北京地面沉降與地下水開采時空演變對比

田 芳1，羅 勇1,2，周 毅1，李 宇3，寇文杰1，姜 媛3，王 榮1

(1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2.中國科學院大學 地球科學學院，北京 100049；3.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195)

摘要：區(qū)域地面沉降是世界上很多城市都要面對的一種“城市病”。地下水過量開采是這一問題最普遍的原因，北京也因此出現(xiàn)了嚴重的地面沉降問題。為了全面認識地下水開采格局變化下的地面沉降發(fā)育分布的新特點，推動實現(xiàn)《北京地面沉降防治規(guī)劃(2013-2020年)》中的“控沉目標”，對北京市從解放初期至今60多年間的地下水開采和地面沉降演變進行了時間和空間上的定性定量對比分析。結(jié)果表明：地面沉降的形成發(fā)展階段與地下水開發(fā)利用階段高度吻合；地面沉降中心區(qū)與地下水位降落漏斗區(qū)的時空變化高度相關(guān)；隨著地下水開采深度整體上向地表以下更深層發(fā)展，主沉降層逐漸向深部(100 m以下)地層轉(zhuǎn)移，為地面沉降防控決策制定提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地面沉降；地下水；時空演變；北京平原區(qū)

地面沉降現(xiàn)象在世界范圍內(nèi)普遍存在，作為一種“緩變地質(zhì)災害”，具有成災慢、持續(xù)時間長，影響范圍廣等特點，可導致建筑物開裂破壞、城市內(nèi)澇、降低防潮抗洪能力等各種災害。目前我國遭受地面沉降災害的城市超過50個，據(jù)粗略統(tǒng)計，從1949年以來由其造成的經(jīng)濟損失累計高達4 500～5 000億元[1]。其中最嚴重的長江三角洲(上海、蘇錫常、杭嘉湖等)、華北平原(北京、天津、河北滄州、山東德州等)、)和汾渭盆地(西安、太原)，這三個區(qū)域性的地面沉降區(qū)，過量抽取地下水是最主要的原因[2-9]。

在國內(nèi)外主要因地下水開采而發(fā)生地面沉降的地區(qū)，盡管發(fā)生地面沉降的地質(zhì)環(huán)境模式不同，如美國得克薩斯州休斯頓、意大利艾米利亞-羅馬涅區(qū)、上海、蘇錫常和天津?qū)偻瑢儆谘睾Ｈ侵薜貐^(qū)，西安和太原屬于內(nèi)陸斷陷盆地，但是地面沉降演化對地下水超采的響應具有普遍性[10-13]：(1)在采取地下水限采措施之前，地面沉降的發(fā)展一般會經(jīng)歷緩慢、顯著、急劇沉降等幾個階段，與同期地下水的少量、大量、超量開采等幾個階段相對應；(2)地面沉降與地下水降落漏斗在時間上和空間上的演化具有良好的一致性；(3)地面沉降主要壓縮層位隨著地下水主要開采層的變化而變化。關(guān)于北京地區(qū)地面沉降對地下水開采的響應，前人也有過研究，如基于InSAR監(jiān)測和地下水動態(tài)監(jiān)測從平面上系統(tǒng)分析北京地區(qū)地下水降落漏斗區(qū)和地面沉降的形成演化[14]，分層壓縮變形量與地下水位變化的定性定量關(guān)系[15]等。

國土資源部和水利部于2012年3月2日印發(fā)了《全國地面沉降防治規(guī)劃(2011-2020年)》，全面部署和推進地面沉降防治工作。北京市也制定了《北京市地面沉降防治規(guī)劃(2013-2020年)》，提出控沉指標“區(qū)域地面沉降速率”和“沉降中心沉降速率”到2020年分別控制在15 mm/a和30 mm/a以內(nèi)。北京市地面沉降當前仍處于快速發(fā)展階段，沉降中心最大年沉降速率從2007年-2010年連續(xù)超過100 mm/a[16]，實現(xiàn)控沉目標任務艱巨。鑒于此，本文將從時間空間維度上對比建國至今60多年來北京平原區(qū)地面沉降形成發(fā)展和地下水開發(fā)利用，基于地下水動態(tài)監(jiān)測、地面沉降高精度水準測量和分層標數(shù)據(jù)，揭示地面沉降隨地下水開采布局和開采層次變化而出現(xiàn)的新特點，最后探討了北京沖洪積平原地質(zhì)環(huán)境模式下的地下水開采引發(fā)地面沉降的共性和特性，以為有效控沉提供依據(jù)。

