江苏沿海地区地面沉降影响因素及防控对策

刘明遥， 张 岩， 蔡田露， 龚绪龙， 张 平， 苟富刚

(1. 江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018； 2. 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京 210018)

0 引 言

江苏属我国主要地面沉降区，苏锡常地区的地面沉降更为严重，而沿海地区是仅次于苏锡常地区的重灾区(武健强等，2014；江苏省国土资源厅等，2017)，地面沉降形势十分严峻(郑铣鑫等,2002)。沿海地区除连云港北部与南通局部地区为山地丘陵外，其他地区均为平原，86.6%面积的海拔高度在5 m以下，14.1%面积的海拔高度在2 m以下，低平的地势决定了沿海地区高程的宝贵，一旦发生高程损失，带来的危害会更加严重。沿海地区地面沉降是多种因素共同作用的结果，其中深层地下水过量开采是造成区域地面沉降的主要因素(许乃政等，2005)，随着地下水开采得到有效控制，工程建设活动引起的工程性沉降量所占比例越来越大，滩涂吹填土固结沉降也较为严重。

1 地面沉降现状

1.1 多个区域性地面沉降漏斗

江苏沿海地区的地面沉降现象始于20世纪80年代，90年代以后逐渐加剧。至2016年，累计沉降量>200 mm的漏斗面积近1.4万km2，形成灌河沿岸—滨海—阜宁—盐城市区—大丰区、射阳、如东及南通—海门等多个大型区域沉降漏斗；沉降量>400 mm的区域面积约1 000 km2，主要分布在灌南、灌河沿岸、阜宁、射阳、盐城市区、大丰区，沉降中心累计沉降量均>500 mm,最大沉降中心位于盐城大丰城区，累计沉降量达750 mm(图1)。

1.2 地面沉降总体趋缓，部分地区仍在发展

近年来(2012—2016)，沿海地区地面沉降总体趋缓，但连云港南部和盐城北部地区仍较严重。灌南县城区、灌河沿岸地带沉降速率>20 mm/a，其中燕尾港镇的平均沉降速率>50 mm/a，是沿海地面沉降发展趋势最严重的地区。滨海和射阳一带出现较明显的地面沉降，最大沉降速率>20 mm/a。南通地区地面沉降主要分布于启东、海门、如东的沿海和沿江区域，平均沉降速率为10～15 mm/a(图2)。

图1 江苏沿海地区1985—2016年累计地面沉降量

图2 江苏沿海地区2012—2016年平均沉降速率

2 地面沉降影响因素分析

江苏沿海地区地面沉降影响因素主要体现在两方面，即地质背景条件是地面沉降产生和发展的基础，地下水开采、工程建设、滩涂围垦等人类活动是产生地面沉降的诱因，这两方面共同影响着地面沉降的发生和发展。

2.1 地质背景

2.1.1 巨厚的松散层与易压缩性软土 沿海地区堆积了巨厚的新近系、第四系松散沉积物，厚度达200～1 600 m。其中第四系地层厚度在120～300 m之间，分布广泛，沉积时间较短，砂层较多，属易沉降地层。浅部发育一套典型的以海积作用为主，冲海积、河流海积、河流冲积为辅的软土层，顶板埋深3～30 m不等，主要分布在连云港南部(非基岩区均有)、盐城大丰北部、南通市区、启东、海门等地。其中灌河口地区的软土力学性质最差，压缩系数为0.92～4.10，属高压缩性土，累计厚度>30 m(经绯等,2010；梅芹芹等,2018)。

2.1.2 深层承压含水层水文地质条件 南通地区为古长江沉积环境，深层承压含水层多为巨厚砂层，砂层占比基本在50%以上，岩性以中砂、含砾中粗砂为主，颗粒较粗，地下水补给条件较好。盐城和连云港南部地区为古淮河、古沂沭河沉积环境，深层承压含水层砂层较薄，颗粒较细(表1)，地下水补给条件较差(龚绪龙等,2017)。在相同的地下水开采条件下，南通地区的地下水水位下降幅度和速度均较盐城和连云港南部地区小很多，含水层的固结压缩量相对较小，这是造成盐城和连云港南部较南通地面沉降发生更早、沉降量更大、波及范围更广的主要原因。

