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三角洲沉降: 沿海居民正面临的重大危机

March 24, 2017 聚焦 Comments Off on 三角洲沉降: 沿海居民正面临的重大危机

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恒河-布拉马普特拉河三角洲地图

恒河-布拉马普特拉河(Ganges-Brahmaputra)三角洲是全世界正在下沉的三角洲之一,地表城市和工厂带来的沉重压力和地底软沉积物的过度开采已经使得这片土地不堪重负。
© Planet Observer/Getty Images

温室效应引起的海平面上涨正威胁着全世界各地的海岸线。但在全世界范围内,面临最大风险的海岸地带是那些位于海岸线边缘、地势平坦的三角洲平原,这些主要位于东南亚的三角洲平原,正面临着迫在眉睫的沉降威胁。土地下沉这一现象是由于局部地区(而非全球范围)的人为活动所导致的,其变化的速度远远快于海平面上涨。据近期预测表明,印度尼西亚最大的城市雅加达,正以平均每年5~10厘米的速度下沉,这一速度显著高于全球海平面的上涨速度(约3.2毫米/年)。据荷兰代尔夫特(Delft)的三角洲研究所(Deltares Research Institute)水资源管理专家JanJaap Brinkman估测,如果雅加达保持该沉降速度,到本世纪末该城市将下沉6米。

目前居住在受沉降威胁的三角洲地带的居民总数约有5亿人,对他们未来福祉的忧虑正引起越来越多的关注。例如,雅加达在2007年遭受了毁灭性的洪灾,城市的一部分被大水淹没了数周之久,近20万人被迫背井离乡,还有大约1400人因为介水传染的腹泻病和登革热而住院(登革热的传播媒介正是在死水中大量孳生的蚊子)。荷兰乌得勒支大学(Utrecht University)水文地理学教授Marc Bierkens表示,雅加达好比在一口不断下沉的碗中,“而洪水的水位正不断上涨,最终人们将无处可逃”。

本文咨询过的多位顾问专家还表示,土地沉降除了会大大增加洪水和介水传染病风险外,还可能以其他多种方式威胁人类健康。例如,土地沉降会加速海水对淡水资源的污染,使其不适合作为饮用水和农业用水。沉降还会对天然气管道和污水管道等基础设施施压,随着大陆沉降的不断挤压,这些设施发生爆炸,并污染地表水与地下水的风险也在不断加大。最终,土地沉降对饮用水供应,人群居所和生计所带来的巨大威胁会严重削弱人们的福祉。

东京和曼谷曾经成功延缓了城市的下陷,我们从中获得教训是,要从其他地方入手,集中一切力量去解决这一问题。这是一个牵涉到多方面的问题,研究者们正对每个具体地域的问题根源进行探索,以寻找针对性的解决方案。但三角洲研究所和乌得勒支大学的高级研究员Gilles Erkens警告说,对于许多三角洲地区而言,剩下的时间越来越少了,他表示,“在许多地区,我们已经没有另一个10年来搜集数据了”。

三角洲地区的演变

在全世界范围内,由于肥沃的河流沉积物不断的沉降,在成千上万年的漫长岁月后,最终形成了我们今天所见到的三角洲。正因为如此,三角洲地区同时也是人口稠密的重要粮食产区。以湄公河三角洲为例,该区域是世界重要的粮食出口区,并承载了超过2千万人口,但现在该地区正以平均每年1.6厘米的速度下沉。和以坚硬岩石为基底的大陆海岸不同的是,三角洲平原的地质条件往往是柔软且易压缩的。这些平原主要由地底埋藏的石油、天然气或是地下淡水所支撑,这些资源通常是在地底沉积物的孔隙中穿行流动。一旦这些资源被开采,地底沉积物就会被压缩,整块土地就会像一块干燥的海绵一样逐渐收缩下沉。

某些地底沉积物(尤其是那些富含有机质的沉积物,譬如泥炭)在干燥时会被氧化。氧分子会和土壤中的碳原子结合,最终生成二氧化碳并释放到大气中。由于在该化学反应中损失了大量碳原子,致使地底的土壤流失并压缩。