1 地面沉降形成發(fā)展與地下水開采的時間演變

北京市的地下水開發(fā)利用從解放后到現(xiàn)在可分為初步開發(fā)、開采增加、開采控制和嚴重超采四個階段。依據(jù)地面沉降區(qū)的變化范圍、面積、沉降量和沉降速率等特征，北京市地面沉降的形成發(fā)展過程也可劃分為形成、發(fā)展、擴展及快速發(fā)展四個階段[17]。兩者各個階段的主要特征對比如下。

1.1 地下水初步開發(fā)階段與地面沉降的形成階段

從20世紀50年代到20世紀70年代初，北京市地下水處于初步開發(fā)階段，采補整體基本平衡，只在城近郊局部地區(qū)出現(xiàn)超采。地面沉降也只出現(xiàn)在超采區(qū)。

1949年北京市解放時地下水開采量為803萬m3[17]。解放后，隨著人口和工農(nóng)業(yè)發(fā)展，地下水資源開始大規(guī)模開發(fā)。1961年全市平原區(qū)地下水開采量為5.2億m3，1965年則大幅增加到12.11億m3，從1961年到1970年，平均每年的地下水開采量為10.79億m3。這一時期，城近郊區(qū)地下水開采量增加最為明顯，1965年的地下水開采量為4.8億m3，占當年全市地下水開采總量的40%左右。據(jù)1955年-1966年水準測量數(shù)據(jù)，東郊紡織工業(yè)區(qū)和東北郊酒仙橋電子工業(yè)區(qū)的累計沉降量分別達到58 mm和30 mm。1971年平原區(qū)地下水開采總量為13.8億m3，在地下水開采量大幅增加的城近郊區(qū)(東部的八里莊-大郊亭、東北部的來廣營-酒仙橋一帶)形成區(qū)域性地下水降落漏斗。東八里莊-大郊亭沉降區(qū)和來廣營沉降區(qū)逐漸形成，面積不斷擴大，沉降速率每年幾毫米到二十幾毫米，最大累計沉降量到1973年分別達到230 mm和126 mm，大于50 mm的沉降區(qū)面積擴大至400 km2。

1.2 地下水開采增加階段和地面沉降的發(fā)展階段

從20世紀70年代中期到80年代初，地下水開采量顯著增加，地下水年虧損量也逐年增大，城近郊區(qū)超采現(xiàn)象嚴重，地面沉降區(qū)相對集中，沉降速度快，累計沉降量大。

這一時期的地下水開采程度顯著提高，開采量是20世紀60年代初的兩倍多。到1978年，地下水年開采量突破25億m3。城近郊區(qū)地下水出現(xiàn)嚴重超采，十年間的地下水儲存量減少了12.42億m3。遠郊區(qū)縣地下水開采量也有較大增長，但未達到嚴重超采程度。從這時起，北京市地下水資源逐年累積超采。20世紀80年代初期降水連年偏少，每年的地下水開采量在26～28億m3，城近郊區(qū)年開采量最高時可達到9.52億m3。據(jù)1983年5月水準測量數(shù)據(jù)，東郊地面沉降區(qū)累計沉降量大于50 mm的區(qū)域面積達到600 km2，呈快速擴展趨勢，形成東部大郊亭和東北部來廣營兩個沉降中心，1955年-1983年的累計地面沉降量分別達到590 mm和307 mm。其它各區(qū)地面沉降不明顯。

1.3 地下水開采控制階段和地面沉降擴展階段

20世紀80年代初到90年代末這段時期，北京市地下水開采量相對穩(wěn)定，地下水超采區(qū)由早期主要集中在城近郊區(qū)逐漸向遠郊區(qū)縣擴展，超采區(qū)面積占平原區(qū)面積70%多。早期形成的沉降區(qū)的沉降速率減緩，新的沉降區(qū)形成，沉降區(qū)面積顯著擴大。

