雨只出現(xiàn)在1985年8月9日一次,大部分市區(qū)造成地面積水的暴雨量均少于300mm,而12次僅為50~100m之間?？紤]到地面排水暢通、排澇泵站分布以及暴雨集中程度,現(xiàn)有排澇泵站還不能完全消除暴雨引起的積水災(zāi)害問(wèn)題,但從積水深度、范圍、時(shí)間上大大減緩了其災(zāi)害程度。5.3地下水位下降、地面回彈上海市壓縮地下水開采量是從1964年開始的,1966年減少規(guī)模最大,達(dá)5×107m3;1963~1969年期間,隨著開采量減少,地下水位迅速抬升,年度平均地面沉降量也相應(yīng)迅速減少,甚至出現(xiàn)地面回彈;但自1970年以來(lái),地下水再?zèng)]有繼續(xù)回升,地面又開始微量下沉。很顯然,限制地下水開采在1964~1969年控制地面沉降初期取得了極其顯著的效果。5.4水位下降和地面沉降變化上海市地下水人工回灌是從1966年開始的,主要回灌層次是第二、三含水層,當(dāng)年僅回灌了3.4×106m3,就引起了冬灌水位的大幅回升,地面明顯回彈,年回彈量達(dá)6.3mm。1967年后回灌量逐漸增加,水位1966年的-10米持續(xù)上升,至1970年以后維持在-1.5m左右,到1990年地面沉降基本穩(wěn)定在0~5mm之間。1990年以后,由于郊區(qū)、郊縣開采量大幅增加,而回灌量沒有增加,地下水位出現(xiàn)下降趨勢(shì),地面沉降也出現(xiàn)增大情形。所以,地下水人工回灌具有長(zhǎng)期控沉作用。5.5地下水的開采組織層次從1972年以后,第四、五含水層逐漸成為上海市地下水的主要開采層次。經(jīng)估算,1969~1990年市區(qū)第四含水層開采量相當(dāng)于開采第二含水層時(shí)少沉降5mm/a±。5.6建立地面沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的結(jié)合沒有地面水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè),就不能發(fā)現(xiàn)地面沉降;沒有完善的地面沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),且不進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),就不可能進(jìn)行地面沉降研究,科學(xué)的防治地面沉降對(duì)策也就提不出來(lái)。所以地面沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與研究是整個(gè)防治地面沉降系統(tǒng)工程中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性科學(xué)工作。5.7地下水開采量、采灌方案的確定1921~1962年,上海市地下水開采基本處于無(wú)政府狀態(tài),想開多少就開多少,最大年開采量超過(guò)2×108m3,而且主要集中在中心城區(qū)的第二、三含水層。1963~1965年開采量減少,但沉降量仍很大。造成中心城區(qū)累計(jì)沉降量達(dá)1.69m,最大年均沉降達(dá)110mm。從1966年至今,上海市每年都制訂地下水采灌方案。采灌方案是根據(jù)地面沉降控制目標(biāo),確定全市年度采灌總量,并進(jìn)行平面上和層次上的合理分配。通過(guò)計(jì)劃管理,1966~1995年的30年間中心城區(qū)地面沉降量只有116mm,是前45年的7%。同時(shí)全市地下水總開采量到1994年達(dá)1.54×108m3,是前45年最大年開采量的75.9%。5.8上海市防止洪水1963年頒布了《上海市管理蘇州河駁岸和防洪墻暫行辦法》,1989年又頒布了《上海市防汛墻加固工程建設(shè)管理辦法》,1996年再次頒布了《上海市黃浦江防汛墻保護(hù)辦法》。這一系列的防汛墻建設(shè)、管理和保護(hù)法制措施,有力地保障了防治地面沉降洪災(zāi)的防汛墻體系的建設(shè),從而基本上使上海中心城區(qū)自上世紀(jì)80年代以來(lái)沒有出現(xiàn)洪災(zāi)。1963年6月發(fā)布了《上海市深井管理辦法》,使地下水開采量的壓縮,地下水人工