我国许多大都市人口在数百万至数千万以上,城市人口高度集中,现代工业迅猛发展,对城市的环境地质影响作用也愈来愈强烈。我国幅员辽阔,国土南北跨越的纬度近50°,东西跨越的经度有60多度,大陆海岸线长度逾18000km。自然条件,如气候、地形、地貌、地质等差别显著,大多数城市所处的自然条件和地质环境比较复杂,城市发展中遇到的地质灾害各不相同。但几乎所有的地质灾害都或多或少与地下水有关。
通过对地下水的动态、运动规律、物理化学特征等的研究,可以加深对地质灾害形成机理的认识,从而实现对地质灾害的预测预报和防止治理。
1 城市地质灾害的类型
根据产生地质灾害的动力作用性质,可将地质灾害分为3类:Ⅰ类为由内动力地质作用产生的地质灾害;Ⅱ类为有外动力地质作用产生的地质灾害;Ⅲ类为由人类活动作用产生的地质灾害(如图1)。
其中常发生的地质灾害主要有
图1 地质灾害的类型
1.1 地震、地裂缝
我国人口在100万以上的大城市,70%位于地 震裂度大于7度的地区内。我国是一个多地震的国家,8级以上的地震平均每10年1次,7级以上的地震平均每年1次,而5级以上的地震平均每年14次之多。我国地震活动强烈的地区,多分布在地壳不稳定的大陆板块和大洋板块接触带及板块断裂破碎带上,从地区分布上看主要是东南部的台湾和福建沿海;华北太行山沿线和京津唐地区;西南青藏高原及其边缘的四川、云南省西部;西北的新疆、甘肃和 宁夏。有资料记载以来,我国最大地震为8.5级,山东、西藏、宁夏各发生一次。1556年陕西华县发生8级大地震,死亡80多万人。1976年7月28日夜间,河北唐山发生7.8级大地震,有24万人丧生。
20世纪60年代西安市在东南郊一带的小寨、 雁塔路、南沙坡村和秦川机械厂等地相继发现有地 裂缝。1976年唐山发生7.8级大地震后,地裂缝活动日趋明显,特别是1977年西安北郊发生2.9级地震后,又陆续发现了西郊劳动公园、北郊八府庄和辛家庙等多处地裂缝。截止2002年经勘察确认的地裂缝已有13条。
1.2 地面沉降、塌陷
我国100万人口以上的大城市大约有30多个城市出现地面沉降区,还有一些大城市位于塌陷性黄土或胀缩性强的膨胀土地区、软土地区和岩溶区。
由于过度强烈开采地下水、石油和天然气,平原地区的城市常出现地面沉降,位于地下隐伏岩溶发育地区的城市发生岩溶塌陷。如上海市、西安市、天津市和北京市等大都市形成了330～4000km2的沉降区或沉降洼地,其中西安市最大沉降量达2600mm以上,天津市最大沉降量达3090mm。沉降导致地面高程损失、雨后积水、市政设施破坏、河流泄洪能力下降、市区内河成为“地上悬河”、沿海风爆加剧、防汛设施的防御标准降低、土壤盐渍化等灾害。
根据国土资源部的统计数字显示,40年来,仅上海市因地面沉降而造成的直接经济损失达2900亿元,其中潮损1755亿元、涝损848亿元、安全高程损失189亿元。
1.3 水环境恶化
城市“三废”排放增多,以及农业化肥和农药的大量使用,使区域水环境有恶化的趋势。
如北京市全年有近500万t的建筑、工业和生活垃圾需要堆放、填埋、消纳,这些垃圾影响或污染着地表水体、地下水质、土壤地球化学背景和周边环境。由于地下水超采和人为活动因素干扰,北京市局部地区地下水硬度升高超标,并发现硝酸盐氮有面型污染趋势。
西安市全年排放的各类垃圾达150万t。1990年前各类垃圾点有600余处,占地超过380万m2,分布在近郊城乡结合部位,严重污染水体、空气和土壤。 水资源匮乏和水环境恶化已成为制约我国许多大都市经济可持续发展的一个瓶颈。
