物理科学探疑-物理新战线-地面沉降—地震—中国城市地表面临的新危机
地面沉降—地震—中国城市地表面临的新危机
志勰
本文说明了开采地下水会破坏地层的应力结构，说明了原理及解决的方法。在地质应力的活动过程中，会成为新隐患。
近两天有这样的一个消息——“中国逾50个大城市地面正在下沉”，“据国务院刚刚批复的《全国地面沉降防治规划》(2011~2020年)（下称《规划》），中国已经有20多个省份发生了地面沉降问题，其中，长三角、华北平原、汾渭盆地是中国三个主要的沉降区。中国国土资源部地质环境司副司长陶庆法告诉财新记者，中国目前有超过50个城市在下沉，其中就包括北京、天津、苏锡常、杭嘉湖、西安、太原等特大城市和大中城市。”①。这是一个很严重的趋势！
地面沉降严重的主要发生在大中型城市，除了城市的整体沉降之外，还有地层结构的不均匀沉降，这种不均匀沉降则是危害性最大的，它会导致楼房倾斜，地面断裂。更为严重的还会导致楼倒屋塌。对于现在社会城市追求的人口高度密集型的住房结构而言，这是巨大的隐患！而随着地震的周期加剧，无疑会使这一趋势更为严峻。从2011年3月11日到今天，中国境内共发生3级以上地震411次，其中去年发生356次（从2011-3-11到2011-12-31），今年发生55次（从2012-1-1到2012-2-13）②，如图：
图一
国内的地震已经进入频繁的活跃期。大家都知道，地震是地球大小板块相互挤压的结果，在地震过程中，地层在这种挤压过程中同样也会传递挤压应力，而接近地表的地层在这种应力的作用下容易发生结构性改变。那么稳定的地表地层结构对于城市的高楼大厦来说，则为至关重要了！
地面沉降已经被人们认识到是超采地下水造成的。③“超采地下水的结果是形成“降落漏斗”。据统计，全国已形成区域地下水“降落漏斗”100多个，华北平原深层地下水已形成跨京、津、冀、鲁四省的区域“降落漏斗”，近7万平方公里的地下水位低于海平面。”③
水的本身对地下地层结构不具有支撑的力学结构，因为地下水是流动的，不能起到力学的支撑作用。因此将50个大型城市下沉的最终原因归因于地下水的超采是不合逻辑的，而应该是地下水超采所形成的其它因素，如地层的力学结构的改变，我想更合理一些。
水可以溶解很多种物质，形成溶液，但如果是饱和溶液，则不具有溶解的功能了。地层中深层的水，如果我们不开采的话，那么它们是不会流动的，我们开采的地下水，会在开采水面形成出水口，那里的液体压强最小，而相应的高层水位的水在水的压力则会远大于地下水出水口那里的压力，这样在不同压差的作用下，地下水形成流动。
我们知道，地下水需要有回补的水源，没有这个水源，地下水则会越来越少，逐渐枯竭。这个地下水的来源就是通过地表水来进行的回补，而地表水则是天空的水蒸气凝结所形成的降雨。
在我们开采地下水之前，比如上个世纪建国之前，抽水极少，可以认为深层的地下水是静止不动的，而地表水和地下水的流动范围很小，仅限于水井水位的深度。那时地表有茂密的植物的庞大根系，降雨落到地面之后，溶解地表泥土中的可溶解物质，逐渐渗入地下，而在植物的生长过程中，被植物的根系所吸收掉植物生长所需要的物质，降低地下水溶液的饱和度，可以认为随着地表水的深度的降低，水对物质溶解的饱和度越小。而需要浇灌的时候，在从水井里将水提到水面，浇灌地面。因此，半个世纪前的地表水地下水循环是仅限于地表的表层，并且有植物的根系做净化吸收，形成一种循环。
而现在则不同，不同点主要反映在如下的几方面：
1、地表开采水的深度不同
以前的都采用水井，基本上地下水开采的深度限于距离地表的几米深度。即便干旱的时候，也仅限于地下水的最高水位。而现在我们通常都用的深水井。 据2008年的新闻报道，山西部分水井的深度超过1000米深度。而河北东同下村位于元氏县中北部，接近太行山脉。2000年的时候地下20米的深度已经抽不到水了。④这意味着地下水的开采深度相差巨大，地下水和地表水的交换流动则存在巨大的差异。开采口的深度意味着不饱和溶解度的水进入到可溶解的地下区域。远远大于地表植物根系所延伸的深度。
有些地区的地下水并不深，但是却采用深水井上百米甚至几百米来采水。这同样也会导致采水口以上的区域发生地下物质溶解到水里。造成地层的应力支撑减少。
2、开采的模式不同
以前的水井式采水，大多采用水车或者辘轳的手工工具从地下采水，采水量小。而现在都采用水泵的方式采水，采水量大。这点对于地下水的流动性而言，则会形成很大的区别，形成的地下水采水口和普通地下水位的压差更大，与此相对应的地下水回补的流动范围更大。而与此相对应的地下水的流动速度更快。当然，如果整个比较大的区域处于这种大量的采水口分布，那么则会使整个采水区域形成这种比较大的持续的水位分布。比如大城市会存在这种整个城市的大量采水口，而形成以城市为中心的水位分布。同时各个采水口又会形成局部的这种结构。地下水位流动的水位不均匀分布，必然形成局部的城市的地下地层的不均匀分布结构，而这种结构则会改变底层的应力结构。
另一方面，以前的水井式人工采水，是间断性的。而水泵的模式则是连续性的。
