上海市有效地面沉降容量研究

焦 珣

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 南京大学地球科学与工程学院，南京 210093；3. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072）

上海市有效地面沉降容量研究

焦 珣1,2,3

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 南京大学地球科学与工程学院，南京 210093；3. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072）

上海目前微量沉降及城市安全设防高要求的条件下，地面沉降的防治战略应综合考虑各种制约影响因素。由人类经济与工程等活动引发的地面沉降，具有可控性。有效地面沉降容量即城市环境承载与灾害防御可承受的最大允许沉降量。从上海城市雨水排涝入手，以两种排涝模式的主要设计标准为约束条件，探讨不同分区最大允许沉降量的确定方法，为地面沉降研究与防治提供借鉴。

地面沉降；有效地面沉降容量；最大允许沉降量；地质灾害防治；城市安全

地面沉降是由于自然因素或人为活动引起地壳表层松散土层压缩并导致地面标高降低的地质现象。上海地面沉降目前处于每年数毫米的微量发展阶段，但城市滨江临海、地势低平，容易遭受风暴潮汛的侵袭，地面沉降防治工作将始终是城市安全设防的重要方面[1]。

从地面沉降防治工作的战略需求出发，结合城市规划建设，需要从城市总体安全防灾的角度，确定可控的地面沉降量和允许的最大沉降量。通过这些指标量值的研究，可以为地面沉降防治规划及有关计划编制提供宏观依据，为城市规划及安全防灾提供决策咨询意见，同时也能促进地面沉降研究的深化。

1 有效地面沉降容量的概念

有效地面沉降容量(effective subsidence capacity)由荷兰学者提出[2]，主要是为解决矿产开采（包括天然气和盐矿）中允许沉降量的确定问题。荷兰的地表高程大多数接近或低于海平面，地下资源开采（包括地下水、盐、石油、天然气）、土地围垦、矿区排水等构成了荷兰地面沉降的主要影响因素，全球气候变暖导致的海平面上升更加剧了地面沉降的环境后果。因此荷兰矿产开采管理部门要求开采天然气和盐矿的公司在开采前需向政府提交一份开采计划，该计划必须全面考虑由于矿产开采活动导致的地面沉降量，只有沉降量在允许范围之内，才能核发开采许可证。该地面沉降量的允许范围即为有效地面沉降容量，是指所允许的人类活动控制下的最大地面沉降量，其值等于地区最大允许相对沉降量（相对于海平面上升）减去自然因素作用下（海平面上升与构造运动等）的地面沉降量。自然因素引起的地面沉降往往无法控制和改变，所以称为不可控沉降量。

由有效地面沉降容量的定义可以看出，其是将一定的地面高程控制目标作为约束总值，扣除不可控沉降量部分而剩余的量值。因此，有效地面沉降容量为允许人类活动产生的沉降量。将人类活动产生的沉降量称为可控沉降量，可控沉降量须小于等于有效地面沉降容量，否则会对人类及所生存的环境造成危害。

进行有效地面沉降容量求解，首先要确定相对最大沉降量M，其值包含了所有影响因素引起的地面沉降量。根据地区地面高程控制目标的不同，M的取值也不同。Jan Van Herk等在研究受潮汐驱动而沉积演变的荷兰Pinkegat潮汐盆地天然气开采引起的地面沉降预测评价时，以该潮汐盆地“俘获”沉积物的能力定义M的大小，即有效地面沉降容量等于该盆地的天然沉降量最大限值减去海平面上升值。随着海平面上升的加速，有效地面沉降容量不断减小，相应地调整天然气的开采量，以保证由天然气开采引起的地面沉降量小于有效地面沉降容量，从而不会对环境产生危害。

2 上海地区有效地面沉降容量

地面沉降最直接的影响是改变了上海市原始地貌形态，降低地表高程，使内河水位相对升高，改变城市的自然径排流条件。在遭受台风、暴雨、洪汛、天文大潮等影响下，江河水位显著上升并强化海平面上升影响，城市防汛排涝面临严峻压力。

江河堤防是上海城市防汛的重要设施，从堤防的设防标准能否确定上海最大允许相对沉降量？目前，中心城区黄浦江及主要支流防汛墙长达208km；郊区江泖圩堤总长1815.19km，黄浦江上游江堤长136.5km；滨海地带的海塘总长464.4km，其中陆域海塘170.8km、岛屿海塘293.6km。外滩黄浦江防汛墙历次加高直接受地面沉降影响[3]，最近一次加高以“千年一遇”高潮位5.86m作为设防标准，且充分考虑了地面沉降的影响。因此，从堤防的设防标准不容易确定上海最大允许相对沉降量。

