气候变化对地下水的影响范文

导语：如何才能写好一篇气候变化对地下水的影响，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：长江中下游地区；水稻产量；气候变化；小波变换

中图分类号：S162.5+3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）01-0043-09

Effects of Climate Change on Rice Yield of the Middle and Lower Reaches Region of the Yangtze River

WANG Bao1，HUANG Si-xian2，SUN Wei-guo3

（1.Xianning Bureau of Meterology， Xianning 437100，Hubei，China；2. Ezhou Bureau of Meterology，Ezhou 436000，Hubei，China；

3.Nanjing University of Information Science & Technology， Naning 210044，China）

Abstract： To reveal the impact of the regional climate change on rice yield of the middle and lower reaches of the Yangtze River， and to understand the reasons for rice relative meteorological yield fluctuations， statistical analysis and wavelet transform were used to analyze time and the frequency variation features of rice production， the average temperature， precipitation， diurnal temperature， and≥10℃ active accumulated temperature of the Yangtze River region in the past 60 years， and the time-frequency structural features between rice production and regional climate change. The results showed that rice yield of the middle and lower reaches of the Yangtze River region in the past 60 years had fluctuations in the growth trend. The average temperature and the active accumulated temperature increased during the growing season. The reduction of precipitation was not obvious. Diurnal temperature appeared to decrease significantly. Between rice production and climate change， there were periodic characteristics of interannual and decadal changes. The time-frequency characteristics was certainly similar between the two. Cross-wavelet transform results showed that between rice production and climate change， there were the resonance frequency of the different scales， like 2-4a， 6a， 8a， 12a and 14a. There were more positive correlation between the main， but in the local time domain there was a negative correlation of different frequency scale. The two relationship and relevance were different， varying from oscillation periods scale. It was believed that rice yield fluctuations of middle and lower reaches of the Yangtze River was closely related with the climate change. The periodic feature was obvious， and the effect of the improvement of heat condition on increasing production was much more than the impact of reducing precipitation.

Key words： the middle and lower reaches of the Yangtze River； rice yield； climate change； wavelet transform

收稿日期：2013-07-16

作者简介：王 保（1989-），女，湖北黄冈人，助理工程师，主要从事短期天气预报及气候变化和小波变换等方面的研究，（电话）

15272681090（电子信箱）；通讯作者，黄思先，助理工程师，主要从事短期天气预报及重要天气过程诊断分析

和气候变化等方面的研究，（电话）15926018229（电子信箱）。

气候变化已成为不争的事实。政府间气候变化专业委员会（IPCC）的气候变化评估报告[1-4]指出，全球气候正发生着以气候变暖为主要特征的显著性变化，全球平均地表温度从1861年以来一直在升高。关于气候变化对作物产量的影响，我国学者已经进行了多方面的探究[5，6]，尤其是气候变暖背景下作物产量的变化规律以及农业应对气候变化的措施等已成为目前研究的热点问题。20世纪以来，全球气候变暖越来越快，气候变化对作物生产的影响也越来越大，特别是气候变暖背景下，极端气候事件发生频率、持续时间和分布规律的变化对农田生态系统的影响往往超过了气候平均变率所带来的影响[7]。

研究作物产量与气候因子之间的关系，以往大多采用常规统计学方法[8-11]，但气候变化具有不同时间尺度，区域平均气温和降水量的周期性变化以及极端气候事件的发生，必然引起作物产量的变化和波动，因此，有必要采用新的时频分析方法对气候变化及作物产量的周期性进行研究。孙卫国等[12]、张明等[13]和苏占胜等[14]用功率谱和交叉小波变换方法分析了作物产量与区域气候变化之间的关系，发现两者关系密切，周期性变化特征显著。

长江中下游地区是我国水稻的主要种植区，气候变化将会带来水稻产量的变化，但目前气候变化对该区水稻产量影响的研究较少[15-19]，对该区产量周期性的研究更不多见，所以，研究该区水稻产量与区域气候变化的关系具有重要现实意义。水稻生长发育要求的最低温度在10 ℃以上，南方三季稻要求≥10 ℃的活动积温达到7 000 ℃，双季稻要求达到5 300 ℃，且气温日较差对作物产量形成影响较大，因此，需要分析水稻生长季内平均气温、降水量、气温日较差和≥10 ℃的活动积温的影响。研究根据1951～2010年长江中下游6省（安徽、湖北、湖南、江苏、江西和浙江）实际水稻产量和同期107个气象站的水稻生长季内平均气温、降水量、气温日较差和≥10℃的活动积温资料，采用交叉小波变换方法，以相对气象产量为研究对象，分析长江中下游地区60年水稻产量与生育期内这些气候变量的时频变化特征及耦合振荡的关系，讨论水稻产量波动与气候因子变化周期的相关性，通过区域气候变化对水稻产量的影响以及水稻产量波动的原因分析，为区域性作物产量评估和预测提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料的处理

水稻产量资料来源于国家统计局，根据1951～2010年长江中下游地区6省水稻产量（t/hm2），经一致性检验，建立区域平均水稻产量序列，样本数n=60。同期的气候资料来源于中国气象局逐日气候资料，包括平均气温（℃）、降水量（mm）、最高气温（℃）和最低气温（℃）记录，根据这6省107个气象站的资料，算得区域水稻生长季（4～10月）内平均气温、总降水量、平均气温日较差以及≥10 ℃的活动积温。计算时，为了保证资料序列的平稳随机过程，对资料进行了标准化处理。

1.2 研究方法

1.2.1 趋势产量估算 影响作物产量的因素比较多，且各影响因素的变化特征及其时间尺度不同，主要的影响因素有人为因素、气象因素和随机“噪音”三方面，分别构成3个产量分量[20]，作物产量=趋势产量+气象产量+随机“噪音”。随机“噪音”所占比例很小，一般可忽略不计；趋势产量是实际产量的平稳变化项，表示产量的演变趋势，其大小决定于历年的生产技术水平，其模拟方法很多，本研究采用直线滑动平均法[12]，采用15年滑动步长来消除短周期波动的影响，算出趋势产量。气象产量为作物产量扣除趋势产量得到，反映了气象条件对产量的影响。气象产量与趋势产量的比值可以表示为相对气象产量。为了消除生产力水平对水稻产量的影响，真实地反映气象因子对其影响规律，本研究在进行产量分析时以相对气象产量作为研究对象。

1.2.2 小波变换方法 小波变换方法[21]起源于Fourier分析方法，Fourier级数主要用来表征信号的周期性，但在大多数情况下信号都是非周期性的，于是引入Fourier变换，将非周期性信号分解为多个周期性信号的叠加来处理，但是Fourier分析方法只是将信号在频率域内展开，没有包含时域的信息，丢弃的这些时域信息可能对某些应用非常重要，所以需要引进小波变换方法，将信号在时频两域的信息提取出来，充分利用信号信息[12]。

交叉小波变换[22]是一种新型信号分析技术，与传统的交叉谱方法相比更具优越性，特别是用于两个时间序列耦合振荡行为的相关分析上，除了可以弥补传统交叉谱分析方法不可避免的缺陷外，还能够将小波变换在时频两域都具有表征信号局部化特征的能力发挥到极致；交叉小波变换方法具有比较强的耦合信号分辨的能力，具有便于描述耦合信号在时频域中分布状况等优点[23]，经过多次实践应用验证表明[24-26]，该方法确实能够充分反映两时间序列相关振荡的周期显著性和两时间序列的相互依赖关系，还可以分析出两时间序列信号精细的时频变化特征，效果很显著。

2 结果与分析

2.1 水稻产量与气候变化特征的关系

2.1.1 产量波动 水稻产量的波动与气候条件密不可分，图1为1951～2010年长江中下游地区水稻的实际产量（实线）、气象产量（虚线）以及趋势产量（点划线）的时间变化图，实际产量和趋势产量均为左侧纵坐标轴，气象产量为右侧纵坐标轴。从图1可以看出，长江中下游地区水稻的实际产量随时间呈波动增长的趋势，年代际变化主要在1985年之前气象产量波动比较大，1985年之后波动较平稳，且1950年代和1980年代的波动相对于1960和1970年代的波动要大得多，这与长江中下游地区水稻生长季内平均气温、平均气温日较差以及≥10 ℃活动积温的波动特点相对应。

长江中下游地区水稻生长季内的气象灾害主要有高温热害、低温冷害、雨涝、干旱、春季低温阴雨、寒露风、台风以及风雹等。1959年长江中下游地区水稻减产主要受严重的伏秋连旱影响，1960年水稻低产主要与该区春季冷暖空气交替频繁，早稻育秧期出现低温阴雨天气造成大量烂秧，秧苗质量差等有关；1961年的低产主要由干旱造成，长江中下游出现了大范围、程度较重的干旱，秧田龟裂，稻禾枯黄，最终导致大幅减产；1962年该区降水偏多，出现了雨涝，但对水稻产量影响显著的还是春季的低温连阴雨天气；1975年的产量主要因“寒露风”的影响而降低；1977年的减产主要受部分地区（江西等地）高温干旱的影响；1980年长江中下游地区遇到了雨涝、春季低温阴雨以及“寒露风”等灾害，影响了水稻的生长，造成大幅减产；2003年主要是高温热害造成的减产。

2.1.2 气候变化 图2为长江中下游地区1951～2010年水稻生长季内平均气温（a）、降水量（b）、平均气温日较差（c）和≥10 ℃活动积温（d）的时间变化图，图中直线（或曲线）为其变化趋势线。由图2可以看出水稻生长季内的气候变化特征主要表现为平均气温和≥10 ℃活动积温的变化呈现二次曲线形式，且平均气温转折点在1975年左右，≥10 ℃活动积温转折点在1980年左右。水稻生长季内平均气温、降水量、平均气温日较差以及≥10 ℃活动积温与时间的相关系数分别为0.354、0.000、-0.548和0.360，其中，水稻生长季内平均气温、≥10 ℃活动积温以及平均气温日较差与时间相关关系通过了0.01水平的显著性检验，降水量与时间的相关性没有通过0.05水平的检验。

2.1.3 水稻产量与气候变化相关分析 由相关分析可知，水稻产量与水稻生长季内平均气温、平均气温日较差以及≥10℃活动积温的相关系数都通过了0.01水平的显著性检验，与降水量的相关系数没有通过0.05水平的显著性检验。水稻产量与生长季内的平均气温日较差呈负相关，因为长江中下游地区容易出现高温天气，虽然气温日较差大有利于水稻有机物的积累，但是高温会影响水稻的生长，已有研究表明，水稻在孕穗至抽穗扬花期对温度极其敏感[27]，如果日均温度高于32 ℃，日最高温度高于35 ℃，水稻抽穗扬花就受到影响，从而造成产量损失和品质下降；水稻在灌浆期也最易受高温危害[28]，造成结实率和千粒重的降低，从而导致减产。水稻产量与降水量的相关性不强，因为在长江中下游地区，水源较充足，农业用水一般不受自然降水量的影响，但当降水量过大或持续时间较长，仍然会影响水稻的开花和授粉，特别是在开花期，连阴雨天气将会使水稻花粉的传播受精受阻，从而导致减产。水稻产量与平均气温和≥10 ℃活动积温呈正相关关系，主要反映的是水稻生长对热量条件的需求，水稻是喜热作物，热量条件对其产量有重要影响，有效热量越多，水稻产量越高。

2.2 水稻产量与气候变化的时频结构

相关分析只能初步分析气候变化与水稻产量的简单相关关系，不能充分反映区域气候变化对水稻产量的影响，而小波变换则能从时间域和频率域上充分利用时间序列信号，分析出水稻产量和气候变化的局部时频变化规律，通过交叉小波分析出两者之间在时频结构上的相关关系。

小波变换系数的实数部分包含给定时间和尺度下相对于其他时间和尺度信号的强度和位相两方面的信息[26]。小波系数实数部分为正时，表示水稻相对气象产量距平、降水量距平、平均气温距平、气温日较差距平和≥10 ℃活动积温距平相对偏多，图3中用实线表示；小波系数实数部分为负时，表示相对偏少，图3中用虚线表示；小波系数为0的地方则为突变点。图3中的符号反映了振荡的位相，等值线中心反映了不同尺度振荡的振幅最大值。采用小波功率谱检验显著性，小波功率谱图为小波功率谱与置信水平为95%的红噪声总体谱的比值，比值大于1.0表示通过95%置信水平红噪声检验的显著周期振荡（实线），比值小于1.0表示未通过95%置信水平的红噪声检验（虚线）。

2.2.1 水稻产量波动的时频变化特征 图3为长江中下游地区水稻相对气象产量距平的小波变换系数实数部分等值线图和小波功率谱图。由图3a可以看出，水稻相对气象产量波动的年际尺度主要表现在2～4年和6年尺度的周期振荡，且时域分布不均匀，局部化特征明显；年代际尺度主要表现在10年和14～16年尺度的周期振荡。

年际尺度特征为2～4年左右的尺度周期信号主要表现在1954、1955年以及1976～1982年，同时也反映了在此周期尺度上，水稻相对气象产量距平在1954、1976年及1980年处于偏少期，但1955、1979年和1982年是偏多的；6年左右的周期信号主要表现在1976～1981年，且呈现偏少—偏多—偏少的振荡规律，具体为1976年水稻相对气象产量距平偏少，1977～1980年偏多，1981年又呈偏少特征。

