江苏如东北部水产养殖区地面沉降现状分析与防控建议

闵 望, 陆 华, 杨 琦, 万佳俊, 殷幼松, 卢 毅, 刘明遥

(1. 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室,江苏南京210018; 2. 江苏省地质调查研究院,江苏南京210018; 3. 江苏省地质测绘院,江苏南京211102; 4. 浙江环球星云遥感科技有限公司,浙江湖州313200)

0 引 言

地面沉降是一种缓变形地质灾害,也是城市化进程中普遍存在的环境地质问题,已成为影响社会经济可持续发展的重大不利因素(武健强等,2014)。长江三角洲是我国目前地面沉降三大重点片区之一(蔡田露等,2021),在该区开展地面沉降发生机制与发展规律的研究显得尤为迫切(段永侯,1998;袁铭等,2016)。随着对地空间观测技术的不断发展,采用高分辨率InSAR监测方法(RADARSAT-2卫星)实时全天候获取地表形变信息,已成为区域面状地面沉降监测新的空间技术手段,也是目前较为成熟的区域地面沉降监测手段(张杏清等,2015;蔡田露等,2020)。

近年来,随着江苏如东北部地区小棚养虾行业的快速发展,该区域地下水的开采量迅速递增,对地下水掠夺式的过量开采使当地有限的地下水资源面临严重的威胁(龚绪龙等,2018;顾晟彦等,2020)。继苏锡常地区地面沉降趋缓后苏北地区凸显出的这一典型地面沉降区,已成为全省地面沉降研究新的拓展区和实践区。依据长三角地面沉降联防联控机制,急需加强江苏如东北部地区的地面沉降监测和研究。利用InSAR监测技术开展区域地面沉降监测,圈定如东北部地面沉降重点沉降区及影响范围,结合开采井水位统测数据对比研究,证实了区内地下水水位漏斗与地面沉降展布形态和特征具有较好的一致性,科学佐证了地下水开采是该地区地面沉降形成的主要诱因。

1 研究区概况

如东北部水产养殖区地处丰利镇—苴镇—长沙镇一带,占地面积约5 066 hm2,以养殖南美白对虾为主,年总产量约9万t,产值超40亿元。养殖区整体呈近东西向条形分布,与海岸线展布方向基本一致,总长约18 km,宽约3 km,东起长沙镇长堤村,西至丰利镇光荣村,北部以自然村村落为界,主体分布区域位于S221省道(海防线)以北地区,G328国道(临海公路)贯穿其中(图1)。

图1 如东北部水产养殖区分布范围示意图Fig. 1 The distribution of aquaculture areas in the northern Rudong

图2 如东北部水产养殖区光学影像特征图(2018年1月,由美国PL卫星获取)Fig. 2 Optical image feature map of aquaculture areas in the northern Rudong(by US PL satellite,2018-01)

图3 如东北部水产养殖区局部遥感影像图Fig. 3 Local remote sensing image of aquaculture areas in Northern Rudong

2 地面沉降历史及现状

2.1 地面沉降历史

如东北部水产养殖区自规模化养殖以来,主要依赖地区浅层地下水作为养殖用水,平均每500 g对虾需要消耗地下水水量2～3 t。开采井24 h抽取地下水,水泵额定抽水量约20 m3/h,每口开采井可维持约10个养殖大棚养虾用水量。

如东沿海地区历史地面沉降监测资料显示,该地区地面沉降始于2012年,截至2016年,养殖区平均地面沉降速率保持在10～20 mm/a之间。

2.2 地面沉降现状

2016年后,如东北部水产养殖业蓬勃发展,养殖规模稳中有升,地下水开采量随之增加,加剧了地下水水位漏斗的形成。将2017—2020年度高分辨率InSAR(影像分辨率>5 m,反演精度5 mm)监测获得的累计沉降数据与水准数据进行对比,结果较为一致(图4)。

图4 InSAR监测累计沉降与水准数据对比图Fig. 4 Comparison between InSAR monitoring cumulative settlement map and leveling data