20世纪70年代，在全市水利规划中，根据上海地区的地形、水文、气象特征及与太湖流域、长江口、杭州湾相互关系等自然条件，在兼顾行政区域的基础上，除苏州河以南的老城区外，在河网水利上将上海市划分为嘉宝北片、蕴南片、浦东片、青松大控制片、浦南东片、浦南西片、太北片、太南片、商榻片、崇明岛片、长兴岛片、横沙岛片等共14个自然片（图1），并采取分片综合治理，在控制片外围建立大包围控制工程，并设置排涝泵站，形成外挡（洪潮）内控（片内高水位）的除涝排水格局。

图1 上海市水利控制分片Fig.1 The water control slice in Shanghai

雨水排水按排入河道的方式，可分为强排水模式和缓冲式自流排水模式两类。强排模式的流程为：雨水→市政管网→雨水泵站→附近河道→片外大水体；缓冲式自流排水是接近自然的排水模式，流程为：雨水→市政管网→雨水泵站→附近河道（或圩内河道）→片区泵、闸（圩内排涝泵站）→片外大水体（圩外河道）。目前，上海市已建排涝泵站1116座、水闸1901座。中心城区采用强排水排涝方式，其他片区基本采用缓冲式排水模式。根据《上海市城镇雨水系统专业规划（2005～2020）》，强排水模式主要涉及六大片区，包括嘉宝北片一部分、蕴南片、淀北片、中心区及浦东片一部分，其余片区基本采用了缓冲式排水模式（表1）。

表1 上海各水利控制分片排水模式Table 1 The drainage patterns of water control slice in Shanghai

强排对于泵站的扬程具有一定要求，地表高程降低，泵的扬程需要增高，但排水能力会下降；缓冲式自排对雨水管道地表高程与排入河道的水位差值具有一定要求，一般应大于管道水力坡降，地表高程降低到一定值，自流排水安全的地面标高与河道水位高差会小于管道水力坡降，则不能有效排水。

因此，上海地区最大允许相对沉降量可以考虑用城市排涝设计标准来确定，即上海的有效地面沉降容量等于特定时期城市排涝设计标准扣除自然因素控制下（海平面上升、构造运动等）的地面沉降量。

3 最大允许相对沉降量的确定

3.1 强排水模式片区

上海市雨水泵站绝大部分为立式轴流泵和立式混流泵，其设计工作扬程均在5m以上。一般当泵的扬程增大，泵的流量会减小。1995年上海市防汛指挥部办公室《二十一世纪远期防洪标准分析》研究报告，根据全市雨水泵站轴流泵和混流泵设计工况的扬程—流量曲线，在动力不变情况下，扬程增加13cm、23cm，雨水泵站流量损失为0.9%和1.8%，影响较小；当扬程增加35cm，雨水泵站流量损失2.6%，对城市排涝能力有一定影响。

尽管目前和规划中的雨水泵站数量相比1995年大为增加，但当雨水泵站的性能、设计参数一定时，无论泵站数量多少，下垫面的变化势必对泵的扬程产生影响，从而影响城市排涝能力。因此，在强排水模式片区，以流量对城市排涝的影响为约束条件，根据雨水泵的性能确定泵的扬程，反推确定强排水模式片区最大允许沉降量。

3.2 缓冲式自流排水片区

缓冲式自流排水的适用条件包括河道条件、高差条件和一些外部条件[4]。其中河道条件需要有足够数量的且分布比较均匀的河道，具体控制指标为水面率在8%左右、河道间距不大于800m；高差条件是指雨水管道起端处地面标高与河道水位的差值，需大于管道水力坡降，具体为地面与水面高差大于1m以上。因此，以各缓冲式自流排水片区现状高程与片区内河道水位作差，并预留0.8～1m的排水坡降，剩余的量值即为各片区最大允许沉降量，表达式如下：

