-地面不可承受之“痛” 2040年地面沉降将威胁全球近1/5人口
作者:刘如楠
发布时间:2021-01-07
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-地面不可承受之“痛” 2040年地面沉降将威胁全球近1/5人口

与地震、海啸、滑坡等剧烈的地质灾害相比,地面沉降要“温和”的多,它的刻度往往以毫米、厘米表示,在“水滴石穿”的累积中,带来地面开裂、高楼倒塌、海水倒灌等不可逆的危害。恰恰因为它的缓慢,不常引起人们的关注。

近日,一项由联合国教科文组织地面沉降工作组组织的研究警告说,到2040年,地面沉降将威胁全球近1/5的人口。该研究在线发表于《科学》。

“本次研究绘制了全球地面沉降分布图,并创建了一个模型,可预测局部地区的沉降风险。研究发现,地面沉降风险最大的国家、地区集中在亚洲。”该论文的作者之一、南京大学地球科学与工程学院教授叶淑君说。

“痛”从何来

地面沉降是由地下固体或流体开采引起的地面下沉现象,它是一种缓慢而渐进的地质灾害。如果给地面沉降的人为原因排个序,超采地下水毫无疑问排第一,此外还有石油、天然气、固体矿产开采等。

叶淑君介绍,地下水是指埋藏在地表以下的水体,开采后水位下降,导致储存地下水的含水层系统(由砂土或粘土等介质组成)压缩,地面下沉;停止或减少开采,含水层系统受雨水、地表水、地下水等补给后,水位恢复,介质回弹,地面抬升。

如果长期过量开采地下水,超过了含水介质的压缩和回弹范围,含水层就像被抽干了水分的皮肤,干瘪、皲裂、毫无弹性,这是其不可承受之“痛”,很容易发生地面沉降、出现地裂缝等。

1991年,美国加利福尼亚州羚羊谷罗杰斯(干)湖表面形成的地裂缝。

图源自美国地质调查局

“像上海、天津等滨海城市,由于长期滨海相沉积,其地下松散沉积层达几百米厚,有大量软土层,压缩性较大,地表的建筑、设施就像处在一张水分充盈的弹簧垫上,一旦地下水开采过度,发生沉降,就会加剧海平面上升、引发海水倒灌风险。”叶淑君说。

城市发展早期,人们对水资源认识有限,再加上地下水量大质优、易于开采,地下水损耗严重。

自本世纪初,中国各省市陆续采取缓解措施。京津冀地区通过南水北调解决工业、生活用水,预计减少30%的地下水开采量,同时,用于农业灌溉的地下水开采量压缩至最小;上海于2013年起实施《地面沉降防治管理条例》,目前控制其平均速率不超过6毫米/年,人工回灌自来水约2000万立方米/年;江苏省于2000年全面禁采地下水,目前地面水位最低点回升达80米。

珠海市一栋正在下沉的教学楼。图源自中国地质调查局

持续沉降

文献研究显示,在过去的一个世纪里,有34个国家的200个地点发生了由于地下水枯竭引起的地面沉降。但事实上,发生沉降的远不止这些地区,估计是其数目的三倍。“目前的研究大多集中在描述沉降的地质背景、主要特征及控制机理等方面,对沉降的危害及防治措施等研究比较缺乏。”该论文的第一作者、西班牙地质与矿业研究所教授Gerardo Herrera García告诉《中国科学报》。

本文在各国公开数据的基础上建立了全球地面沉降数据库,并绘制分布图。数据显示,印度尼西亚首都雅加达的海岸沉降非常严重,每年沉降28厘米,目前海边的房屋建筑已经处在海平面以下,并发生开裂,政府正计划将首都迁往婆罗洲岛。

印度尼西亚雅加达北部的一栋房子,由于地下水抽取导致地面沉降,房子被永久淹没。

Pietro Teatini摄于2019.9.20

实地考察走访后,叶淑君发现,当地每年都加高海堤来阻挡海水倒灌,目前海堤已有2层楼高。“他们认为,这是由于全球变暖引起的海平面升高,是不可抗力,而非可人为调节的地下水超采。”她说。

而对全球的研究表明,沿海地区的海平面上升,是绝对海平面上升和地面沉降共同导致的,后者的贡献可能是前者的10倍甚至更多。

此外,文章还提到,伊朗部分城市正以25厘米/年的速度下沉;荷兰1/4的国土面积低于海平面;意大利波河平原的沉降始于20世纪下半叶,目前威胁其30%的人口;在过去的1个世纪,从美国加州中央山谷到大西洋和墨西哥湾沿岸平原地区沉降量达9米。

亟待恢复

在空间分析的基础上,结合岩性、地表坡度、土地覆盖和柯本(Koppen-Geiger)气候分类等级等,Gerardo等提出了一个全球模型,能够预测1平方千米空间分辨率下的地面沉降风险。

根据模型预测结果,占全球8%、1200万平方公里的陆地表面,可能发生地面沉降的概率大于50%。这些潜在沉降区集中分布在密集的城市和灌溉区域附近、沿海和河流三角洲地区、部分城市的内陆沉积盆地。

结合未来全球用水压力、气候和人口变化等,作者预测2040年全球潜在沉降面积增加7%,影响16亿居民,其中6.35亿人将生活在洪水易发地区。

本文的作者之一、上海市地质调查研究院教授级高级工程师王寒梅告诉《中国科学报》,地面沉降是个与人类活动密切相关的、全球性问题。“从中国的防治经验来看,政府重视是防治工作取得成效的重要保障。因此,研究希望通过全球一张图的形式,引起各国的重视。”

叶淑君表示,可采取多种措施恢复沉降区域的地下水位,如压缩地下水开采量、利用地表水代替地下水、人工回灌、自然河流补给等。

“尽管地面沉降不会直接威胁生命,但对基础设施、建筑物等影响巨大。政策制定者只需在可能发生地面沉降的地区进行局部研究,并引入地下水监管措施,就可以在未来几十年防止或减轻这一危害的影响。”Gerardo说。

Gerardo还表示,卫星雷达干涉测量可以很好地量化地面沉降的大小和强度、及时确定含水层系统中沉积层的厚度、真实的地下水位演变情况等,希望各国研究者能共同合作,利用这种方法进行准确预测,这至关重要。



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