考虑不可控因素下的地面沉降防治区划研究

焦 珣，王寒梅，杨天亮，方 正，林金鑫，张 欢

（1. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072；3. 上海市地质调查研究院，上海 200072）

考虑不可控因素下的地面沉降防治区划研究

焦 珣1,2,3，王寒梅1,2,3，杨天亮1,2,3，方 正1,2,3，林金鑫1,2,3，张 欢1,2,3

（1. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072；3. 上海市地质调查研究院，上海 200072）

在上海微量沉降和城市设防极高要求的今后一段时期内，海平面上升、基底沉降、欠固结土沉降等不可控因素是地面沉降防治必须要考虑的问题。文章从城市排涝角度研究估算了上海今后最大允许相对沉降量、各不可控因素引发的地面沉降量及有效地面沉降容量。以此为依据，在上海地面沉降三级管控分区的总体框架下，结合城市总体规划，进行了2016-2040年地面沉降防治区划划分，并综合确定各分区地面沉降管控指标，可以为地面沉降防治的精细化管理提供技术依据。

地面沉降；防治区划；有效容量；不可控因素

上海地处长江河口，滨江临海，地势低平。长期以来，地面沉降问题作为主要的地质灾害直接影响着上海下垫面形态，严重威胁着上海的城市安全[1,2]。经过半个多世纪的不断努力，目前上海地面沉降达到微量沉降，2010年后年均地面沉降速率一直控制在6mm/a以下。在微量沉降现状和城市安全设防要求极高的条件下，全球气候变暖引起的海平面上升、新构造运动引起的基底沉降以及东部沿江新成陆地区欠固结土的地面沉降效应是研究上海地面沉降防治必须考虑的问题。2013年作者在《上海市有效地面沉降容量研究》[3]一文中提出了上海最大允许相对沉降量和考虑不可控因素下上海市有效地面沉降量的确定方法，本次是在此基础上的所取得研究成果的总结。

1 上海地区有效地面沉降容量

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减去不可控因素控制下的地面沉降量。上海地面沉降最直接的影响是改变了上海市原始地貌形态，降低了地表高程，使内河水位相对升高，改变了城市的自然径、排流条件。同时又受台风、暴雨、洪汛、潮汐影响，汛期积水严重、江河水位相对上升并强化海平面上升影响，城市防汛排涝面临严峻压力。因此，本次以上海各水利分片[3]的城市排涝设计标准为约束条件，研究在相应的排涝设施排涝能力条件下上海地区的有效地面沉降容量。

根据上海地区有效地面沉降容量计算方法[3]，考虑到最近的全市地面高程数据为2011年水准复测结果，本次以2010年为起始年份，计算未来30年，即2010年至2040年上海地区有效地面沉降容量，再减去2010年至2015年的实际地面沉降量，就可以获得2016～2040年的有效地面沉降容量。2016～2040年上海地区有效地面沉降容量的表示如下：

式中：

E(2040)：2010～2040年有效地面沉降容量；

M(2040)：2010～2040年最大允许相对沉降量；

S(2040)：2010～2040年绝对海平面上变化量；

T(2040)：2010～2040年构造运动引起的沉降量；

L(2016-2040)：2016～2040年吹填土沉降量；

A(2010-2015)：2010～2015年实测地面沉降量。

2 最大允许相对沉降量的确定

上海各水利分片雨水排水按排入河道的方式总体上可分为强排水模式和缓冲式自流排水模式两类（图1）。

2.1 强排水模式片区最大允许沉降量

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；强排对于泵站的扬程具有一定的要求，地表高程降低，泵的扬程需要增高，但排水能力会下降；根据1995年上海市防汛指挥部办公室的《二十一世纪远期防洪标准分析》研究成果，当相对海平面上升35cm时，1995年市区已建市政排水泵站出水流量总量减少20m3/s，约占已建市政排水泵站总排水流量2.6%，对雨水泵站流量损失产生了一定的影响。

图1 上海市排水模式分布图Fig. 1 Drainage pattern distribution of Shanghai City

由于1995年后新建和改建泵站机组基本上仍采用了上述类型轴流泵和混流泵，因此，当雨水泵站的性能、设计参数一定时，无论泵站数量多少，相对海平面上升35cm，雨水泵站流量损失仍为2.6%。考虑到减少流量超过2%时，排涝作用会受到一定影响，故本次以流量损失超过2%对应的相对海平面上升值为约束条件，确定强排水模式片区的最大允许沉降量为35cm。

