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供水新聞

城市地下水位升高:隱形的水危機正在逼近城市?

字體: 放大字體  縮小字體 發布日期:2025-07-28  來源:中國城市規劃學會  瀏覽次數:12

北京平原區地下水位三年回升超7米,上海外灘防汛墻因地下水上涌反復加固,貴陽商場地下室被地下水頂裂涌水……當“缺水城市”頻頻遭遇“水漫地下”,這場悄然而至的危機正威脅著建筑、道路甚至整個城市的防洪體系。本文將揭開地下水位異常上升的真相,并展示工程師如何用“動態排水黑科技”守護城市安全。

作者 

蔣明、陳茹,上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司

蔣應紅,中國城市規劃學會地下空間分會副主任委員,上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司

關鍵詞

地下水位、上升、城市、地質災害、地下空間、抗浮、主動泄水減壓系統、防洪排澇、智能監測與預警系統

1、城市新困擾:從“渴”到“澇”的逆轉

“華北漏斗區修復成功!”——這條新聞曾讓缺水城市歡欣鼓舞。但鮮少有人想到:地下水位的持續回升竟會帶來新災難。

北京:2024年數據顯示,石景山地下水位同比上漲6米(圖1),部分區域三年累計升幅超7米。


 圖1 北京市2024年各區地下水水位變幅柱狀圖(與上年同期對比) 

貴陽:貴陽以碳酸鹽巖為主的地質構造,導致地下水以巖溶水為主(占比超90%)。2010年后水位整體呈上升趨勢,盆地邊緣受地形影響,水位變幅可達10-20米。貴陽盆地區域地下水動態觀測點分布圖、各監測點地下水水位動態及降雨量圖分別見圖2和圖3。巖溶盆地水位如“呼吸般波動”,暴雨后單日可暴漲2米(圖3),直接將商場地下室頂裂(圖5)。


 圖2 貴陽盆地區域水文地質圖及地下水位動態觀測點分布圖 


 圖3 各監測點地下水水位動態及降雨量圖 

“這不是簡單的資源復蘇,而是城市安全的新考題。”——水文專家警示

2、水位為何悄悄上漲?自然與人類的“合謀”

2.1自然推手:當暴雨突破城市“吸水極限”

1、極端降水

短時強降雨或持續降雨增加地下水補給。如鄭州“7·20”暴雨單日灌入106個西湖水量,地下水系統超負荷。

2、氣候變化

冰川融化與海平面上升加劇沿海城市地下水上升。祁連山融水滲入西北城市地下,蘭州水位年均升0.5米。上海外灘地下水鹽度十年增3倍,防汛墻持續抬升。

2.2人為助攻:善意措施的反作用

1、地下水開采管控

當城市采取措施減少地下水的開采量時,使補給大于消耗。北京通過南水北調替代地下水,2024年平原區地下水位同比回升1.59米。

2、海綿城市建設

透水鋪裝、雨水花園等設施增加下滲。如廣州某小區采用透水磚后,雨水滲透率提升40%,地下水年補給量增加約2萬立方米。

3、城市水系整治工程

在城市河道整治工程中,通過筑堤、攔河壩等措施提高河道水位,河水倒灌含水層,導致地下水位升高。武漢東湖清淤后蓄水位提升1.2米,周邊地下水年均回升0.8米。

3、三重威脅:沉默的危機正在爆發

3.1大地在“融化”:地質災害頻發

巖溶塌陷:湖南益陽因水位驟降觸發真空吸蝕,形成直徑20-50米的塌陷坑吞沒農田。

地裂縫擴展:西安地裂縫以每年5cm速度撕裂街道——地下水上涌潤滑斷層帶。

土體失穩:甘肅黑方臺灌溉導致地下水位上升,基質吸力下降30%,誘發滑坡災害。

融陷:在高寒地區,地下水位上升可能導致地基凍脹,進而引發融陷,危及建筑物安全。甘肅黑方臺灌溉區房屋傾斜如“比薩斜塔”。

3.2城市地下空間浮起來了!抗浮大戰打響

地下水位的上升會軟化地基土,導致建筑物沉降和不均勻沉降;增加地下空間結構的浮力,可能導致結構上浮、底板開裂或漏水。

驚險現場:貴陽某商場暴雨后地下室爆裂,水深30cm(圖5-6)。

力學真相:水位上升3米,地下室浮力激增150%(表1)。“相當于每平米多壓兩頭大象”——結構工程師比喻。

3.3城市防洪體系遭遇“釜底抽薪”

地下水是河流的重要補給源之一,當地下水位上升后,將導致城市防洪水位的上升,而河道水位上升將倒逼管道內的水位相應抬高,遠端管道處的地面或地勢低洼處易出現積水現象。特別是在暴雨期間,如果排出口水體達到高水位時,自排管道將無法有效排水,增加了城市內澇的風險。