2.2 地下水开采利用

地下水开采是沿海地区部分区域地面沉降的主要诱发因素，无论是空间还是时间，地面沉降与地下水开采都存在明显的相关性。

2.2.1 地下水开采层数与地面沉降 沿海地区地下水开采层次较多，其中盐城和连云港南部地区主采第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承压含水层，南通地区主采第Ⅲ承压含水层，由于长期过量开采，各含水层出现了不同程度的水位降幅。① 至2015年，第Ⅱ承压含水层在阜宁、滨海、响水、灌南等地形成水位埋深>20 m的水位降落漏斗区，最大水位埋深>30 m；② 第Ⅲ承压含水层在盐城市区以北至灌云水位埋深均>20 m，其中在响水、滨海、灌南、灌云东部地区形成了水位埋深>30 m的大型连片降落漏斗区，盐城市区水位埋深>30 m；③ 第Ⅳ承压含水层>20 m埋深区域覆盖了大丰区以北地区(基岩区除外)、如皋—如东一带及海门—启东一带，其中盐城—灌南大部分地区埋深>30 m，盐城城区、响水灌河口形成了埋深>40 m的小型水位降落漏斗。

表1 不同地区深层承压含水层砂层厚度统计结果

图3 江苏沿海地区承压水历年开采量

可见，在盐城和连云港南部地区，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承压含水层均出现了大幅度的水位下降，会引起多层土体压缩固结，导致沉降量明显大于开采单层水的南通地区。同时，盐城市区、响水、滨海、灌南、灌云、射阳、南通市区、启东等多个地面沉降中心与区域单一漏斗或多层复合漏斗分布基本一致，反映了地面沉降的发生在空间上与地下水开采密切相关。

2.2.2 地下水开采量与地面沉降 ① 20世纪80年代以前，沿海地区地面沉降量极小，以松散岩土的自然固结沉降为主，年沉降量为1～2 mm(黄敬军等,2003；冯志祥等,2013)。② 20世纪80年代后，盐城、南通、大丰、东台等中心城区大规模开采地下水，开采量和开采范围迅速扩大，地下水水位快速下降，导致地面沉降，中心城区累计沉降量为50～100 mm，盐城市区和大丰城区地面沉降量更大，累计沉降量>200 mm。③ 20世纪90年代中期后，地下水开采发展为全区性行为，各含水层均有开采，据不完全统计，南通深层水开采量1990年突破1亿 m3，盐城深层水开采量1995年突破1亿 m3，连云港深层水开采量1989年突破1 000万 m3，沿海三市深层水总开采量1988年突破1.3亿 m3，1995年达2.5亿 m3(图3)。各层地下水水位迅速下降，地面沉降范围迅速扩大，形成以盐城市区及大丰为中心的大型沉降漏斗，沉降中心沉降量近400 mm，平均沉降速率>15 mm/a。④ 20世纪末开始逐步控制地下水的开采，开采量逐年减少，并逐渐保持稳中有降的趋势(图3)。2013年后，沿海三市开始地下水压采工作，2015年地下水开采量控制在1.4亿m3以下，水位降幅减缓，大部分地区呈回升趋势，地面沉降趋缓。

2.2.3 地下水水位与地面沉降 对比分析响水、盐城市城区、南通海门地区的水准点高程与主采层地下水水位变化(图4—图6)可见，地面高程随地下水水位下降而降低，降低速率随水位下降速率增大而变大。如响水城区1985—2006年期间，地下水水位平均下降速率约为0.8 m/a，地面平均沉降速率约为9 mm/a；2006年后，地下水水位平均下降速率增长至约1.5 m/a，地面沉降速率也相应增加至23 mm/a左右(图4)。