式中：

M缓(i)—缓冲式排水片区i的最大允许沉降量；

H地(i)—缓冲式排水片区i的地面高程，本次取片内平均高程；

H河(i)—缓冲式排水片区i的河道水位，本次取片内河道平均常水位；

G—排水坡降。

4 自然因素引发的地面沉降量的确定

许多学者根据上海吴淞等验潮站资料对过去百年来海平面变化速率及未来的上升值作了研究和预测[5,6]。秦曾灏等采用多变量逐步回归和最大熵谱分析等方法，分析了以吴淞为代表的上海地区绝对海平面长期趋势和周期变化规律，根据所建模型预测2010年和2030年上海地区海平面相对于1990年将分别上升50mm和110mm[7]。即1991～2010年海平面上升速率为2.0mm/a，与实际较为一致；2011～2030年海平面平均上升速率为3mm/a，这与IPCC估计的1990～2050年海平面上升速率为2.7mm/a以及国家海洋局预测的未来30年东海海域海平面平均上升速率2.8mm/a基本相吻合。因此，绝对海平面上升速率可以直接引用这些成果。

上海天文台利用甚长基线干涉测量(VLBL)监测分析地壳板块运动[8]，根据佘山VLBI站1988～1999年与国际合作联测的结果，上海地区地壳垂直向下运动速率约为2mm/a[9]。按线性变化作时间外推，可以估算得到上海地区地壳的下降速率。

5 结语

（1）关于有效地面沉降容量的讨论

上海地面沉降防治面临的形势主要表现在已形成的地面沉降洼地对城市安全影响长期存在，叠加了包括海平面上升和基底构造沉降运动等自然因素后地面沉降对城市安全的影响将更加严峻。开展上海地区有效地面沉降容量研究，并针对这部分可调控的量，开展相关对策措施研究，为最终制定地面沉降防治战略决策方案提供依据，是新时期地面沉降防治战略研究的重要工作。

而最大允许相对沉降量的确定是计算有效地面沉降容量的关键所在。最大允许相对沉降量可以从多方面去考虑，本文是从地面沉降对城市排涝影响角度出发，结合上海城镇雨水排涝的两种不同模式设计标准要求来求算上海不同水利分片最大允许相对沉降量。强排片区是根据泵站的扬程与流量的性能关系确定最大允许相对沉降量，缓冲式自排片区是根据对雨水管道水力坡降要求而确定的。事实上，无论强排片区还是缓冲式自排片区都布设有雨水泵站，同时随着下垫面的不断变化，缓冲式自排片区的泵站数量在不断增多，而本文只是利用了两种排涝模式的主要设计特点，未综合考虑两种模式的全部影响要素，因此研究方法存在一定的局限性，但是对于宏观把握上海可控地面沉降量的限值提供了一种思路。

（2）下一步工作思路

由人类活动引发的可控地面沉降量须小于等于有效地面沉降容量，否则会对人类及所依存的环境造成危害。为了判断可控地面沉降量与有效地面沉降容量的大小，需要进行可控地面沉降量计算。目前上海市可控地面沉降主要受区域地下水开采和工程建设活动两大因素影响，因此须结合地面沉降防治规划、方案和城市规划建设，对未来一定时期内上海市可控地面沉降总量进行预测。

根据有效地面沉降容量与预测的可控地面沉降量的比较结果，并结合新时期城市发展总体规划，从地面沉降对排涝影响角度出发，提出地面沉降分区防治的总体战略，拟订不同地面沉降防治分区的主要控制措施，从而为地面沉降防治工作部署奠定基础。

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Determining the Effective Subsidence Capacity of Land in Shanghai

JIAO Xun1,2,3
(1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China;
2. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China;
3. Shanghai Research Center for Land Subsidence Control Engineering, Shanghai 200072, China)

At present, Shanghai is in a state of rapid settlement and is seeking better urban security. In the new era, the city needs a strategy for developing land-subsidence prevention work, which should involve the comprehensive consideration of various factors. Land subsidence caused by human economic and engineering activities should be at least partially able to be controlled. In this paper, effective subsidence capacity was defined as the allowable maximum land subsidence limited by the urban environment and hazard/disaster control. We took two stormwater drainage patterns as constraints, and determined the maximum subsidence limits for different districts of Shanghai. The resulting information could be of practical significance for land subsidence research and for the control of subsidence by governmental administrative agencies.

land subsidence; effective subsidence capacity; the maximum subsidence limit; geological disaster prevention and control; urban safety

P642.26

A

2095-1329(2013)02-0055-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.013

2013-04-04

2013-05-10

焦珣(1982-),女,博士后,工程师,主要从事地面沉降研究.

电子邮箱：jiaoxun83@126.com

联系电话：021-56617618

中国地质调查局地调项目(1212011220174);上海市科委科研项目(10dz2254000)