地面下沉、海平面上升 对抗双重挑战可以做什么?

出品|网易科学人栏目组 小小

我们对饮用水的渴求在世界许多地区都引起了严重的地面下陷，使这些地方面临被洪水淹没的危险，但有些社区正试图解决这个问题。

从美国迈阿密（Miami）到印尼首都雅加达（Jakarta），世界各地的沿海社区都在与海平面上升的趋势作着斗争。但在有些地方，另一个现象正加剧这种影响，即地面下陷。举例来说，雅加达每年下陷幅度高达17厘米。美国地质调查局(USGS)地面沉降专家米歇尔·斯尼德（Michelle Sneed）说:“这是个严重问题，特别是在海平面正在上升的时候。它们增加了洪水和海平面上升的压力。虽然人们可以修建海堤，但这座城市下沉的速度如此之快，以至于在涨潮的时候，水就会倾泻而入。”

图2：在雅加达被洪水淹没的街道上，一名男子正骑着摩托车前行，这座城市正面临海平面上升和地面下陷的双重挑战

像雅加达下陷这样的例子，经常被气候变化的怀疑论者所误解，他们认为这种现象只能解释沿海地区洪水泛滥的原因。然而现实是更具挑战性的，海平面上升和地面下沉都同时发生。但是，海平面上升是由海洋变暖和全球冰盖融化所引起的全球性问题，而地面沉降则是个局部问题，只会影响部分社区。

在沿海地区，不幸受到这两种现象冲击的地方，发生洪水的风险可能更严重。尽管内陆社区不太可能遭受海平面上升的影响，但许多地方，包括墨西哥城（Mexico City）和美国加州的圣华金河谷(San Joaquin Valley)，正在努力应对陆地下沉带来的挑战。

但也有好消息。尽管大多数科学家都认为，只有通过降低碳排放才能减轻海平面上升的影响，但这需要全球达成共识，而社区可以控制自己的土地下沉情况。荷兰乌得勒支大学地质学家、沉陷研究员吉勒斯·厄肯斯（Gilles Erkens）说:“如果因为海平面上升而导致洪水频发，那么就必须全世界共同应对。从某种意义上说，这让我们更容易解决地面沉降问题，因为你只需要关注本地。”

包括上海和东京在内的许多城市已经解决了这个问题。其他社区，如弗吉尼亚东部的Hampton Roads地区，现在也有了自己的创意解决方案。如果你惊讶地发现下沉是个局部的(或可解决的)问题，你可能会想到垂直的陆地运动，即全球均衡调整(GIA)。它是大约12000年前最后一个冰河时代的遗留物，主要北半球陆地反弹，因为它此前释放了数十亿吨重的冰。虽然在现在融化的冰下区域正在上升，但边缘的区域却在下降。

想象用你的手指戳一个气球。你会创造一个缩进，指尖上周围则会凸起。当你松开手指的时候（就像冰雪融化），当凸起消失的时候，缩进则会反弹回来。在北美大陆上，加拿大和阿拉斯加是受缩进影响最大的地方，而大西洋中部受凸起影响最大。将几秒钟的试验延长到数千年的时间，你就会明白类似于地球现在发生的事情。但正如你所预料，GIA是个相对缓慢的过程，不应该与影响许多社区的更严重下沉现象相混淆。

图3：当沉陷现象非常剧烈的时候，并不是由于全球均衡调整影响所致

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的菲利普·汉塞尔（Philippe Hensel）说:“如果某个局部地区出现土地显著下沉现象，这并不是全球均衡调整所致。哪怕在最大程度上，全球均衡调整作用都是相当小的。”汉塞尔表示，在阿拉斯加和加拿大这样的地方，受GIA影响而增加的高度为每年近10毫米。但由于GIA影响导致的沉降，这些区域每年下降最多1毫米或2毫米。

对于世界上大多数社区来说，严重下沉的原因完全是人为的，即过度抽取地下水。帕多瓦大学研究沉陷现象的地质学家西蒙·菲亚斯基（Simone Fiaschi）说：“你从地下开采出来的所有东西都会导致沉陷。你从组成地形的层状结构中移除一些东西，所以地面会开始坍塌。”

这意味着其他类型的提取，如抽取甲烷气体或石油，也能产生同样的沉陷效果。但地下水是世界上最重要的淡水资源之一，而抽取地下水通常是导致沉陷现象的罪魁祸首。印度是世界上最大的地下水使用者，85%的饮用水来自地下。而在欧洲，75%的人口从地下水中获得饮用水。除了饮用，地下水还有许多其他用途。以美国为例，2010年，农业灌溉每天消耗2.25亿立方米地下水，占被抽取地下水的60%。在不到两年的时间里，这足够填满空的太浩湖（Lake Tahoe），它是加州最大的湖泊。

地下水被认为是自然雨水和降雪渗透到岩石中储存起来。然而，在世界上的许多地方，地面上的水被用光的速度比补给的速度要快，这可能导致水的消耗和供应减少，但也会使土壤变得更紧凑，从而使上层岩层塌陷，有时这种现象十分显著。例如，墨西哥城大约有一半的饮用水依赖于当地的含水层。该市首席弹性官阿诺尔多·马图斯·克莱默(Arnoldo Matus Kramer)说，由于这座城市拥有2100万人口，用水效率低下（42%的水被浪费），地下蓄水层被过度开采了。按照这个速度，蓄水层将在50年内被抽空。与此同时，该市的部分地区每年下沉达30厘米。