3、对水的需求量不同
以前的需求由于技术的问题，不能做到大规模开采地下水。而今天由于城市人口的高度集中，以及工业的大量用水。水泵的开采是大功率的源源不断的开采。这形成开采口以上的地下水的流动成为动态的流动，开采的功率越大，导致地下水的流动速度越快。而这个特点决定了地下水对地层结构中的可溶解物质的溶解速度加快。长期的开采，则形成以开采口为中心的漏斗形的结构，不仅仅是地下水位，水对地层结构的物质溶解也会形成相对应的结构。当地层的应力结构不能支撑地层重量的时候，就会形成下陷，就是我们通常所说的地陷。
大量超采地下水对地表地层的应力结构造成很大的影响，那么如果减少这种影响呢？
针对如上三点，可以采用如下来降低开采地下水对地层力学结构的影响。（当然这是对必须开采地下水而言。最好的方法是城市不开采地下水。）
降低采集过程中地下水的流动速度，或者说减少地层中水流速的对地层的冲击,这点可以通过多个井口来分流实现。
将水泵的连续性工作改成间歇式的工作，这一点可以采用多个水泵的切换来实现。地下水的流动和地层的结构以及地下水的分布有关系，地下水和地表水存在着根本的不同，这个不同的地方就在于地下水存在于地下地层的沙石结构中，地下水在流动起来有沙石的阻力。而地表水除了水本身的粘滞系数之外，完全没有阻力。在地下的一个地点的采水口大量取水，则会导致采水口周围的水位下降很低，如果地下水的补充水到达采水口要通过沙石。根据阻力的大小，那么就会在地下采水口形成漏斗式的水位分布，如图二，图二是大功率地下采水口的水位分布图。持续的这种水位分布，就会形成漏洞式的冲刷。越接近采水口，水的流速越快，对地层的冲刷也会越快，相对应的对地层结构的溶解也就越大。当然，一部分细纱还会被抽到地面。长期的这种水位分布就会形成漏斗式的地层结构。而间歇式的则会降低减弱这种地层漏斗结构的形状。减弱采水中心口地带和地下水的水位差异。
图二
另一方面，城市所矗立的高楼大厦尤其是超高的，不要建立在这种地下地层不均匀结构的分布上。判断这个地层的不均匀分布位置很简单了，只要看是否处在大量地下水开采口（如开采地下水的自来水公司）附近。要远离一定区域。否则时间久了，地层的应力结构必然导致超高的高楼大厦倾斜。在地震断裂带上，地质应力的传递，更容易使地层的应力不均匀分布发生地层结构的突然性改变，从而导致高楼大厦倾斜，甚至倒塌。超高的高楼大厦应该建立在地下水流动水位分布的平稳地带。
对于比较大范围的大量地下水采水口，如大中型城市，那么会形成以城市为中心的这种地下水流动的水位分布结构，由于城市的采水口是不停歇的，那么这种结构也会是持续的。
降低采水口的深度，来降低水在地层中移动的范围。在采集地下1000米深处的水，就需要地表的水向下移动1000米才能补充到地下开采口的位置。而同样的采集地下20米深处的水，则地表水则仅需要移动20米的深度就能补充到地下采水口的位置。
最后说一点我国城市的特点
我国的城市大多没有考虑这种地下水水流分布对地表地层的影响，绝大部分的城市地表大多是浇筑的水泥地面，城市没有地下水回补的通道。这导致我国绝大部分城市都处于地下水流动水位的漏斗中心地带，同时在城市中每一个采水口中心也会形成这种局部的漏斗型的应力区域，从而使城市中的高楼大厦处于应力分布不均匀的应力结构上。这点随着对地下水开采的加剧而加剧。而深水井的大功率出水，则会导致漏斗型的地层应力结构加快。
有的地区认为城市地陷仅仅是把地下水开采的缘故，认为向地下注水就可以解决问题。这是不现实的。向城市的地下注水，在注水区域会形成地下水的高水位，而在开采口形成低水位。虽然水源不需要从城市以外的地区给流过来，整个城市不是处于漏斗的中心地带，但是地下采水的这些水流仍然要冲刷从注水口到采水口之间的区域，会形成局部的流动水位分布。这样做的结果仅仅是将整个城市的水位冲刷搬到局部的水位冲刷了。如果不采用局部注水，整个城市的地下流动水位是缓慢的较为均匀的水位冲刷分布。而在城市注水后则会形成城市局部的水位冲刷分布，这样会加剧城市的地下水位分布的不均匀性，或者换句话说，会增加城市的地层地质应力的不均匀性。这点对地下冲刷区域的地面上的高楼大厦是不利的。另一方面，对城市所注入的水源一定要清洁的水源。因为地下没有地表植物的根系，可以净化吸收水里面的物质。如果是污水的话，则会永久的污染地下水！
开采地下水会破坏地表地层的应力结构，不改变的方法只能是不开采地下水。
近些年地质应力活动频繁，地震的活动则会加剧破坏城市地层的稳定性！在安全上，成为未来的隐患危机！
2012-3-3
①中国逾50个大城市地面正在下沉 http://finance.qq.com/a/20120223/006618.htm
②数据来源，中国地震网
③http://finance.sina.com.cn/china/20120229/101111479559.shtml
④http://news.qq.com/a/20090213/000971.htm
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