堤坝

在恒河-布拉马普特拉河三角洲沿岸,人们可以看到用泥土和混凝土浇筑的圩堤,这些堤坝围绕着地势低洼的农田区域,即圩田。堤坝确实可以保护中间的农田,但这片土地却再也无法获得雨季所带来的新沉积物了。其后果是,圩田也在不断下沉。2009年5月飓风艾拉(Cyclone Aila)袭击了这片区域,随之而来的洪水淹没了堤坝,将一些圩田区域变成了湖泊。在飓风过后,当地居民运来了泥土重新修建堤坝,这一事件确实带来了好处——为这片被淹没的区域带来了渴望已久的新鲜泥土,在某些地方泥土的厚度高达70厘米。
© Espen Rasmussen/Panos Pictures

据科罗拉多大学博尔德分校的海洋学家James Syvitski教授介绍,一块高于海平面的三角洲区域的形成取决于以下4个相互关联的因素:全球海洋的海水总量、沉积物的沉积、沉积土壤的压缩,以及由于大陆板块构造和其它地球物理进程导致的地壳垂直运动。他表示海洋的总体容量不断增长(及海平面相较于陆地的不断上涨)的部分原因在于人类活动引发的气候变化。暖水区域正不断扩张,而极地附近的广袤冰原正在不断消融。

由于水坝、堤防和圩堤的阻拦,泥土的正常沉降过程受到了极大阻碍,三角洲区域对新鲜沉积物的渴求从未像今天这样强烈。而随着地下水和碳氢化合物等资源的不断开采,地表城市建筑物地不断增多,地底物质被压缩得越来越严重。地表城市建筑物的巨大重量使得地底的泥土受到压缩,而城市硬质无孔的屋顶和路面阻止了地表水对地底泥土的渗透,及对地下水的回流补充。

早在2009年Syvitski就报告过,城市对地底泥土日益加重的压缩效应和越来越少的沉积物沉降会使得世界上许多三角洲区域处于危险之中,而这些三角洲中有一半以上在亚洲。他写道:“所有的趋势都表明,会有越来越多的三角洲下沉到海平面以下,这警示我们,三角洲的洪水泛滥(来自陆地或海洋)会变得极其常见,且这一趋势正在不断恶化中”。

Syvitski表示,三角洲区域目前面临的最大威胁在于,这一地区已处在频临毁灭的边缘,这意味着三角洲将再也无法恢复到自然地貌了。他在2013年的一篇论文中指出,巴基斯坦境内的印度河三角洲已经彻底崩溃了。由于毫无节制的农业开发,印度河在阿拉伯海的入海口处一年中有140天处于断流状态,且情况还可能进一步恶化,演变成几乎持续全年的干旱断流状态。该区域的三角洲已经萎缩到其原始大小的十分之一,且倒灌的海水已经污染了毗邻区域的地下水,淹没了海岸的村庄,并迫使成千上万的人们背井离乡。

相比之下,亚洲的另一大块正在沉降的三角洲——居住着1亿7千万人口的恒河-布拉马普特拉河三角洲,尽管还尚未崩溃,但也已经摇摇欲坠。大坝和堤防让恒河-布拉马普特拉河三角洲的泥土自然沉降几近枯竭。而在孟加拉国西南,众多像拼图残片一样的岛屿(总面积高达数万平方公里)正面临着更严重的土地下陷。

在上世纪60年代,人们将地势低洼的区域用泥土浇筑的堤坝围起来以阻挡海水侵蚀,并保存更多土地用于农业生产,这样的区域被称为圩田。在每年的雨季,洪水会携带大量的河流沉积物来到下游,为三角洲区域补充泥土,而这些堤坝完全破坏了该进程,由此引起的土壤损失高达1~1.5米。据科罗拉多大学博尔德分校的研究员Kimberly Rogers表示,这些圩田在风暴潮袭击时更为脆弱,风暴潮会损坏或撕裂圩田周围的围墙,并形成可以持续数年的湖泊。在2009年飓风艾拉袭击了孟加拉国西南部,随之而来的特大洪水使得受灾最严重的区域有超过10万人流离失所。但飓风同时也为被淹没的岛屿带来了大量新鲜的泥土,在某些区域厚度达到70厘米,这表明,在条件允许时,该生态系统是有能力进行自我补充的。