2.2 缓冲式自流排水片区最大允许沉降量

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→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）。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的要求，一般要求大于管道水力坡降，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，不能有效排水。根据缓冲式自流排水的高差条件[3]，本次计算得到缓冲式自流排水片区最大允许沉降量（表1）。

3 不可控因素引发的地面沉降量

3.1 海平面上升

许多研究者根据上海吴淞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，其中以秦曾灏等的研究结果被引用的最多。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绝对海平面长期趋势和周期变化规律[4]，本次根据其所建模型计算了计算了上海及其邻近地区7个验潮站2010、2040年相对于1990年的上升预测值（表2），从而得到2010～2040年上海海平面上升值为6.5cm，平均上升速率约为2.2mm/a，这与IPCC1990～2050年海平面上升速率为2.7mm/a以及国家海洋局研究在《2015年中国海平面公报》得出的未来30年上海所在东海海域的海平面平均上升速率为2.5mm/a相差甚少。

表1 缓冲式自流排水片区最大允许沉降量Table 1 Maximum allowable settlement of cushion type gravity drainage area

绝对海平面上升会引起大陆河网水情发生变化，进而对雨水泵站排涝产生一定的影响。根据1995年《海平面上升对水资源、水利规划和水环境的影响及对策研究》成果，绝对海平面升高值与上海大陆的10个分片河网水位变化值存在一定的相关关系，海平面上升30cm，各分片河网水位上升值约是海平面上升10cm河网水位上升值的3倍，但各分片水位上升比例不尽相同。本次利用线性内插法求解了未来2010～2040年绝对海平面上升6.5cm，对应的各片河网水位的平均上升量。计算结果见表3，其中海域的崇明岛片、长兴岛片、横沙岛片河网水位与绝对海平面的上升值相同，为6.5cm。太湖水网地区商塌片河网水位变化参考太北片，即为0cm。

表2 上海地区海平面上升预测值Table 2 Prediction of sea level rise in Shanghai region

表3 绝对海平面上升引起的各水利控制分片河网水位变化Table 3 Water level changes in sub slice river networks caused by absolute sea-level rise

3.2 新构造运动引起的基底沉降

据已有的研究所知[5]，进入上新世末的新构造运动主幕阶段以后，现上海地区也逐渐沦入沉降盆地。进入早更新世中晚期，上海所在的现长江三角洲地区转入了全面沉降，根据磁性地层测算，平均沉降速率为6.7cm/ka，中更新世期间区内地壳平均沉降速率7cm/ka，中、晚更新世之交，转入了强烈沉降阶段，晚更新世期间上海地区的平均沉降速率剧增为64cm/ka，全新世期间更递增至238cm/ka，全新统沉积表明这种沉降持续到现在，表现出新构造期持续的沉降性。

此外，上海天文台在佘山工作站利用具有很高测量精度的甚长基线干涉仪（VLBL），开展以监测地壳运动为目的的国际间联合观测实验。根据佘山VLBI站与国际合作联测的结果[6]，上海地区地壳垂直运动速率为-2mm/a（“-”代表向下运动），该测量值与磁性地层测算全新世上海地区地壳沉降速率为238cm/ka接近。因此，本次取上海地区地壳垂直运动速率为-2mm/a，按线性变化作时间外推，估算得到2040年上海地区地壳比2010年下降6.0cm。

3.3 新成陆地区地面沉降吹填土沉降效应

吹填土在上海东部新成陆地区广泛分布，它的形成与分布和上海市海岸线的变迁以及围海造陆有关。据目前的调查结果，陆域吹填土分布在上海地区的东部和南部沿江沿海地区，其北至长江隧道，西至曹泾镇。在73堤及随塘河以西以北是缺失的，以东以南则大面积分布。

吹填土的沉降效应主要可以分为两个方面：一方面是吹填土大面积堆载导致的地基沉降、另一方面是吹填土本身固结所产生的沉降。本次分别采用分层总和法和欠固结土一维压缩基本计算公式计算得到新近成陆地区2016～2040年沉降量（图2）。

图2 2016～2040年吹填土沉降估算结果Fig.2 2016～2040 Estimation results of dredger fill settlement

4 有效地面沉降容量的计算结果

由式（1）计算得到2010～2040年上海地区有效地面沉降容量（不考虑吹填土影响）。将2010～2040年上海地区有效地面沉降容量减去2010年至2015年的实测地面沉降量，并考虑浦东片吹填土的影响，便可以获得2016～2040年上海地区有效地面沉降容量。从计算结果来看，2016～2040年上海地区平均有效地面沉降容量约为30cm，嘉宝北片、淀南片和浦东片有效地面沉降容量最大，但基本都在80cm范围内；青松控制片、太南片、浦南西片、横沙岛片有效地面沉降容量最小，都在15cm以下（图3）。

