上海地面沉降灾害的历史与防治措施

上海地面沉降灾害的历史与防治措施

1上海预防地面沉降灾害的经验中国平原上已有45多个城市和地区，发生了区域沉降问题。上海是第一个也是最重要的预防和控制城市。早在1921年通过水准测量发现中心城区有地沉现象。自20世纪20年代以来,上海出现的地面沉降灾害有潮水上岸、暴雨导致马路积水、高潮桥下通航受阻等现象。1956年以来,上海采取了一系列的防治措施,如修建防汛墙、开展地下水人工回灌等,使上海地面沉降在1966~1995年得到有效控制,地面沉降灾害也减少到了最低程度,同时地下水资源也得到了充分的开发利用。上海在防治平原区地面沉降灾害方面,为中国其它地面沉降城市或地区提供了宝贵的经验。本文是这方面成果的介绍。2沉降期20世纪2020年1921~1995年,上海市中心城区地面平均累计沉降1807mm,年均沉降量约为24mm。根据历年沉降变化特征,可以把上海市中心城区地面沉降历史分为两大时期,即1921~1965年的快速沉降时期和1966~1995年的缓慢沉降时期。在1921~1965年的快速沉降时期,中心城区地面平均累计沉降量为1691mm,年均沉降38mm,最大沉降量2.63m。在1966~1995年的缓慢沉降时期,中心城区地面平均沉降116mm,年均沉降约4mm。快速沉降时期还可分为明显沉降阶段(1921~1948年)、加快沉降阶段(1949~1956年),剧烈沉降阶段(1957~1961)和缓慢沉降阶段(1962~1965年)等四个阶段;缓慢沉降时期还可分为地面微量回弹阶段(1966~1971年)、微量沉降阶段(1972~1989年)和地面沉降加快阶段(1990~1995年)等三个阶段。3地面沉降3.1快速沉降时期1921年以来,上海市中心城区因地面沉降发生的潮水上岸洪灾共8次,其中有6次发生在1921~1965年快速沉降时期,只有2次发生在1966~1995年的缓慢沉降时期。其中1949年7月25日的潮水上岸洪灾最为严重,潮位比前三次低,洪灾范围却比前三次大,市区大部分被淹,水深0.3~2.0m,死亡34人,房屋损坏11768间。3.2暴雨造成的道路洪水每逢暴雨,由地面沉降造成的低洼地区往往积水成灾。从1949年以后,每次风暴潮暴雨造成的市区马路积水现象严重。20世纪80年代以来,一般性暴雨也导致中心城区马路积水成灾,如1981~1994年的13年中,全市暴雨共292次,其中22次发生在中心城区,均导致了地面积水灾害,年均1.7次,90年代每年增至约3次1。3.3黄金水道苏州河是上海重要的水上运输线,也是上海的黄金水道之一。每逢4m以上的高潮位时,中心城区苏州河桥下净空不足2.5m,通航就被迫停止,一年约30次以上。3.4地面相对上升、底部脱裂、管井沉、桩顶开裂其它地面沉降灾害现象有码头下沉、仓库进水;建筑物相对上升,底部脱裂;深井管道相对上升、井台开裂;地面水准点失稳;河床下沉;及地貌形态改变—地面沉降洼地形成等。3.5苏州河运输损失上海市地面沉降经济损失主要包括黄浦江、苏州河防汛墙建设经费,苏州河运输经济损失,港口、码头下沉经济损失及其它损失(如地下管线建设费、防汛墙修补费及地面沉降动态监测与研究专项投入费)等四项。年均地面沉降经济损失约在7300万元人民币以上。4经济沉降和生态采取自1956年以来上海采取了一列地面沉降防治措施。主要包括以下8个方面。4.1中心城区沿江的水利工程1956年以前,上海市中心城区沿黄浦江、苏州河两岸没有防汛墙,外滩只有铁链相连的栅栏。从1956年起,中心城区沿江沿河开始陆续修建防汛墙;至1998年,中心城区防汛墙经过4次加高加固,总长达208km,其中129km达到千年一遇潮位的标准2。4.2一个单座水泵1956年以来,上海市逐渐建起了市政排涝泵站,截止1996年底,中心城区建有排涝泵站161座,装机泵616套,总排水能力969m3/s,总服务面积230km2。4.3降低地下水位限制开采地下水,中心城区地下水开采量从1963年的1.1×108m3减少到(1.1~1.2)×107m3,使地下水位上升以达控制地面沉降的目的。4.4“冬用”构成地下水人工回灌以“冬灌夏用”为主、以“夏灌冬用”为辅,始于1965冬季34。1965~1995年的30年间共回灌地下水量5.98×108m3,平均年回灌近2×107m3。4.5浅部土层地面沉降由于深部土层的单位变形量(某单位厚度土层在单位水头作用下的变形量)明显小于浅部土层,所以等量开采第四、五含水层地下水产生较小的地面沉降量,来代替开采第二、三含水层产生较大的地面沉降量,以达到控制地面沉降的目的。1980~1995年第四、五含水层开采量已占73.2%(1965年仅占28.7%)。