美国的地面沉降及其防治对策

地面沉降是地面由于地下物质运移而发生的渐进下陷或急剧下沉。这是一个全球性问题,仅在美国,已经有遍及45个洲超过44030km2的土地受到了地面沉降的影响,相当于新汉布什尔州与佛蒙特州的总和。由此引发的经济损失更是惊人:仅在圣克拉拉山谷,沉降所造成的直接经济损失,在1979年大约为1.31亿美元,而到了1998年则高达3亿美元。造成这一灾害的原因主要有含水层的压实、有机质土的疏干排水、地下采矿、自然压实、溶坑以及永冻土的解冻等。一、地面沉降类型根据土质条件,美国的地面沉降主要可以分为三大类:第一类,含水层压实引发的地面沉降；第二类,有机土的疏干引发地面沉降；第三类,洞穴塌陷引发的地面沉降。(一)水层压实引发的地面沉降抽汲地下水(或石油与天然气)时,伴随着地下水从沉积含水层组中,尤其在那些厚层的半固结淤泥、粘土层(弱含水层)组中排出,含水层的孔隙体积和总体蓄水能力大幅度减少,并且不能完全恢复,最终表现为地面沉降。这类沉降的成因有二种机理:一个是有效应力原理,另一个是水动力固结理论。这两个原理将含水层的压实分为两个过程,前者解释了含水层在抽水过程中的压实引发的地面沉降,后者解释了抽水以后的残余压实引发的地面沉降。根据有效压应力理论,抽水以前,上覆土层和水的重力由孔隙水压力和粒间有效压力共同平衡；抽水后总压力不变,孔隙水压力降低,有效压力增加;这样,颗粒骨架所受压力增加,土层被压缩,微观上表现为颗粒之间的孔隙度降低,宏观上表现为含水层变薄,其过程见图1。抽水结束后,地面沉降并未停止,这可以用水动力固结理论来解释,在抽水过程中透水层的放水速度比弱透水层快,因而水位下降也快,停止抽水后,由于两类含水层之间水位高度不同,存在水位差,而表现为弱透水层向透水层渗水,弱透水层因而继续有压实作用,仍有沉降发生。(二)有机质土的疏干引发的地面沉降在自然条件下,有机质土含水量高,土层处于缺氧状态,这时碳质有机质的积累速度要快于它的分解速度。土层中的水被抽排出之后,便处于富氧状态。富氧状态下,土中的微生物变的较为活跃,分解作用的速度明显加快。土层中因分解作用而失去的碳大部分转化为二氧化碳气体进入大气中。除此之外,压实、干燥、风蚀、水蚀和燃烧也是分解的重要因素。全美有机质土的总面积约为207200km2,其中近一半是阿拉斯加的苔类泥炭。美国本土48个州的有机质土,大约70%分布在受过冰河作用、苔类泥炭较为常见的北方地区。苔类泥炭主要由泥炭藓及相关物种构成,具有较高的酸度,即便是经过排水作用也并不会轻易分解。但农业改造后,比如施肥和使用重度石灰提高了其pH值,那么苔类泥炭就会迅速分解。在有机质土沉降的案例中,有些快速沉降(25.4～76.2mm/a)是浅水莎草和芦苇残渣分解造成的。在萨克拉曼多—加利弗利亚圣琼魁三角洲和佛罗里达沼泽区的地面沉降是典型的有机质土沉降,其分解过程如图2。（三）洞穴塌陷引发的地面沉降与地下洞穴(溶洞)有关的地面沉降,其发生比较突然,有时还会带来灾难性的后果。它一般是由地下水水位的下降所引发。某些岩石,如蒸发盐矿物(盐,石膏和硬石膏)和碳酸盐矿物(方解石和白云石)具有易溶于水的特性。盐和石膏在水中的溶解能力分别是方解石的7500和150倍。美国大约35%～40%的国土是以蒸发岩为基础的。与溶解相关的沉降遍及全美各主要盐盆。以喀斯特著称的特殊风化地形有助于碳酸盐岩石的溶解。碳酸盐岩喀斯特地貌覆盖了美国俄克拉荷马州塔尔萨以东40%的潮湿地区。尽管此类塌陷仅限于局部区域,但它们可以通过把污染物引入地下水系统而影响塌陷以外的地区。纽约瑞茨奥佛和佛罗里达中西部的洞穴塌陷主要是盐类和石灰石类洞穴塌陷。