地层下陷频发:有何创新绝招?

(图片来源:Alamy) Image copyright Alamy

不论是迈阿密,还是雅加达,世界各地的沿海地区正在与海平面上升带来的影响展开较量。

但是在一些地区,地面沉降现象加剧了这一问题。

以印度尼西亚首都雅加达为例,该地地面每年沉降最高可达17厘米。美国地质调查局(US Geological Survey)的土地沉降专家米歇尔·斯尼德(Michelle Sneed)说:"因为这些地方基本上与海平面持平,沉降问题增加了洪涝和海平面上升带来的压力。当地人们正在建造海堤,但是由于这座城市正在快速沉陷,因此涨潮时,海水会直接漫过海堤。"

Image copyright Alamy
Image caption 一个骑摩托车的人的经过雅加达一条被水淹没的街上。雅加达正面临海平面上升和地面沉降带来的双重挑战(图片来源:Alamy)

部分因为雅加达等地的例子,气候变化的怀疑论者经常曲解地面沉降问题,他们认为地面沉降是沿海地区洪涝加剧的唯一原因。现实的情况更为复杂。在海平面上升的同时,地面也在下沉。海平面上升是全球性问题,是冰盖融化和海洋温度升高所致。但是,土地下沉是地区性问题,只对一些地方有影响。

在不幸同时遇到两种现象的沿海地区,洪涝的风险会大大增加。虽然内陆地区不太可能受到海平面上升的影响,但是像墨西哥城和加州的圣华金谷(San Joaquin Valley)等很多地区正面临地面沉陷的挑战。

但也有好消息。尽管大多数科学家认为阻止海平面上升的唯一办法是达成全球共识并降低碳排放,但是各地区仍有希望控制本地的地面沉降。

乌得勒支大学(University of Utrecht)的地质学家和地面沉降问题研究员吉尔·厄肯斯(Gilles Erkens)说:"如果水位高是因为海平面升高,那就是一个全球问题。这在某种程度意味着降低了应对土地沉降问题的难度,因为你只需要研究和解决本地的情况。"

上海、东京等城市已经解决了地面沉降问题。像弗吉尼亚州东部的汉普顿锚地(Hampton Roads)等地区正在提出自己的创新解决方案。

当你听说地面下沉是一个地区性问题(或可以解决的问题)时,如果你感到惊讶,不妨设想一下土地的垂直运动:全球均衡调整(GIA)。在大约12,000年前的冰河世纪(Ice Age),全球均衡调整的结果就是北半球从数十亿吨重的冰川解脱出来后出现的抬升。随着冰川的融化,冰川下的陆地开始升高,冰川边缘的陆地正在相应的下沉。

想象一下用手指戳气球。气球被指尖戳到的地方会出现一个凹陷,周围会鼓起来。当你把手指松开时——就像冰川融化一样——凹陷处会反弹,而鼓起的地方会下凹。在北美地区,加拿大和阿拉斯加就是凹陷的地方,中大西洋州(mid-Atlantic)则是鼓起的地方。

把那个数毫秒的实验拉长到一千年,就得出了与目前地球类似的情况。不过,正如你可能会预料到的,全球均衡调整是一个相对缓慢的过程,不应该把它和一些地面严重下沉的地区混淆起来。

Image copyright Alamy
Image caption 当地面出现大幅沉降时,原因并不是全球均衡调整(图片来源:Alamy)

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的菲利普·亨塞尔(Philippe Hensel)说:"如果一个地区发现地面大幅下沉,那原因就不是全球均衡调整。全球均衡调整最多也只能造成微小的影响。"

亨塞尔说,在全球均衡调整影响之下,高度增加最显著的一年升高接近10毫米——比如阿拉斯加和加拿大——但是沉降最多的地区一年只降低1毫米或2毫米。

水位下降

因此,在世界大多数地区,地面大幅下沉主要是人为原因:地下水抽取。

帕多瓦大学(University of Padova)的地面沉降学者西蒙·菲亚斯基(Simone Fiaschi)说:"每次从地下挖掘东西出来都会造成地面下沉。随着人们挖走地下的东西,地面就会开始坍陷。"

这就意味着其他类型的开采活动,也会产生相同的效果,比如开采甲烷和石油。但是通常来说,罪魁祸首是地下水开采。地下水是全世界最重要的淡水资源之一。印度是地下水使用量最大的国家,85%的饮用水都来自地下。欧洲75%的饮用水来自地下水。

地下水还有其他很多用途。以美国为例,2010年农业灌溉每天抽取2.25亿立方米地下水——占地下水总抽取量的60%。其水量足以在不到两年的时间里填满加利福尼亚藏水量最大的湖泊——太浩湖(Lake Tahoe)。

地下水本来应该通过雨水和雪水渗过石块自然补给。在世界的很多地区,地下水的抽取速度超过了补充速度。这可能会导致地下水位下降和水资源减少——而且也可能造成地表坍陷,有时还会造成地面大幅下沉。

以墨西哥城为例,其饮用水大约一半都依赖本地的地下水含水层。这座城市2100万的庞大人口规模和低效的用水方式——42%都通过泄漏流失了——含水层已经被过度抽取。墨西哥城的首席地下水恢复官阿诺尔多·马图斯·克雷默(Arnoldo Matus Kramer)表示,按照目前的速度,50年后该含水层就会枯竭。与此同时,该城市的一些区域每年将下沉高达30厘米。

Image copyright Alamy
Image caption 墨西哥城的一些街区每年下沉最多可达30厘米(图片来源:Alamy)

结果,墨西哥城陷入了恶性循环,地面下沉破坏了水管基础设施,影响到水管的维护工作,进而导致水管泄漏,只能抽取更多的水。地面下沉不仅让城市容易出现缺水问题,而且可能造成一些建筑在最近的一次地震中较为脆弱,克雷默说。

