地面沉降监测的“显微镜”——分层标组

 随着人类城市生活及工农业用水需求日益扩大，地下水被过度开采，过量开采地下水引起的地面沉降现象在世界很多地区均已发现。

郑州精测沉降观测

 全世界150多个国家的城市正在慢慢下沉”

 目前，世界上有 150 多个国家或地区存在地面沉降，日本的沉降面积已超过可居住面积的12%，荷兰25%的国土面积都低于海平面。

郑州精测沉降观测

地面沉降的危害（图源：央视新闻）

 在我国，类似的事情也正在发生。早在2010年，我国就有20多个省市发生了地面沉降，其中华北平原、长江三角洲、汾渭盆地等都是“重灾区”。

郑州精测沉降观测

华北平原浅层地下水埋深及漏斗分布图（图源：中国地调局）

 地面沉降造成地面高程资源损失，可能引发城区内涝积水、建筑物损坏、堤坝防洪能力降低，加剧地裂缝及沿海地区风暴潮灾害，影响基础设施安全，严重制约经济社会高质量安全发展。

 监测地面沉降，需要“显微镜”

 监测地面沉降既十分必要，也十分重要。随着科技的发展，近年来，我省在地面沉降监测方面取得了长足进步，目前已在多个沉降区建立了以水准测量、分层标组监测、GPS监测、InSAR监测、地下水监测等多项监测手段覆盖的立体化监测网络。其中，分层标组监测是精度最高的观测方法，每个监测站都架设几台深部“显微镜”，深入地下精确观测。

郑州精测沉降观测

地面沉降分层标组（图源：水文三队）

 分层标组是运用钻探技术将埋深不同地层的高程引至地面进行观测的一组特殊的钻孔装置，其用于监测地层垂向形变，能系统掌握地层压缩变形情况，确定沉降层位和沉降变化量，在沉降成因分析和机理研究中发挥着重要作用，为制定科学合理的控沉措施提供有效依据。

 “显微镜”如何构建？主要分四步

郑州精测沉降观测

 1、设置架设参数。完成地质鉴别孔，用以透视深部地层，提供分层标架设参数。这一步是建设的关键，即使是经验丰富的施工人员，也需要发挥聪明才智，把地下的岩土样完整地取出来，取出越完整，获得的地层结构越详实，越能够为后期埋设分层标提供准确的数据。

 2、打通可视通道。完成一个圆直的钻孔，为“显微镜”提供可视通道。钻这样一个孔可不简单，施工标准远超其他钻井工程，要求钻孔终孔孔斜不超过1°，100米深度误差不超过5厘米，这些严格的要求，都是为保证“显微镜”观测到的数据精准可靠。在施工过程中，标孔优化分布、钻进方法合理选择，保证钻孔质量，验收合格后才能做成标准备。

 3、安装“显微镜”物镜。物镜是埋设的地下装置，就是把用于观测的特殊管材下入到孔内。技术人员根据设计将管材进行精准丈量，并进行排序编号，下入到圆直的孔内，为了保证管材垂直，还需安装特殊的扶正装置。标孔深度误差的严格控制，确保分层标底部安设到指定层位。埋设地下装置是建设分层标的关键工作，必须本着一丝不苟的工作态度，严格规范的操作控制，各司其职、协同配合才能保证“显微镜”物镜安放到位。

 4、安装“显微镜”目镜。架设地面装置，为“显微镜”安装目镜，主要是安装井口测量标志和监测仪器，把目镜观测到的数据适时传输给监测技术工作者。目前，建成的分层标观测点均是在线监测，自动监测仪器在持续工作，我们就会收到地下地层沉降的实时精确数据。

郑州精测沉降观测

安装“显微镜”物镜（分层标装置）（图源：水文三队）

 “显微镜”如何发挥效用？数据支撑是关键

 技术人员通过对后台分层标组监测数据的汇总分析，生成当前区域的地面沉降动态，这些日积月累的数据，能有效地检查出区域地面沉降分布的状况，预测地面沉降的发展趋势，同时结合其他手段观测到的数据，研究地面沉降的成因及规律，为地面沉降防治工作提供基础技术支撑。为监测区域的发展规划、水资源利用等方面提供精准数据支撑。

 通过对分层标组监测数据分析发现，超采地下水目前是地面沉降的主要起因，这一发现为政府制定地面沉降防治政策提供了重要依据，使地面沉降年沉降量最大170毫米以上降到了100毫米以下，取得了初步成效。

郑州精测沉降观测

技术人员测量地面沉降数据（图源：水文三队）

 防治地面沉降，寻找替代水源和地下水回补是重要途径。

 寻找替代水源，除了利用再生水，“南水北调工程”也发挥了大作用。截至2023年12月，已有586亿立方米的“南水”滋润了沿线的42座大中城市，280多个县市区。来自南方的水源重塑了北方的水土关系，很大程度上缓解了地下水超量开采的问题。

郑州精测沉降观测

南水北调工程使沿线的城镇和乡村受益（图源：人民网）

 把水资源送回地下也是拯救地面下沉的有效方式。比如上海市从1996年就开始向地下回灌自来水，夏天开采多少，冬天就回灌多少，有时还会超额回灌来恢复土壤弹性，河北省目前也在积极开展地下水回补的试验工作。

 “显微镜”作用日益凸显：全国地面沉降逐步趋缓

 分层标组的建设为地面沉降分布规律和成因机制研究提供了依据。监测对象也由传统的散点式监测逐渐转变为点、线、面相结合的空间化立体化监测。目前为止，上海、北京、天津、河北等地都先后布局了地面沉降监测网络，时时观测地面沉降情况。
针对地下水超采引发的地面沉降，国家实施了一系列的地下水限采措施，全国范围内的地面沉降已得到精准预防并逐步趋缓。最新的监测数据表明，我国地下水水位逐年下降趋势已经扭转，城市下沉的速度也较之前大大放缓。

 水是维持生态系统的命脉，而地下水则是关乎生态安全的“地下命脉”，用好分层标这个“显微镜”，预防地面沉降、合理开发利用水资源，既是关键之举，也是必由之路。