根据如东北部水产养殖区2017、2018、2020、2022年4个年度的地面沉降速率监测结果(图5—图8),养殖区内地面沉降速率较为平稳,沉降范围和沉降量相近,大部分地区的沉降速率介于10～20 mm/a之间,地面沉降严重区沉降速率>30 mm/a(殷幼松等,2021),沉降范围覆盖南美白对虾养殖区全域,以入海通道为界东西两侧各存在1个沉降集中区。

图5 如东北部水产养殖区地面沉降速率散点图(2017年度)Fig. 5 Scatter plot of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2017)

图6 如东北部水产养殖区地面沉降速率散点图(2018年度)Fig. 6 Scatter plot of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2018)

图7 如东北部水产养殖区地面沉降速率散点图(2020年度)Fig. 7 Scatter plot of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2020)

图8 如东北部水产养殖区地面沉降速率散点及PS点分布图(2022年度)Fig. 8 Scatter plot and PS point of surface deformation rate of aquaculture areas in Northern Rudong (2022)

2018年,南通整治南美白对虾养殖存在的生态损害问题。整治范围主体以省道S221为界,向南为内陆区域,北侧为沿海区域,含如东全县陆域范围内南美白对虾养殖区域;整治时间为2018—2019年,整治期内逐步关闭或迁移原对虾养殖企业,并封闭区内地下水开采井。

对比2017—2022年度研究区地表形变速率图可明显看出,S221省道以南内陆地区的干涉点级别均明显降低,沉降速率由20～30 mm/a降至10～20 mm/a,且干涉点数量明显减少,充分表明该区段地面沉降正逐步趋缓。

为充分揭示沉降区西部与东部地面沉降的变化规律,以及对比地面沉降的差异性,分别在两处沉降区周边选择4个点位绘制PS点时序形变曲线,获取监测时段内的地表形变发育趋势(图9)。PS点的地理位置见图8,其中,西部沉降区的PS3点位于沉降漏斗中心区域,PS1、PS2点分别位于PS3点的南侧和北侧,PS4点位于省道S221的南侧。

图9 如东北部水产养殖区两处沉降区PS点形变曲线图(2017—2022)(a)西部沉降区;(b)东部沉降区Fig. 9 Deformation curve of PS points in two subsidence areas of aquaculture areas in Northern Rudong (2017-2022)(a) Western subsidence area; (b) Eastern subsidence area

PS3点的形变量明显大于其他3处(图9a),PS1与PS2的形变曲线发育趋势较为接近,具有一定的周期性规律,具体表现为春夏季沉降加速、秋冬季有所减缓的变化特征,推测与不同季节性用水量有着直接的关系;PS1—PS3点2021年起沉降开始出现放缓迹象。东部沉降区的4处特征点总体形变发育趋势与西部较为相似(图9b),均表现出沉降漏斗中心处形变明显高于周边区域、S221省道以南的PS点沉降速率明显减缓的趋势。

3 水位统测及校核

为确保InSAR监测结果的准确性和可靠性,查清地下水开采与地面沉降之间的关系,2020年10月对水产养殖区开采井进行水位核查和统测,累计校核水位统测点39个,校核控制点面上均匀分布,统测水位数据以静水位埋深为主(图10)、动水位埋深为辅。

图10 如东北部水产养殖区水位统测点分布图Fig. 10 Distribution of water level measurement points of aquaculture areas in Northern Rudong

水位统测和校核结果表明,长期地下水集中式开采已致使如东北部水产养殖场内绝大部分区域水位大幅下降,区内静水位埋深由开采前的1～3 m为主下降至目前的5～9 m为主,最大静水位埋深高达13.93 m,最大动水位埋深约为13 m。整治后的S221省道以南内陆地区目前静水位埋深保持在2 m左右,基本恢复到了原始水位,相比S221省道以北沿海地区提升了4～5 m。

分析结果显示,区内地下水已形成2处明显的水位漏斗,漏斗中心位置分别位于环农村三组—十五组一线区域以及何丫村四组—八组一线区域。对比研究发现,两处水位漏斗中心位置与地面沉降中心范围基本保持一致,且漏斗展布形态和沉降分布特征也较为相似(图11)。由此可以确定,该地区地下水水位下降形成水位漏斗是导致地面沉降发生的主要原因。