深层抽水使下部含水层的水位下降,上下含水层的水头差增加,从而使水的下蚀能力增强,地下溶洞的上覆压力加大,地下支撑结构被破坏;沉积碎屑不断沿着溶蚀裂隙渗到地下洞室中,最终塌陷形成突发性的灰岩坑。(图3)。二、缓解措施友（一陈）粥ASR继技术的应用小为了满足供水剪和改善水质的卖要津求矿,奋含水层存储和祖恢复技若术戒(ASR记)帝在美国各州得昨以广泛的应用殖。在圣克拉拉剩山斜谷山,薪目前的需水量余仍然很绍大涉,蹲但由于地表水宅的引角入捆,堡回灌得以实再施妈,狼使得地下水抽俯汲量减屋少引,唉从而防止了地供下水位重回历隙史最低位。另葬外午,值该区水资源管变理局在当地的嚷河流上建立定了质5幕个蓄水坝以收泛集雨逃水花,慎这样增加了河押水对流经区的斑地下水的补给哑。该区是美国航第一个被发现孔也是第一个采牛取了有效措施泽而支在吨196椒9葡年前后终止了稻沉降的地区。裹同样的情况还画有亚历桑那州骑的中南蜘部宇,便通过引入科罗笑拉多河的河水情减少了对地下欣水的需求强训度捐,孙从而缓解了地饿面沉降。流（二）改变土育地使用类型环将土地使用由特农业用地型向届城市用地型转馆变避,脚以降低需水强酬度外,极防止地下水位浮的进一步下降另。特别适用于守佛罗里达州的绞泥沼裤区万,狮这种方法可以糖防止有机土的短进一步分解。（三）节水雀利用含水层组弦贮藏和运输地锈下券水啄,敢要优于造价高符昂的地表蓄水企和输水系统。巨因此节水是制脚止沉降的一项隐重要举措。如枣在圣琼斯地升区妹,痕目前人均用水边量只租有罗192御0残年的五分之尼一路,碌远低于过去作周为农业用地时晓的用水量。因邮此即便是锦在工197威6沃～途197嚼7顿和羊198浊7克～应199雁1摊年叨,快这两个加州的事主要的旱期蕉里号,煤水位还是保持引在历史最低水遵位以上。肝（四）加固堤蔑防档防止洪水泛滥阴和海水入侵。室例如在加利福场尼亚州汽的牢SACRAM秃ENTO-S溪ANJOAQ来UI财N当三角穴洲顺,向大面积的人工壮堤坝及人工岛科有效的保护了余这猾个三角苏洲右,坝使之免遭海水胜的入柿侵停,驻同时维持了有钻利的淡水坡僵度挑,畅保持了它的淡猪水源作用。（五）立法钥在圣克拉拉山色谷成立了一个脆专门的水资源日管理机构来管源理该区的用搁水算,伶使地表水和地次下水得到了长劲期有效的综合拖利用。许多地恳区甚至采取法兴制措施来防治相地面沉降。例拜如卫198煮0桌年通过魄了竞“报亚历桑那地下找水管理法缸案触”慢。其基本目标墨是独:吹加强对已衰竭辞含水层组的管押理蹲;耳把有限的地下网水资源进行最会合理的分上配仪;异发展新的水资异源供应来增加名亚历桑那的地括下水资源。侍（六）减少落广水洞产生的影乞响蜜已有的案例表嘴明择,脊落水洞的活动夜与地下水的抽贤取有直接关译系昏,糠控制地下水位季的波动可以防猴止落水洞的形民成。群佛罗里达西南办水资源管理区率与其他水资源拦机构通力合躬作迈,据设立了佛罗里锁达中西部地下响水的临界水位糖。最低水位的既提出将会改良哨一些诱发条交件孟,耽减少落水洞产哀生的影响。玩三、地面沉降身的监测贺（一）伸长计胸——赤测量地面沉降彩和水平位移甚钻孔伸长计可否记录地表与钻涉孔底部的参照诸点之间垂直距情离发生的连续掠变化。在含水承层系出现压实素的地区洪,尤伸长计是精确漏测量观测点连哲续变形的最有革效的工具。当牺地下阶地标志拐处于压实含水秀层系底部时藏,沟伸长计可以作摸为局部测量的恳稳定参照点或箩初始点。在一拢个简单的仪器腹中插入多级伸扒长计还可以同皇时测量不同深兼度段的含水层播系的压实程度贱。纺（二）雷达干弹涉测量技唤术拘(西InSAR)阻干涉测量合成毫孔径雷男达取(希简漠称伙InSAR怨)汗是一种高效的冤新工具。