图3 上海市有效地面沉降容量计算结果（2016～2040）Fig.3 The prediction of effective capacity of land subsidence in Shanghai (2016～2040)

5 地面沉降防治区划

在上海地面沉降三级管控分区的总体框架下[7]，本次基于有效地面沉降容量计算结果，根据各管控区地面沉降的易发程度、灾害现状以及发展趋势，结合2016～2040年城市总体规划，进一步进行了地面沉降防治区划划分（图4），以提高地面沉降防治的精细化水平。

图4 上海市地面沉降管控分区（2016～2040年）Fig.4 The regionalization of land subsidence control in Shanghai

5.1 地面沉降重点防治区（Ⅰ区）

（1）地面沉降重点防治I1区

地面沉降重点防治I1区为上海中心城区2016～2040年年均有效容量为9mm。该管控区属于地面沉降高易发区，是地面沉降最严重的地区，历史高程损失多，地表高程低，近几年地面沉降速率小于5mm/a。根据2016～2040年城市总体规划，中心城区为城市中央活动区，主要承载城市的核心功能，人口密度大、重要基础设施众多，地面沉降灾害会有加剧的可能。

（2）地面沉降重点防治I2区

I2-1区，该地区2016～2040年有效地面沉降容量分别约为23cm和9cm，年均有效容量分别约为9mm和8mm。该地区基本属于地面沉降中等—高易发区，历史上发生了较严重的地面沉降灾害，目前为大规模开发地区，重大工程密集，该地区年均沉降量超过10mm/a。根据2016～2040年城市总体规划，大虹桥地区、浦东北部吹填地区为城市集中开发地区，地面沉降灾害极有可能加剧，考虑到近阶段地面沉降速率过大，应严格控制地面沉降发展趋势以满足地面沉降容量要求。

I2-2区，主要包括浦东北部非吹填地区。该地区2016～2040年有效地面沉降容量约为23cm，年均有效容量约为9mm。该地区基本属于地面沉降高易发区，历史上地面沉降灾害较严重，目前该地区年均沉降量小于5mm/a。根据2016～2040年城市总体规划，该地区为城市集中开发地区，地面沉降灾害极有可能加剧。

I2-3区，主要包括浦东南部大治河—浦东机场吹填区，该区有效地面沉降容量约为34cm，年均有效容量约为13mm。该地区属于地面沉降高易发区，累计地面沉降量在200～300mm，目前该地区年沉降量超过10mm/a，除欠固结土沉降是主要的影响因素，还和该地区工程建设活动相关。根据2016～2040年城市总体规划，该地区主要建设大型居住社区，地面沉降发展趋于严重。

I2-4区，主要指除I2-1、I2-2、I2-3区以外的浦东其他地区，年均有效容量约为22～23mm。属于地面沉降的高易发区，大多数地区累计地面沉降量在300～400mm，临港新城地区累计地面沉降量较小，为100～300mm，总体上该地区地面沉降发育一般，目前该地区地面沉降量在4～6mm/a。根据2016～2040年城市总体规划，该区大部分为限制建设区，城市开发主要集中在临港新城、周浦、航头等地，这些地区也是地面沉降最有可能发育的地区。

5.2 地面沉降次重点防治区（Ⅱ区）

主要包括宝山、嘉定、闵行等地区，该区2016～2040年年均有效容量约为24～30mm。该管控区基本属于地面沉降的中等易发区，历史曾为重点开采地区，累计地面沉降量大多在200～300mm。现阶段该管控区地面沉降速率基本小于5mm/a，根据2016～2040年城市总体规划，宝山主城区、闵行主城区及嘉定新城作为城市开发的重点地区，工程建设可能会产生较严重的地面沉降。

5.3 地面沉降一般防治区（Ⅲ区）

（1）III1区

主要包括金山枫泾-廊下、横沙岛、青浦练塘等地区，这些地区不允许发生地面沉降。

金山枫泾-廊下地区、横沙岛地区2016～2040年有效地面沉降容量约为0～2cm，有效地面沉降容量非常小，已不允许该地区发生地面高程损失，该地区为地面沉降较高—高易发区，其中：

金山枫泾-廊下地区受地下水开采影响，历史上地面沉降较为发育，累计地面沉降量在200～400mm，局部地区超过500mm，现阶段金山枫泾-廊下年沉降速率较小，大多以回弹为主。根据2016～2040年城市总体规划，该区为限制建设区，以生态保护为发展定位，对控制金山枫泾-廊下地区地面沉降较为有利，但不能忽视邻省地区地下水开采对该地区的影响，因此建议应严格控制金山枫泾-廊下地区不发生地面沉降。