1.4 滑坡、崩塌、泥石流等边坡失稳
位于丘陵山区或河流、海洋、湖泊附近的城市,滑坡、崩塌、泥石流等边坡失稳问题时有发生。
在西安崩塌、滑坡、泥石流灾害隐患主要分布在秦岭北麓、骊山周边、黄河台塬边坡地带及横岭黄土丘陵区。
上海市沿江沿海岸线,包括崇明、长兴、横沙等岛屿总长有460km,均为泥质海岸线。岸坡稳定性是一种缓变性地质灾害。它可由地震、地壳运动等内动力因素作用发生,也可由风化、气象、海洋、地表水、地下水等外动力因素和人为因素诱发。
1.5 流砂、管涌、软土变形
第四系地层中,砂质粉土和粉细沙层往往是隧 道施工、深基坑开挖等地下工程最大的事故隐患。在上海城市建设中,流砂、管涌灾害比较普遍。如2003年7月1日凌晨上海轨道交通4号线发生大量流沙,引起地面大幅沉降,楼房倾斜、倒塌,堤防开裂,直接经济损失1.5亿元左右。又如上海市长寿路某大厦深基坑开挖,流砂引发塌方的场面不可收拾,工地停工处理事故长达1年。
河口—滨海—浅海相成因的淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土,一般为高压缩性土,是不良工程地质层,不可作为建筑物的持力层。如果处理不当,会给建筑物的地基质量留下隐患,引发事故。
1.6 其它问题
中国大陆海岸线长度逾18000km,由于沿海地区地下水严重超采,经常引起海水入侵问题。如山东省沿海共有19个县(市、区)发生海水入侵,面积超过1000km2。其中莱州市海水入侵面积达234km2。天津市、河北省秦皇岛市也有类似的海水入侵问题。
2 地质灾害中的地下水环境效应
可以说无论内动力地质作用、外动力地质作用产生的地质灾害,还是人类活动作用产生的地质灾害,无不与地下水有关(如图2)。
2.1 地下水的作用形式
地下水作为地质灾害最敏感的触发因素之一,在地质灾害的萌发、发育、形成和发展过程中起着至关重要的作用,作用的形式可分为:物理作用、化学作用和生物作用等。地下水对地质灾害的物理作用是最经常、最普遍的作用,贯穿于地质灾害的萌发、发育、形成和发展的全过程,但在不同的阶段,其作用的强弱有所区别。
物理作用主要表现为地质体内的地下水,通过温度、物态变化和渗透、潜蚀作用,改变地质体的物理力学特性和受力状态,促进或影响各种地质灾害的萌发、发育、形成和发展。
图2 地下水与地质灾害的相关性图示
化学作用主要表现为地质体内的地下水作为一种天然溶液,在渗透、潜蚀的同时,与矿物岩石发生各种化学反应,如氧化反应、溶解反应、水化反应、水解反应、碳酸化反应等,从而改变地质体的物理力学特性和受力状态,影响地质灾害的萌发、发育、形成和发展。
生物作用是指生物在其生命活动中,对地质灾害的萌发、发育、形成和发展所起的作用。生物的生命活动离不开水,生物作用可以是机械的,也可以是化学的。
2.2 地下水作用的效应
地下水对地质灾害的作用效应分为控制效应、辅助效应、次生效应。
控制效应是指地下水作为一种控制性因素,在地质灾害的萌发、发育、形成和发展的全过程或某一阶段起控制性作用。控制效应大都是基于地下水的物理作用来实现的。如水库诱发地震,地下水往往是造成地应力集中,岩体破坏的直接原因;地下水几乎在滑坡的萌发、发育、形成和发展整个过程中都起着控制性作用,雨季产生的滑坡占总数的90%以上,以至于形成了“无水不成滑坡”的观点;众所周知,地下水的超采是导致地面沉降、海水入侵的最直接的原因;流砂、管涌、软土变形的发生,也离不开地下水。