当地下水水位大幅回升时，地面高程也呈回升态势。如南通海门地区2013年以前地面高程和水位均下降，2013年后地下水水位快速回升，地面高程也发生回弹(图6)。

图4 响水城区地面高程与地下水水位(第Ⅲ承压)变化图

图5 盐城城区、大丰城区地面高程与地下水水位变化图

图6 南通海门地区地面高程与第Ⅲ承压水水位变化图

2.2.4 沉降主体层分析 根据南通海门分层标组数据与附近第Ⅲ承压含水层(主采层)水位对比，2006—2013年期间地下水水位一直处于下降状态，水位低于-40 m，累计沉降量逐年增加，至2013年6月，累计沉降量达25.7 mm，其中以F2-F3和F3-J监测的第Ⅲ承压含水层、第Ⅳ弱透水层和第Ⅳ承压含水层压缩量最大，占总沉降量的60%～79%(图7、图8)。可见，随着主采层的水位降低，主采层第Ⅲ、Ⅳ承压含水层及相邻隔水层产生固结沉降，即沉降量主要来自主采层及相邻的黏性土层。

2013年地下水禁采后水位快速回升，2015年12月回升至-23 m左右，平均每年回升约17 m。地面沉降出现不同程度的减弱甚至是回弹，回弹的主要贡献层是第Ⅲ承压含水层(F3与F2)，2013-06—2015-12回弹了6.54 mm；第Ⅳ承压含水层及相邻的隔水层回弹量较小，基本处于稳定状态。由此可见，主采层水位回升后沉降趋缓甚至回弹，呈现弹性变形特征，而弱透水层的沉降未随水位的回升而回弹。

2.3 工程建设活动

工程建设造成的地面沉降一般是局部的，往往集中于工程活动相对频繁及密集的浅部地层中，与开采地下水引起的区域性及深部地层沉降有很大差别(龚土良等,2001)。海门分层标组监测数据显示(图8)，自2013年12月开始，第Ⅰ承压和潜水地层的压缩量占比突然增加(F1与地面标)，由8%增至34%，沉降量从2～3 mm增至7～9 mm，这是由于2013年分层标附近建设了一栋6层办公楼，该地区浅部软土总厚度达15 m，施工过程及后期荷载作用导致浅部地层沉降。例如，连云港某工程分层沉降监测孔的数据(2017-05—2018-01)显示，软土层(2.2～12.2 m)的年压缩量约为4 mm(监测孔处多年平均沉降量约为5 mm)，其他非软土层压缩量较小，可见浅表软土层的工程性沉降逐渐成为部分地区的主要沉降来源。

图7 南通海门分层标组结构图

图8 南通海门分层标各分标组累计沉降量曲线

沿海地区软土分布广泛，力学性质较差，具有显著的流变特性和弹塑性变形。依据一维固结理论，对区域典型钻孔进行地表大面积堆载情况下的工后沉降计算结果显示，沿海地区工后沉降量普遍小于7 cm，但连云港城区北部、灌云、灌南、响水、滨海东部及射阳北部沉降量较大，尤其是徐圩—灌河口区域沉降量达20 cm。

2.4 滩涂围垦固结

沿海地区主要以疏浚吹填来实现滩涂围垦，吹填土的孔隙比大、含水量高、重度小、塑性指数高、压缩性高，极易液化，且主次固结沉降量均较大(梅芹芹等,2017)。InSAR监测数据显示，滩涂围垦区的年沉降量多>10 mm，其中大丰港区最大年沉降量达44.8 mm(2015-11—2016-11)。

3 地面沉降防控对策

3.1 实施地面沉降分区管控

3.1.1 地面沉降控制区划分 地面沉降控制区划以地面沉降风险评价为核心(胡喜梅等,2017)，将地下水水位变化趋势、工后沉降(梅芹芹等,2018)及滩涂区固结沉降应用到控制区划分中，充分考虑各种因素对地面沉降的影响，体现了一定时期的地面沉降发展趋势，实现地面沉降控制的前瞻性。

