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1、地層下陷之調查與監測方法介紹柳志錫工業技術研究院能源與環境研究所、八一、冃U言地層下陷問題是世界性的通病，世界上許多地區均曾出現地層下陷現象，而下陷之結果為造成不同程度的災害，例如：土地流失、排水設施功能減低、地下管線破壞、公共設施損壞、洪災淹水風險增高等。表-1統計世界上一些地層下陷之實例，其中以墨西哥市累積下陷達 9公尺最為驚人。表-1世界各主要嚴重下陷地區相關資料地點最大下陷量（公尺）下陷面積（平方公里）發生年限日本東京419019201970+日本大阪319019281968墨西哥墨西哥市913019381970+美西亞歷桑大中部2.313019611969+加州 San ta Cla
2、ra谷465019201970San Joaquin谷2.9911,00019351970+拉斯維加斯150019351963台灣地區在近幾十年來也出現了嚴重之地層下陷問題，先是民國50、60年的台北市，下陷量達2.5公尺，所幸相關水資源規劃及管制得宜，下陷情形得以 控制。然近一、二十年來西南沿海養殖漁業及相關耗水產業之移入，使自彰化 以迄屏東之沿海普遍下陷，其中屏東燄塭地區之最大下陷量高達3.22公尺（工研院能資所，民國93年），因此每遇豪雨颱風動輒積水不退，儼然是嚴重之社會與 經濟問題。二、地層下陷之成因廣義之地層下陷指得是地層受外力作用引起壓縮，並造地表面下沉之現象，其發生成因甚多，在自
3、然因素方面包括：（1）地殼變動，如火山爆發，造山運動，地殼板塊相互移動等，都可能造成地表 高程之降低；(2) 岩層溶蝕，如石灰岩地形之地質層次因地下水之流動溶解，或部分地區之抽 砂現象，致地表因而陷落；(3) 外來力量，如地震、隕石墜落等；(4) 海水面上昇，鑑於地表高程之基準目前仍以海平面為主，海水面上昇相對即 為地表高程之降低，故在此定義下亦為地層下陷成因之一。除上述天然因素外，事實上世界上目前所觀測到之地層下陷主要多為人為 因素所造成，包括：(1) 石油、天然氣、其他礦產之開採或者是地下工程之施工，使得地底支撐之材 料減少，致地表陷落；如北海油田、日本新瀉地區之瓦斯抽取及台灣北部八 堵煤
4、礦區所發生之下陷等。(2) 地下水之抽取，原存在於地層土壤顆粒孔隙間之水分被抽出，使得地層以上 之重量僅由土壤顆粒承擔，致應力增加造成壓密，地層因而下陷( 如圖 -1) ；這是世界上很多地區發生地層下陷之原因，亦是台灣西南沿海地區近二、三 十年來地層下陷嚴重之主要因素。(3) 地表載重之增加，尤其在軟弱地盤 (如填海新生地 ) 上構築工程，由於地層之 壓密可能尚未完成，額外之載重將加速土壤之壓密而造成下陷。如日本關西 機場之下陷便是著名之例子。歸納以上人為之地層下陷成因，除了 (1) 所造成之下陷有可能發生於岩盤 地區外，可以發現大多數地層下陷區之地質為現代沖積層，其乃因為組織質 地較疏鬆軟弱
5、之現代沖積地層，易受外力影響而發生地層壓縮，進而形成地 層下陷。三、地層下陷之調查方法 地層下陷係來自地質材料間之壓縮或壓密，並顯現於地表高程之降低，但 是要如何偵測這些現象，以瞭解其發生之程度、範圍及趨勢，進而作為研擬下 陷對策之參考依據呢？本節即為介紹目前常用之地層下陷調查方法，並簡述其 應用上之優點與限制。一、傳統水準測量 一般地政單位或相關工程單位均定期或視需要實施大面積或局部性之水準測量，以掌握地形地物地貌之變化。事實上國內首先發現地層下陷現象，即於 - 2-五O年代在台北地區，由工程人員於檢測堤防高程時所發覺。其自地層下陷區 以外之一等水準點以精密水準測量引測至地層下陷區，並於地層
6、下陷區設置適 量之基準點，經由多次不同時間之測量結果比較，可求出地層下陷量；由各基 準點的地層下陷量，可繪出等下陷量線，求出下陷中心。至目前為主，傳統水 準測量無論在精確度上（一等水準測量之精度，閉合差要求在 3mmk（公里），k為 量測距離），或對全區域整體地層下陷現況之掌握上，是較普遍可接受之方法。除此之外，比較過去歷次檢測結果，亦可觀察出地層下陷範圍之變化、及其與 產業分佈或土地利用之關係；但是這種方法其限制之處即其耗費人力、時間較 多，且測量之時間間隔較大，不易獲得連續之地層下陷資料。目前水利單位於 沿海地層下陷較嚴重之地區施行傳統水準測量即限於人力時間，故平均23年方得輪到施測一次。