北方丘陵城市調蓄空間萎縮:石家莊汛前水庫蓄水能力下降17%。

自排管網失效:天津某新區河道水位抬高1米,暴雨內澇時間延長3小時。

由于南方地區比如上海的穩定地下水位普遍較高,地下水位的上升空間有限,因此對現有城市的防洪除澇體系的影響敏感度相對較小。而對于北方丘陵地區城市,由于非汛期河網水位普遍很低,如地下水位大幅上升,將大大減少汛前河網和蓄滯洪區的調蓄空間,對城市安全構成較大威脅。

4、破解之道:中國工程師的“動態抗浮”黑科技

4.1預警:給城市裝上“地下水CT”

建立“空-天-地”一體化智能監測與預警系統,實時、準確地監測地下水位的變化情況,以便及時掌握地下水位升高的趨勢和范圍,為地下水上升可能引發的地質災害提前預警,也為規劃和設計提供基礎數據。如北京、上海等大城市,均設有大量的地下水位監測點,實現了對地下水位的長期、連續監測。


 圖4  智能監測與預警系統 

智能監測與預警系統在地質災害防治中的具體應用場景主要有如下幾種:

1、礦區與城市地質災害防控

監測礦山地面塌陷、隧道變形,并通過智能錨桿、注漿材料等技術加固地質結構。深圳“邊坡衛士”系統:成功預警2023年羅湖崩塌,276套設備化身地質醫生。

2、泥石流預警

結合雨量計、地表位移傳感器和土壤濕度計,預測泥石流啟動閾值。東南某地區通過多參數融合分析,提前3小時預警泥石流,為下游村莊爭取撤離時間。

3、滑坡監測

部署GNSS位移監測站、微芯樁(監測傾斜、震動)和三維激光掃描,實時捕捉毫米級形變。重慶云陽縣“團包滑坡”預警中,系統通過裂縫擴展和降雨量數據分析,提前觸發聲光報警,組織18戶居民避險。

4.2城市地下空間抗浮措施

4.2.1搶險:主動泄水減壓系統力挽狂瀾

地下空間結構由于地下水位的上升,抗浮問題尤為突出。

主動抗浮技術突破了傳統被動抗浮(如配重、錨桿)的局限,通過“動態排水、實時調壓”的創新方式實現標本兼治。通過特制高效過濾系統,形成便捷的排水通道,并與智能控制系統相結合,在確保長期穩定排水的同時有效避免淤堵問題,具有精準把脈(實時監測水位并自動調節排水)、經濟耐久(省去大規模結構加固,降低運維成本)和環境友好(最小化對周邊地層及建筑的干擾)三大核心優勢,為地下工程提供了一種更智能、更可靠的抗浮解決方案。

貴陽某商場案例:技術賦能安全升級


 圖5  涌水受災現場情況 

1、精準“把脈”:巖溶水沿裂縫涌入(圖6)

本工程地下室基本處于中風化含泥質灰巖中,該場地巖溶較發育,事故發生時正處汛期,地表強降水沿地下室外墻往低處底板匯集。地下室滲涌水主要是地下室出現薄弱裂縫,地下室內外存在水位差,水從薄弱裂縫涌出。


 圖6  地下水位升高后滲流示意圖 

2、微創手術:植入專利泄水裝置(圖9),不破壞商場運營

采用主動泄水減壓系統,減小底板底部水壓力,確保地下室抗浮穩定性滿足要求,然后對破壞柱墩面層進行加強處理,并對各滲漏點進行堵漏注漿。

泄水裝置臨近涌水點布置,集水井共布設兩口,靠墻設置,不影響地下室使用空間,主動泄水減壓系統布設位置如圖7所示,泄水減壓系統如圖8所示。


 圖7  主動泄水減壓系統平面布置圖 


 圖8  泄水減壓系統示意圖 


 圖9  專利泄水裝置 

3、智能調控:自動排水降壓,底板裂縫零新增

主動泄水減壓系統運行后,該商場地下室未再出現涌水問題,由于系統占地空間小,不影響地下空間的正常使用,驗證了該技術的實用性和經濟性,為地下工程提供了可復制使用的抗浮技術樣板。


圖10  泄水系統運行情況 

主動泄水減壓系統的有效運用,可以明顯降低城市地下空間由于地下水位上引起的結構破壞,可有效應對復雜水文條件,為地下工程提供長期可靠的抗浮保障。面對氣候不確定性和城市更新需求,主動抗浮技術以“動態平衡”思維重構抗浮體系,助力實現安全與經濟的雙贏。

4.2.2未來設計:給建筑穿上“救生衣”

針對未來新建工程的抗浮設計,主要重點關注抗浮設計水位和抗浮措施兩個方面。

1、抗浮設計水位

抗浮設計水位需要結合建筑使用功能、抗浮設計標準、歷史最高水位和長期水位觀測資料等,并借助動態預測模型和經驗綜合確定。

本文上述提及的貴陽市某商場原設計方案中地下室底板未考慮水浮力作用,因此,導致地下室底板、墻柱開裂,出現涌水險情。由此可見,地下水位埋深的變化對結構的抗浮設計影響很大,以典型8~20m地下室為例,在不同地下水位條件下,地下室底板所受水浮力如下表所示:


