地層下陷頻發:有何創新絶招?

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不論是邁阿密,還是雅加達,世界各地的沿海地區正在與海平面上升帶來的影響展開較量。

但是在一些地區,地面沉降現象加劇了這一問題。

以印度尼西亞首都雅加達為例,該地地面每年沉降最高可達17厘米。美國地質調查局(US Geological Survey)的土地沉降專家米歇爾·斯尼德(Michelle Sneed)說:"因為這些地方基本上與海平面持平,沉降問題增加了洪澇和海平面上升帶來的壓力。當地人們正在建造海堤,但是由於這座城市正在快速沉陷,因此漲潮時,海水會直接漫過海堤。"

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Image caption 一個騎摩托車的人的經過雅加達一條被水淹沒的街上。雅加達正面臨海平面上升和地面沉降帶來的雙重挑戰(圖片來源:Alamy)

部分因為雅加達等地的例子,氣候變化的懷疑論者經常曲解地面沉降問題,他們認為地面沉降是沿海地區洪澇加劇的唯一原因。現實的情況更為複雜。在海平面上升的同時,地面也在下沉。海平面上升是全球性問題,是冰蓋融化和海洋溫度升高所致。但是,土地下沉是地區性問題,只對一些地方有影響。

在不幸同時遇到兩種現象的沿海地區,洪澇的風險會大大增加。雖然內陸地區不太可能受到海平面上升的影響,但是像墨西哥城和加州的聖華金穀(San Joaquin Valley)等很多地區正面臨地面沉陷的挑戰。

但也有好消息。儘管大多數科學家認為阻止海平面上升的唯一辦法是達成全球共識並降低碳排放,但是各地區仍有希望控制本地的地面沉降。

烏得勒支大學(University of Utrecht)的地質學家和地面沉降問題研究員吉爾·厄肯斯(Gilles Erkens)說:"如果水位高是因為海平面升高,那就是一個全球問題。這在某種程度意味著降低了應對土地沉降問題的難度,因為你只需要研究和解決本地的情況。"

上海、東京等城市已經解決了地面沉降問題。像弗吉尼亞州東部的漢普頓錨地(Hampton Roads)等地區正在提出自己的創新解決方案。

當你聽說地面下沉是一個地區性問題(或可以解決的問題)時,如果你感到驚訝,不妨設想一下土地的垂直運動:全球均衡調整(GIA)。在大約12,000年前的冰河世紀(Ice Age),全球均衡調整的結果就是北半球從數十億噸重的冰川解脫出來後出現的抬升。隨著冰川的融化,冰川下的陸地開始升高,冰川邊緣的陸地正在相應的下沉。

想像一下用手指戳氣球。氣球被指尖戳到的地方會出現一個凹陷,周圍會鼓起來。當你把手指鬆開時——就像冰川融化一樣——凹陷處會反彈,而鼓起的地方會下凹。在北美地區,加拿大和阿拉斯加就是凹陷的地方,中大西洋州(mid-Atlantic)則是鼓起的地方。

把那個數毫秒的實驗拉長到一千年,就得出了與目前地球類似的情況。不過,正如你可能會預料到的,全球均衡調整是一個相對緩慢的過程,不應該把它和一些地面嚴重下沉的地區混淆起來。

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Image caption 當地面出現大幅沉降時,原因並不是全球均衡調整(圖片來源:Alamy)

美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的菲利普·亨塞爾(Philippe Hensel)說:"如果一個地區發現地面大幅下沉,那原因就不是全球均衡調整。全球均衡調整最多也只能造成微小的影響。"

亨塞爾說,在全球均衡調整影響之下,高度增加最顯著的一年升高接近10毫米——比如阿拉斯加和加拿大——但是沉降最多的地區一年只降低1毫米或2毫米。

水位下降

因此,在世界大多數地區,地面大幅下沉主要是人為原因:地下水抽取。

帕多瓦大學(University of Padova)的地面沉降學者西蒙·菲亞斯基(Simone Fiaschi)說:"每次從地下挖掘東西出來都會造成地面下沉。隨著人們挖走地下的東西,地面就會開始坍陷。"

這就意味著其他類型的開採活動,也會產生相同的效果,比如開採甲烷和石油。但是通常來說,罪魁禍首是地下水開採。地下水是全世界最重要的淡水資源之一。印度是地下水使用量最大的國家,85%的飲用水都來自地下。歐洲75%的飲用水來自地下水。

地下水還有其他很多用途。以美國為例,2010年農業灌溉每天抽取2.25億立方米地下水——佔地下水總抽取量的60%。其水量足以在不到兩年的時間裏填滿加利福尼亞藏水量最大的湖泊——太浩湖(Lake Tahoe)。

地下水本來應該通過雨水和雪水滲過石塊自然補給。在世界的很多地區,地下水的抽取速度超過了補充速度。這可能會導致地下水位下降和水資源減少——而且也可能造成地表坍陷,有時還會造成地面大幅下沉。

以墨西哥城為例,其飲用水大約一半都依賴本地的地下水含水層。這座城市2100萬的龐大人口規模和低效的用水方式——42%都通過洩漏流失了——含水層已經被過度抽取。墨西哥城的首席地下水恢復官阿諾爾多·馬圖斯·克雷默(Arnoldo Matus Kramer)表示,按照目前的速度,50年後該含水層就會枯竭。與此同時,該城市的一些區域每年將下沉高達30厘米。

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Image caption 墨西哥城的一些街區每年下沉最多可達30厘米(圖片來源:Alamy)

結果,墨西哥城陷入了惡性循環,地面下沉破壞了水管基礎設施,影響到水管的維護工作,進而導致水管洩漏,只能抽取更多的水。地面下沉不僅讓城市容易出現缺水問題,而且可能造成一些建築在最近的一次地震中較為脆弱,克雷默說。