图11 如东北部水产养殖区2020年度地面沉降速率及水位埋深分布图Fig. 11 Map of land subsidence rate and buried depth of water level of aquaculture areas in Northern Rudong (2020)

4 成因分析

研究区地处江苏沿海区域,地势较为平坦,地面坡度<10%(梅芹芹等,2018),地表堆积了巨厚的新近系、第四系松散沉积物。其中,上部第四系厚度在120～300 m之间,具有分布范围广、沉积时间短的特点,砂层较多,浅部发育一套典型的以海积作用为主的软土层(蔡田露等,2021)。选取研究区位于南通如东何丫村老村部的典型水文地质孔分析地层特征,该孔40 m以浅含多层粉质黏土,根据岩土力学实验参数划分为软土,埋深为2～34 m,层厚1.0～15.6 m,具有高含水量、高压缩性、低强度的特点,含水量最高达53.1%,压缩系数最高达1.03 M/Pa,属易沉降地层(刘明遥等,2021)(图12)。

图12 如东北部何丫村水文孔岩性柱状图Fig. 12 Lithologic histogram of hydrologic hole of Heya Village in Northern Rudong

由于研究区内开采井深度绝大部分介于20～40 m之间,受地下水开采影响的地层绝大部分深度为40 m以浅,而该段地层岩性以粉质黏土、粉细砂以及粉砂与粉质黏土互层为主,在地下水被完全疏干的条件下极易发生地面沉降,此外,养殖区内地层沉积时间相对较短,亦存在一定量的固结压缩性沉降。

5 地面沉降防控建议

根据研究区沉降现状,提出以下地面沉降防控对策。

(1)加大养殖区内地下水、地面沉降监测和研究力度。增加区内地下水水位监测频率,拓宽地面沉降监测方法和手段,细化地下水水位变化规律和地面沉降主要压缩层等因素。进一步强化成因机理研究,为更好地制定研究区地面沉降防治区划提出合理有效的防控措施奠定基础。

(2)优化产业结构和产业布局,落实地下水水位和地下水水量双重控制的管理制度。对区内现存开采井的深度及分布位置等信息进行档案化管理,约束单井最大月抽水量,最大限度地控制地面沉降的发展(毛磊等,2019)。

(3)探究废水净化新技术新方法,加大养殖产业区内的废水循环利用力度,从而减轻该地区地下水开采压力,同时有效避免因养殖废水排放造成的土壤和浅层地下水环境地质问题。

6 结 论

(1)如东北部水产养殖场自规模化运营以来,长期对区内地下水进行集中式开采,使得地下水水位大幅下降,继而形成水位漏斗,最终导致地面沉降的发生。大部分地区沉降速率介于10～20 mm/a之间,严重区域沉降速率>30 mm/a。

(2)养殖区内39个开采井的水位统测结果显示,区内静水位埋深由开采前的1～3 m下降至目前的5～9 m,最大静水位埋深高达13.93 m。整治后的S221省道以南地区目前静水位埋深保持在2 m左右,相比S221以北沿海地区提升了4～5 m。

(3)水位统测对比结果以及2020年度高精度InSAR监测数据证实,区内水位漏斗分布特征与地面沉降中心具有较好的一致性,佐证了地下水开采是该地区地面沉降灾害形成的主要诱因。

(4)PS点监测数据证实,研究区内地面沉降中心地表形变量明显高于周边地区,整体发育趋势较为接近,并且具有一定的周期性规律,体现为春夏季沉降加速、秋冬季有所减缓的变化特征,这与不同季节的地下水开采量存在直接的关联。

(5)根据研究区地面沉降现状,提出了一系列地面沉降防控建议,如增加区内地下水水位监测频率,强化成因机理研究;优化产业结构和产业布局,对区内现存开采井信息进行档案化管理;加大养殖产业区内的废水循环利用力度,减轻地下水开采压力。