 表1 不同地下水位埋深他條件下地下室底板所受水浮力(kPa) 

由上表可知,在地下水位埋深由地下6m上升至地下3m后,地下室底板所受的水浮力均出現了較大的增幅,尤其是埋深8m的地下室,水浮力增加了150%;若抗浮設防水位取地面下6m,按照現有抗浮安全設計標準,均無法滿足地下水位上升至地面下3m的抗浮設計要求,可能導致地下室發生底板隆起、開裂破壞等現象。因此,選擇合理的抗浮水位對地下結構的抗浮設計至關重要。

以西安某擬建工程為例,基礎埋深約12m,實測穩定地下潛水位埋深約15.5~18.1m,相應高程371.1~372.75m。


 圖11 地層分布及勘察期間地下水位的變化 

根據地下水長期觀測資料,80年代初中期,水位基本穩定,80年代后期至90年代,水位緩慢下降,2000年以后,水位基本處于穩定期。隨著城市供水方式的改變,近幾年水位出現回升,地下潛水位變化情況如下圖所示:


 圖12 擬建場地地下水位變化情況 

該項目綜合分析歷史水位觀測資料、擬建場地區域規范、周邊已建項目工程經驗等因素,將抗浮設計水位高程取為380m,即地下水位埋深約8~9m,要高于勘察期間穩定的地下潛水位埋深15.5~18.1m,預留了安全裕度。

2、抗浮設計措施

新建工程不宜單一采用傳統的主動抗浮設計措施(設置泄水孔等)或被動抗浮設計措施(配置抗浮、設置抗拔樁、抗浮錨桿等),采用“主動+被動”綜合抗浮的措施,可以有效降低工程造價,提升結構抗浮安全系數,目前該方案在部分新建工程中已得到成功應用,尤其是臨江結構以及地下水位波動比較大的區域,可有效地改善單純采用常規被動抗浮措施所帶來的經濟問題。

廣東某住宅項目擬建場地平整后場平標高為+8.00m,場地平時地下水位約+2.0m,但50年一遇和100年一遇水位分別為+11.85m和+12.65m,若將抗浮水位取為地面高程,在洪水季節取值偏低,是不安全的;而若按50年一遇和100年一遇洪水位設計常規的被動抗浮措施,取值又偏高,導致工程費用過高。因此,該項目采用了主被動聯合抗浮設計方案。


 圖13 擬建項目及排水廊道平面及剖面布置圖 


 圖14 百年一遇洪水位時,底板不同情況下水頭壓力 

由圖14可知,未建設排水廊道時,常規抗浮設計無法滿足百年一遇洪水情況下抗浮安全要求,建成排水廊道后,可使百年洪水位情況下浮力降低40%,地下空間結構抗浮是安全的。

綜上所述,新建建筑工程可以考慮頻遇抗浮水位和罕遇抗浮水位,針對頻遇抗浮水位主要采用永久的被動抗浮措施,針對罕遇抗浮水位,可以輔助臨時或自動化的主動抗浮措施。未來各個地區可結合相應區域地下水位變化趨勢,出臺相應的地方抗浮設計標準,尤其是地下水位上升區域,可考慮適當提高抗浮安全系數,并要求未來新建建筑設置智能化水位監測系統,做到動態抗浮設計。此外,也可以考慮在新建工程中預留后期安裝抗浮錨桿的措施、研發新的抗浮組件,為中遠期的地下水位上升引起建筑抗浮能力不足提供有效的解決方案。

4.3城市防洪新思維:給洪水“留白”

無論是平原河網地區還是丘陵區的防洪排澇體系,都以汛期通過預降河網水位、預留規劃蓄滯洪區為洪澇水騰出調蓄空間為主的措施來滿足城市防洪安全需求。“河道不是水管,而是會呼吸的生命體”——規劃師呼吁。因此,給河流讓空間!最新規劃正在行動:

北京溫榆河:藍綠控制帶拓寬50米,新增濕地調蓄區;上海蘇州河:拆除硬化駁岸,恢復灘涂生態緩沖區。如下圖所示,河道規劃藍綠線之間的陸域控制帶以及結合綠地構建的生物棲息地內的深潭、淺灘,均可作為河網預留調蓄空間。


 圖15 河道預留調蓄空間示意圖 

結  語

地下水位上升如同緩慢發酵的危機,但中國城市正用智能監測+動態抗浮+生態留白的組合拳應對挑戰。當你在新建公園看到透水磚,在車庫發現閃著藍光的泄水裝置,或許正是這場隱形戰役的參與者。畢竟,讓城市既不怕旱也不懼澇,才是真正的韌性未來。

 
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