沉降的驱动力

科学家们在不断探明恒河-布拉马普特拉河三角洲泥土沉降的内在驱动因素,但迄今为止还有许多未知数。直到数年以前,卫星监控对该三角洲区域的覆盖还是非常稀少的,而长期以来,相关监控数据也处于短缺状态。

越南湄公河三角洲的情况也不乐观,越南和荷兰的科学家们正合作一项为期5年研究计划,该计划的目的是探索如何应对土地下陷并减少其负面影响。 这一被称为“起伏计划”的项目已在2015年3月正式启动,经费总额为1百万美元,大部分都来自于荷兰科学基金。

三角洲地区的土地下陷示意图

三角洲地区的土地下陷是由多种互相关联的因素共同决定的。在经历了成千上万年的泥土沉积后,才造就了今天我们看到的肥沃、丰饶的三角洲平原。在这些农业区中迅速聚集的人口,对这片土地造成了严重的影响。人类修建的堤防、大坝和岸堤限制了新鲜泥土的自然沉降,堵塞了土地更新的渠道,还为无处可去的洪水形成了天然的碗状蓄水池地形。当三角洲地底的地下水或是化石燃料被抽取后,土地经常会被压缩。哪怕仅考虑位于其上的,还在不断新建的城市和工业设施的沉重压力,三角洲的土地也必然会被进一步压缩,更何况城市致密防水的地表结构(屋顶和马路)还进一步妨碍了地下水的回补。而地下水减少带来的地底水压降低,也使得本来在海岸地带就极其常见的海水倒灌现象更加恶化。不断增长的人口和水资源密集型产业(如海虾养殖业)的繁盛使得人们对地下水资源的需求日益增加。水井的钻探深度越来越深,而产出的水却越来越咸,因为过度开采将地底古老的海水也抽吸了上来。
© Daniel Gallant, adapted from materials provided by Deltares Research Institute.

该项目的科学家们正在对湄公河三角洲地表之下的地质情况进行样本采集,并收集相关信息。他们计划设计一套复杂的水文地理学的软件模型,用于预测人口和经济的高速发展对土地沉降和海水侵蚀率的动态影响。该科学家团队的负责人,荷兰乌得勒支大学(Utrecht University)副教授、地球科学家Esther Stouthamer表示:“我们最终想要尝试达成下述目标,即为湄公河三角洲提供可持续性的管理策略”。

由于家庭、工业和农业用水的过度掠夺,越南的地下水水位已经严重降低。在过去,种植水稻的农民们是通过淡水河道网络来获取农业灌溉用水和生活用水。在雨季,这些河道为大地带来了新鲜的泥土。但自从1986年越南共产党政府推行开放政策并鼓励水稻出口以来,逐渐富裕起来的村民们不断开挖私人水井,这使得地下水资源几近耗竭,还破坏了已持续数世纪之久的古老灌溉系统(可为土地带来新鲜泥土)。迄今为止,湄公河三角洲已经有超过一百万口水井,而自那时起,这片土地的下陷速度大幅加速。

与此同时,水稻种植业已经逐步被更加赚钱的海虾养殖业所取代,而后者对地下淡水资源的需求是无止境的。斯坦福大学水文地理学家Laura Erban解释说,海虾通常被养在咸水池中,但如果水的咸度太高,海虾产量就会下降,所以养殖海虾的农民们用地下水不停地稀释养殖池中的咸水,现在这些海虾养殖池正沿着海岸线一个接一个地大肆扩张,而原先保护海岸的红树林的数量在不断减少。

在位于湄公河三角洲最南端的越南金瓯省,过度开发这一问题显得尤为严重。该区域已有超过10万口水井,还有大量的海虾养殖场,而自1990年到2013年,该省的城镇人口也由约6600万暴增至9000万。据Erban近期发布的一项分析报告显示,金瓯省的土地下陷速度高达每年3厘米。

水位图

在一项旨在评估湄公河三角洲1995~2010年土地下陷的研究中,Laura Erban及其同事使用了大量翔实的数据来评估含水砂石层每年水位下降的平均速度(A),和水井区域因为土地压缩导致的土地沉降速度(B)。这些估测的数据与卫星成像估测的沉降速度十分相近(C)。总体而言,根据估测结果,湄公河三角洲正以平均每年1.6厘米的速度下陷。
来源:Erban et al. (2014)