横沙岛地区历史上地面沉降不太发育，累计地面沉降量在100～200mm，现阶段地面沉降速率小于5mm/a。根据2016～2040年城市总体规划，该区为生态保护区，同时随着横沙岛集约化供水计划的实施，地下水开采量将越来越小，这些对控制横沙岛地面沉降较为有利，考虑到横沙岛地表高程较小、有效地面沉降容量近为0，应严格控制地面沉降的发生。

青浦练塘地区2016～2040年有效地面沉降容量约为0cm，已不允许发生地面高程损失。该地区为地面沉降中等易发区，累计地面沉降量在100～200mm，现阶段以微量回弹为主。根据2016～2040年城市总体规划，该地区基本为生态保护区，同对控制青浦练塘地区地面沉降较为有利，但不能忽视邻省地区地下水开采对地面沉降的影响，应严格控制该地区地面沉降的发生。

（2）III2区

主要包括青浦、松江绝大部分地区。该区2016～2040年年均有效容量约为4mm。该地区基本属于地面沉降低—较低易发区，累计地面沉降量在100～200mm，地面沉降较不发育，现阶段地面沉降速率大多为0。根据2016～2040年城市总体规划，该地区除松江新城、青浦新城等城市开发建设区外，基本为生态保护区，总体对控制地面沉降较有利，但要严格控制工程建设活动引发的地面沉降。

（3）III3区

主要包括金山东部、青浦金泽、松江叶榭等地区。

金山东部、青浦金泽、松江叶榭等地区2016～2040年有效地面沉降容量约为20～26cm，年均有效容量约为8～10mm。该地区属于地面沉降低—较低易发区，其中：

金山东部、松江叶榭累计地面沉降量基本在200～300mm，现阶段受工程建设影响，金山东部、松江叶榭地区地面沉降速率大多在6～8mm/a，金山卫地区超过10mm/ a。根据2016～2040年城市总体规划，该地区除金山石化、新市镇等城市建设开发外，其余基本为生态保护区。

青浦金泽地区累计地面沉降量在100～200mm，地面沉降较不发育，现阶段地面沉降速率大多在为0。根据2016～2040年城市总体规划，该地区基本为生态保护区，对控制地面沉降较有利。

（4）III4区

主要包括崇明岛、奉贤地区。

崇明岛地区2016～2040年年均有效容量约为18mm。该地区属于地面沉降较高易发区，地面沉降较不发育，累计地面沉降量大多在100～200mm，局部地区在200～300mm，现阶段年均地面沉降速率基本在4～6mm/a。根据2016～2040年城市总体规划，崇明岛地区基本为生态保护区，对控制崇明岛地区地面沉降较为有利，但不能忽视邻省地区地下水开采对地面沉降的影响。

奉贤地区2016～2040年有效地面沉降容量约为55～59cm，年均有效容量约为22～23mm。该地区属于地面沉降较低易发区，累计地面沉降量基本在100～200mm。现阶段年均地面沉降速率基本在4～6mm/a。根据2016～2040年城市总体规划，奉贤地区除南桥新城等新城镇建设外，基本为生态保护区，对控制地面沉降较为有利。

（5）III5区

主要包括长兴岛地区，该地区2016～2040年有效地面沉降容量约为29cm，年均有效容量约为11mm。该地区属于地面沉降较高易发区，地面沉降较不发育，累计地面沉降量大多在100～200mm，现阶段由于工程建设活动地面沉降速率在6～8mm/a。根据2016～2040年城市总体规划，该地区主要为船舶工业基地，工程建设活动可能会加剧该地区地面沉降灾害。

6 结论

本次针对上海目前微量沉降现状及城市安全设防的极高要求，将地面沉降防治的可控因素扩展到可控和非可控因素，结合新一轮城市总体规划，以城市排涝设计标准为约束，研究计算了上海最大允许相对地面沉降量，开展了考虑海平面上升、新构造运动引起的基底沉降、新成陆地区欠固结土沉降等不可控因素影响下的地面沉降控制指标研究，为政府决策新时期地面沉降防治工作提供科学依据.

