科學家研究繪製全球地面沉降分布圖,可預測局部地區的沉降風險

2021-01-09 中華網

與地震、海嘯、滑坡等劇烈的地質災害相比，地面沉降要「溫和」的多，它的刻度往往以毫米、釐米表示，在「水滴石穿」的累積中，帶來地面開裂、高樓倒塌、海水倒灌等不可逆的危害。恰恰因為它的緩慢，不常引起人們的關注。

近日，一項由聯合國教科文組織地面沉降工作組組織的研究警告說，到2040年，地面沉降將威脅全球近1/5的人口。該研究在線發表於《科學》。

「本次研究繪製了全球地面沉降分布圖，並創建了一個模型，可預測局部地區的沉降風險。研究發現，地面沉降風險最大的國家、地區集中在亞洲。」該論文的作者之一、南京大學地球科學與工程學院教授葉淑君說。

「痛」從何來

地面沉降是由地下固體或流體開採引起的地面下沉現象，它是一種緩慢而漸進的地質災害。如果給地面沉降的人為原因排個序，超採地下水毫無疑問排第一，此外還有石油、天然氣、固體礦產開採等。

葉淑君介紹，地下水是指埋藏在地表以下的水體，開採後水位下降，導致儲存地下水的含水層系統(由砂土或粘土等介質組成)壓縮，地面下沉;停止或減少開採，含水層系統受雨水、地表水、地下水等補給後，水位恢復，介質回彈，地面抬升。

如果長期過量開採地下水，超過了含水介質的壓縮和回彈範圍，含水層就像被抽乾了水分的皮膚，乾癟、皸裂、毫無彈性，這是其不可承受之「痛」，很容易發生地面沉降、出現地裂縫等。

「像上海、天津等濱海城市，由於長期濱海相沉積，其地下鬆散沉積層達幾百米厚，有大量軟土層，壓縮性較大，地表的建築、設施就像處在一張水分充盈的彈簧墊上，一旦地下水開採過度，發生沉降，就會加劇海平面上升、引發海水倒灌風險。」葉淑君說。

城市發展早期，人們對水資源認識有限，再加上地下水量大質優、易於開採，地下水損耗嚴重。

自本世紀初，中國各省市陸續採取緩解措施。京津冀地區通過南水北調解決工業、生活用水，預計減少30%的地下水開採量，同時，用於農業灌溉的地下水開採量壓縮至最小;上海於2013年起實施《地面沉降防治管理條例》，目前控制其平均速率不超過6毫米/年，人工回灌自來水約2000萬立方米/年;江蘇省於2000年全面禁採地下水，目前地面水位最低點回升達80米。

持續沉降

文獻研究顯示，在過去的一個世紀裡，有34個國家的200個地點發生了由於地下水枯竭引起的地面沉降。但事實上，發生沉降的遠不止這些地區，估計是其數目的三倍。「目前的研究大多集中在描述沉降的地質背景、主要特徵及控制機理等方面，對沉降的危害及防治措施等研究比較缺乏。」該論文的第一作者、西班牙地質與礦業研究所教授Gerardo Herrera García告訴《中國科學報》。

本文在各國公開數據的基礎上建立了全球地面沉降資料庫，並繪製分布圖。數據顯示，印度尼西亞首都雅加達的海岸沉降非常嚴重，每年沉降28釐米，目前海邊的房屋建築已經處在海平面以下，並發生開裂，政府正計劃將首都遷往婆羅洲島。

實地考察走訪後，葉淑君發現，當地每年都加高海堤來阻擋海水倒灌，目前海堤已有2層樓高。「他們認為，這是由於全球變暖引起的海平面升高，是不可抗力，而非可人為調節的地下水超採。」她說。

而對全球的研究表明，沿海地區的海平面上升，是絕對海平面上升和地面沉降共同導致的，後者的貢獻可能是前者的10倍甚至更多。

此外，文章還提到，伊朗部分城市正以25釐米/年的速度下沉;荷蘭1/4的國土面積低於海平面;義大利波河平原的沉降始於20世紀下半葉，目前威脅其30%的人口;在過去的1個世紀，從美國加州中央山谷到大西洋和墨西哥灣沿岸平原地區沉降量達9米。

亟待恢復

在空間分析的基礎上，結合巖性、地表坡度、土地覆蓋和柯本(Koppen-Geiger)氣候分類等級等，Gerardo等提出了一個全球模型，能夠預測1平方千米空間解析度下的地面沉降風險。

根據模型預測結果，佔全球8%、1200萬平方公裡的陸地表面，可能發生地面沉降的概率大於50%。這些潛在沉降區集中分布在密集的城市和灌溉區域附近、沿海和河流三角洲地區、部分城市的內陸沉積盆地。

結合未來全球用水壓力、氣候和人口變化等，作者預測2040年全球潛在沉降面積增加7%，影響16億居民，其中6.35億人將生活在洪水易發地區。

本文的作者之一、上海市地質調查研究院教授級高級工程師王寒梅告訴《中國科學報》，地面沉降是個與人類活動密切相關的、全球性問題。「從中國的防治經驗來看，政府重視是防治工作取得成效的重要保障。因此，研究希望通過全球一張圖的形式，引起各國的重視。」

葉淑君表示，可採取多種措施恢復沉降區域的地下水位，如壓縮地下水開採量、利用地表水代替地下水、人工回灌、自然河流補給等。

「儘管地面沉降不會直接威脅生命，但對基礎設施、建築物等影響巨大。政策制定者只需在可能發生地面沉降的地區進行局部研究，並引入地下水監管措施，就可以在未來幾十年防止或減輕這一危害的影響。」Gerardo說。

Gerardo還表示，衛星雷達幹涉測量可以很好地量化地面沉降的大小和強度、及時確定含水層系統中沉積層的厚度、真實的地下水位演變情況等，希望各國研究者能共同合作，利用這種方法進行準確預測，這至關重要。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb8549(作者：劉如楠)

責任編輯：kj005

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