图4：墨西哥城的某些街区每年下沉达30厘米

因此，这座城市陷入了一个恶性循环，因为地面沉陷会破坏水管等基础设施，使其更难维护，这又导致更多渗漏和更多水被抽取。克莱默说，除了使城市更容易受到水资源短缺的影响外，地面沉降还可能使许多建筑更容易受到地震的影响。世界上到底有多少地方受到沉陷的影响，这很难说。厄肯斯表示：“我们仍在努力获取世界各地的数据。对于很多地方，我们甚至不知到底发生了什么，这也妨碍了我们应对挑战的选择。”

尽管如此，从现有的数据来看，科学家们认为他们已经发现了有希望的东西。停止开采地下水可以阻止地面下沉，甚至有助于土地反弹。城市已经证明了这一点。在经过几十年的地下水开采后，东京土地开始越来越多地下沉，在1968年达到了每年下沉24厘米的峰值。与此同时，该市的地下水抽水量也达到每天150万立方米。作为回应，东京政府通过了限制抽水的法律。到21世纪初，这座城市的下沉速度降到每年1厘米。

图5：圣华金河谷(San Joaquin Valley)的大部分农业已经转型到水资源密集的永久作物（比如葡萄园）上，这导致沉陷现象更严重

但停止抽水需要改变城市水源的主要来源。在某些地方，这似乎是不可能的。以圣华金河谷(San Joaquin Valley)为例，这里占地面积约25900平方公里，主要依靠地下水来维持农业生产。由于最近的干旱，当地部分地区每年下沉的幅度达到60厘米。美国地质调查局地面沉降专家斯尼德表示：“这是世界上最快的沉降现象。”随着农业从种植西红柿、辣椒这样的轮换作物转变为像果园和葡萄园这样的永久性农作物，这个问题的恶化已经成为了一大趋势。

虽然这里的下沉并没有导致洪水泛滥，但它仍在破坏该地区的基础设施。其中一个例子就是它庞大的运河系统，用来将水运送到该地区。圣华金河谷的部分地区以不同的速度下沉，这导致依赖重力的运河系统崩溃。因此，加州立法者在2014年签署了一项法律，以确保地下水使用不会造成不合理的土地沉陷。

图6：自建造以来，这座位于圣华金河谷(San Joaquin Valley)运河上的桥已经下沉了约1米

然而，如何实现这个目标还有待确定。斯尼德认为，依靠替代水源似乎不太可能，因为加州没有足够的能力建设更多的水库。她说：“我认为他们开始意识到这将是一个多么艰巨的任务。在如何以不同的方式利用自己的土地问题上，当地人将会做出些非常艰难的选择。”

像上海这样的城市已经解决了这个问题，那就是不仅要限制泵水，还要重新填充空间。然而，一个更有创意的解决方案正在弗吉尼亚州开发。在那里，切萨皮克湾地区（Chesapeake Bay region）的南部（又被称为Hampton Roads），正受到三种不同力量的威胁。第一，这个地区现在正处于融冰边缘，因此GIA导致每年大约下沉1毫米，这种速度仍然是世界上最快的。

第二个问题是海平面上升，每年大约增加2毫米。第三，每年大约有2.8毫米的地下水被从波托马克（Potomac）的含水层中被大量抽取出来。在这个平坦的地区，这些因素正累加起来。该地区经常遭受洪水侵袭，同时咸水也会侵入蓄水层和脆弱的湿地，湿地面临被淹没的危险。

泰德·亨尼芬（Ted Henifin）是Hampton Roads卫生区的主管。几年前，他的团队开始怀疑，他们处理的废水是否有更好的用途，而不是将其倒回下水道中。如果他们可以用这些水做些更有价值的事情呢?这些思路导致了一个名为Swift的创新项目。该地区每天排放约682000立方米的污水。而Swift项目将对污水进行处理，达到饮用水的标准。此后，水将被重新注入含水层。

图7：弗吉尼亚州的Hampton Roads地区，洪水正在恶化，包括像这样的房子也受到威胁

Swift项目尚未开始，目标是在2019年获得许可，到2023年每天回注地下水45500到91000立方米。但在马里兰州和北卡罗莱纳州的模型已经发现，回注地下水可以增加压力。亨尼芬说:“在没有我们项目的情况下，如果我们继续大量抽取地下水，我们将会在50年内耗尽地下水，在最糟糕的区域内，土地会压实，下沉幅度可达61厘米。如果启动我们的项目，模型显示完全可以消除这些隐患。”

如果Swift项目取得成功，该计划将被扩大规模，在2030年达到每日回注地下水54.5万立方米，然后在其他县的污水处理厂复制该项目。然而美国地质调查局(USGS)科学家大卫·内姆斯(David Nelms)警告说，这可能不是万灵药。和其他地方一样，这里的地面是由粘土和沙子分层构成的。过去100多年的开采已经压缩了这两层。当水被注入时，它只会“泵出”沙子，粘土依然保持压实状态。内姆斯表示：“你永远回不到过去了，这是永久性的压实。但Swift项目的地点分散，地质情况不同，所以在不同的地方可能获得不同的反应。”

土地下沉可能是个复杂的问题。但是，像Swift这样的项目旨在解决这一问题，可能有理由保持乐观。我们不仅要解决沉陷问题，还要减轻海平面上升带来的双重挑战。亨尼芬说:“在我们的一生中，我们可以做些降低海平面的事情，这个想法可能是我们提出的唯一一个可以为我们争取更多时间的方法。”