年代际尺度特征，10年左右的振荡信号主要表现在1970～1985年，水稻相对气象产量距平呈现偏少—偏多的两次周期振荡；14～16年左右的振荡信号比较强，等值线比较密集，在全域都有表现，但是1985年之前的振荡比1985年之后的强，1985年之后的振荡呈逐渐增强趋势，水稻相对气象产量存在偏多—偏少的4次振荡，具体表现为1950～1957年偏多，1958～1965年偏少，1966～1973年偏多，1974～1981年偏少，1982～1988年偏多，1989～1996年偏少，1997～2002年偏多，2003～2010年偏少，且等值线闭合，预计2010年之后会出现水稻相对气象产量偏多的情况。

由图3b可以看出，2～4年的周期振荡在1957年之前以及1975～1983年比较强，结合图3a中的结果分析，2～4年左右的周期信号在1954年、1955年和1979年的周期比较明显，周期特征显著；6年尺度的周期振荡在1957～1963年以及1976～1982年比较明显，结合图3a可以得出，1976～1982年的周期振荡是通过检验的，周期性显著；10年左右的周期振荡在1970年之前比较强，结合图3a可知，10年左右的周期振荡信号没有通过显著性检验；14～16年左右的周期振荡在1980年之前比较明显，通过了95%置信水平的红噪声检验。

综上所述，长江中下游地区水稻相对气象产量的周期性特征主要表现出2～4年、6年、14～16年的周期振荡，时域分布不均匀。

2.2.2 气候变化波动的时频变化特征 图4为长江中下游地区水稻生长季内月平均气温距平的小波变换系数实数部分等值线图和小波功率谱图。由图4a可以看出，水稻生长季内月平均气温距平波动的年际尺度主要表现在3～4年、6年和8年尺度的周期振荡，且时域分布不均匀；年代际尺度主要表现在10和14～16年尺度的周期振荡。

由图4b可以看出，3～4年尺度的周期信号在1962～1970年、1989～1997年振荡比较强，结合图4a可知，3～4年尺度的周期信号在1962～1970年和1989～1997年周期性显著；6年尺度的周期振荡不强，在整个时间域上都没有通过显著性检验；8年尺度周期振荡信号在1954～1960年比较强，结合图3a可知，8年尺度的周期振荡在1954～1960年通过了显著性检验；10年左右的周期振荡在2000～2008年比较强，结合图3a可知，10年左右的周期振荡在2000～2008年周期性比较明显，通过了显著性检验；14～16年尺度的周期振荡比较弱，在整个时间域上都没有通过显著性检验（等值线的值均

对长江中下游地区水稻生长季内月降水量距平的小波变换系数实数部分等值线图和小波功率谱图分析可以看出，水稻生长季内月降水量距平波动的年际尺度主要表现在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振荡，时域分布不均匀；年代际尺度主要表现在10年、14年和18年尺度的周期振荡。1～2年尺度的周期振荡在1952～1957年、1966～1967年、1972年、1979～1982年以及1995～2002年比较强，其中1～2年尺度的周期信号在1952～1957年、1979～1982年以及1995～2002年的周期性比较明显，周期特征显著；3～4年尺度的周期信号在1951～1957年、1971～1986年以及2000～2005年的周期性比较明显，通过了显著性检验；6年尺度的周期振荡在1966～1982年比较强，结合小波系数实数部分分析，此周期尺度上在时间的全域范围内都没有通过显著性检验；8年尺度周期振荡在1958～1961年比较强，8年尺度周期信号在1958～1961年显著；10年左右的周期信号在1958～1978年的振荡比较强，总结得出10年左右的周期信号只在1958～1978年显著；14年以上尺度的周期振荡比较弱，均未通过95%置信水平的红噪声检验。说明长江中下游地区水稻生长季内的降水量距平主要表现在1～2年、3～4年、8年和10年尺度的周期振荡，时域分布不均匀。

对长江中下游地区水稻生长季内气温日较差距平的小波变换系数实数部分和小波功率谱分析可知，水稻生长季内气温日较差距平波动的年际尺度主要表现在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振荡，时域分布不均匀；年代际尺度主要表现在14～16年尺度的周期振荡。1～2年的周期振荡在1955年之前、1957～1961年、1966～1967年、1972～1973年、1976～1982以及1984～1994年比较强，其中1～2年尺度的周期信号在1955年之前、1976～1982以及1984～1994年的周期特征显著；3～4年尺度的周期信号只在1959年之前以及1971～1975年通过了检验， 3～4年尺度的周期振荡在1959年之前周期效果明显；6年尺度的周期振荡在1961～1985年间比较强，通过了95%置信水平的红噪声检验；8年尺度的周期振荡在1989年之前都比较强，结合小波系数实数部分分析结果可知，8年尺度周期信号主要在1963年之前以及1985～1989年显著，周期特征明显；14～16年尺度的周期振荡在1956～1981年间比较强， 14～16年尺度的周期信号只在1956～1981年通过了显著性检验，周期性强。说明长江中下游地区水稻生长季内气温日较差距平主要存在1～2年、3～4年、6年、8年以及14～16年尺度的周期振荡，高频部分比较明显。

对长江中下游地区水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平的小波变换系数实数部分和小波功率谱分析可知，水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平波动的年际尺度主要表现在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振荡，时域分布不均匀；年代际尺度主要表现在10年和14年左右尺度的周期振荡。生长季内≥10 ℃活动积温在高频部分周期性比低频明显，具体表现为1～2年尺度的周期振荡在1951～1954年、1958～1962年、1969～1972年、1974～1976年、1979～1982年以及1993～2004年比较强，其中1～2年尺度的周期信号在1951～1954年、1969～1972年及1993～1998年比较明显，周期特征显著；3～4年尺度的周期信号在1962～1970年、1975～1979年、1988～1995年通过了检验，周期性显著；6年尺度的周期振荡比较弱，均未通过95%置信水平的红噪声检验；8年尺度的周期振荡在1954～1960年比较强，结合小波系数实数部分分析可知，8年尺度的周期信号在1954～1960年通过了显著性检验；10年尺度的周期信号在2000～2008年振荡比较强，10年尺度的周期信号在整个时域上没有通过显著性检验；14年尺度的周期信号在全时域的振荡都不强，说明该周期尺度在整个时域中都不显著。

长江中下游地区水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平的周期特征主要反映在高频部分的1～2年、3～4年以及8年尺度上，低频部分均未通过显著性检验，同时将≥10 ℃活动积温距平的小波变换与平均气温距平小波变换对比发现，它们的变换特征非常相似。

水稻相对气象产量距平小波变换的周期特征与同期生长季内的平均气温、降水量、气温日较差以及≥10℃活动积温距平的小波变换有某种相似性，有共同的3～4年和8年的周期振荡，说明水稻产量变化与气象变化可能存在某种周期频率上的联系，因此作水稻相对气象产量与各气候变量序列之间的交叉小波协谱图和功率谱密度图来进行进一步的分析。

2.3 水稻产量与区域气候变化的相关性

2.3.1 水稻产量与水稻生长季内平均气温的时频变化相关性 图5为长江中下游地区水稻相对气象产量距平与水稻生长季内平均气温距平的交叉小波协谱图和功率谱密度图，反映了长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内平均气温之间的时频相关分布特征。两者的正相关关系表明水稻生长季内平均气温对水稻产量是促进作用，负相关则表示水稻生长季内平均气温出现不适宜水稻生产的情况。

图5a表明，相对气象产量与水稻生长季内平均气温之间的关系以正相关为主， 在局部时域中个别频率尺度上两者之间也存在负相关关系。两者正相关振荡主要表现在2～3年、4年和12年尺度的共振频率上：2～3年尺度的正相关出现在1952～1955年和1962～1964年；4年尺度的正相关出现在1973～1983年；12年尺度正相关出现在1967～1974年和1990～1995年。两者负相关振荡主要表现在2～3年和8年尺度上：2～3年尺度的负相关表现在1956～1957年以及1982～1986年；8年尺度的负相关表现在1950～1974年。从图5b可以看出，水稻相对气象产量与水稻生长季内平均气温在频率域中年际尺度周期上的相关程度明显高于年代际尺度周期上的相关程度，2～3年、4年以及12年尺度是呈正相关的，其中以12年时间尺度上的正相关程度最大，4年时间尺度上的次之，在8年时间尺度上的负相关程度最大，两者之间的相关关系也随振荡周期尺度的不同而不同。结合图5a可以得出，水稻相对气象产量与水稻生长季内平均气温之间存在2～3年、4年、8年和12年尺度的共振频率，且相关程度最好的是8年尺度的负相关和12年尺度的正相关，4年尺度的正相关程度也比较明显，2～3年尺度的相关程度不高。

2.3.2 水稻产量与水稻生长季内降水量的时频变化相关性 长江中下游地区水稻相对气象产量距平与水稻生长季内降水量距平的交叉小波协谱和功率谱密度反映了长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内降水量之间的时频相关分布特征。由分析可知，长江中下游地区水稻生长季内的降水量对水稻的产量影响不大，但是过量和持续的降水则会造成产量的降低，表现为两者的负相关关系，而正常降水则会对产量产生正面影响，表现为两者的正相关关系。

通过水稻相对气象产量距平与水稻生长季内降水量距平的交叉小波协谱和功率谱密度分析可知，水稻相对气象产量与水稻生长季内降水量之间的关系既有正相关关系，又有负相关关系。两者正相关主要表现在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率上：2～4年尺度的正相关出现在1966～1975；6年尺度的正相关出现在1960～1968年；8年尺度的正相关出现在1966～1981年；14～16年尺度正相关出现在1974～2010年。两者负相关主要表现在2～4年、6年和14年尺度上：2～4年尺度的负相关表现在1958年以前以及1975～1984年；6年尺度的负相关表现在1960～1983年；14年尺度的负相关主要表现在1957～1975年。通过交叉小波功率谱密度分析可知，水稻相对气象产量与水稻生长季内降水量在频率域中年际尺度周期上的相关程度明显高于年代际尺度周期上的相关，2～4年、6年尺度是呈负相关的，8年、14～16年尺度是呈正相关的，其中以14～16年尺度上的正相关程度最大，2～4年尺度上的负相关程度最大，两者之间的相关关系也随振荡周期尺度的不同而不同。综合分析可知，水稻相对气象产量与水稻生长季内降水量之间存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率。

2.3.3 水稻产量与水稻生长季内气温日较差的时频变化相关性 长江中下游地区水稻相对气象产量距平与水稻生长季内气温日较差距平的交叉小波协谱和交叉小波功率谱密度反映了长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内气温日较差之间的时频相关分布特征。由分析结果可知，长江中下游地区水稻生长季内气温日较差与水稻产量整体是呈负相关的，因此，两者的正相关表示水稻生长季内气温日较差偏小，没有出现极端气温对水稻的伤害，有利于水稻产量的积累，而负相关则表示水稻生长季内气温日较差偏大，日最高气温或最低气温超过了水稻的适宜生长温度，不利于水稻的生长发育，导致水稻产量偏低。

通过水稻相对气象产量距平与水稻生长季内气温日较差距平的交叉小波协谱和功率谱密度分析可知，水稻相对气象产量与水稻气温日较差之间的关系主要表现为正相关关系，局部也存在有负相关关系。两者正相关振荡主要表现在2～4年、6年和14～16年尺度的共振频率上：2～4年尺度的正相关出现在除1969～1974年之外的全域范围内，且1976～1982年表现比较明显；6年尺度的正相关出现在1968～2010年，且在1978～1980年表现比较明显；14～16年尺度正相关在全域都有表现，在1980年之前表现得比较强烈，且在1973～1979年表现比较明显，等值线很密集，波幅中心出现在1962年左右。两者负相关振荡主要表现在2～4年、6年、8年和14年尺度上：2～4年尺度的负相关表现在1969～1974年，表现比较弱；6年尺度的负相关表现在1956～1967年；8年尺度的负相关主要表现在1986年之前，且1977年之前表现比较明显，波幅中心在1955～1960年；14年尺度的负相关出现在1983年之后，表现不强。交叉小波功率谱密度分析表明，两者在频率域中年际尺度周期上的相关程度明显低于年代际尺度周期上的相关，6年、8年尺度是呈负相关的，8年左右尺度的负相关最强，2～4年、14～16年尺度是呈正相关的，其中以14～16年尺度上的正相关程度最大，25年以后，周期尺度越大，相关性越不强，而且两者之间的相关关系也随振荡周期尺度的不同而不同。综合分析可知，两者之间存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率，总体的相关程度是最高的，其中14～16年尺度的正相关程度最高，8年左右尺度的负相关最大，2～4年和6年的相关程度不高。

2.3.4 水稻产量与水稻生长季内≥10 ℃活动积温的时频变化相关性 长江中下游地区水稻相对气象产量距平与水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平的交叉小波协谱和功率谱密度反映了长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内≥10 ℃活动积温之间的时频相关分布特征。水稻生长要求最低气温在10 ℃以上，整个生长季要求≥10 ℃的活动积温达到一定的值，当水稻产量与水稻生长季内≥10 ℃活动积温成正相关关系时表明水稻生长季内≥10 ℃活动积温达到水稻生长的要求，负相关则表示水稻生长季内≥10 ℃活动积温没有满足水稻生长的要求。