辅助效应是指地下水作为一种辅助性因素,在地质灾害的萌发、发育、形成和发展的全过程或某一阶段起催化剂的作用。辅助效应可以通过地下水的 物理作用、化学作用或生物作用来实现的。
次生效应指地下水作为一种次生因素,在地质灾害的萌发、发育、形成和发展的全过程或某一阶段,以某种物理、化学或生物现象表现出来。次生效应同样可以通过地下水的物理作用、化学作用或生物作用来实现。
2.3 地下水的环境响应
由于发生地质灾害的地质环境、动力作用性质、类型各异,因此各种地质灾害在萌发、发育、形成和发展的全过程或某一阶段引起的地下水的环境响应是各不相同的。
地震地质灾害中地下水的环境响应最为显著和多样化。大震前,有时天气大旱,但地下水(井水)却猛涨,甚至溢出地表;在多雨的季节里,井水本应逐 渐上升,但却猛降,甚至干涸等。产生的原因是因地 震孕育过程中,地应力不断增强,尤其在震中区附近,因地应力的作用,地壳活动随之加强。压性区水位会逐渐抬升;张性区在张应力作用下,水位会逐渐下降。尤其是地壳局部区域在地应力作用下遭受破坏,发生变形或加速位移,以及由岩层破坏而引起上下层间水的贯通,都会使水位产生急剧的升降运动,这就是利用地下水预报地震的依据。地震时,由于地裂缝切过地下含水层,地下水受到挤压,并沿着裂缝夹带着泥砂涌出地表,即形成喷砂、冒水现象。
城市地面沉降是摩天大楼的重量压塌了地面的结果吗?研究发现,引起地面沉降的最主要原因是大量开采地下水。2002年全国218个进行地下水动态监测城市和地区中,共有108个城市和地区的地下水水位出现不同程度的下降,占统计总数的49.6%,其中北方城市有66个。过量开采地下水形成 了规模不等的降落漏斗,华北平原的降落漏斗以天 津、沧州、德州、衡水、唐山、廊坊、石家庄为中心,形成了大面积区域性承压水头下降区。总面积约14万km2的华北平原地区是世界上超采地下水最严重的地区,也是地下水降落漏斗和地面沉降面积最大、类型最复杂的地区。南方最大的降落漏斗是苏、锡、常地区,杭、嘉、湖平原地区以及上海市的区域水位降落漏斗相互迭交,形成了长江三角洲区域水位降落漏斗。目前,上海、嘉兴、宁波等地的沉降速度虽趋缓,但总体沉降范围却在迅速扩展,杭、嘉、湖的沉降正向整个平原蔓延,苏、锡、常地区的沉降速度也在加大,长江三角洲地区的地面沉降在区域上有连成一片的趋势。另外,全国31个省(区、市)都不同程度地存在着与饮用水水质有关的地方病。
滑坡灾害中地下水的作用日益被人们所重视,以至于形成了“无水不成滑坡”的观点。边坡的充水张裂隙将承受裂隙水的静水压力作用;边坡地下水的渗透将对边坡体产生动水压力;地下水对边坡岩土体产生软化或泥化作用;地下水的溶蚀和潜蚀对边坡产生直接的破坏作用。根据边坡的地貌形态,结合边坡地下水环境响应的特征,如边坡泉的分布、动态、水质和混浊度的变化,可预测和评价边坡的稳定性。
3.几个关键问题
3.1 地震预测预报
由于地震成因的复杂性和发震的突发性,以及人们现时的科学水平所限,地震预报是一个世界性的难题。在震前的一段时间内,震区附近总会出现一些异常变化。如地下水的变化,突然升、降或变味、发浑、发响、冒泡。如何利用地下水动态的宏观和微观观测数据,综合分析,对发震的时间、地点和震级进行预报值得深入研究。
3.2 非线性水流方程与沉降方程耦合
地下水开采引起土层的固结,宏观上表现为地面沉降。在土层固结过程中,土层被压密,孔隙度和孔隙比减小,因而改变土的渗透系数K和贮水率μs。如果把K和μs视为常量,则属于线性固结问题;若随着固结过程参数K和μs是变量,则是非线性固结问题。