它运铸用雷达信号测长量地壳变形。谊它的出现使空叫间清晰度和测识量分辨率达到毒空前的高度。巧合成孔径雷佛达恋(抓简比称薯SAR扯)振通过空间飞行集器卫星绕轨道桥运抹行丢,侮数学的合成一众个大型的操作抵天性线剂,泊并产生高空图控像分辨能力。制对某个地区而察言相,哄若在一段时期歌内西,芹它有一些稳定识的雷达反射物陶体洒,串那么就可对反顷射物体处的变最化进行高精度雹的测量。在理浩想状况定下慌,滥可测量佣出予5翼～外10m忙m厨的抬升变化。粗图筝4评是加粗州响SanJo事aquin枝Valle沈y子的一个油田区错的雷达干涉血图付,响空白区为信号市不连续洞区思,瓜主要是指农作稿物产区。饺（三骨）感GPS涂测量符基于人造卫星贤的全球定位系聋统乒(刊GPS)底的诞生之前宇,我地面测量最常缴用的工具是经侮纬仪和光电测轨距仪学(议简称隐EDM)田。水准测量技铜术方法很简单各,养但它的精确度垂却很高蚊,虽即使在测量精基度要求不高的皇情况下如,杏这种方法也能好够测量到数英请里外栏0.05(昼1mm蓝)圣英尺的抬升变勇化。但在大规腿模的测量中龟,疏水准测量和砍EDM篇测量所产生的循错误就会明显挨增加。当测量退范围较小估(铸不超过剪8km谈)扩且测量密度较指大时堤,惧人们通常采用湿气泡水准测量镰,钩因为它的精确坟度高而且成本埋相对较低。对柏于大规模的区夸域网应该采用络先进的全球定集位系统宴(衡GPS)站进行全方位的趣测量。挖GPS巴可借助于人造鸽地球卫星进行会三边测量定位位。它的原理就蓄是利用雷达信跟号从卫星传到胜接收天线所需模的时间来计算眯距离。通过接宰收器与至少混4漏颗人造卫星之巴间的距离笑(听即三边测量术拢)蒙就可准确地确运定所处位置的遍三维坐标。目铃前障GPS铅可达到的精度框为间5御～惨8cm吃。在地面沉降贤和其他的地壳往运动测量中袍,响当两台者GPS钢接受器放在各抹自的观测点上诞同时接受由同骤组卫星群蹈(擦至少由流4特颗人造卫星组易成着)晌发射出的雷达节信号时待,忽这两个观测点进的相对位置即间可确定。在随慕后的某个时间导段里幸,柿当人造卫星再躺次捕捉到这两织个观测点时斑,虹它们在这段时笨间里发生的相先对运动就可被足测出。叶测量网上的各王个观测点都可弦采用该方法进夺行测量。第一组个地面沉降监循测测量网汁1992吃年在加利福尼逮亚莫哈韦沙漠钥的虑Antelo仙pe堂山谷中诞生。脂它主要用于确融定古阶地的沉某降狡,久确保测量点间走(浊间距为几十英裹里馒)若的测量精度以址便今后的沉降欢监测。室GPS剧测量技术也是唱一种多功能的岔勘探手段冠,诞它可以迅速地虏判定沉降的大日概位置笑,餐以便设置更加吃精密可随时随皇地测量的仪器卡(列如伸长计希)肠。加拿大和伊补朗也已应用了跳这种监测方法倚。如在伊朗的视Rafsa胃njan仰平原。生1998命年和吹1999料年的两次方GPS妄大地高程检测涌,8垃个月的沉降量文为兆10稳～扰80mm,捞其测量精度在叹5侦～挺8mm脑之间。表宁1尸列出了各种沉盏降监测方法的感比较。兰表浆1粪息沉降监测方患法的比较染测量方法饥测量方式姨分辨率怜空间测量密度厨空间测量范围额水准仪唉垂直测量崇0.1除～膝1帝10板～醒100啦线哗—然网崖光电测距仪颤水平测量饺1晓10偷～懒100玉线业—昌网膨伸长仪畜垂直测量亭0.01身～贱0.1聋1伴～胜3念点距点戴卷尺岗水平测量由0.3理1威～狮101段～皱10晌线列虚不胀钢尺隐水平测量叹0.0001沿1后线概石英管滚垂直测量唱0.0000藏1痕1颗线熄GPS渔水平测量胃20拦10鹅～肯100式网辅

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