通过水稻相对气象产量距平与水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平的交叉小波协谱和功率谱密度分析可知，两者之间的关系以正相关为主，局部时域存在不同频率尺度的负相关。两者正相关振荡主要表现在2～3年、4年、6年和12年尺度的共振频率上：2～3年尺度的正相关出现在1955年之前、1962～1964年、1966～1975以及1990年之后，表现不强；4年尺度的正相关在全域都有表现，但在1975～1982年表现比较强，波幅中心在1978年左右；6年尺度的正相关出现在1995年之后，表现很不明显；12年尺度正相关在全域都有弱表现。两者负相关振荡主要表现在2～3年和8年尺度上：2～3年尺度的负相关表现在1957年以及1983～1986年，表现很弱；8年尺度的负相关表现在1974年之前，表现比较明显，且波幅中心出现在1960年左右。由交叉小波功率谱密度分析可知，在频率域中年际尺度周期上的相关高于年代际尺度周期上的相关，2～3年、4年、6年、12年尺度是正相关，2～3年、8年尺度是呈负相关的，其中以12年时间尺度上的正相关程度最大，8年时间尺度上的负相关程度最大，两者之间的相关关系也随振荡周期尺度的不同而不同。综合分析可知，两者之间存在2～3年、4年、6年、8年和12年尺度的共振频率，12年尺度的正相关程度最大，8年尺度的负相关程度最大。

3 结论与讨论

近60年来长江中下游地区的气候变化趋势与全国气候变化一致，其中水稻生长季内平均气温和≥10 ℃活动积温随时间呈二次曲线变化；气温日较差呈减小趋势；降水量与时间的相关性较差。水稻产量呈波动增长趋势，波动特点明显，出现了大量的丰歉年。

1）气候变化对长江中下游地区水稻产量有一定的影响，水稻生长季内平均气温的升高和≥10 ℃活动积温的增加对水稻产量是正面影响，气温日较差的增大则会导致产量下降，而降水量变化则与产量变化关系不大。

2）长江中下游地区水稻相对气象产量与水稻生长季内的平均气温、降水量、气温日较差以及≥10 ℃活动积温的时频结构有一定的相似性，存在某些频率尺度的显著性变化周期，主要表现在高频部分。

3）长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内平均气温和≥10 ℃活动积温之间存在多尺度的共振频率，且在低频部分的相关程度比高频部分稍好，相关程度最好的是8年的反位相的振荡和12年尺度的正位相振荡。

4）长江中下游地区水稻相对气象产量与水稻生长季内降水量之间存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率，相关程度随振荡周期尺度的不同而不同，且总体相关程度较低。

5）长江中下游地区水稻相对气象产量与水稻生长季内气温日较差之间存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率，总体相关程度在所有与水稻产量进行交叉小波变换的变量中最高。

长江中下游地区水热资源丰富，气候变化对其影响比较明显，影响机理比较复杂，长江下游地区靠近海岸的区域，受海陆气候的影响比较大，特别是夏季太平洋西岸的热带高压对其直接影响更导致了气候变化的复杂性，同时城市化发展较快，城市“热岛效应”明显，它们对水稻产量的影响还有待进一步研究，这对于估算水稻产量和提高水稻种植管理技术从而提高产量有重要意义。

参考文献：

[1] HOUGHTON J T， JENKINS G J，EPHRAUMS J J. Climate Change： The IPCC Scientific Assessment（1990）. Report Prepared for Intergovernmental Panel on Climate Change by Working Group I[M]. Cambridge，United Kingdom： Cambridge University Press，1990.

篇2

关键词：水文与水资源；工作；挑战

引言

随着二十一世纪经济迅猛发展，我国社会中各行各业均呈现蓬勃发展的趋势。机械制造水平日益提升，大大提高了我国的国民经济。然而，任何事情都具有两面性，要学会用科学发展的眼光看待问题和解决问题，在我国经济迅速发展的同时，环境问题不断出现，其中水文与水资源的问题尤为突出。水资源是人们正常生产和生活的基础资源，是保障人类正常存活和发展的保障，但是近年来，由于主观和客观因素的影响，导致水资源越来越紧缺，大大影响了我国经济的发展。因此，针对水资源中存在的问题，要采取措施加以解决，并加强对水资源的保护力度。目前，为了解决地表水减少的问题，人们开始过度开采地下水资源，从而造成地下水资源也急剧减少，浪费了大量的资源，给水文工作带来了较大的压力。

1 当前我国水资源的现状

1.1 水资源污染现象较为严重

近年来，随着工业生产以及人们生活的用水量增大，导致水资源紧缺问题日益严重，且水资源污染现象也越来越严重，污染成分比较复杂，不仅包含农业中的农药残留，而且还包含工业生产中的重金属污染以及化学材料，之后在农业灌溉时利用被污染的水资源进行灌溉，对土地造成了严重的污染，从而污染了地表水。而人们饮用的水资源主要来源于地表水，进而产生了恶性循环，给人类的用水安全带来了隐患，严重时甚至威胁着人们的生命安全和身体健康。由于水资源是不断流动的，因此土壤环境也会受到一定程度的破坏，生长出的植物中含有一定的污染源，生长出的失误和果实等也含有污染，利用植物生产出的食品也存在安全问题，进而对人们的饮食安全造成负面影响，可以说，水资源污染不仅对植物有着一定的危害，对人类的健康和生命也有着严重的威胁，因此，对水污染进行治理是目前水文工作中迫在眉睫的内容。

1.2 山区的水资源出现减少的现象

众所周知，虽然我国幅员辽阔，但是地区差异明显，经济发展也不统一，相对而言，我国山区的经济发展缓慢，各种资源都相对缺乏。就我国现阶段而言，水资源严重短缺现象越来越严重，山区的水资源短缺问题尤为明显。河流在上游时就出现断流的情况，进而对中游和下游地区的造成了严重的影响，而且这种断流的情况越来越突出，严重时甚至会发生枯竭现象，给地下水的正常补给带来制约和阻碍，造成下游地区的水资源短缺，水土流失现象非常严重，土壤环境也遭到了破坏，对周围环境带来了严重的灾害和影响，同时也为水文工作的正常、健康展开带来负面影响。

1.3 地下水资源过度开采

近年来，随着现代化进程的不断加快，经济水平不断提升，各行各业都有了迅猛的发展，人们生活条件日益富足，但是与此同时，我国的能源与资源也在急剧减少，其中，地表水资源也越来越紧缺。因此，为了满足人们正常生产生活的需求，人类开始对地下水资源过度开采，进而引发了严重的后果，致使地下水资源严重浪费。地下水资源是路桥以及水利等行业发展的基础，一旦地下水资源缺乏，就会会影响公路和水利等方面出现问题，桥梁出现塌陷现象，地表下沉，地表环境遭到严重破坏。另外，水资源的缺乏还会直接导致人们的生活用水以及工业上的各种用水不足，严重制约着我国经济的发展。地下水资源的过度开采还会导致地下水水位快速下降，这对地面有着严重的负面影响，会造成地面塌陷、裂开，以及下陷等后果。同时，也会使得江河湖泊的水量减少，严重时甚至会出现干涸的现象。

2 水文资源和气候变化的关系

2.1 水资源和气候变化之间相互的作用

气候变化与自然的循环对于水资源的循环会产生一定的影响，在分布以及生态环境的循环方面对水资源产生影响，进而使得生态环境遭到破坏，制约了经济的健康发展。生态环境的变化在极大程度上影响着水资源，气候的不规则变化干扰了水循环体系，从而出现资源短缺问题。因此，在进行水文工作过程中，要对气候资源的相关因素变化进行分析，因为这些因素是不确定的，所以在一定程度上给水文工作的正常有效开展提出了严峻的考验和挑战，要全面地考虑经济活动以及自然环境等因素，否则就会对水资源造成严重的威胁，甚至会发生自然灾害等问题，这无论是对于社会活动或者是经济活动来说都将会造成负面影响。基于此，在开展水文工作时要将所有不确定因素进行全面综合地考虑，加强水文管理，并对水资源与气候变化之间的相互作用进行详细的分析和研究，进而有效管理水资源，将水资源进行充分的利用，做好水资源的基础工作，提前做好水文工作的防范工作，及时对将会出现的问题进行预防，以此确保出现问题时可以及时进行有效解决，合理规划水资源，保持生态系统的完善，维持水资源的平衡。

2.2 水文工作的具体措施

为了有效检测水文过程中的变化，就需要改进和调整水文参数，增加全球以及不同地区的水文及其参数资料，关注并重视全球水文资料的构建，以此全面了解气候的指导作用，还要利用科学信息技术对相关数据和方法进行改进。相对比较来说，我国在水文工作方面还有很多不足，因此可以节将发达国家的先进研究成果以及技术经验，利用发达国家的成熟经验进行自身工作的指导，并根据我国的基本国情进行总结，以此促进我国水文工作的蓬勃发展。另外，还要将世界各国的气候以及研究成果进行汇总，以此制定出适合我国发展的且全面的参考资料，从而为水文工作的顺利开展提供基础参考。水文工作的具体措施如下：加大投入力度，加强水文检测基础设施的建设，在实际开展水文工作之前做好规划，为提高水文工作水平奠定条件。同时，采取行之有效的措施提高水文资源检测报告水平，以此提升水资源的水量以及水质检测质量。另外，要拓宽水资源的经费渠道，完善投入机制，从而为更好地开展水文与水资源工作夯实基础。

3 结束语

通过文章的综合叙述可知，随着经济水平的提高以及工业化的迅猛发展，水资源已经严重缺乏，甚至无法保障人类正常生活以及工业用水的需求，因此水Y源的供给受到了广泛的关注和重视。水资源短缺问题不仅给水文与水资源工作提出了严峻的考验，而且还在极大成都上制约着经济的发展。近年来，我国的水资源污染现象愈加严重，且山区的水资源逐渐出现减少，为了确保水资源的供给需求，人类开始过度开采地下水资源，从而造成了一系列严重的问题。因此，要处理好水资源与气候之间的相互关系，制定详细的水文工作措施，加大水资源的管理力度，加强水文基础设施的建设，从而为更好地开展水文与水资源提供保障。

参考文献

[1]邓建明，肖大远.强化水资源量质同步监测技术能力的几点思考[J].广西水利水电，2013.

[2]阿不都艾则孜・尼扎木丁，莫合塔尔・尼扎木丁，王怀江.污染环境地质的水文勘测技术及其运用[J].黑龙江水利科技，2012.

[3]夏军，刘春蓁，任国玉.气候变化对我国水资源影响研究面临的机遇与挑战[J].地球科学进展，2011，01：1-12.

篇3

【关键词】深基坑；地下水；影响；降水控制方法

城市轨道交通作为交通工具不仅可以减缓城市的交通压力，在城市客运交通中发挥骨干作用，而且对于引导城市规划建设，促进土地开发利用，带动地域城市沟通联系有显著的优势。由于轨道交通的特殊性，在施工期间，深基坑工程的地下水问题引起了广泛的关注。因此，在城市轨道交通施工过程中，深基坑地下水作为评价重点，被列为重大安全风险源，它是城市轨道深基坑施工的关键点。

1 地下水对深基坑工程的影响和治理原则

1.1 地下水基本类型

在我国南方，气候类型大部分是亚热带季风气候和一小部分热带季风气候（云南南部、雷州半岛和海南岛）。雨水量的充足导致地下水含量丰富，长江中下游、江浙地带、珠江三角洲等地区作为我国经济发展的先锋军，城市轨道交通发展迅猛，但在地下轨道交通发展的同时，深基坑地下水的防治工作也成为了重中之重。

1.1.1 上层滞水、潜水

上层滞水是深基坑中地下水的第一含水层，常分布于砂层中的黏土夹层之上和石灰岩中溶洞底部有黏性土充填的部位。上层滞水由雨水、融雪水等渗入时被局部隔水层阻滞而形成，消耗于蒸发和沿隔水层边缘下渗。由于接近地表和分布局限，上层滞水的季节性变化强烈，一般发生于在雨季，消失在旱季。上层滞水仅能用作季节性的小型供水，而且很容易受到污染。潜水存在于地表以下，它是第一种稳定隔水层以上，具有自由水面的地下水。潜水有自由水面，地表至潜水面间的距离为潜水埋藏深度。由于潜水层以上没有连续的隔水层，所以它不承压或仅局部承压。降水和地表水通过包气带下渗、补给。潜水是重要的供水水源，通常埋藏较浅、分布较广、开采方便，但很容易受到污染，所以，需要注意保护。

1.1.2 承压水

它是充满两个隔水层之间，含水层中的地下水。承压水由于顶部有隔水层，补给区小于分布区，动态变化不大，不容易受到污染，同时，它还承受静水压力。在适宜的地形条件下，当钻孔打到含水层时，水便喷出地表，形成自喷水流，所以又称自流水。人们将这种自流水作为生活用水和农田灌溉。

以上是对上层滞水、潜水、承压水的概念介绍，它们的主要区别是：上层滞水主要是与外界相通，具有自由水面，受外界影响大；潜水是第一种在稳定的隔水层之上，具有自由水面的水层；承压水具有水压力，它属于自流水，不容易受到污染。而前两种水没有水压力。

1.2 地下水对深基坑的影响和相关分析

在深基坑施工过程中，地下水的处理措施不当，可能会导致基坑险情不断，还会严重影响基坑的施工安全和进度。地下水对基坑施工的危害主要表现为地下水突涌，造成基坑围护结构失稳，基面侵蚀，污染严重，地基承载力降低。降低地下水位引起的地面沉降和周围建筑物倾斜、开裂，基坑开裂、坍塌等现象，会造成人员伤亡和财产损失等。事实证明，通过对事故原因进行分析发现，导致事故发生的基本原因主要包括勘查设计、施工过程和气候变化三个方面。地勘设计人员在勘查过程中，对气候变化、水文地质的原理理解不透彻，对开挖前后水文地质的变化和地下水的运动规律不重视等，可能会导致设计出现偏差，使降水系统出现漏洞，防水体系不足等。在施工过程中，施工单位对设计意图的理解出现偏差或者施工材料以次充好，都会导致降水系统质量差，达不到止水效果。施工过程中气候的变化也是影响深基坑地下水的主要因素，尤其是我国沿海地区台风较多，降雨量大，雨水汇聚对基坑的冲刷、浸泡十分严重。