很難說地面沉降對全球多少地方造成了影響。厄肯斯說:"我們仍在嘗試在全球範圍內收集相關數據。我們並不了解很多地方正在發生的情況,這可能會減少我們應對挑戰的方案。"

不過,從現有的數據出發,科學家認為他們看到了希望。停止抽取地下水有可能阻止地面下沉——甚至可能會使得地面恢復原來的高度。

一些城市已經證明了這一點。東京曾抽取地下水數十年,地面沉降曾非常嚴重,到1968年達到高峰,該年度下降高達24厘米。在同一時期,一天抽取的地下水多達150萬立方米。為應對該問題,東京政府通過了限制抽水的法律。到21世紀初,東京的地面下沉速度下降到每年1厘米。

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Image caption 聖華金穀的農業很大一部分已經轉向耗水量很大的多年生作物,比如葡萄園,這加劇了本地地面沉降的問題(圖片來源:Alamy)

但是想要停止抽水就必須改變城市的主要水源。對一些地區來說,這可能行不通。位於加州中部的聖華金穀佔地約25,900平方公里,其支柱產業農業非常依賴地下水。最近的一次旱災加劇了這一問題,該地區的一些地方每年下沉速度高達60厘米。

美國地質調查局在加州辦公室的斯尼德說:"這裏是全球地面下沉速度最快的地方之一。"最近,該地區的農業從西紅柿、胡椒等輪種作物轉變為種植果樹、葡萄等耗水量更大的多年生作物。這又加重了地面下沉的問題。

儘管地面下沉並沒有造成洪澇,但它仍然會破壞一個地區的基礎設施。一個例子是它巨大的運河體系。該地使用運河來輸送水資源。河谷不同區域的土地正以不同的速度下沉,導致依賴地心引力的運河系統無法運作。於是,加州的立法者在2014年簽署了一項法律,以確保地下水的使用不會造成地面的不合理下沉。

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Image caption 聖華金穀一條運河上的橋自開始建造以來隨著地面的下沉而下陷了大約1米(圖片來源:Alamy)

不過,如何實施尚未確定。斯尼德認為,加州不太可能依賴其他水資源,因為加州的蓄水庫已經沒有太多額外的空間。

斯尼德說:"我覺得他們現在已經開始意識到這將會是一個非常重大的任務。本地人將不得不作出一些從未經歷過的非常艱難的使用土地的選擇。"

地下水補水

上海等城市的解決方法不僅是限制抽取地下水,還有往含水層補水。不過,弗吉尼亞州正在開發一種更有創意的解決方案。

切薩皮克灣(Chesapeake Bay)南部的漢普頓錨地正受到三股不同力量的威脅。該區域位於冰川融化區域的邊緣——雖然全球均衡調整在這裏的影響大約是每年1毫米,但是地面的下沉速度仍然排在全世界前列。第二個問題是海平面的上升,造成每年地面下沉2毫米。

但是從巨大的波托馬克(Potomac)含水層抽出地下水是地面下沉的罪魁禍首,每年造成地面下沉2.8毫米。

在平地區域,這些微小的沉降不斷累積。該區域經常遭遇洪澇。海水也侵入了含水層和容易被水淹沒的脆弱的濕地。

漢普頓錨地衛生區(Hampton Roads Sanitation District)的總經理泰德·海尼芬(Ted Henifin)在幾年前曾帶領團隊研究廢水是否有更好的利用方法。他們當時正在對廢水進行處理並排入切薩皮克灣的入海口。他說:"我們排出的廢水沒有人會用,甚至沒有人需要。"

那麼,假如他們可以用水來做一些有價值的事呢?這一連串思考孕育出一個創新項目"Swift"。它不是丟棄廢水,而是每天處理廢水68.2萬立方米,使其達到飲用水的標凖。其他基本指標也和地下水一樣,包括鹽度在內。一旦經過處理,這些水就可以重新打回含水層。

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Image caption 在弗吉尼亞州的漢普頓錨地,包括像這間住所在內的房屋和社區正遭遇越來越嚴重的內澇(圖片來源:Alamy)

該項目目前還處於起步階段,目標是在2019年取得許可證,在2023年之前每天向含水層注入45,500至91,000立方米水。但是模型已經發現增加注水有可能增加遠及馬里蘭州(Maryland)和北卡羅來納州(North Carolina)的水壓。

"根據在沒有本項目的情況下含水層會出現的含水層萎縮,如果我們繼續按照許可進行抽水直至50年後,最壞的地區,萎縮長度大約是2英尺。如果在同一個模型下我們把水補充回去,就能夠徹底避免含水層萎縮。"

如果這個項目啟動,計劃是逐步擴大規模直到滿負荷運作,在2030年之前達到54.5萬立方米——然後在其他縣推廣類似廢水處理廠的項目。

參與該項目的美國地質調查局(USGS)的科學家大衛·內爾姆斯(David Nelms)提醒這可能不是萬靈藥。和其他地方一樣,這裏的土地也是由粘土層和沙層構成的。過去一個世紀的開採已經導致這兩個土層開始萎縮。在注水時,只能讓沙子吸水,而粘土仍然是萎縮狀態。內爾姆斯說:"那是無法恢復的,是永久的。但是項目的地點很分散,每個地方的地質構造不一樣,所以在不同的地方要採取不同的應對方式。"

地面沉降可能是一個複雜的問題。不過,因為有像Swift這樣的項目,我們可能有理由保持樂觀——我們不但可能解決地面沉降的問題,還可能緩解海平面上升的雙重挑戰。海尼芬說:"如果說在我們有生之年,我們能夠為海平面做點什麼的話,這可能是我們能夠想到的唯一辦法了,它有可能為本地區爭取一些時間。"

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