（1）2010～2040年，以中心城区为主的强排水模式地区最大允许相对沉降量约为35cm，缓冲式自排地区中横沙岛片由于地势高程低最大允许沉降量为0cm；金山、青浦、松江地区最大允许沉降量较小，在10～20cm；嘉定、宝山、闵行、奉贤、浦东南部局部和崇明岛地区最大允许沉降量相对较大，为60～90cm。

（2）2010～2040年，上海地区绝对海平面上升约6.5cm，由海平面上升引起的河网水位变化由东部向西部逐渐减小，崇明三岛片为6.5cm，西部青浦地区小于2cm；2010-2040年新构造运动引起的上海地区地壳下降约6cm。

（3）2016～2040年，陆域吹填土平均沉降量约40mm,年均沉降量约1.6mm/a；大部分地区（70%以上地区）的沉降量在0～50mm，年均沉降量0～2mm/a；沉降比较大的地方主要分布在浦东机场以南、滴水湖以北的东部沿海一带，沉降量在100～300mm，年均沉降量4～6mm/a，其中沉降最大的是在大治河河口附近。

（4）2016～2040年，上海地区平均有效地面沉降容量约为30cm。嘉宝北片、淀南片和浦东片有效地面沉降容量最大，但基本都在80cm范围内；青松控制片、太南片、浦南西片、横沙岛片有效地面沉降容量最小，都在15cm以下。

（5）基于有效地面沉降容量计算结果，根据各管控区地面沉降的易发程度、灾害现状以及发展趋势等，结合上海新一轮城市总体规划，在上海地面沉降三级管控分区的总体框架下进一步进行了地面沉降防治区划划分。

References)

[1] 龚士良. 上海地面沉降影响因素综合分析与地面沉降系统调控对策研究[D]. 上海:华东师范大学, 2008. Gong S L. The study on acting factors and systemic control of land subsidence in Shanghai[D]. Shanghai: East China Normal University, 2008.

[2] 龚士良,李采,杨世伦. 上海地面沉降与城市防汛安全[J]. 水文地质工程地质,2008,(4):96-101. Gong S L, Li C, Yang SL. Land subsidence and urban flood prevention safety in Shanghai[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2008,(4):96-101.

[3] 焦珣. 上海市有效地面沉降容量研究[J]. 上海国土资源,2013, 34(2):55-58．Jiao X. Determining the effective subsidence capacity of land in Shanghai[J]. Shanghai Land & Resources, 2013,34(2):55-58.

[4] 秦曾灏,李永平. 上海海平面变化规律及长期预测方法的初探[J].海洋学报,1997,19(1):1-7．Qin Z H, Li YP. Research on Shanghai sea level variation and long-term prediction method[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1997,19(1):1-7.

[5] 邱金波,李晓. 上海市第四纪地层与沉积环境[M]. 上海:上海科学技术出版社,2006. Qiu J B, Li X. The quaternary stratigraphic and sedimentary environment of Shanghai[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Publishing House, 2007.

[6] 杨志根. 由VLBI观测估计上海天文台VLBI站地壳垂直形变[J].中国科学院上海天文台年刊,2000,(21):13-18．Yang Z G. Estimate of vertical deformation velocity of Shanghai VLBI Station[J]. Annals of Shanghai Observ Atory Academia Sinica, 2000,(21):13-18.

[7] 杨天亮,王寒梅,焦珣. 上海地面沉降防治分区管控方法研究[J].上海国土资源,2014,35(4):105-109. Yang T L, Wang H M, Jiao X. Land subsidence zoning control in Shanghai[J]. Shanghai Land & Resources, 2014,35(4):105-109.

Regionalization of land subsidence prevention based on the consideration of uncontrollable factors

JIAO Xun1,2,3, WANG Han-Mei1,2,3, YANG Tian-Liang1,2,3, FANG Zheng1,2,3, LIN Jin-Xin1,2,3, ZHANG Huan1,2,3
(1. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources of China, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Engineering Research Center of Land Subsidence, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

Under the circumstances of Shanghai’s trace settlement and the high demand for urban fortification over the next few years, uncontrollable factors, such as sea-level rise, tectonic settlement, and unconsolidated soil subsidence, must be considered. Based on urban drainage data, this paper presents an estimate of the maximum allowable relative settlement in Shanghai, the amount of ground subsidence caused by uncontrollable factors, and the effective land subsidence capacity. The 2016-2040 control zoning division and management index of each district for ground settlement are determined, in the framework of a three-level management system for land subsidence control in Shanghai. These findings provide a technical basis for the fine management of land subsidence prevention.

land subsidence; prevention regionalization; effective capacity; uncontrollable factors

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0004-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.002

2017-04-07

修回日期: 2017-05-26

焦珣(1982-),女,博士后,高级工程师,主要从事地面沉降研究.

电子邮箱: jiaoxun83@126.com

联系电话: 021-56617612

上海市“十三五”地面沉降防治关键技术研究(2017年)