1.3 地下水治理的基本原则

在深基坑施工过程中，地下水的治理原则为降、疏、堵相结合。“降”是指施工前，在施工区域采用布点打井的方法抽取地下水，这会在一定程度上降低地下水的含量，使其水位下降； “疏”是指在排除基坑施工过程中，将基坑范围内的地表水和地下水采用明沟或水泵将积水引出；“堵”是指通过有效手段将地下水止于深基坑之外 ，一般做法是在深基坑周围施工地连墙、旋喷桩帷幕等。

2 深基坑地下水处理

对施工范围内的深基坑地下水降水施工应进行充分的勘探调查，充分了解施工区域内的基坑含水量，制订出相应的地下水处理措施。

2.1 降水施工措施分类

在施工过程中，需根据相应的水文地质特征和气候类型等采取相应的降水措施。目前，在深基坑降水过程中，主要采取的降水方法有重力降水（比如积水井、明渠等）和强制降水（比如轻型井点、深井点、电渗井点等）。

2.2 降水措施的选取

降水措施的选取应充分考虑施工区域的水文地质特征、气候类项、施工时间和地质条件等。在施工过程中，在地表水或地下水含量匮乏地区多采用明沟或水泵将积水引出；地下水含量丰富的地区多采用布点打井的方法抽取地下水，使地下水含量降低、水位下降。采用这样的方法抽取地下水，不但可以起到降水效果，还可以极大地节省施工时间。根据含水量的大小，设置不同口径的降水井，在开工前进行降水规划，可以有效地规避地下水对基坑施工带来的影响。通过采取有效的降水措施，及时降低基坑开挖范围内土层的含水量，将基坑内潜水位降至基坑开挖面以下，不小于1.00 m，以满足基坑开挖施工的要求。确保基坑开挖后基坑底的稳定，是保证基坑开挖安全的首要因素。

3 对地下水处理的基本要求

对施工区域进行详细的水位地址勘查，必须要有深基坑地下水处理设计的全部资料，包括地层含水量、地下水水位、地质条件、设计结构尺寸、支护类型、基坑周边环境、施工周期和施工期间的气象资料，等等。

地下水处理设计时，除了要对周边环境有足够认识外，还要对各主要建（构）筑物、地下管线和地面控制点设放适量的变形观测点、水位变化观测井，进行全过程的定期观测，以便采用信息法施工，并配备相应的应急应变措施。

地下水处理时，必须综合考虑环境、变形和技术经济指标。基坑面积与承压水头降幅（或隔渗所阻挡的承压水头高度）的乘积除以水或隔渗投入的经费，所得的就是基坑中在单位面积上每降低（或隔渗）1 m，承压水头所需的费用。通过统计计算可知，其结果是深井降水为14～48元；隔渗为186～223元；隔渗与降水相结合为41～101元。

4 结束语

综上所述，在深基坑工程中，地下水的处理是深基坑成败的关键因素之一。通过对现有的深基坑施工事故的调查发现，有70%的工程事故是由于地下水处理不当或自然条件造成的。因此，在深基坑施工过程中，必须要采取一系列的措施减小甚至排除地下水对深基坑的影响，具体措施包括正确认识各种地质条件、选择恰当合理的降水方法、科学设计止水结构等。施工时，既要确保深基坑的施工安全，又要尽量避免对水环境的影响。只有这样，才能促进社会的可持续发展。

参考文献：

篇4

摘 要：近年来基坑施工过程中经常出现由于天气变化或地下管线变化产生支护边坡塌方，主要是基坑周围环境突然发生了很大变化导致局部失稳现象。该文结合具体工程案例，分别从地质条件、地下水情况以及连续3 d大暴雨对北部支护的冲刷3方面分析了基坑支护出现局部塌方的现象产生的原因，并提出了地下水排水、地表水排水、北侧基坑支护增加泄水孔、北侧增加一道木桩和钢管土钉方案。按照施工抢修方案实施后，以后连续下了多次雨后基坑支护仍然只有很少可控范围的变形，收到了较好的效果，保证了地下工程的正常施工。

关键词：基坑支护 局部塌方 原因分析 对策

中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（a）-0043-02

随着我国城镇建设的蓬勃发展，土地资源的日益紧张，必然导致建筑越造越高，地下基坑越挖越深，对地下工程的设计与施工提出了更高的要求，基坑工程施工出现不少险情，不少事故导致重大经济损失及不良的社会影响。因此按照《危险性较大工程安全专项施工方案编制及专家论证审查办法》（建质[2004]213号）及建设部2009-87号文对于超过5 m的深基坑支护方案要编制专项施工方案并进行专家论证，但在施工实施过程中仍会遇到天气变化、周围管线突发异常等突发状况，该文结合具体工程案例，对基坑支护出现局部塌方的现象进行分析并提出对策，供大家参考。

1 工程概况

该项目南、西面都是道路，东、北两面都是在建桩基工程。该工程±0.00相对于黄海高程3.55 m，现状自然地坪平均标高取黄海3.25 m，地下室外墙条基基底标高为黄海-2.15 m，挖深为5.4 m。根据周边环境、基坑挖深和地质情况，该工程安全等级为三级，侧壁安全系数为0.9，基坑支护的设计使用期限为一年。

工程按计划施工到北边时，基坑支护仅打二排木桩及钢管土钉，面层还没有绑扎面网钢筋，更没有喷射混凝土面层，突遇长时间暴雨，结果出现局部塌方现象（见图1）。如果不及时采取有效措施，有可能塌方面积和程度迅速增大，进而导致北边的灌注桩产生偏移，后果非常严重。

2 原因分析

基坑土方开挖和基坑支护施工过程中，破坏了土层中的原有的应力平衡，土层应力要重新调整，坡面发生变形，直到新的平衡出现才能稳定。产生新的平衡，要考虑工程要求、工程周围环境、地质条件、地下水情况、台风暴雨气候变化等客观因素以及施工组织设计等主观因素。

2.1 地质条件

根据地质勘察报告，区域内地质条件较差，基坑位于第②2土层内，属于灰黑色流塑淤泥质粉质粘土，开挖时容易产生剪切破坏等现象。

2.2 地下水情况

赋存于①层填土、②1层粉质粘土和②2层淤泥质粉质粘土中的潜水，主要由大气降水和地表径流补给，蒸腾排泄，其水位受季节性影响较大。考虑到前期已提前两周进行了降水处理，正常情况下不影响施工。

2.3 暴雨气候变化

土方开挖时天气阴晴相间，但突然连续下了3d中到暴雨，北面桩基部分几千平方米范围的水全部流向基坑，北坡侧后的土体长时间受到雨水的冲刷、浸泡，使得北边坡产生新的不平衡，局部塌方。具体原因如下。

（1）该工程基坑采用大口径管井等方法降水，原地下水已降到基坑底0.5 m以下，突然大量雨水的侵入，造成基坑北侧地下水位大幅上升，边坡支护结构遭到额外的水压力作用；（2）北侧坡后土体长时间受到雨水的冲刷、浸泡，部分土体处于软化状态，土体的抗剪切力等物理指标大幅降低，同时含水率提高后土压力明显增加；（3）钢管土钉（包括木桩支护）与土体的摩擦阻力降低，导致抗拔能力降低。

2.4 对策

根据现场实际情况，及时采取了对策，重点是解决水的问题，降低水位：（1）密切观察管井等降水系统的情况，保证正常地降水；（2）基坑北侧后方立即开挖多条东西向排水明沟，将地表雨水及时引向东西两边，并增加抽水机及时将地表水排除；（3）基坑北侧坡顶增加排水管道，及时排除坡顶的地表水，并用帆布将坡顶覆盖防止再次淋雨；（4）北侧坡面地增加泄水孔，及时将坡后的积水排出；（5）为防止进一步塌方，北侧基坑支护由原来坡面设置2道6 m钢管钉和2道6 m长竖向木桩（图2），增加1道6 m钢管钉和1道6 m长竖向木桩（图3），坡底根部增设木板挡土。

2.5 处理效果

经过不断地表排水处理以及北侧坡顶帆布覆盖等处理，及时进行表面钢筋网绑扎并喷浆处理，边坡基本稳定，在后面的几次大雨中经受了考验，这样处理是正确的，效果是良好的。

3 结语

基坑支护工程是临时性工程，但容易再现一些问题，一旦出现会增加成本，延误工期，甚至发生安全事故。因此施工中要加强基坑支护监测，坡顶水平位移和垂直位移监测、已建承台与地梁的沉降观测、对地下水位进行监测3方面，如果发现边坡有塌陷、裂缝及滑移以及基坑周边建筑物、道路及地表有裂缝出现，则立即启动应急预案，采取必要措施。

基坑支护边坡稳定最主要的隐患是水，最有效的方法是快速排水，尤其是天气突然变化连续下雨，既要处理好坡顶的地表雨水排除工作不让其渗入，还要注意土层中滞水的引出。只有将水挡在边坡的外面并将内部的滞水排除内外相结合，边坡才能稳定，施工才能安全。

参考文献

篇5

【关键词】地下水资源超采；环境地质问题；地面沉降；预防措施

【abstract】Baotou is located in arid and semi arid regions, Groundwater plays an important role on construction economy and social development of Baoton,In recent years the excessive exploitation of groundwater is more and more serious. This paper point at the problem of excessive exploitation of groundwater and illustrate possibly happen problem of environmental geological and raise relevant precautions.

【Key words】excessive exploitation of groundwater; the problem of environmental geological; land subsidence; precaution

中图分类号：TV213 文献标识码：A 文章编号：

0、引言

水是人们赖以生存不可缺少的宝贵资源。作为水资源系统主要组成部分的地下水是指埋藏在地表以下岩石空隙中并与周围岩石进行着不停顿地相互作用的自然水，对经济建设和社会发展起着重要的作用。

包头市地处降雨稀少的干旱半干旱地区，地下水对包头市的经济建设和社会发展起着尤为重要的作用。但是近年来随着包头市地下水的不合理开采引发了一系列的环境地质问题，因此合理开采利用地下水迫在眉睫。

1、研究区概况

包头市位于E:109°50’—111°25’，N:41°20’—42°40’, 阴山南麓、黄河北岸，是最大的工业城市，也是中国北方重要的钢铁、化工、机械及能源生产基地之一，素有“草原钢城”，“稀土之都”的美称。

2、包头市水资源及地下水开采利用现状

2.1包头市水资源概况

包头市地处干旱半干旱地区，是全国极度缺水城市之一，多年平均降水量200-350mm，多年平均蒸发量2000-2200mm，包头市多年平均水资源总量10.14亿m3，其中地下水资源量8.00亿m3，地表水资源量2.14亿m3，可供开发利用的水资源量为6.06亿m3,人均水资源量422m3，仅为全国人均值的17%左右，城市规划区的人均水资源量还不足100 m3。受全球气候变暖影响，近年来降水量及当地水资源量明显减少，2008年比2002年普查时少了2.74亿m3,虽可采量在减少，而实际地下水开采量比例逐年增加，导致地下水水位逐渐下降，降落漏斗面积逐渐扩大，承压水尤其明显。

2.2包头市地下水开采利用现状

包头市处在一个完整的地下水补、径、排水文地质单元上，山前倾斜平原是包头市地下水的主要分布区，是包头市的重要水源之一。随着包头市的经济发展，作为主要水源之一的地下水开采量在逐年增加（表1），其规模性开采始于上个世纪60年代，并且局部超采现象愈演愈烈。以2000年为例，地下水总开采量1.02亿m3,实际开采1.38亿m3,超采0.35亿m3,开采利用率达到135%。其中潜水开采量0.87亿m3,超采0.24亿m3, 开采利用率达138%；承压水开采量0.51亿m3,超采0.12亿m3,开采利用率达131%。

表1 包头市2004-2008年地下水资源量及其开采利用情况

Tab.1 Ground water and mining use situation in Baotou,2004-2008

3、地下水资源量的组成及过度开采可能引发的环境地质问题

3.1地下水资源量的组成

地下水资源量由储存量和补给量两部分组成。

地下水储存资源是含水系统在地质历史时期累积保存下来的水量，不参与现代水循环，是含水系统中不可再生和恢复的，是不能持续利用的水资源量，一旦开采，它将和其他矿产资源一样，将导致这部分水量的永久耗失。

地下水补给资源是指参与现代水循环，含水系统可以恢复再生、水质合乎一定标准的水量，这水量年复一年更新再生。由于气候变化，含水系统每年获得的的补给量和排泄量是有变化的，但一个含水系统的开采量不超过其补给资源时，地下水资源就有连续开采的保证。

地下水的补给量包括天然补给量（山前侧向补给、大气降水的入渗补给）和转化补给（地表水体渗漏补给、渠系和田间灌溉水渗漏补给、含水层之间的越流补给）。由于地下水补给的一部分将消耗于不可避免的潜水蒸发、植物蒸腾、天然生态耗水，地下水的排泄，而不能全部被开发利用，地下水的可开采利用量仅是补给量的一部分。这部分可以开采利用又不致引起难以承受的环境损害（如形成地下水水位下降、开采漏斗、造成地面沉降等）的水量称为可持续开采量或可采资源。

3.2过度开采地下水可能引发的环境地质问题

如果将全部补给量作为地下水的可采量或开采量超过补给量时，必将造成地下水的过度开采。地下水过度开采会引起一系列的环境退化现象（水岩（土）力学平衡破坏、水文循环平衡破坏、渗流场平衡破坏等）。最明显的是地下水水位下降，开采中心的降落漏斗面积逐渐增大（表2）。由于地下水水位下降会引起浅埋地下水所维持的沼泽湿地干涸、植被衰退和地面沉降等，其中最直接的环境问题是地面沉降（上海、天津等大城市因地下水过量开采已经造成大范围的地面沉降）。