很难说地面沉降对全球多少地方造成了影响。厄肯斯说:"我们仍在尝试在全球范围内收集相关数据。我们并不了解很多地方正在发生的情况,这可能会减少我们应对挑战的方案。"

不过,从现有的数据出发,科学家认为他们看到了希望。停止抽取地下水有可能阻止地面下沉——甚至可能会使得地面恢复原来的高度。

一些城市已经证明了这一点。东京曾抽取地下水数十年,地面沉降曾非常严重,到1968年达到高峰,该年度下降高达24厘米。在同一时期,一天抽取的地下水多达150万立方米。为应对该问题,东京政府通过了限制抽水的法律。到21世纪初,东京的地面下沉速度下降到每年1厘米。

Image copyright Alamy
Image caption 圣华金谷的农业很大一部分已经转向耗水量很大的多年生作物,比如葡萄园,这加剧了本地地面沉降的问题(图片来源:Alamy)

但是想要停止抽水就必须改变城市的主要水源。对一些地区来说,这可能行不通。位于加州中部的圣华金谷占地约25,900平方公里,其支柱产业农业非常依赖地下水。最近的一次旱灾加剧了这一问题,该地区的一些地方每年下沉速度高达60厘米。

美国地质调查局在加州办公室的斯尼德说:"这里是全球地面下沉速度最快的地方之一。"最近,该地区的农业从西红柿、胡椒等轮种作物转变为种植果树、葡萄等耗水量更大的多年生作物。这又加重了地面下沉的问题。

尽管地面下沉并没有造成洪涝,但它仍然会破坏一个地区的基础设施。一个例子是它巨大的运河体系。该地使用运河来输送水资源。河谷不同区域的土地正以不同的速度下沉,导致依赖地心引力的运河系统无法运作。于是,加州的立法者在2014年签署了一项法律,以确保地下水的使用不会造成地面的不合理下沉。

Image copyright Alamy
Image caption 圣华金谷一条运河上的桥自开始建造以来随着地面的下沉而下陷了大约1米(图片来源:Alamy)

不过,如何实施尚未确定。斯尼德认为,加州不太可能依赖其他水资源,因为加州的蓄水库已经没有太多额外的空间。

斯尼德说:"我觉得他们现在已经开始意识到这将会是一个非常重大的任务。本地人将不得不作出一些从未经历过的非常艰难的使用土地的选择。"

地下水补水

上海等城市的解决方法不仅是限制抽取地下水,还有往含水层补水。不过,弗吉尼亚州正在开发一种更有创意的解决方案。

切萨皮克湾(Chesapeake Bay)南部的汉普顿锚地正受到三股不同力量的威胁。该区域位于冰川融化区域的边缘——虽然全球均衡调整在这里的影响大约是每年1毫米,但是地面的下沉速度仍然排在全世界前列。第二个问题是海平面的上升,造成每年地面下沉2毫米。

但是从巨大的波托马克(Potomac)含水层抽出地下水是地面下沉的罪魁祸首,每年造成地面下沉2.8毫米。

在平地区域,这些微小的沉降不断累积。该区域经常遭遇洪涝。海水也侵入了含水层和容易被水淹没的脆弱的湿地。

汉普顿锚地卫生区(Hampton Roads Sanitation District)的总经理泰德·海尼芬(Ted Henifin)在几年前曾带领团队研究废水是否有更好的利用方法。他们当时正在对废水进行处理并排入切萨皮克湾的入海口。他说:"我们排出的废水没有人会用,甚至没有人需要。"

那么,假如他们可以用水来做一些有价值的事呢?这一连串思考孕育出一个创新项目"Swift"。它不是丢弃废水,而是每天处理废水68.2万立方米,使其达到饮用水的标准。其他基本指标也和地下水一样,包括盐度在内。一旦经过处理,这些水就可以重新打回含水层。

Image copyright Alamy
Image caption 在弗吉尼亚州的汉普顿锚地,包括像这间住所在内的房屋和社区正遭遇越来越严重的内涝(图片来源:Alamy)

该项目目前还处于起步阶段,目标是在2019年取得许可证,在2023年之前每天向含水层注入45,500至91,000立方米水。但是模型已经发现增加注水有可能增加远及马里兰州(Maryland)和北卡罗来纳州(North Carolina)的水压。

"根据在没有本项目的情况下含水层会出现的含水层萎缩,如果我们继续按照许可进行抽水直至50年后,最坏的地区,萎缩长度大约是2英尺。如果在同一个模型下我们把水补充回去,就能够彻底避免含水层萎缩。"

如果这个项目启动,计划是逐步扩大规模直到满负荷运作,在2030年之前达到54.5万立方米——然后在其他县推广类似废水处理厂的项目。

参与该项目的美国地质调查局(USGS)的科学家大卫·内尔姆斯(David Nelms)提醒这可能不是万灵药。和其他地方一样,这里的土地也是由粘土层和沙层构成的。过去一个世纪的开采已经导致这两个土层开始萎缩。在注水时,只能让沙子吸水,而粘土仍然是萎缩状态。内尔姆斯说:"那是无法恢复的,是永久的。但是项目的地点很分散,每个地方的地质构造不一样,所以在不同的地方要采取不同的应对方式。"

地面沉降可能是一个复杂的问题。不过,因为有像Swift这样的项目,我们可能有理由保持乐观——我们不但可能解决地面沉降的问题,还可能缓解海平面上升的双重挑战。海尼芬说:"如果说在我们有生之年,我们能够为海平面做点什么的话,这可能是我们能够想到的唯一办法了,它有可能为本地区争取一些时间。"

请访问 BBC Future 阅读 英文原文

相关主题内容

更多有关此项报道的内容