從1981年起，北京市對城鎮(zhèn)地下水采取了包含節(jié)水等的一系列科學管理措施，使城近郊區(qū)地下水開采量由20世紀70年代至80年代初期的每年8.5～9.5億m3，逐漸減少到20世紀80年代中后期的每年7.5～8.0億m3。隨著開采量的減少，東郊地區(qū)的地下水位下降速度明顯減緩，地面沉降速度也有所減小。但在未實現(xiàn)自來水管網(wǎng)覆蓋的東郊邊緣地區(qū)，地下水開采量仍不斷增大，出現(xiàn)了新的地下水降落漏斗區(qū)，東郊地面沉降區(qū)逐漸向東、向北擴展。在昌平沙河-八仙莊和大興禮賢-榆垡一帶，新的沉降區(qū)形成。到1987年底，平原區(qū)累計地面沉降量大于50 mm的面積達1 557 km2。

從20世紀90年代開始，地下水開采量相對穩(wěn)定，全市每年開采量在26～28億m3。地下水的采補出現(xiàn)了新一輪的動態(tài)平衡，但是與20世紀60年代的天然狀態(tài)比，累計虧損量仍然比較大。這一時期的地面沉降區(qū)面積在穩(wěn)定增加。到1999年底，平原區(qū)形成了五大大沉降區(qū)，包含朝陽東八里莊-大郊亭、朝陽來廣營、昌平沙河-八仙莊、大興榆垡-禮賢和順義平各莊，最大累計沉降量分別達到722 mm、565 mm、688 mm、661 mm和250 mm，累計沉降量大于50 mm的面積達2 815 km2。

1.4 地下水嚴重超采階段和地面沉降快速發(fā)展階段

從20世紀90年代末至2010年，北京市遭遇了有史以來歷時最長的連續(xù)枯水年，大部分年份的降水量低于多年平均降水量。北京市采取了有效的開源節(jié)水措施，加大外調(diào)水，建設(shè)應急水源地，加快推進節(jié)水型社會建設(shè)，地下水開采量逐步下降，從2000年的27.08億m3逐漸下降到2010年的21.20億m3，但是地下水供水量仍占整體供水的2/3左右，地下水儲變量以比以往更快的速度持續(xù)虧損。這個時期的北京地下水處于嚴重超采狀態(tài)。從1999年到2010年是北京地面沉降快速發(fā)展階段。到2010年底，平原區(qū)累計地面沉降量大于50 mm的面積達4 281 km2，相比1999年，增加了1 466 km2，增長速度之快超過以往任何階段。已形成的沉降區(qū)不斷向外擴展，新的沉降中心出現(xiàn)，如朝陽來廣營沉降區(qū)金盞-樓梓莊沉降中心自2007年連續(xù)四年的年沉降速率都超過了100 m/a，東八里莊-大郊亭沉降區(qū)中出現(xiàn)了三間房、通州城區(qū)和臺湖-黑莊戶三個沉降中心。一些新的沉降區(qū)，如海淀山后西小營-上莊、平谷城區(qū)等，2010年InSAR監(jiān)測年沉降速率都超過了60 mm/a。

這一階段，北京市遭遇歷史上最長的連續(xù)枯水年，地下水開采量穩(wěn)中有降，但地下水超采區(qū)顯著增加，占平原區(qū)面積超過90%。地面沉降區(qū)在快速擴展，新的沉降中心出現(xiàn)且其年沉降速率達到以往最大沉降速率的四倍多。

北京市地面沉降和地下水開采的時間演變見表1。通過這種對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，北京市地面沉降的形成發(fā)展階段和地下水開采利用的階段性變化高度吻合，地面沉降速率和分布范圍與地下水開采強度和布局密切相關(guān)。