表2 包头市2004-2008年地下水资源利用及其结果统计

Tab.2 Groundwater resources utilization in Baotou Unit

4、包头市地下水过量开采可能引发地面沉降分析

包头市地下水的过量开采已经形成事实，随之最可能引发的直接环境地质问题将是地面沉降。地面沉降在包头市目前不会出现，但随着地下水过量开采的逐年积累，这一环境问题将会显现出来。现就引起地面沉降的机理、影响因素、软土固结、发展趋势、主要危害作如下分析：

4.1地下水过量超采引发地面沉降机理分析

本地区主要是开采第四系孔隙潜水和孔隙承压含水层中地下水，开采地下水引起的水位降低，必然导致含水层本身及相临隔水层中孔隙水压力的减少。

根据土的有效应力原理，土的总应力（δ）等于由于水承担的孔隙水应力（U）与土骨架承担的有效应力（δ）之和。在抽水过程中未发生沉积变化，因此可视土层的总应力不变，而由于地下水开采引起的土层中孔隙水应力的减少，必然导致土的有效应力的增加，其后果是导致土层的固结，因而产生地面沉降。

4.2地下水开采产生的地面沉降主要影响因素

篇6

[关键词]地下水 工程建设 影响 防治

[中图分类号] X523 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-12-249-1

0前言

我国人口的不断增长、各个行业的不断发展，地下水的变化所引起的沼泽化、盐渍化、滑坡、地面沉降等不利自然现象，导致我国地质环境问题不断增加，对我国的工程建设产生了不利影响，还有对国家环境及建筑物的安全和稳定都产生了严重的影响。因此，为了保证工程建设的安全、稳定及顺利完成工程，本文举例进行地下水对广西某工程建设的不利影响做出相应的防治方法。由于地下水作为我国政治、经济与工程建设中尤为重要的一环，其施工运行中能否保证顺利完工，对我国的安全及稳定的发展起着至关重要的作用。

1地下水的概念

地下水，是土壤下一个最为重要的天然资源，它主要是储存在地表以下的土壤和岩石空隙中的水；是贮存于土地以下地层空隙中，其包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。它分布较为广泛，与人们的生活、生产都息息相关。同时地下水是水资源的重要组成部分，由于水量稳定，水质好，就作为农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。

地下水有着一定的特殊性、腐蚀性、侵蚀性和其化学成分的作用，就对工程建设、结构设计和施工带来了不可估计的影响。所以，在工程建设之前，应进行一切的检验及相关测试工作，主要是为了避免工程建设中出现频繁事故，危及到施工人员的生命安全。

2地下水的基本特征

地下水的基本特征主要有上层滞水、潜水、承压水、裂隙水等来影响国家与社会的工程建设发展。

对于地下水的上层滞水主要是是由于局部有隔水作用，使下渗的大气降水停留在浅层的岩石裂缝或沉积层中所形成的蓄水体。地下水的分布面积比较有限，主要取决于不能透水的固体的大小，一般的水压力都小于大气压力。受气候变化影响，具有季节性暂时性，它能参与补给潜水，也可能被蒸发掉。

对于地下水的潜水是主要埋藏于地表以下第一个稳定隔水层上的地下水，通常所见到的地下水大多部分是潜水。当潜水流出地面时就形成泉；水位变化取决于水的压力的传递，动态相对稳定，水源的补给区可以很远，补给时间较长。

对于地下水的承压水主要是埋藏较深的、赋存于两个隔水层之间的含水层中的水。它承受压力，当上覆的隔水层被凿穿时，水能从钻孔上升或喷出。

按含水空隙的类型，地下水又被分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。孔隙水是存在于岩土孔隙中的地下水，如松散的砂层、砾石层和砂岩层中的地下水。裂隙水是存在于坚硬岩石和某些粘土层裂隙中的水。岩溶水又称喀斯特水，指存在于可熔岩石的溶蚀裂隙和溶洞中的地下水。

3地下水对工程建设的不利影响

地下水的存在对工程建筑的安全和稳定都有极大的影响。一般地下水对工程建设的不利影响主要包括：地下水的静水浮力、地下水的潜蚀、地面的沉降等各种不利的影响。

（1）地下水的静水浮力。地下水会随时变化，就会对工程建筑有着直接的影响。当地面下的地下水位上升时，对于地下的建筑物有浮托作用，就会使建筑工程的基础承载力降低。对于建筑物而言，地下水就会对建筑材料产生浸湿并且对岩土起软化作用，因而就会降低原本建筑材料的强度，建筑物则会产生较大的沉降问题，导致原本工程建筑变形，严重的话就会使建筑物塌陷，会给整个工程建筑、社会、国家带来巨大的经济损失。

（2）对于地下水的潜蚀作用主要发生在土地表层、粉尘和细砂的潜蚀，对于地下水的潜蚀可分为机器潜蚀和化学潜蚀，对于机器潜蚀主要是指那些机械力将细土颗粒冲走，从而形成溶洞及洞穴；化学潜蚀主要是指溶解了土中溶盐和各种物质使土壤稀疏，从而形成洞穴；对于一般的工程建筑基本会同时存在的，就会使建筑物塌陷。

（3）对于地下水的地面沉降。我们都知道所谓的地面沉降也就是地面的塌陷及下沉。地面沉降一般分为外力的地面沉降和自身的地面沉降。外力的地面沉降主要是由于地下水的抽取所引起的地表的土壤松散及土地表面的下降问题；自身的地面沉降主要是一种原本的地面日积月累的重力作用下，使其地面受到各种各样的自然灾害问题的影响，从而导致地面的沉降；虽然，有一些地面沉降会缓慢的进行中，它会持续的时间较长，影响的范围较广，就会直接威胁到城市、建设、经济、人们的日益不断发展的步伐。

4地下水的防治方法

为了防治工程建设中，对于地下水的外力作用和自身作用的危害产生，从而保证工程建筑的安全、稳定和巩固及工程的顺利进行，因此就要对地下水的危害进行防治。但社会的日益增长的经济发展，由于人们过度的使用地下水会直接导致像广西某工程地下水位的下降，使部分土层的空隙没有水资源的填充，导致土壤的松散，造成地面的沉降，对此进行采取以下的防治方法：

（1）对于一些工、农业的用水，应禁止过度抽取地下水，节约用水。避免水资源的短缺，影响人们日益需求的水资源。

（2）依据地下水对工程建设的防治方法结合，我们应及时的加强工程建设自身的防护能力，并且应进行保护水源地，从而减少工程施工的事故发生。

（3）人们在工程建设中，应多植树造林，涵养水源。保护土地的土壤避免松散，加强土质管理。

（4）在工程建设中应严格禁止会引起地下水水位变化的施工工程。

（5）在工程建设中应合理的进行开采，监测立法，加强管理措施。

篇7

关键词:地下室；地下水层；抗浮设计；实测法

中图分类号：P332.3 文献标识码： A 文章编号：

随着城市化进程的加快，城市建设用地相对紧张，为了满足需要，地下车库、地下室的开发和利用越来越多。地下室等地下建筑不得不面临的问题，就是地下结构物的防水与抗浮问题。抗浮设计关系到地下室工程的质量和造价，抗浮设计的重点就是设防水位的确定。所谓抗浮设防水位就是指地下室抗浮评价计算所需的、保证设防安全和经济合理的地下水位。但影响设防水位的因素很多，加之目前针对这方面的研究并不多，因此，对于抗浮设防水位的确定还存在着很多争议和不足。

1 问题的提出

地下室等地下建筑设计的关键就是抗浮问题，核心内容无外乎抗浮设计水位的确定和结构托浮力的计算。抗浮设计水位取值过高，势必要增加结构自重或抗拔桩等复杂的抗浮措施，造成浪费。抗浮设计水位确定过低，修建或使用期间遇到地下水位上升，则会造成结构开裂、渗水，甚至失效浮起，国内此类安全事故已发生多起。

现行的有关规范对抗浮设计均有说明，但均不具体。《高层建筑岩土工程勘察规程》8.6节中规定:“根据地下水类型、各层地下水位及其变化幅度和地下水补给、排泄条件等因素，对抗浮设防水位进行评价，当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可采用实测最高水位；无长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄等因素综合确定。”《岩土工程勘察规范》7.3节中规定:“对基础、地下结构物和挡土墙，应考虑在最不利组合情况下，地下水对结构物的上浮作用，原则上按设计水位计算浮力，对节理不发育的岩石和粘土且有地方经验或实测数据时，可根据经验确定。”可见，规范要求对结构物进行抗浮验算，但具体方法没有明确。现有的岩土工程勘察报告也是只提及最高水位及常年平均水位，常使一些对水文地质条件不太熟悉的设计人员出于安全的考虑简单地以最高水位作为设计水位，这种简单的设计方法显然缺乏合理性和经济性，因此探讨该问题很有必要。

2 抗浮设防水位确定方法

2.1 设防水位的概念

《高层建筑岩土工程勘察规程》2.1.6给出了抗浮设防水位的概念，即“地下室抗浮评价计算所需的、保证抗浮设防安全和经济合理的场地地下水水位。”设防水位是保证建筑物服役安全，在此期间不致因地下水上升、浮力加大而引起抗浮失效；另外，设防水位是场地水位，从较大范围的整个场地来考虑，而不是以某个单独建筑来考虑。

地下水位是随机变化的，不但与地下水本身天然变幅、地层赋存条件以及气候变化、降水多寡等自然因素有关，而且还受地下水开采、水资源利用、水库蓄洪泄水等人为因素影响，变得十分复杂。因此，抗浮设防水位的确定应根据整个场地的水文地质条件，从地下水的类型、分布、埋藏深度、含水层数目、岩性结构、含水层构造特点以及地下水的补给、排泄条件等方面综合确定。

2.2 准备工作

首先，要了解场地的水文地质条件，搞清地下水的赋存状态。地下水依据赋存状态划分为上层滞水、潜水和承压水。上层滞水存于地表浅处，主要依靠大气降水补给。潜水埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，其补给得益于雨水渗透或河流渗入，排泄依靠大气蒸发或流入河流。承压水埋藏在上下两个隔水层之间的地下水，依靠大气降水与河流湖泊水通过潜水补给的。不同的地下水赋存状态对地下结构的作用效应亦不同。文献认为:滞水是弱透水层上积聚的具有自由水面的重力水，季节性强，通常是暂时性的，不考虑其浮力效应，不作为场地抗浮设防水位。

其次，要了解当前场地含水层的分布、补给、径流、排泄关系及其相互间的影响。通过地质勘察，探明场地地下水类型和分布，了解场地附近地面水体与场地地下水的侧向补给情况，掌握近3～5年内地下水位的年变化幅度。地下水位的动态变化主要受到大气降水与人类活动的影响。有关研究表明，大气降水对年动态变化有较大影响，但不会引起多年的水位升降变化，而人为因素影响剧烈，甚至于改变了各层地下水的赋存关系和渗流状态，对已建工程和拟建工程造成重大影响。

然后，要了解建筑物基底所在含水层层位和标高。结构基底浮力由基础所处的地下水层最高水位标高来控制。弱透水层的存在，改变了地下水的补排关系，形成了各自的赋存和渗流特征。在水力梯度驱动下，不同含水层间会发生越流渗透。由于弱透水层渗透性小，地下水垂直进入该层后水力坡度增大，水头衰减加快。文献介绍了北京某建筑场地现场测试地下水压的实验，经过现场37d的观测，验证了水头在通过弱透水层越流补给过程中发生较大“水头损失”的事实。

当基底位于两个含水层间的弱透水层中某一高程时，要根据上下层地下水最高水位标高，对地下水经过弱透水层渗流哀减后到达基底高程后的水头高程计算，经过哀减后，哪层地下水的水头高，基底的地下水浮力就由哪层地下水的压力决定。

2.3 设防水位的合理确定

抗浮设防水位的确定取决于地下结构基础底板所处土层地下水类型和水头高度，在查询本区域水文地质研究资料和多年水位动态变化统计资料的前提下，需对建筑物施工期及近百年使用期可能产生的最高水位进行合理计算。首先，对地下结构埋深与地下土层的相对关系情况进行分析，无外乎表1所列的几种情况。

表1地下结构与地下水层的相对关系

明确了地下结构物所受上浮力的控制含水层后，下一步需结合该水层补给、排泄条件和年度变化幅度对其后期的最高水位进行预测分析。经研究浅层地下水赋存与渗流特性、水位变化的历史过程和影响因素，开发了地下水位预测预报系统，已经很好地服务于工程建设。目前，我国很多城市还缺乏本地区水文地质系统研究的资料，没有长期观测网络，更没有相应的水文分析预报系统。因此，地下结构物抗浮设防就需结合水文地质条件和工程经验综合确定。目前，应用比较方便的经验公式是:地下水最高水位=勘察期间该层地下水最高水位+该层地下水在相当于勘察时期的年变幅+可能的意外补给造成的该层水位上升值。其中，该层地下水位在相当于勘察时期的年变幅即为:在枯水期勘察加整个年变幅，在丰水期勘察就少加甚至可以不加；意外补给系指非本区大气降水的补给，如水库放水或引水工程等。