7、二、地層下陷監測井為瞭解某一地點連續之地層下陷變化情形，利用地層下陷監測井為一常用 之方法。其原理基本上是假設所鑽鑿之井管底部為不動之基準，而於地表或其 上之地層裝設監測儀器以量測地層下陷。一般上可分為單井單層及單井多層式 下陷監測井，以下就常用之型式分別加以說明:（一）單井單層式監測井（圖-1）:可分為單管式與雙管式1. 單管式鑿一夠深之井，並安置單一井管，透過觀察井管頂點與地表觀測位置之變 化來量測地表至井底間地層之下陷量，此法之特點為簡單易測，但因受井管 與地層間之摩擦效應影響，誤差較大。2. 雙管式為了改善前述單管式之缺點，而將其改良為雙管式，其原理即於原井管 中再加入一管，則此內管僅
8、底部豎立於井底，井壁並未與地層土壤接觸，故 比較能掌握到相對於井底之沈陷量。（二）單井多層式監測井一般而言，分層式之監測井較有助於瞭解地層下陷之行為機制，以作為下 陷防治措施擬定之參考。例如日本新瀉地區曾因為採集地下水溶瓦斯，因而設 置一系列不同深度單管式觀測井，以蒐集地下一百多公尺至一千多公尺之地層 壓縮資訊，並在確定主要之壓縮地層後，以高壓還原水補注或減產來緩和地層下陷，但這種方式成本相當高；因此利用單井即可達到多層觀測之系統，是較 為經濟可行之分層監測方法（李伯當，黃鎮臺，民國80年）。表-2為常見的一些方法的比較，但在國內比較常用之方法為磁環分層式及伸縮儀式監測井。表-2 分層觀測方法
9、比較（李伯當，黃鎮臺，民國80 年）型式比較多點式伸張儀施工技術咼，多層同時觀測費用少，點位與點數須向 原廠定製，無法臨時變更。三軸向沉陷計可測地下每米X、Y、Z之三軸位移變量，精度Z軸可達0.005mm/m, 般用於岩盤地區。磁環分層式般精度約為土 2.5mm可用於砂土層沉陷測定，無線 電波式則有較咼之精度（約1.0mm）o伸縮儀式利用油壓打開錨錠裝置，施工過程較費時。磁環分層式監測井為利用探棒探測預埋井內之感應環位置，再利用精密之高 頻無線電波偵測設備搜尋地層中磁環，其由接收器之指針測定磁環之中心位 置，再藉銦鋼尺測探深度，判定位置之精度可達0.1公分，可適用於大深度之量測，圖-2為其示意
10、圖（工研院能資所，民國92年）。伸縮儀式監測井（圖-3）可於埋設施工時臨時決定其測定深度之優點， 裝設時利用測桿壓入機油，使底部油壓爪張開而達到錨錠的效果，油壓爪張開 插入土層程度與灌漿效果關係日後觀測資料的品質，若油壓爪錨錠地層不佳， 則其測桿將於地陷過程中無法忠實反應至下陷變量之測定。三、衛星或遙測技術之應用針對上述所介紹目前普遍應用於地層下陷監測兩種方法之缺點，有一些新 技術正陸續被評估引進中，本文介紹以下兩種：（一）衛星定位系統測量（GPS）利用衛星訊號進行地面基點之定位，其優於傳統水準測量之處為不易受天 候地形影響，且較節省時間，並可進行自動量測與紀錄，這項技術在國外已 實際應用於水
11、點基點之量測，其在水平方向之位移量測精度很高，垂直位移 之量測精度稍差；但是近年來在軟硬體技術不斷進步之下，這項技術於應用-4上已逐漸成熟，相當具有潛力。(二 )雷達波干涉分析技術 INSAR(Interforometric Synthetic Aperture Radar) 前述各種地層下陷量測方法均需藉由觀測儀器親臨現場量測，雷達波干 涉分析技術 (INSAR) 則能以透過衛星遙測分析技術，獲得地表高程變動量，不 必赴現場，人力時間皆可節省，且可瞭解大面積區域之下陷趨勢及分佈，可 是其精度與地表之條件 ( 岩石或土壤，森林或草原 )有很大的關係，因此目前 而言，在應用上仍有相當之限制；但無
12、論如何這種可快速獲得大面積地層下 陷資訊之方法，仍值得進一步之發展。四、結語 超抽地下水所引起之地層下陷是緩慢的地表下沉現象，因此容易被忽略， 直到當下陷量逐漸增大並發生災害時，才會感知其嚴重性，所以又有人稱之為 土地沉默的危機。面對這樣的問題，其實最好的方法是 ”知微而杜漸 ”，在發生下 陷之初即加以解決，便可避免後續的災害發生，但因為地層發生下陷初期，下 陷量並不明顯，若要早期預知則需靠精密的調查與監測技術，因此本文介紹了 常用之調查方法與監測儀器，可提供不同使用者作最佳之選擇；總之地層下陷 是一種永久性的土地災害，陷落之土地很難回復，因此預防地層下陷之發生遠 比災後整治更為重要。五、參考文獻1. 台灣省水利局：台灣沿海地層下陷地區之歷年水準檢測報告。2. 工研院能資所：台灣地區地層下陷監測調查分析，期末報告，水利署，民國 92年12月。3. 李伯當、黃鎮臺 :地盤下陷監測方法之探討，地工技術雜誌第 36期，民國 80年經濟部，農委會 :地層下陷防治執行方案，民國 85年。- 5-6-圖-1單井單層式監測井示意圖-6-6-上?-不制槽（Jt螯更嗥石層）圖-2磁環分層式地層下陷監測井圖t測疋沁,雇至家土:测掉圖-3伸縮儀式監測井示意圖-6-