地面不可承受之「痛」:2040年地面沉降將威脅全球近1/5人口

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、厘米表示,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》。

「本次研究繪制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采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,超采地下水毫無疑問排第一,此外還有石油、天然氣、固體礦產開采等。

葉淑君介紹,地下水是指埋藏在地表以下的水體,開采後水位下降,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;停止或減少開采,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。

如果長期過量開采地下水,超過了含水介質的壓縮和回彈范圍,含水層就像被抽幹了水分的皮膚,干癟、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。

地面不可承受之「痛」:2040年地面沉降將威脅全球近1/5人口

1991年,美國加利福尼亞州羚羊谷羅傑斯(干)湖表面形成的地裂縫。圖源自美國地質調查局

「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,一旦地下水開采過度,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、易於開采,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%的地下水開采量,同時,用於農業灌溉的地下水開采量壓縮至最小;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年全面禁采地下水,目前地面水位最低點回升達80米。

地面不可承受之「痛」:2040年地面沉降將威脅全球近1/5人口

珠海市一棟正在下沉的教學樓。圖源自中國地質調查局

持續沉降

文獻研究顯示,在過去的一個世紀里,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數據庫,並繪制分布圖。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厘米,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。

地面不可承受之「痛」:2040年地面沉降將威脅全球近1/5人口

印度尼西亞雅加達北部的一棟房子,由於地下水抽取導致地面沉降,房子被永久淹沒。Pietro Teatini攝於2019.9.20

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采。」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厘米/年的速度下沉;荷蘭1/4的國土面積低於海平面;意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,結合岩性、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平方千米空間分辨率下的地面沉降風險。

根據模型預測結果,占全球8%、1200萬平方公里的陸地表面,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,如壓縮地下水開采量、利用地表水代替地下水、人工回灌、自然河流補給等。

「盡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,衛星雷達干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,利用這種方法進行准確預測,這至關重要。(來源:中國科學報 劉如楠)

相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.abb8549

來源:cnBeta