2 地下水降落漏斗與地面沉降中心區(qū)的時空演變

北京市地下水降落漏斗最早形成于1971年，當時的漏斗中心位于東北郊酒仙橋附近，只是局部的小漏斗。從20世紀70年代開始，東郊地區(qū)出現(xiàn)了較大的地下水降落漏斗。從20世紀80年代后期至90年代中期，地下水位降落漏斗面積呈現(xiàn)逐年增加趨勢，漏斗范圍由東郊向著通州、順義和昌平地區(qū)逐漸擴大 [11]。從20世紀90年代后期至今出現(xiàn)了連續(xù)的干旱年份，地下水位普遍下降，很多地方的水位達到歷史最低水平，地下水降落漏斗仍在逐漸擴展，平谷地區(qū)也出現(xiàn)了地下水降落漏斗。地下水位降落漏斗面積從1975年的250 km2增加到2010年的1 280 km2，漏斗中心水位埋深也相應的從23 m增大到近44 m(圖1)。

從基于高精度水準測量獲得的累計沉降量分布圖可以看出，1966年-1983年的地面沉降中心區(qū)(本文中特指“大興區(qū)以北累計沉降量≥100 mm的地區(qū)”)與1973年的主采層地下水漏斗范圍吻合非常好(圖2)，累計沉降量最大點(>400 mm)也位于漏斗內(nèi)。1955年-1999年的地面沉降中心區(qū)與同時期的地下水漏斗擴張方向一致(圖3)，即向東(通州)、東北(順義)、西北(昌平)擴展。到2010年，地下水降落漏斗朝順義和朝陽南部地區(qū)擴展最為明顯(圖4)，地面沉降中心區(qū)相比于1999年繼續(xù)朝東北(順義、平谷)、東南(通州)和西北(昌平)方向擴展，面積增加1倍多，朝陽和通州區(qū)近三年來沉降速率連續(xù)超過的100 mm/a的局部沉降量最大點都位于地下水漏斗范圍內(nèi)。

3 地下水主采層與地面沉降主壓縮層的變化

2000年以前，北京地區(qū)農(nóng)業(yè)用水開采層集中在80～100 m，工業(yè)和城鎮(zhèn)生活用水開采層主要集中在80～200 m或100～200 m，200～300 m的深層承壓水開采量較小，頂板埋深大于300 m的深層承壓水尚未開發(fā)利用。以2000年為例，80～100 m以上開采段的開采量為12.43億m3/a，以下開采段的開采量為5.92億m3，分別占總開采量的68%和32%。在北京平原中下部的大部分地區(qū)，從地表至埋深80～100 m為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層，地層壓縮性相對較高，屬地下水農(nóng)業(yè)開采層，開采程度較高。以往據(jù)此認為，100 m以淺土體是地面沉降的主要貢獻層[18]。100～280 m為中更新統(tǒng)沉積層，土體壓縮性較低，為次要貢獻層。

與2000年以前相比，當前北京市平原區(qū)地下水開采層位發(fā)生了明顯變化。由于平原區(qū)淺部含水層水位的持續(xù)下降以及水質(zhì)惡化，因此地下水開采層位和開采深度整體上向地表以下更深層發(fā)展，除局部地區(qū)工程施工排水外，潛水開采量幾乎為零，地下水開采類型也由原來的以潛水或淺層承壓水為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹猩顚映袎核疄橹?。以近三年年沉降速率均超過100 mm/a的朝陽區(qū)東南郊某鄉(xiāng)為例，該地區(qū)2011年共有水井127眼，其中井深<100 m、100～200="" m和="">200 m的井數(shù)分別為78眼、23眼和26眼，年開采量分別為22萬m3、91萬m3和58萬m3。從圖5可以看出，盡管井深100 m以內(nèi)的水井數(shù)量占比61.42%，但其年開采量僅占12.87%，而井深在100～200 m的水井數(shù)量雖僅占18.11%，但其年開采量占比達到53.22%?？梢娫摰貐^(qū)的中深層和深層含水層已經(jīng)成為主要的開采層。

開采層的變化導致不同埋深含水層水位也出現(xiàn)了相應的變化。該區(qū)內(nèi)612號和204號分層觀測井(圖6)水位動態(tài)曲線顯示，100 m以淺含水層年均水位保持相對穩(wěn)定狀態(tài)甚至有小幅回升，而100 m以深含水層水位均出現(xiàn)了不同程度的下降，且含水層埋深越大，水位降幅越大。