3 浮力的实用计算

3.1 浮力计算原理

根据阿基米德定律，浮力等于它所排开水体体积的重量，即

式中:p―单位面积水浮力；

A―物体底面积；

―水容重；

h―物体在水中的高度。

3.2 现场实测法

地下水经过弱透水层渗流，会有一定的水压力衰减，其程度与渗透系数ki和弱透水层厚度mi有关。水头损失， β是一个与土质相关的量。通过现场测试原始水压力或孔隙水压力，绘制勘察深度内的分布曲线，分析推断衰减规律，据此计算基底浮力。

某工程在现场进行了弱透水层的水压力测试，绘制了水压力随深度的变化曲线，如图1所示。

图1某工程实测水压力与理论计算水压力比较

由图1中的结果可以看出，在弱透水层中的水压力要比理论静水压力低很多。因此，利用现场测试水压力结果进行抗浮设计，符合工程实际，相对传统的最高水位设防设计方法要经济得多。

3.3 实用计算方法

在没有现场水压力实测数据资料的情况下，需寻求一种经济稳妥的方法进行抗浮设计。结合表1内容，本文分情况探讨了基础底板水浮力计算方法，其模型和公式列于表2中。

表2建筑基础砌筑在不同土层时的水浮力模型

4 工程实例

4.1 工程简介

某工程地上5层，地下4层。地勘资料显示该场地有3层地下水:第1层台地潜水:水位标高29.25～35.82m，年变幅2～3m；第2层层间潜水:水位标高21.12～23.40m，年变幅1～2m；第3层承压水:水位标高16.43～19.12m，年变幅4～5m。每层间均有一厚度约5m的弱透水层。建筑物基底高程为19.50m，基底位于层间潜水层中。要求论证建筑物基底地下水浮力和建议抗浮措施。

4.2 设防水位论证

基础底板位于层间潜水中，按照2.3论证该场地层间潜水的最高水位。考虑到勘察期间正值丰水期，地下水位较高，所以，在勘察最高水位的基础上再加少量的年变幅是趋于安全的；为方便计算，并保证经济安全，这里考虑选择半个年变幅。对于本区的可能意外补给，需要考察周边地区水利设施活动对场地地下水的影响。本场地所在区域水位升高近4m。勘察资料显示，层间潜水水位年变幅约为承压水位年变化幅度的一半，那么，人为放水对层间潜水的影响亦按承压水情况的一半考虑，台地潜水不受河流泄水的影响。

场地各层地下水可能的最高水位计算为:

台地潜水:35.82+1/2(2～3)+0=37.32

层间潜水:23.40+1/2(1～2)+2=26.40

承压水层:19.12+1/2(4～5)+4=25.62

由于基底位于层间潜水层中，该工程抗浮设防水位标高按26.40m考虑。

4.3 基底水浮力计算

由地层剖面介绍可知，该工程基础埋深与地下水层关系符合表2中的计算模型m情况。依据提供的相应实用方法进行浮力计算，并依此结果进行结构物的抗浮验算和抗浮措施设计。

p=rw(hz+d)=10@(26.4-19.5)=69kN/m2

5 结论

综上所述，抗浮设防水位的确定关系到建筑物的抗浮安全和造价投资，这就要求在考虑建筑物地下室抗浮时，应根据场地工程地质、区域水文地质、建筑条件和地貌情况综合确定。分析各种因素对抗浮设防水位的影响，采用最合理、科学的确定方法，这样才能使得抗浮设计既经济又安全。

参考文献

篇8

胡杨地理分布胡杨在全球的分布具有明显的地理特征，主要分布在北纬30°～50°之间的亚洲中西部、地中海、北非和欧洲南端，生长于荒漠区的河流沿岸及湖滨地带，一般可以在大陆性干旱气候地区形成葱郁的绿洲［2，5］。胡杨林在中亚荒漠区是分布最广的乔木树种之一，主要分布于中国西北、蒙古、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、中亚细亚、巴基斯坦、伊朗、阿富汗、印度、叙利亚、伊拉克、埃及、以色列、土耳其、阿尔及利亚和高加索等地区［5－9］。位于中亚42．5°～44°N，58°～60°E的Tu-ran低地的Amudarya三角洲地区分布着大面积的胡杨，该地区大部分位于乌兹别克斯坦境内，小部分位于土库曼斯坦境内［6］。在伊拉克的DhiQar省、Euphrates幼发拉底河地带，以及位于41°65'N、60°62'E的咸海AralSea残留区南部250km的AmuDarya河下游地区，Karakum和Kizylkum沙漠过渡地区均有胡杨分布［7，9］。位于赤道上的肯尼亚也有胡杨分布，但属于相对孤立的地域［5］。目前，全世界最大的胡杨天然林集中在中国新疆和哈萨克斯坦，由于人为干扰，许多国家的胡杨林已经遭到严重破坏，仅有零散分布（表略）中国的胡杨林主要分布于新疆、甘肃、内蒙、宁夏、青海等5个省份(自治区)。新疆胡杨分布于北纬36°30'～47°、东经82°30'～96°之间的广大地区，分布面积占全国的91．1%，其中89．1%的胡杨分布于塔里木盆地，主要集中在塔里木河上游叶尔羌河、喀什河以及塔里木河中游一带，是目前全世界最大的一片天然胡杨林，面积为35．2万hm2［5，11］(表2)。此外，在准噶尔盆地、伊犁河谷、天山南坡、塔什库尔干和昆仑山也有胡杨分布。从新疆塔里木河谷形成的走廊状沿岸森林断续向东，经罗布低地和哈顺戈壁而至甘肃河西走廊西端的额济纳谷地均有胡杨分布。在内蒙古乌兰察布盟(四王子旗北部)、伊克昭盟(杭锦旗西部)、巴颜淖尔盟、阿拉善盟以及宁夏中卫县也有胡杨分布。青海省西部的柴达木盆地以西、昆仑山北麓、拖拉海沿岸的河滩阶地和阿拉山沙漠区是胡杨天然林分布的东部界限。

胡杨分布区域的气候环境特征及人类活动

胡杨是荒漠地区天然分布的唯一可以建群的高大乔木树种，适应于极端干旱的气候环境条件，耐盐碱、水湿，抗干旱、风沙，具有维护分布区内生态平衡等作用［4］。胡杨生长区域的气候、水资源、地下水、土壤等环境条件的独特性、生态系统的脆弱性以及人类活动的长期干扰，对区域生态环境有较大影响。面对全球气候环境变化以及人类活动影响的相互叠加，对胡杨分布区域气候环境特征和变化规律，以及胡杨自身的适应性进行研究具有重要意义。气候特征胡杨生长区域多属于典型的干旱大陆性荒漠气候条件，干旱气候指标中，降水要素特征尤为重要［11］。胡杨生长区域年降水高度集中，多集中在夏季，6～8月的降水量可占年总量的50%～65%，降水常集中在一、二场雨上，有“湿年一场雨”之说。另外，降水变率较大，我国新疆(特别是南疆)有近一半气象台站的降水资料表明，年降水变率在0．3～0．5之间［10，12］。河西走廊及柴达木盆地亦相近，一年中降水多集中在7～8月，而且形成有效降水的频率很少，多是零星的小阵雨［11，14］。温度空间分布受地形影响，地域性不及降水强，年温差和日温差较大。新疆塔里木河胡杨分布区内平均温度年较差为28．5～44．1℃，日较差20～27．5℃，极端最高40．6℃，极端最低－25．5℃，大于10℃年积温在4040～4210℃，年日照时数为573．5h，无霜期218d，多年平均降水量为45．2mm，蒸发量则高达2900mm以上。内蒙古黑河流域额济纳胡杨分布区多年平均气温为8．3℃，极端最高气温42．2℃，极端最低气温－37．6℃，空气极为干燥，平均相对湿度为35%左右，潜在蒸发量高达3706mm，是降水量的近100倍。在以变暖为主要特征的全球气候变化背景下，我国西北内陆地区近30年来的温度也在波动增长，20世纪80年代后35°N以北地区的增温更为明显，特别是冬季增温显著，增温幅度最大的新疆北部近10年的年平均气温比前10年的平均值增长了1．0℃［14－15］。胡杨生长区域总的气候特征是:温差大、变化多、水量少、干燥、频繁的干热风和大风、蒸发量高，冬季严寒、夏季酷热。水资源特征胡杨生长区域内高的蒸发量和低的降水量，决定了以胡杨为建群种的荒漠河岸林绿洲生态景观的维持高度依赖于河流径流以及受河流径流影响的地下潜水系统。大多数内陆河流径流主要由上游山区水源形成区的高山冰川积雪融水下泄形成，以及中下游的小部分大气降水汇入。由于河流流经区域气候极其干旱，降水稀少，蒸发量大，中下游地表径流水量占总径流量的比例均很低，中下游反而多是河流径流的耗散区和消亡区［16］。河流径流量在不同季节洪枯悬殊的特征非常明显。径流水量的消耗除蒸发外，主要形式为渗漏、两岸漫溢以及形成大小不等的季节性湖泊。新疆塔里木河是典型的西北内陆河流，以上游冰雪融水为补给，径流量与高山冰川储水量、积雪量和山区温度高低有密切的关系，一般从当年10月到来年3月为枯水期，每年3、4月有不明显的春汛，7、8月出现洪峰;洪枯悬殊，冬春两季缺水，夏季洪水过剩，易发生洪灾［16－17］。另外，4至6月份当地农业生产活动增加，灌溉引用大量河水，易造成径流量进一步减少，这一时期也是荒漠绿洲生态用水的高峰期，径流量的锐减必然影响到胡杨树木正常的萌发生长，农业生产与生态环境之间的用水矛盾问题日益凸显。近年来，由于对水资源的不合理利用而导致的河流流量锐减对绿洲植被造成了几乎毁灭性的打击，植物群落受到干扰后其自然演替过程和动态平衡关系被打破，随之发生逆行演替［14］。地下水特征胡杨具有延伸到地下潜水层附近的庞大根系，有强大的根部渗透压和含碳酸氢钠的树叶，比一般中生树种抗旱和耐盐碱，但对胡杨抗旱性和耐盐性却不能过分夸大。事实上，胡杨在荒漠中是不能完全脱离潜水或径流水而生存的。在荒漠干旱气候条件下，地下潜水位深浅，或者有无地表径流灌溉是影响胡杨生长的直接的决定性因素。新疆塔里木河谷，胡杨与潜水位的关系大致是:潜水位1～3m，胡杨生长良好，能萌蘖更新;4～5m，生长停滞，树木稀疏，幼树枯萎;6～8m，大树枯梢，小树枯死;9m以下，大部分胡杨枯死［10，17］。而在气候相对湿润的温带荒漠地带，有径流水补给或沙丘凝聚水供给的情况下，胡杨生长较少受潜水位的限制［15］。生长在荒漠河岸附近的胡杨，距离河道越远，地下水越深，胡杨长势越差，平均胸径、冠幅、树高等指标均逐渐变小［10］。在干旱环境强烈蒸发作用下，地下水位过高，会因蒸发而无效耗散，并导致土壤发生严重盐渍化，对胡杨生长造成盐胁迫;地下水位过低，胡杨生长则因受到水分胁迫而生命活动受到抑制，出现退化甚至死亡［10，12］。当地下水埋藏深度在胡杨适宜生长范围内时，地下水的水化学特征，特别是矿化度高低会对胡杨的生长产生显著影响，绝大多数胡杨林的分布、长势及演替规律明显受地下水矿化度高低的影响［14，18］。水中的无机盐有些是植物需要的，但浓度高于植物根细胞液的浓度时，细胞中的水分会渗透出来，造成植物脱水萎蔫，不同植物对所吸收水分的含盐量有其不同适应范围［15］。胡杨对地下水矿化度也有最佳适宜浓度，超过就会出现衰败。一般而言，地下潜水矿化度比较低时，胡杨普遍生长较好。塔里木流域相关研究表明，地下水的矿化度＜5g/L，在0．288～5．275g/L之间，基本适宜胡杨生长［14］。周茅先、肖洪浪等在研究额济纳州地下水水盐特征与植被的生长关系时也指出，胡杨在地下水位为2m左右、矿化度小于1g/L的环境中生长较好［19］。另外，地下水中Cl－含量过高，也会抑制胡杨生长［14］。土壤类型土壤含水量、含盐量以及土壤有机质含量是决定胡杨生长的主要因素。胡杨的生长与土壤水关系非常密切，土壤含水量是限制胡杨生长发育的主要生态因子。当土壤的有效含水量不能满足胡杨的生理需要时会形成土壤干旱。当地下潜水位下降至一定深度，地表蒸腾条件不变，土壤包气带含水量下降到植物难以从土壤中吸收到足以维持其生态的水分，会造成胡杨及其他灌丛植被的衰退与死亡［14］。张元明、陈亚宁等对新疆塔里木河中游地区植被进行多元统计分析，从定量角度揭示了决定塔里木河中游地区植物群落分布的环境因子主要是地下水埋深和土壤含水量，胡杨长势差的原因与土壤含水量有密切关系［20］。土壤含盐量对植物的生长发育也有影响。土壤中盐分含量高时，会抑制植被对养分的吸收。就胡杨而言，其生存不仅依赖于水源条件，还取决于水土的盐分条件［21］。徐海量、宋郁东等指出，在干旱地区影响植被生长的主要因素是土壤水分和盐分［22］。赵枫、金海龙等研究表明，影响胡杨生长的因素除地下水埋深、矿化度等外，还与土壤含盐量有关，尤其是包气带土壤的含盐量［21］。在地下水水位与矿化度、土壤含水量等指标均适宜于胡杨生长时，土壤中有机质含量的高低与胡杨分布盖度和长势有一定的相关关系，有机质含量高，胡杨分布密集长势较好，反之盖度低、长势差［20－22］。人类活动随着社会经济的进一步发展，人类活动对天然胡杨生长的影响日益加剧。新疆塔里木河流域水文资料表明，20世纪50年代中期至60年代，塔河三源流(即和田河、叶尔羌河、阿克苏河)平均下泄到塔河干流的年水量在51．79×108m3，到了90年代，三源流下泄到塔河干流年水量仅为42．04×108m3，平均以每年0．25×108m3速率下降［17］。近几十年来，由于干旱气候和沙质土壤等自然原因与人类在经济利益驱动下对水资源的盲目掠夺开发等社会原因，导致内陆河流在中下游段水文过程完全丧失，河道断流、尾闾干涸、地下水位下降、土地沙漠化、盐碱化及植被退化过程加剧等一系列生态环境问题。大量农田灌溉排水进入河流，使河水的矿化度增加，水质盐化。河流沿岸区域植被破坏，土壤侵蚀加剧，使河水泥沙汇集量增加［20，22］。