地下水开采条件下,地下水的流动问题与固结问题是同时发生和发展的。固结问题蕴涵在地下水流动问题之中,同时固结问题又通过对地下水流动介质性质的改变而直接影响地下水流动问题。如何建立非线性水流方程与沉降方程的耦合模型,是正确计算、预测和分析地下水在开采条件下地面沉降量的前提。
3.3 多尺度非均质中地下水流与溶质运移
地质体是非均质的,各个测度上都存在非均质性。为了掌握地下水及污染物在不同尺度多孔介质中的运移规律,进一步对地下水的污染进行预测、控制和治理,必需要回答一些重要的问题,如用不同方法、不同尺度得到的渗透系数K如何联系起来;弥散系数尺度效应的结构;哪种测量尺度对被污染的地下水流运动和扩散起控制作用;在解决实际问题时,弥散参数如何选取;如何采用随机的方法来模拟、预测地下水污染运移;如何建立溶质运移理论与模拟试验之间的关系等。因此,从理论、试验和实际 应用方面研究多尺度非均质介质中渗流和弥散对于解决上述问题有很重要的意义。
3.4 非饱和带水动力学
降雨入渗在边坡体内形成的所谓暂态饱和区及暂态水压力对边坡稳定性有极大得影响。然而,至今尚无可应用的定量研究成果,已有的工程设计均采用对暂态饱和区及暂态水压力进行假定的方法。近年来,随着非饱和水动力学的发展,为如何恰当估计基质吸力对边坡稳定性的影响提供了新的理论基础及相应的分析方法。非饱和水动力学理论认为,降雨影响边坡稳定性、诱发滑坡的主要作用机理是:降雨入渗使得边坡非饱和带土体的基质吸力降低、产生暂态饱和区。而基质吸力的降低,使得边坡非饱和带土体的抗剪强度下降,进而导致边坡稳定性降低,甚至滑坡。
3.5 裂隙介质水动力学
研究裂隙介质地下水运动规律,究其实质最终可归结为3个方面的问题:其一是介质;其二是水;其三是水与介质的相互关系。介质研究的核心是其透水性,包括岩体的透水性、结构面的透水性及其空间分布规律。水主要是指重力水,研究的核心是地下水的质、量和力3方面问题。质指的是地下水的水质,量指的是地下水的流量(数量),力指的是地下水的静水压力和渗透力。由于裂隙介质本身的复杂性,使的研究裂隙介质中地下水运动规律难度很大。
近年来,裂隙岩体地下水受到了严重污染的威胁,诸如核废料的地质贮存、垃圾填埋造成污水下渗、海水入侵、输油管道老化而引起的渗漏等。这些与人类生活密切相关的环境问题迫切要求我们对裂隙介质地下水中污染物运移的机制进行研究,以便对其进行预报和控制。此外,随着地热开发、稠油热采以及一些大型水利水电工程中的地下水热量运移问题的提出,也为裂隙介质地下水传热研究开辟了一些具有重要应用背景的新研究领域。
3.6 水与介质相互作用
水与介质的相互关系重点是研究介质中渗流场与化学场、温度场和应力场之间的耦合作用。几乎所有的城市地质灾害问题都涉及到水与介质相互作用。渗流场、化学场、温度场和应力场之间的耦合机理,是分析解决相关城市地质灾害问题的理论基础。如地下水中的溶质和贮存在地下的热量,随着水流的运动在空间上发生迁移,就是一个典型的渗流场、化学场、温度场三场耦合问题。水库诱发地震、地面沉降都是典型的渗流场和应力场耦合问题。对于这些问题如何建立对应的数学模型,如何计算分析,有待进一步研究。
4 结 语
地质灾害大多是内外动力地质作用产生的,不依人的意志转移的;但许多城市地质灾害与人类活动密切相关。地下水作为地质灾害萌发、发展和形成过程的重要因素,加强对其动态、运动规律、物理化学特征等的研究,有助于加深对地质灾害,尤其是人类活动引起的城市地质灾害形成机理的认识,从而实现对地质灾害的预测预报和控制,做到人与自然的和谐共处。