4.6灌方案控制目标的确定上海市制订年度地下水采灌方案是从1966年起一直保持至今。年度采灌方案是在评价上年地下水采灌方案执行情况及地面沉降情况的基础上,制定新一年地面沉降控制目标。通过地下水运动与地沉耦合的数学模型反复计算,寻找达到地面沉降控制目标的最佳采灌方案,并由政府批准实施。4.7地面浮岩基准点监测上海是中国开展地面沉降监测与研究最早的城市。通过水准测量,于1921年发现地面沉降现象,1952~1960年发现上海中心城区地面严重下沉。从1965年至今相对佘山基准点,每年对中心城区和近郊区于冬灌期和夏用期各进行一次Ⅰ、Ⅱ等水准测量,监测地面水准点动态变化。同时对全市地下水采灌量、水位、水质进行长期动态监测;建立基岩标和分层标对土层变形量进行监测。1962~1995年间,上海取得了一系列地面沉降勘察研究成果1256。4.8实施《上海市深井管理办法》上海采取法制措施来防治地面沉降可上溯到1963年,在中国也是最早的。1963年6月上海市人民委员会发布实施《上海市深井管理办法》,直接把“保护和合理使用地下水源,防止地面沉降,严格控制深井用水”作为目的。后又经上海市政府多次修改后重新颁布。5上海沉降预防5.1高标准抗洪墙工程自1956年以来,没有发生过一般性高潮位产生的地面沉降洪灾。20世纪80年代以来,中心城区高标准防汛墙有效地防止了风暴潮洪灾。如1997年8月18日在黄浦公园站产生风暴潮创历史潮位5.72m,但是中心城区没有发生风暴潮洪灾。5.2暴雨的垂直分布理论上讲,市区现有排涝泵站可以排走市区约300mm的暴雨量。从1981~1994年,超过300mm的暴雨只出现在1985年8月9日一次,大部分市区造成地面积水的暴雨量均少于300mm,而12次仅为50~100m之间。考虑到地面排水畅通、排涝泵站分布以及暴雨集中程度,现有排涝泵站还不能完全消除暴雨引起的积水灾害问题,但从积水深度、范围、时间上大大减缓了其灾害程度。5.3地下水位下降、地面回弹上海市压缩地下水开采量是从1964年开始的,1966年减少规模最大,达5×107m3;1963~1969年期间,随着开采量减少,地下水位迅速抬升,年度平均地面沉降量也相应迅速减少,甚至出现地面回弹;但自1970年以来,地下水再没有继续回升,地面又开始微量下沉。很显然,限制地下水开采在1964~1969年控制地面沉降初期取得了极其显著的效果。5.4水位下降和地面沉降变化上海市地下水人工回灌是从1966年开始的,主要回灌层次是第二、三含水层,当年仅回灌了3.4×106m3,就引起了冬灌水位的大幅回升,地面明显回弹,年回弹量达6.3mm。1967年后回灌量逐渐增加,水位1966年的-10米持续上升,至1970年以后维持在-1.5m左右,到1990年地面沉降基本稳定在0~5mm之间。1990年以后,由于郊区、郊县开采量大幅增加,而回灌量没有增加,地下水位出现下降趋势,地面沉降也出现增大情形。所以,地下水人工回灌具有长期控沉作用。5.5地下水的开采组织层次从1972年以后,第四、五含水层逐渐成为上海市地下水的主要开采层次。经估算,1969~1990年市区第四含水层开采量相当于开采第二含水层时少沉降5mm/a±。5.6建立地面沉降动态监测网络,长期监测和长期监测的结合没有地面水准点监测,就不能发现地面沉降;没有完善的地面沉降动态监测网络,且不进行长期监测,就不可能进行地面沉降研究,科学的防治地面沉降对策也就提不出来。所以地面沉降动态监测与研究是整个防治地面沉降系统工程中的一项基础性科学工作。5.7地下水开采量、采灌方案的确定1921~1962年,上海市地下水开采基本处于无政府状态,想开多少就开多少,最大年开采量超过2×108m3,而且主要集中在中心城区的第二、三含水层。1963~1965年开采量减少,但沉降量仍很大。造成中心城区累计沉降量达1.69m,最大年均沉降达110mm。从1966年至今,上海市每年都制订地下水采灌方案。采灌方案是根据地面沉降控制目标,确定全市年度采灌总量,并进行平面上和层次上的合理分配。通过计划管理,1966~1995年的30年间中心城区地面沉降量只有116mm,是前45年的7%。同时全市地下水总开采量到1994年达1.54×108m3,是前45年最大年开采量的75.9%。5.8上海市防止洪水1963年颁布了《上海市管理苏州河驳岸和防洪墙暂行办法》,1989年又颁布了《上海市防汛墙加固工程建设管理办法》,1996年再次颁布了《上海市黄浦江防汛墙保护办法》。这一系列的防汛墙建设、管理和保护法制措施,有力地保障了防治地面沉降洪灾的防汛墙体系的建设,从而基本上使上海中心城区自上世纪80年代以来没有出现洪灾。1963年6月发布了《上海市深井管理办法》,使地下水开采量的压缩,地下水人工