与此同时,为了抽取地下水,水泵的钻探深度越来越深,而抽取上来水质反而比以前更咸。在从金瓯省延伸至胡志明市(在金瓯省250公里以北)的这一人口稠密的海岸地区都是这种状况。在2015年3月11日召开的起伏计划的项目启动会上,来自越南蓄臻省(位于金瓯省和胡志明市之间)的一位水利官员报告说,该省的地下水咸度一直在稳步攀升,2013年,某些水井的采样数据显示水体咸度已高达4.2 g/L。而根据饮用水的容许标准,2~3 g/L的总溶解固体量便已经太咸而不适合饮用了。

荷兰乌得勒支大学副教授,三角洲研究所的水文地理学家Gualbert Oude Essink表示,海水每年对湄公河三角洲的侵蚀十分强烈。他说,因为咸水比淡水更重,咸水会穿透泥土层,并到达浅表的含水砂石层。这就使得地下水变得越来越不适合饮用。他表示,另外咸水中的离子会和泥土发生化学反应,使土地变得更易被氧化、压缩,进而下陷。

由于钻探水泵的大量使用,咸水还可以从地底直接污染地下淡水资源。Oude Essink解释说地下的淡水层通常分布在年代更为久远的咸水层上方,然而随着地下水资源的过度开发,地底深处的咸水也被抽吸到了地表之上。这一进程通常需要花费数年的时间。然而,这一进程的影响却可能持续更长时间(数十年或更长),因为即便地下水开采终止,受污染的地下淡水层的咸度需要很长时间才能下降。Oude Essink解释说,那是因为与开采咸水的水泵压力相比,吸引咸水回归地壳深处的地球重力就微弱多了。

最近科学界关注的新焦点是,地下水过度开采还可能导致地底蓄水砂石层出现砷污染,而在自然状况下这一地层是绝不会受到污染的。Erban及其同事对湄公河三角洲近4万3千口深井的水体砷含量数值进行了汇总研究,结果表明其中有许多水井早已被砷所污染。地下水过度开采似乎可以诱导砷污染深层地下水,并对那些以此作为饮用水的人群的健康构成威胁。Erban推测说,地下水超采会诱导土地下陷,而土地下陷会挤压黏土层,并迫使其中的溶解砷渗透到地下水中。既往曾有假说认为,地底的中间黏土层会保护深层的蓄水砂石层不受浅表砷污染,而这些发现并不支持这一假说。

应对难题

在全球范围内,首个证明停止开采地下水可以减缓土地下陷的国家是日本。早在20世纪早期,日本东京被发现土地下陷,城市的官员通过监测发现,开采地下水使当地的地下水水位显著下降。在第二次世界大战之后,因战乱成为一片废墟的城市停止了地下水开采,地下水水位回升了,而城市的下陷也显著减缓了。

日本在经济恢复后,重新启动了地下水开采,至1968年,日本的某些地区的土地下陷速度达到了每年24厘米的最高点。东京市政府随之强制推行了严格的地下水开采管理条例,到了2006年,土地下陷速度又一次减缓了,在既往土地下陷最严重的地区,下陷速度降低到每年1厘米。Oude Essink指出,尽管该区域的土地下陷速度还在减缓,但在一个世纪的时间中,该区域土地下陷的总高度已高达1米之多。

另一个成功的例子则是泰国曼谷。位于湄南河三角洲的曼谷市在上世纪80年代曾经以每年12厘米的速度持续下陷,当时该市地下水的平均消耗量达到120万立方米/天。据曼谷地下水开采管控部门负责人Oranuj Lorphensri表示,到了1985年,随着城市基础设施的下沉,洪水泛滥的加剧,以及暴雨积水抽排入海的费用飙升,曼谷市政府大幅度提高了地下水使用税。自那时起,曼谷的地下水使用量便下降至80万立方米/天,而土地的沉降速度也减缓至1~2厘米/年。Lorphensri表示,为了补偿地下水水位的下降,曼谷开始改用湄南河经过处理的地表水。

全球海平面上涨绝对值

来自三角洲研究所的数据对全球沿海地区的历史沉降速率和全球海平面上涨绝对值进行比较。数据均为平均速率,根据地下水水位和地表之下的特征,一个城市的沉降幅度可能大相径庭。然后,东京的减缓措施可能有助于遏制土地沉降的趋势。
© Erban et al. (2015)

