Science: 中国主要城市地面沉降的全国尺度评估
期刊：Science
英文题目：A national-scale assessment of land subsidence in China’s major cities
中文题目：中国主要城市地面沉降的全国尺度评估
作者（前三）：Zurui Ao，Xiaomei Hu，Shengli Tao.
发表日期：2024年4月19日
摘要：中国大规模的城市化浪潮可能会受到地面沉降的威胁。使用Sentinel-1合成孔径雷达干涉，我们对 2015-2022年中国所有主要城市的地面沉降进行了系统评估。在接受调查的城市土地中，45%的下沉速度超过每年3毫米，16%的下沉速度超过每年10毫米，分别影响了29% 和7%的城市人口。沉降似乎与一系列因素有关，例如地下水抽取和建筑物的重量。到 2120 年，由于城市沉降和海平面上升的综合影响，中国22%至26%的沿海土地的相对海拔将低于海平面，容纳 9%至11%的沿海人口。我们的结果强调了加强保护措施以减轻沉降可能造成的损害的必要性。
研究背景：地面沉降是一个全球性问题，被称为”城市的慢性病”。美国休斯顿百年来沉降区域超过8000平方公里，部分区域累积沉降量超过3.5米；荷兰约25%的国土面积已沉降至海平面以下；墨西哥城大片区域的沉降速率更是达到了惊人的每年0.4-0.5米，可能是全球沉降最快的城市。在我国，地面沉降最早发生于20世纪20年代的上海和天津。2012年我国水利部印发的《全国地面沉降防治规划2011—2020年》指出，我国累计地面沉降量超过0.2米的地区达7.9万平方千米。因此，近几年我国正在加快进行地面沉降的系统性监测工作。然而，针对承载大量人口的城市，当前依然缺乏全国尺度、基于统一方法的沉降评估。为此，联合研究团队利用干涉合成孔径雷达技术（InSAR），首次量化了我国82个大中型城市2015-2022年间的地面沉降速率及格局。
研究结果：
结果1：我国主要城市沉降的空间格局。
东北、华北、华中、西南，以及东南沿海的五个区域中的城市沉降较为明显，典型沉降城市包括天津市以及台湾省的彰化市。全国所有城市综合来看，29%的城市地面正在轻微沉降（速度低于每年1厘米），仅16%正在经历较快的沉降（速度超过每年1厘米），后者承载着约7%的城市人口。若考虑沉降速率高于每年2厘米的区域，其面积占比进一步降低为5%。就中位数而言，全国所有大中型城市地面沉降速率的中位数为每年约2毫米。上述比率与速率与其他国家相比并不算高。例如，伊朗超过90%的区域在沉降，整体沉降速率高达每年约6厘米；美国除了休斯顿这样的快速沉降城市之外，其海岸32个城市的中位数沉降速率多处于1-6毫米之间，其中墨西哥湾地区的城市沉降中位数速率多超过每年3毫米。
图1 我国主要城市沉降的空间格局
结果2：城市地面沉降与自然因素和人为因素有关。
地面沉降的影响因素众多，其中地质环境、地下水开采、城市人口规模扩张等因素的影响较为明显。科学、长期的控制地下水可能是缓解地面沉降的关键。
（1）地质环境对城市地面沉降的影响主要来自地上建筑物重量。文章观察发现：建筑建造得越晚，下沉的速度就越快（图2C）。受建筑物地基深度影响，较重的建筑物往往下沉得更慢。
（2）地下水的开采，降低了孔隙压力，导致地面下沉。在全球范围内，对地下水开采的长期控制在稳定沉降方面被证明是成功的，而短期和不完全的控制则被证明是无效的。文章指出，南水北调工程对北京等城市地面沉降的稳定或回升起到了非常积极的作用；上海及其周边的地下水控制措施应该是该地区沉降不明显的主要原因。
（3）虽然有些因素在所有城市中并未得到一致性结果，但对部分城市影响明显。例如北京地铁和高速公路周围地区正以每年-45mm的速度下沉。沿海城市的填海土地容易下沉。油气开采区也会发生地面下沉，导致流体压力降低，随后导致储层岩石压实。例如我国的大庆、平顶山。
图2 城市沉降与自然因素和人为因素之间的关系
结果3：城市地面沉降与人口规模的关系。
我国82个城市中，约三分之一（29.3%）的人口居住在速度超过3毫米/年的地区（图3A），7.3%居住在超过10毫米/年的地区（图3B）。如果将前一比例应用于中国的城市总人口，将有2.7亿人生活在正在下沉的土地上（超过3毫米/年），接近欧洲人口的三分之一。如果采用7.3%的比例，6700万人将生活在快速下沉的地区（超过10毫米/年），大致相当于法国的人口。
地面沉降将放大沿海地区海平面上升造成的洪水风险。文章综合考虑海平面上升和城市沉降的双重影响，预测了未来100年，相对海拔低于海平面的沿海城市土地面积及人口数量。结果表明，约26%的沿海地区、11%的人口面临着潜在的威胁，忽视地面沉降将低估受影响的地区和人口比例。文章也特别提到，由于我国建立了世界上独有的、庞大的沿海堤坝系统来抵御海平面上升，上述风险是能够被规避的。
图3 沉降城市的人口规模
图4 沿海土地和人口容易受到海平面上升和城市沉降的综合影响
研究意义：
文章提供了一个全国规模的、系统的中国城市沉降评价结果，讨论了利益相关者之间协调努力应对沉降挑战的必要性，强调了保护措施和政策干预的重要性。
创新之处：
（1）国家级评估：文章对中国82个主要城市的地面沉降进行了全面评估，涵盖了74%的城市人口。这一评估从2015年持续到2022年，利用先进的卫星技术进行精确测量。
（2）先进技术的使用：该研究采用Sentinel-1合成孔径雷达干涉（InSAR）技术，以高空间分辨率测量垂直地面运动，补充传统的GNSS方法。
文献来源：www.science.org/doi/10.1126/science.adl4366
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿：宋琼
初审：任杰
审核：杜军
终审：鲁鹏