综合考虑地面沉降现状(累计沉降量、沉降速率)、水文地质条件(地下水水位埋深和变幅)、工程地质条件(软土层厚度、工后沉降预测)、滩涂区固结沉降、地面高程等因素，将沿海地区划分为3类地面沉降控制区：① 重点控制区(Ⅰ),4 770 km2，主要分布在盐城市城区、大丰区城区、阜宁县城区、射阳县城区、滨海运河镇、响水县城区、灌南县城区、连云新区、徐圩—灌河口地区、高速铁路沿线区域和沿海主要滩涂围填区；② 次重点控制区(Ⅱ)，11 080 km2，主要分布在启东市城区、海门、如东、大丰及其以北地区，其中大丰及其以北地区主要围绕重点控制区分布；③ 一般控制区(Ⅲ)，13 724 km2，主要分布在如皋、海安、东台及启东非城区地区(图9)。

图9 江苏沿海地区地面沉降控制区划分图

3.1.2 地面沉降控制建议 根据地面沉降控制区划，综合考虑各个分区的主要沉降诱因、沉降发展趋势、防治现状及沿海开发规划，从经济上合理、技术上可行的角度，对每个重点控制区、次重点控制区及一般控制区制定相应的控制措施(表2)。

(1)地下水开采型控制区。① 地下水开采型沉降控制区分布最为广泛，灌河沿岸至启东地区基本属于地下水开采型控制区，其中重点控制区主要包括Ⅰ2—Ⅰ9地区，次重点控制区为Ⅱ2—Ⅱ7地区，这些地区均发育多个承压含水层，区域地下水过量开采造成累计沉降量较大或现有沉降速率较大，针对这些地区要重点加强地下水资源管理，优化产业结构。② 加快实现城乡区域供水全覆盖。目前，盐城北部、连云港南部部分地区以及沿海滩涂地区仍处于地表水资源供给末端，供水网络覆盖不全，使得地下水开采量居高不下，需开辟引江供水新通道，提升供给能力。③ 加强地下水红线管理。在继续执行地下水压采的同时，实行地下水水位红线管理，实现地下水资源合理开发和地面沉降有效控制。④ 优化区域产业结构。沿海地区地面沉降速率居高不下的地区多为大型化工区、工业区、港口区，众多产业对地下水开采有着不可替代的需求。应提高园区入驻门槛，对入驻企业进行取水论证工作，限制水资源高消耗企业进驻；对现有企业进行供水结构优化，降低地下水用水比例。

(2)软土工后沉降型控制区。主要分布在连云港连云区(Ⅰ1)和徐圩—灌河口地区(Ⅰ2)，这些地区软土层分布较厚。建议提高大型建筑和线性工程的沉降适应能力，做好地基处理，预留安全高程。

(3)滩涂固结型沉降控制区。主要为2000年以后的滩涂围垦区(Ⅰ10)。建议对滩涂地区的固结沉降进行监测与评估，预留安全高程；加强滩面高程和岸线的绝对海平面监测，对海堤顶面高程设计应考虑沉降速率、海平面上升速率、极端风暴潮增水等因素。

(4)重大线性工程沉降控制区。主要为高速铁路沿线两侧500 m范围区。建议加强铁路沿线高程和地下水水位监测，控制区内禁止开采地下水。

表2 地面沉降控制建议

3.2 建立地面沉降联防联控机制

地面沉降灾害防控需要从产业结构布局、水资源开发管理、城市规划建设、重大线性工程规划建设等多个维度共同施策，涉及多个部门，需组建由自然资源、水利水务、规划建设、轨道交通、发改委等部门组成的联防联控办公室，定期召开联席会议，确定防控目标，划分防控职责，制定防控措施，评估防控效果，多管齐下，政策协调，共同作用，多层面措施管控地面沉降。