胡杨对气候环境的适应及其更新演替和相关保护复壮措施

对气候环境的适应胡杨适应气候环境能力极强，具有耐盐碱、耐水湿、抗风沙等特性，但对所处环境水分条件极为敏感。胡杨外在形态，特别是叶形的变化是其对气候环境适应的明显特征，叶形变化的原因及不同叶形的功能差异引起了学者的关注［23］。苏培玺等研究表明，卵圆形叶光合效率和水分利用效率比披针形叶高［24］。胡杨叶和皮中相对较高的酚类物质对于其抵御强烈的紫外辐射，减少高温伤害，维持胡杨体内正常的生理活动具有重要的意义。程春龙等研究了中国西北极端干旱区胡杨酚类次生代谢物质与土壤水分的关系，结果表明卵圆形叶中酚类物质含量跟土壤水分含量有显著的负相关性［4］。酚类物质分子中芳环是疏水部分，但由于带有大量的亲水的酚羟基或其他亲水基团，使整个分子显示较强的亲水性，表明酚类次生物质可能具有保水的功能，能够降低叶片的水分蒸腾作用，减少水分散失，初步证明了胡杨能够合成和调节体内酚类次生代谢物质的含量以适应土壤水分条件的变化。胡杨通过调节酚类次生代谢物质的体内的合成、转运和转化等过程来抵御极端干旱环境下各种环境因子的胁迫［4］。植物的光合作用是植物生长发育和形成生产力的物质基础，植物气孔是叶片与外界进行气体交换的门户，同时可防止植物因蒸腾作用所引起水分的过多损失［23］。胡杨叶片光合速率和蒸腾速率明显受气孔导度的影响，光合速率、蒸腾速率和气孔导度间高的相关性说明胡杨属于气孔限制型植物［24］。胡杨的更新演替及保护复壮措施胡杨林是荒漠区特有的珍贵森林资源，它的首要作用在于防风固沙，创造适宜的绿洲气候和形成肥沃的土壤，具有调节气候、阻止沙漠漫延、稳定河道及维持荒漠区生态平衡的生态功能。天然或人为的河流改道是造成胡杨林衰退的根本原因。不适当的采伐、毁林垦荒以及过度放牧都会造成森林资源的破坏和土地风蚀，最终导致土地荒漠化加剧［25］。胡杨林的保护及更新复壮措施主要有:保证胡杨林地的生态用水;建立天然胡杨林保护区;处理好农、林、牧之间的矛盾，坚决制止毁林开荒，退耕还林，使胡杨林与农、牧业协调发展;引洪灌溉及挖桩、伐桩萌蘖更新;广泛宣传保护胡杨林的重要意义，以唤起更多的人对这一事件的关注，使保护区内的胡杨林在不受到外来干扰的情况下，依据其自然规律繁衍生息下去;在保护区以外的河流两岸和容易引起荒漠化的地方，留出胡杨林带，防止乱砍滥伐;在胡杨的疏林地、垦荒地上采取人工促进天然更新和人工造林等措施恢复胡杨林的生机。为了恢复和重建受损的胡杨林绿洲生态环境，国家自2000年开始在黑河、塔里木河等内陆河流实施向下游生态输水工程［17，22，25］。经过多年努力，生态输水的效益明显，地下水位大幅升高，植被随着生境的改变，长势明显好转。依据实地监测和遥感数据，生态输水工程的实施不仅没有对黑河流域中游区域植被生态造成负面影响，而且对下游地区地下水及植被生长的效应十分显著，在狼心山断面地下水涨幅高达1．4m，东河生态输水对胡杨的影响范围达到距离河道1000m左右［25］。塔里木河流域生态输水后，在离河300m范围，胡杨径向生长对生态输水的响应非常积极，离河距离大于300m处，胡杨对生态输水的响应较小［17，22］。分析表明，线状的生态输水只是缓解河道附近植被的衰退，改善局部生态环境。为扩大输水的生态效应，应在沿自然河道线性输水的基础上，分段实施河水漫溢的面上供水方案，从根本上缓解整个流域生态环境恶化的趋势［17，26］。

篇9

关键词：多年冻土；季节性冻土；地基基础；融沉；冻胀

中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：

1 概述

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，冻土按保存的时间划分为三种类型：多年冻土（>2年）、季节性冻土（>1月）和短时冻土（

2 青海地区冻土的分布

2.1 青海地区多年冻土的分布情况

青海的多年冻土主要分布在东部及西部地区。

东部为祁连山地区多年冻土，面积约9100平方公里，占祁连山总面积的43%左右，其南界为拉脊山、青海南山、柴达木南坡大致海拔3700—3950米以上，北界为冷龙岭走廊、南山及野马山北坡海拔分别为3494米、3670米、3740米以上。南坡大致与年平均气温-2℃等值线相吻合，北坡大致与-2.5℃等值线相吻合。其中岛状多年冻土厚度一般25-35米，连续多年冻土厚度一般为50-95米，最厚为139.7米，其成时间距今约3000余年，主要为后生多年冻土。

青海省西部属青藏高原冻土区，是世界上中、低纬度地带海拔最高面积最大的高原型冻土，青海省内面积约占24万平面公里。该区域内气候严寒，年平均气温多年保持在负温状态，冻土分布区域界线大致与年平均气温-2.5℃至-3.5℃等值线相一致，冻土厚度一般在30-70米之间。该区域内地形起伏变化大，地貌植被条件复杂，地表水活动频繁，地下水类型复杂，使多年冻土的厚度在水平方向上变化很大。

2.2 青海地区季节性冻土的分布情况

青海省在祁连山及青藏高原两大多年冻土地区之间的柴达木盆地、茶卡共和盆地及西宁—民和盆地等广大区域，广泛分布着季节性冻土。

青海省的各州、市、县城均座落于高海拔地区，最高的曲麻莱县海拔为4262米，而玛多、杂多、治多等县海拔也在4000米以上。海拔偏低的青海东部农业区各县海拔均在1813—1871米之间，其中以民和县海拔1813米为最低，互助县最高。青海省的其余各州县海拔也均在2000-3000米左右，此区年平均气温较高，最大冻土深度变化范围0.82—3.00米之间。

3 青藏高原气候特征对青海地区冻土分布的影响

3.1 气候特征

青海位于青藏高原的东部，其气候特征为夏季凉爽，冬季漫长，日温差大，年温差较小。青海高原的海拔是影响该区域气候的分布主要原因，其中：海拔4000米以上的青南高原和祁连山区是固定的两个寒冷区域，年平均温度-4℃以下；南部高原海拔4000米以下的河谷是相对暖区，年平均温度0℃以上；海拔3000米左右的柴达木盆地是次暖区，年平均温度2—5℃；海拔2500米以下的黄河、湟水河谷是全省最暖区域，年平均温度2—9℃。

3.2 气候对冻土影响

气候与冻土之间有着十分密切的关系，冻土的存在受气候控制，同时冻土又影响着气候，不同的气候带内分布着不同的冻土类型。冻土分布界线与气候区的界线十分接近，这也证明了冻土的分布受气候的影响，冻土地区的冻土类型划分，多采用年平均地温作为主要标志，年平均气温作为辅助标志。

4 多年冻土对地基基础的影响

4.1多年冻土的基本特点

多年冻土是指土体温度低于0℃且含有冰的特殊岩土体，当土体处于冻结时，冻土具有极高的强度特性。当土体融化时，土体将完全丧失强度，且冻土物理、力学性质均会随冻土温度而发生剧烈的变化，这种现象称为多年冻土融沉。多年冻土的融沉划分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五个等级，融沉现象的发生是多年冻土区对地基基础的主要破坏。

4.2融沉对地基基础的影响

多年冻土融化时的下沉现象，包括与外荷载无关的融化沉降和与外荷载直接有关的压密沉降，当建筑物修建后将主要产生对多年冻土的外荷载作用，并产生压密沉降。

多年冻土融化时将发生着两个相反的过程即压密和膨胀。当多年冻土中的各种冰融化后体积缩小,在重压下下沉，冰变成水后通过孔隙逐渐排出，使土压密后进一步下沉。土粒及其集合体在融化时由于水化作用而膨胀。通常情况下，冻土融化时的压密大于膨胀，故产生融化下沉。当冻土的融化速度很快时，会出现冰变成水的速率大于水能从土中排出的速率，从而使土中的孔隙压力增加，常造成对建筑物地基基础的破坏，使基础上的各种建筑物产生不稳定。融沉是多年冻土区建筑物破坏的主要原因，在高含冰量地段各种基础的融化下沉变形作用，均会对基础造成强烈的破坏，因些防止基础产生融化下沉变形的技术措施，是解决青藏高原多年冻土区工程安全可靠性的关键，因而地基基础持力层选择应选择不融沉或弱融沉地层，避免对基础的破坏影响。

5 季节性冻土对地基基础的影响

5.1季节性冻土的基本特点

季节性冻土指的是冬季冻结春季融化的土层，自地表面至冻结层底面的厚度称冻结深度。根据土的成分、天然含水量和地下水埋深，将季节性冻土划分为：不冻胀、弱冻胀、冻胀和强冻胀四个等级，因此在季节性冻土地区，防止冻胀是避免对地基基础影响的主要方法。

5.2冻胀对地基基础的影响

季节性冻土的冻胀作用是产生在土体与基础表面相冻结时，冻结层的底面将产生上升的冻胀力，依靠这个冻胀力传达到基础上，造成对建筑物垂直位移的上升力，使建筑物的底层或地下室的墙壁发生拉力破坏。

引发冻胀作用的三个要素为容易冻结的土质、充足的水分和冷却条件，其中冷却条件就是要使水分和容易冻结的土达到分离程度的低温，当三个条件中缺少一个将不能引发冻胀现象的发生。防止冻胀发生的一般基础设计方法为，按青海省多年实测最大冻结深度标准，将地基基础底面埋深在最大冻结深度以下。这种方法的采取并不能完全防止冻胀破坏的发生，当地基基础回填时用含水量大的冻胀性土进行回填，冻结时基坑部分将会受到危害，选用隔水性好的粗颗粒土进行回填可有效防止冻胀的发生。因此控制好产生冻胀的三个要素，可有效的避免冻胀对地基基础的破坏影响。

6 结论

青海省属冻土分布较广的区域，进行建筑物设计时要充分考虑冻土对地基基础的影响，建筑物基础设计时还应区分多年冻土区和季节性冻土区，不同的冻土类别应选择不同的基础方案，才能有效的防止融沉和冻胀对地基基础的破坏。

参考文献：

[1] 王绍令,赵新民. 青藏高原多年冻土区地温监测结果分析.《冰川冻土》 ,1999年02期  

[2] 汪青春,李林. 青海高原多年冻土对气候变化的响应.《青海气象》. 2005年01期

篇10

关键字：地质灾害；地面沉降；地裂缝；地下水

Abstract: the ground subsidence is one of the city's main geological hazards, mainly in the natural and artificial factors effect, because the surface soil crust and lead to regional ground elevation compression reduced a regional geological disasters of slowly, with slow, but the loss of large, is not easy to control. With the acceleration of China's urbanization process, ground subsidence scale expanding and harm the worse. This paper mainly introduces the present situation of domestic and foreign land subsidence, cause, the cause of subsidence land subsidence mechanism and ground subsidence disaster prevention and control measures.

