全球城市观察｜大楼之重，旧金山湾区不能承受之重

海平面上涨，地面高度也在变化 

美国加州海岸带地表沉降与隆起分布图，蓝色为沉降区，红色为隆起区，颜色越深表示变化越剧烈。图片来源：https://earthobservatory.nasa.gov/images/147439/californias-rising-and-sinking-coast?src=ve

近30年来，全球海平面正在以每年3.3毫米的速度上升。主要原因在于海水升温、体积膨胀，并有冰盖和冰川的融水持续汇入。与此同时，陆地高度也并非一成不变。陆地的垂直运动，即地理学家所谓的沉降和隆升，是导致局部海平面上升速度与全球平均速度存在差异的原因。海面上升与地面沉降的叠加作用，甚至成为了印尼决定迁都的主要原因。

美国加州海岸带恰好也是一个典型案例。在长时间和大空间尺度上，板块运动导致沧海桑田已成共识。具体地区发生陆地隆起和沉降的原因可能很复杂，有自然因素，也有人为因素。自然过程主要包括：构造性运动、冰川均衡调整、泥沙输送和土壤压实等；而抽取地下水、油气生产、城市建设等人类活动也会成为诱因。

美国旧金山地表沉降与隆起分布图，蓝色为沉降区，红色为隆起区，颜色越深表示变化越剧烈。图片来源：https://earthobservatory.nasa.gov/images/147439/californias-rising-and-sinking-coast?src=ve

地面有升有降，城市有喜有忧

地势较低的旧金山国际机场正在沉降。旧金山湾的金银岛（Treasure Island）沉降也非常显著，每年沉降超过10毫米，可部分归咎于岛上的固体废弃物填埋场。金银岛是1937年用修建海湾大桥挖掘出的岩石泥浆建造而成的占地1.6平方公里的人工岛，成为1939年金门国际博览会的会场。1960年代，美国海军在此开辟了固体废弃物填埋场，处理了大量放射性设备和有毒化学品。2008年后移交民用，成为新兴社区，由专门公司开发经营。

人类活动会对地表升降带来立竿见影的影响。比如，因近年来持续补给地下含水层，圣塔安那（Santa Ana）周边区域明显隆起。还有屡屡出现的城市建筑沉降的新闻，比如旧金山千禧塔（Millennium Tower）自建成之后一直在下沉、倾斜和开裂。

同时，湾区存在大量断层活动，可能造成地表沉降，也可能导致隆升。有时断层活动会抵消人类活动带来的影响。比如，洛杉矶由于地表隆升，较少受海平面上升的威胁。

海平面上涨背景下，对海岸地带而言，需及时出台长期韧性提升规划，以及应对气候变化和海面上升不利影响的适应性策略。 

旧金山湾区海水上涨淹没区域示意图，橘色线为海水上涨3英尺（0.91米）对应淹没区域，黑色线为海水上涨10英尺（3.04米）对应淹没区域。图片来源：https://www.sfchronicle.com/climate/article/Sea-level-rise-will-affect-San-Francisco-Bay-14439143.php

城市大楼——地面不可承担之重

在城市蔓延的重压之下，湾区大部分地区都在下坠。与此同时，海面还在持续上升。未来几十年里，湾区城市如何保全？

美国地质调查局地球物理专家汤姆·帕森斯（Tom Parsons）就此问题开展了研究。他计算了湾区每栋建筑的重量，发现总重量如此之大，约16亿吨，相当于700万架波音747的重量。他的研究表明，经历一个世纪的开发后，湾区地面平均下沉了约7.9厘米。其中，高达197米的千禧塔，10年沉降了约40多厘米，且沉陷并不均衡，导致大楼成为“斜塔”。

针对巨型建筑对地表施加压力的问题，已有若干工程补救措施，比如采用大量深达基岩的桩基支撑。然而，此前并未就区域内建筑物重量导致的整体影响开展研究。帕森斯发现，建筑物的累积应力通常小于造成地面高度变化的其它力的作用，比如水土流失和构造作用。但建筑重量仍然不容小觑，让已然受到上涨海水威胁的海岸地带雪上加霜。他认为，最大的影响来自于风暴潮和洪水。 

帕森斯的研究对全球海岸地带具有普遍意义。其它经历了大规模开发的海岸区域也可能出现建筑沉降，同时也需应对海平面上升。更糟的是，随着人们迁居城市，集中开发建筑的重量进一步增加，沉降的可能性亦随之增加。

帕森斯提取湾区建筑数据库信息，据此计算建筑结构本身重量及其内容物的重量。不出所料，旧金山、奥克兰和圣何塞的城区重量最大。评测的近百万栋建筑中，旧金山国际机场最重，费利蒙的特斯拉工厂、旧金山的UCSF帕纳苏斯医学院以及圣克拉拉的李维斯体育场紧随其后。

左图为产生最大压力的三栋建筑位置图，三栋建筑均位于旧金山市区；右图为最重建筑与地面沉降速度分布图，从暖色到冷色，沉降速度增加。图片来源：https://www.sfchronicle.com/environment/article/San-Francisco-Bay-Area-sinking-under-its-own-15961703.php

道路、桥梁和其它基础设施并未纳入计算，因此计算数值远低于实际重量。根据模型计算，就整个湾区而言，因建筑重量导致的地面沉降数值通常在0.635厘米到7.6厘米之间。局部位置沉降则要大得多。旧金山市区地面每年沉降值达到1.9厘米。 

加州大学圣克鲁斯分校地球与行星科学教授加里·格里格斯（Gary Griggs）表示，这种崭新的计算方法有助于提供地表变化更全面的图景。他认为，导致地表沉降的因素常被湾区大量断层活动（如隆升）抵消。即便如此，旧金山国际机场与海水高潮水位仅0.6米之差，湾区怎能高枕无忧？

当前普遍认为，到2050年湾区海平面将上升约0.3米，到本世纪末上涨将超过0.9米。从历史上来看，造成地面沉降的最典型人为活动在于抽取地下水。近年来这一活动在湾区并不常见，且抽取地下水之后，随着降水补给含水层，沉降可以恢复。因此，相比较而言，大楼重压成为湾区地表无法承担之重。 

拯救湾区（Save the Bay）机构的执行董事戴维·刘易斯（David Lewis），一直在与社区合作以制定海平面上升应对方案。他认为，无论是人类活动导致，还是其它原因导致，地面沉降的相关信息，掌握得越多越好。

“海平面上涨是湾区面临的巨大威胁，其后果已经在天文大潮和极端风暴中展现出来。” 

参考文献：

Parsons, Tom. (2021). The Weight of Cities: Urbanization Effects on Earth's Subsurface. AGU Advances. 2.