3.2.1 明确防控职责 ① 自然资源部门：为地面沉降监测与防治的行政主管部门，负责区域性地面沉降防治的监督管理，组织编制联防联控方案，制定防控目标，建立和维护地面沉降监测网络，建立重点控制区内建设项目的地面沉降灾害危险性评估制度，会同水利部门做好地下水水位监测；对滩涂高程、海堤高程和绝对海平面高程加强监测。② 水利水务部门：负责地面沉降防控工作中的地下水开采的监督管理，加快重点沉降区地下水压采和禁采工作，落实水位红线与地下水开采量双控制度，推进城乡区域供水全覆盖工程建设。③ 规划建设部门：负责加强城建区深基坑降排水工程管理和监测，严格控制深基坑降水引起的地面沉降，会同自然资源部门完善重大工程监测网络建设。④ 轨道交通部门：负责建立高铁、轨道交通等重大线性工程沿线骨干监测网，落实重大线性工程建设和运行的沉降风险管理制度。⑤ 发改委：负责对重点沉降区的重大工程规划和建设实行严格批复，重点沉降区要调整产业结构，避免高耗水型产业的大规模聚集。

3.2.2 制定防控目标 (1)地面沉降速率。地面沉降速率防控目标以5年为1个目标期，期末地面沉降速率要达到控制目标，对不同控制区制定不同级别的防控目标(国土资源部等,2012；江苏省国土资源厅等,2017)。① 重点控制区：沉降速率应控制在20 mm/a以内，中心沉降速率控制在30 mm/a以内。② 次重点控制区：沉降速率应控制在15 mm/a以内，中心沉降速率控制在20 mm/a以内。③ 一般控制区：沉降速率应控制在10 mm/a以内，中心沉降速率控制在15 mm/a以内。④ 重大工程控制区：沉降速率应控制在15 mm/a以内。

(2)地下水水位。地下水水位控制目标以5年为1个目标期，以地下水水位红线为限值，如目标期内地下水水位高于红线水位，控制目标为目标期末地下水水位不低于红线水位，且水位年降幅<0.5 m(江苏省水利厅,2013)；如目标期初始地下水水位低于红线水位，要综合考虑实际水文地质条件、地下水开采情况、地方政策等，制定切合实际的地下水水位控制目标。

3.3 开展灾害风险动态评估与海陆一体协同监测

3.3.1 定期开展地面沉降风险评估 建立地面沉降风险动态评估机制，定期开展地面沉降风险评估，根据评估结果调整地面沉降控制区划分，同时根据主要风险诱因调整地面沉降防控目标和防控措施。

3.3.2 地面沉降与海平面升降协同监测机制 做好陆域地面及滩涂海堤的地表高程监测，开展各岸线段的绝对海平面监测，形成地面沉降与海平面升降协同监测机制。

3.3.3 建立城市地面沉降监测网 以现有地面沉降监测网为骨架，根据不同地区、不同条件、不同地面沉降形势，充分运用分层标、光纤监测、InSAR、水准测量、GPS测量等技术方法，对超高层建筑、地下轨道交通、高速铁路等重大工程开展高程监测，构建覆盖重大工程的城市地面沉降监测网。

4 结 论

(1)沿海地区地面沉降是多种因素共同作用的结果，其中深层地下水过量开采是造成区域地面沉降的主要因素，而随着地下水开采得到有效控制，人类工程建设活动增加，浅表软土层的工程性沉降占比越来越大，滩涂吹填土固结沉降也要加以关注。

(2)区域地面沉降的发生和发展主要受地下水的过量开采控制，水文地质条件(含水层岩性、补给更新能力)差异是造成北部地面沉降较南部发生早且程度严重的主要因素，沉降量主要来自主采含水层和相邻弱透水层的固结压缩；当主采层水位回升后，含水砂层呈回弹趋势，呈现弹性变形特征，弱透水层的沉降没有随水位的回升而回弹。

(3)地面沉降防控要针对不同成因制定措施：对地下水开采重点控制区要落实水位红线与地下水开采量双控制度，优化供水结构，降低地下水资源比例；重大线性工程重点控制区要全面禁采地下水；软土工后沉降区和滩涂固结沉降区要做好地基处理并预留安全高程。