Key word: geological disasters; The ground settlement; To crack; groundwater

中图分类号：B845.67文献标识码：A 文章编号：

1 地面沉降概述

地面沉降是在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象,是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点,是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。地面沉降是我国乃至世界范围较为普遍的地质灾害,对社会经济的可持续发展影响巨大。我国的地面沉降主要出现在上海、天津、江苏、河北等17个省市的东、中部地区,沉降总面积超过7×104 km2 ,最大累计沉降量已达3 m,主要分布于长江三角洲、华北平原、松嫩平原和下辽河平原、汾渭河谷平原和一些山间盆地。由于地面沉降，近几年来全国各地地裂缝和地面塌陷等地质灾害频频发生，有城市甚至被预言会在几十年后消失，防治地面沉降已经成为关系国计民生的迫切任务。

2 地面沉降的类型和特征

地面沉降按其成因可划分为五种类型：压实压密型、塌陷型、升降运动型、有机质土变质型和软化型。

（1）土体压实压密型沉降, 表现为土层在垂向上收缩, 涉及范围广, 面积大, 沉降缓慢。沉降区多产生在近代河流冲积、洪积平原区, 滨海大陆架的过渡区, 三面环山的断陷盆地。

（2）地面塌陷型沉降, 岩层中存在较大容积的洞穴和孔隙时, 顶板岩层常发生塌陷, 涉及面积相对较小, 但沉降突然迅速。其主要形成环境有岩溶地貌单元区等。

（3）地面升降运动型沉降, 表现为地层作垂向升降运动，涉及范围广, 沉降缓慢。其主要分布于构造活动带, 如板块接触带、洋壳与陆壳接触带、构造断裂带等。我国喜马拉雅山弧形隆升带、唐古拉一川滇弧形带、昆仑一川西弧形带、祁连构造带、新疆断块、天山北缘断裂、南天山一兴都库什阿尔金断层、西昆仑北缘深断层、银川地堑兰州一宝鸡断层、渭河地堑一汾河雁行地堑系、营口一郊城一庐江断裂、冀中断陷、沧县隆起和太行山山前断裂等构造活动带, 均是发生升降运动型地面沉降的区域。

（4）有机质土变质型沉降, 表现为地层水疏干,有机质分解, 部分岩层缺失。一般由较易分解的有机质组成的地层沉降较快（如美国含苔类泥炭的地层的地面沉降速度达到25.4~76.2mm/a）, 主要产生于沼泽相沉积地层组成的地貌单元区。

（5）地层软化型沉降, 表现为地层软化, 失去承重能力, 局部地面下陷，沉降涉及范围大小不等,沉降缓慢。主要产生于近代河流相沉积、冰川沉积地层组成的地貌单位区和亚寒带、寒带冻土环境。

3 地面沉降现状

3.1 国外地面沉降现状

据统计,目前世界上已有60多个国家和地区发生地面沉降,包括美国、中国、日本、墨西哥、意大利、泰国、英国、俄罗斯、委内瑞拉、荷兰、越南、匈牙利、德国、印度尼西亚、新西兰、比利时、南非等。

现有文献资料表明,1891年墨西哥城最早记录地面沉降现象,但当时由于地面沉降量不大,危害也不明显,所以没有引起人们的重视。到目前为止，其平均沉降量达到0. 3 cm/ a ,最大累计沉降量超过7. 5 m ,有的地区甚至超过15 m。

日本于1898 年在新泻县最早发生地面沉降,至1958年地面沉降速率达530mm/ a ,1952 - 1956 年期间新泻是日本地面沉降最严重的地区。日本出现严重地面沉降的城市或地区还有东京、大阪和佐贺县平原以及名古屋、川崎、山口、尼崎及西宫等。

上个世纪意大利的Ravenna地区发生了大面积的地面沉降。起初沉降不大,每年数毫米;第二次世界大战后,由于过度抽取地下水,以每年110mm的沉降量剧增。

美国于1922年最早在加州萨克拉门托SanJoaquin流域发现沉降,1920 - 1969 年地下水位下降达137 m ,累积地面沉降达2. 6 m ,影响范围9100km2 。至20世纪70年代初期,美国已有37个州因开采地下流体而产生的不同程度的地面沉降现象;至1995年,美国50个州均有地面沉降发生。

3.2 国内地面沉降现状

20世纪20年代初,中国最早在上海和天津市区发现地面沉降灾害,至20世纪60年代两地地面沉降灾害已十分严重。20世纪70年代,长江三角洲主要城市及平原区、天津市平原区、华北平原东部地区相继产生地面沉降;80年代以来,中小城市和农村地区地下水开采利用量大幅度增加,地面沉降范围也由此从城市向农村扩展,在城市上连片发展。同时地面沉降地区伴生的地裂缝和地面塌陷频频发生。

自1921年上海市区最早发现地面沉降以来,至今中国已有90多个城市和地区发生不同程度的地面沉降,到2011年沉降面积达123 885 km2。国土资源部、水利部等十多部委联合编制的2011年至2020年全国地面沉降防治规划近日获得国务院批准，规划指出，全国发生地面沉降灾害的城市已超过50个，地面沉降最严重的的区域主要有三大片区，一个是长江三角洲地区，包括浙江、江苏和上海；一个是华北地区；还有一个就是陕西和西安的汾渭地区。其中华北平原区地面沉降量超过200毫米的范围，达到6万4千平方公里，占整个华北地区的46%左右，而长江三角洲地区如果再不采取有效的防治措施，到2050年将有可能桑田变沧海。

4 地面沉降的原因

地面沉降发生的原因主要有两个方面, 即自然因素和社会因素。

4.1 地面沉降发生的自然因素

自然因素是地面沉降发生的先决条件, 是内因，主要包括地层岩性、构造运动、全球气候转暖等。

4.1.1 地层岩性对地面沉降的影响

（1）存在压实压密型地面沉降的岩层。

（2）存在塌陷型沉降的地层。

（3）存在有机土变质型沉降的地层。

（4）存在引发软化型沉降。

4.1.2 构造运动对地面沉降的影响

一百万年以来的新构造运动是一种强大的自然力量。升降运动是新构造运动中的一种构造运动形式, 地层的垂向升降, 直接引起局部地面下沉。强烈地震是新构造运动的一种突发事件, 在短期内可以引起变幅较大的区域性地面垂直变形, 也可使软土地基震陷和古河道新近沉积土液化, 导致区域性地面沉降。强烈地震, 尤其是海底火山爆发, 可引起海平面上升, 导致地面相对下降

4.1.3 气候变化对地面沉降的影响

全球性气候转暖是一种强大的自然力量。目前地球正处于间冰期, 全球气温呈上升趋势。人类燃烧大量的石化燃料而形成的“ 温室效应” 加剧了气温的上升。这种全球性气温升高, 一是导致冰川融化, 引起海平面上升；二是导致冻土层液化。二者均能导致地面下降。

4.2 地面沉降发生的社会因素

地面沉降现象与人类活动密切相关。现在我们研究地面沉降的原因时,不难发现,人为因素已大大超过了自然因素。尤其是近几十年来,人类过度开采石油、天然气、固体矿产、地热、地下水等地下资源,使贮存这些固体、液体和气体的沉积层的孔隙压力发生趋势性的降低,有效应力增大,从而导致地层的压密。直接导致了今天全球范围内的地面沉降。人为的地面沉降广泛见于一些大量开采地下水的大城市和石油或天然气开采区。地面沉降主要由抽水作用形成,但又与软土层的厚度、地壳下沉,以及高层建筑等因素密切相关。

薛禹群认为,造成我国地面沉降的成因,主要是地下水的长期超量开采,同时,第四纪以来的的活动断裂和构造沉降,加剧了这一灾害的发生和危害。

4.2.1 超采地下水引起地面沉降

由于大量开采深层地下水,引起孔隙水压力降低和有效应力增大,致使含水层被压缩,颗粒接触面积增大,孔隙度减小并释水,产生弹性变形,其沉降量一般相当粘性土压缩率的15% ,当含水层中的水压恢复后,骨架则复原,只形成暂时性地面沉降。粘性土层孔隙度大,孔隙微小,主要含结合水,当含水层与粘性土层之间的水头差足以克服水与颗粒之间的结合力时,水便从粘性土层中排出。释水时孔隙压缩,使粘土矿物颗粒接触面积增大,颗粒间发生相对位移,孔隙结构被破坏而发生塑性形变。当含水层中水压恢复后,只能使粘性土层被压缩的孔隙中水压升高,而不能使孔隙度和储容水量恢复到初始状态,形成永久性地面沉降。

4.2.2 大规模开采固体矿产

固态矿产是经济社会发展的重要物质基础。随着经济社会的快速发展, 对固态矿产的需求量也越来越大。大规模开采固态矿产背后, 留下成片的采空区, 由于开采后的充填技术有缺陷或经济利益的驱动没有采取采后充填措施, 常常引起矿坑塌顶造成地面沉降。

4.2.3 开采油气资源引起地面沉降

在油气田区,开采油气资源也会引起地面沉降。根据大港油田的有关资料, 2500m以下普遍出现了欠压密地层,当油气开发后,必将使流体压力降低,固体颗粒有效应力增加,使地层进一步固结压密,从而引起地面沉降。因此,石油天然气的开采也是引起油气田区地面沉降的因素之一。

4.2.4 开采地热引起地面沉降

沿海某些地区蕴藏有地热资源,地下热水开采量逐年增加,抽取地下热水引起水位下降,地层内孔隙水压力减少有效应力增加,必然引起地层进一步压实而导致地面沉降。

4.2.5 大量开掘地下工程

人类为满足自身需求大量开挖隧道、防空洞、地下铁路、地下停车场、地下商城等地下工程, 在这些工程开挖前, 首先要工程排水, 引发含水层的压实压密和地面沉降。地下工程开挖过程中, 常因加固、支护技术不过关, 导致塌陷和地面沉降。

4.2.6 大面积增加地面堆载

由于地面空间的有限性或经济发展的需要, 人类使建筑向空中发展, 重大高层建筑林立或由于调整水资源供需矛盾, 修建大型水库等蓄水工程。这些大面积的地面堆载, 给地基施加了巨大的静荷载, 使地基发生压密变形, 引发地面沉降。

5 地面沉降主要机理

开采地下水所致的地面沉降, 目前普遍采用有效应力原理进行解释。承压含水层地下水大量开采,地下水位下降, 相邻各粘土层孔隙水向含水层释水,孔隙水压力降低, 土层浮力效果减弱甚至消失, 有效应力增大, 粘土层被压缩水体流动、渗透力作用及重力场变化, 使粘土层颗粒重新排列、结构变形或破坏, 并发生侧向移动, 造成土层压密抽水作用使砂砾石含水层颗粒排列紧密, 间隙减小, 上述三者共同作用, 造成地面沉降。

第四系松散土层主要由含水的粘性土层和饱水砂砾石含水层组成, 是由固相的土和液相的孔隙水有机组成的两相介质, 土体所承受的荷载由土颗粒和孔隙水共同承担。当地下水开采造成含水层孔隙水部分疏干后, 粘性土中孔隙水也逐渐被排出, 粘性土层和含水层孔隙水压力大幅度降低, 土颗粒承担的应力大大增加, 使土体产生固结压密,从而形成地面沉降。

6 地面沉降的防治对策和建议

防治地面沉降灾害, 是一项综合系统工程, 它即属于地质环境系统, 又属于社会系统, 故需要政府、社会的共同参与, 更需要科学技术支撑。

地面沉降灾害的防治包括灾前预防和灾后治理, 应以预防为主, 防治结合。针对地面沉降灾害发生的原因, 制定灾害防治措施, 包括预防措施和治理措施。

6.1 通用的预防措施

（1）政府宏观统一组织, 设立专门的地面沉降监测机构；

（2）运用新技术、新方法, 提高地面沉降监测水平：

①合成孔径雷达干涉监测技术

这是一种提取地面垂直高度变化相关信息的技术, 充分利用SAR重复观测同一地区的雷达回波相位差来获取地表形变数据, 测量精度可达厘米级。

②3S（RS、GPS、GIS）技术

布设GPS地面沉降观测站, 利用RS技术进行实时跟踪观测，利用GIS技术描述地面沉降现状, 并预测地面沉降发展趋势, 在图上实现可视化成果, 测量精度可达到毫米级。

③放射性分层标技术

将Cs137或Co60等放射性弹分层固定放入开采液、气的地层中, 利用放射性分层标技术来监测各岩层的形变量, 并可获得地层垂向一维压缩系数, 以此可预测开采气、液体产生的地面沉降。

（3）制定相应的法规制度, 使地面沉降的防治步入法制的轨道。

6.2 治理措施

对已发生地面沉降的地区, 主要治理措施如下：

（1）对灾害进行灾情评估；

（2）划分灾害所处的阶段, 分别制定相应治理措施；

（3）采用含水层存储和恢复技术（ASR）进行回灌补给地下水, 提高地下水位并改善水质, 促进地层复原；

（4）在沉降区围建、加固堤防, 防止洪水泛滥和海水入侵。

7 结论

我国的地面沉降是在经济快速发展过程中,过量开发利用地下水产生的环境地质问题。地面沉降是制约一个地区经济可持续发展的重要因素之一,地面沉降的防治不仅是地质环境保护的需要,也是保证区域水资源可持续利用、地区经济可持续发展的必不可少的先决条件。

地面沉降的研究涉及多个学科领域:水文地质学、工程地质学、土力学,只有在学科真正交叉的基础上,通过生产、教学、科研单位的协作,发挥各自优势才有可能解决前面提出的问题。做好这项工作,实现信息的某种共享是必不可少的。至于地面沉降的防治则更是一个系统工程,除上述学科外,还涉及法律(有关法规、规章的制订) 、行政管理、高新技术的引进和应用等领域,需要政府有关部门重视,列入议事日程,并争取全社会的支持,统一规划,综合防治。希望随着地质事业的蓬勃发展,我国能在地面沉降研究和防治中取得更多新的处于世界先进,甚至领先水平的成果。

参考文献：

[1]崔振东，唐益群.国内外地面沉降现状与研究.西北地震学报，2007，29（3）：275~278.

[2]赵常洲，龚固培，王晖.地面沉降成因与危害.西部探矿工程，2006，01：261~263.

[3]殷跃平，张作辰，张开军.我国地面沉降现状及防治对策研究.中国地质灾害与防治学报，2005，16（2）：1~8.

[4]张云，吴吉春，李勤奋等.我国地面沉降若干问题研究.高校地质学报，2006，12（2）：153~60.

[5]许烨霜，余恕国，沈水龙.地下水开采引起地面沉降预测方法的现状与未来.防灾减灾工程学报，2006，26（3）：352~357.

[6] 何庆成, 叶晓滨, 李志明, 刘文波.我国地面沉降现状及防治战略设想.高校地质学报，2006，12（2）：161~168.

[7] 郑铣鑫,武强,侯艳声,吴孟杰,应玉飞.城市地面沉降研究进展及其发展趋势.地质评论，2002，48（6）：612~618.