雅加达目前也面临着类似的情况,三角洲研究所的Brinkman表示,目前该地区的地下水开采速度约为1.8~2.5亿立方米/天(包括合法和非法的地下水开采)。据Brinkman推测,对雅加达地底深层地下水的开采加速了上层黏土层的压缩。这一趋势在雅加达西北部尤为明显,在该区域土地下陷速度可达每年20厘米。Brinkman补充说,在旱季,被地表污染物污染的浅表地下水可能滞留在城市下方长达数周或数月,因为对地势低洼的雅加达北部地区而言,旱季没有雨水可以补充地下水。

Erkens表示,无论是摩天大楼、酒店还是工厂,都更愿意使用深层地下水而不是经过净化的地表水,因为后者的水质往往比不上前者。他表示:“这是一个因果难辨的问题,提供净水服务的公司表示,由于他们只有很少的顾客,所以没有足够的钱来升级设备,他们因而也很难扩大自己的顾客群体,因为他们提供的水质量不可靠”。

但Brinkman强调说,雅加达已经别无选择。如果市政官员不能在未来5年中大幅减少对深层地下水的开采,到2030年,要么雅加达西北部的4百万人口将被迫迁移到地势更高的区域,要么政府就只能选择用巨大的防海墙封闭雅加达港。Brinkman说:“现实就是如此”。

与此同时,越南的政府官员寄希望于研究能找到既不限制地下水自由开采,又能缓解土地下陷的方法,毕竟地下水为经济发展提供了重要帮助。在起伏计划的项目启动会上,某些政府官员对地下水开采引起湄公河三角洲土地下陷的论点提出了质疑。南越南水资源规划与研究所副所长Bui Tran Vuong表示:“有些人武断地认为‘地下水开采是土地下陷的罪魁祸首’,但并无数据证实该论点”。

Stouthamer坚持认为,全世界多年累积的证据表明,地下水过度开发就是引起土地下陷的主要原因。但她同时表示,其他因素可能也起到了一定作用,譬如,当地表建筑物建造在缺乏有效支撑物的黏土层或是泥炭沉积物之上时,就会发生土地压缩。她表示,我们应当改变建筑标准,将建筑物建造在更结实的地基之上,并使用更轻的建筑材料,这样才能减缓土地下陷。

此外,我们还可以选择将水泵回地下,以减缓土地下陷。譬如广为人知的含水砂石层人工回补计划(MAR),但这是一项充满争议的主张。Syvitski警告说,回补计划可能会导致无法预料的后果。他说: “即便你真的有能力执行该计划,一旦地面上升,道路和建筑物都会弯曲变形”。 Oude Essink 对此持相反观点,她认为,全世界施行MAR计划的经验证明,在延缓地下水水位降低和土地下陷方面,该计划具有潜在的价值。

围绕三角洲海岸线修筑巨大的防海墙可能会诱导严重问题,孟加拉国修筑圩堤的经验已经充分证明了这一点。修筑围墙会使得被围住的土地发生下陷,Syvitski表示,必须定期加高围墙,以应对不断上涨的海水的侵袭。

上述这些例子表明,应该如何面对这一新兴问题,是当前我们面临的重大挑战,尽管公众对此还鲜有察觉。陆地高度一年下降几厘米是很难被察觉到的,直到有一天陆地下陷的后果以灾难性的方式呈现在你面前,比如一场毁灭性的大洪水。然而,随着时间的推移,土地下陷开始变得极为显著。据估计,海平面平均每世纪上涨32厘米,而陆地下陷的速度高达平均每年10厘米,只需要3年多就能达到和海平面上涨一个世纪同样的效果。尽管公众更关注海平面上升,但对全球大部分的人群而言,陆地下陷才是更迫在眉睫的问题。但土地下陷是一个局部问题,需要因地制宜地制定解决方案,以阻遏土地下陷。


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Charles W. Schmidt,硕士,来自缅因州波特兰市的一位获奖科普作家,为《探索杂志》(Discover Magazine)、《科学》(Science)和《自然医学》(Nature Medicine)撰稿。

译自EHP 123(8):A204-A209 (2015)

翻译:吕子全

本文参考文献请浏览英文原文
原文链接
http://dx.doi.org/10.1289/ehp.123-A204