伴隨著地下水開采層位的變化，通過地面沉降監(jiān)測站內(nèi)分層標長時間序列數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)地面沉降不同壓縮層位的沉降貢獻比例發(fā)生了顯著變化：平原區(qū)絕大部分地區(qū)地面沉降的主要貢獻層已經(jīng)從100 m以淺轉(zhuǎn)移到100 m以深的地層。表2是自2004年開始監(jiān)測的北京市首批建設(shè)的三個地面沉降監(jiān)測站內(nèi)100 m(左右)上下地層歷年沉降比重變化。

從監(jiān)測初期的2005年以來，這三個站100 m(左右)上下地層在地面沉降總量中的比重變化呈現(xiàn)出相同的特點：100 m以深地層的沉降量占總沉降量的比重總體呈增大趨勢，從2005年50%左右上升到2012年的70%左右。這一變化表明引起沉降的主要層位已向深部地層轉(zhuǎn)移，同時也力證了北京地面沉降的主要壓縮層變化與地下水開采層位的顯著相關(guān)性。

4 討論

北京平原區(qū)地面沉降形成發(fā)展階段與地下水開發(fā)利用階段的對應、地面沉降中心區(qū)與地下水降落漏斗兩者時空演變的相關(guān)性以及地面沉降主壓縮層隨地下水主采層變化而發(fā)生的轉(zhuǎn)移，顯示了北京平原區(qū)與其他不同地質(zhì)環(huán)境模式下地面沉降對過量開采地下水響應的共性。

除了上述抽水型地面沉降的共有特征外，北京地面沉降的平面分布還明顯受控于地質(zhì)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出了沖洪積平原模式的特性。北京平原區(qū)主要是在五大河流(永定河、潮白河、溫榆河、大石河、薊運河)沖、洪(湖)積作用下形成的。從沖洪積扇頂部至沖洪積平原地區(qū)，含水層顆粒由粗變細，結(jié)構(gòu)由單一層逐漸過渡到多層，在平面上可劃分為單一結(jié)構(gòu)區(qū)和多層結(jié)構(gòu)區(qū)。地面沉降區(qū)基本與含水層多層結(jié)構(gòu)區(qū)的分布相吻合，累計地面沉降量大于50 mm的地區(qū)主要分布在沖洪積扇中下部地區(qū)。沖洪積扇中上部地區(qū)含水層富水性好，建設(shè)有多個北京市重要的水源地。以建于潮白河沖洪積扇中上部的懷柔應急水源地為例，自2003年并網(wǎng)運行到2009年底，在懷柔和順義交界地帶已經(jīng)形成了一個大型地下水降落漏斗，地下水位平均累計降深超過20 m[19]，但并未像在沖洪積扇中下部地區(qū)抽水那樣而出現(xiàn)明顯的地面沉降。

因此，針對風險評價做出的地面沉降重點防治區(qū)[20]，控制地下水開采從而遏制地下水位的下降趨勢，是減緩地面沉降最快最有效的方式。特別是重點防治區(qū)內(nèi)的高速鐵路等對差異沉降比較敏感的工程，要研究其致災閾值，必要時將地下水開采調(diào)整方案細化落實至不同區(qū)域、不同層位、不同用途的具體開采井上[21]，在南水進京后，優(yōu)先置換影響區(qū)內(nèi)的自備井[22]。另一方面，在地面沉降風險性低的沖洪積扇頂部實施地下水庫調(diào)蓄工程[23]，涵養(yǎng)恢復地下水資源，增強供水能力，減少地面沉降重點防治區(qū)內(nèi)的地下水開采量。

5 結(jié)論

(1)北京地面沉降的形成演化具有抽水型地面沉降的一般特征，其形成、發(fā)展、擴展及快速發(fā)展階段分別與地下水開發(fā)利用的初步開發(fā)、開采增加、開采控制和嚴重超采階段相對應，地面沉降中心區(qū)和地下水降落漏斗的時空演變高度相關(guān)，地面沉降主壓縮層隨地下水主開采層變化而向深部地層轉(zhuǎn)移。

(2)北京地面沉降的發(fā)生發(fā)展表現(xiàn)出了沖洪積平原地質(zhì)模式的特性，即地面沉降區(qū)基本與地下水多層結(jié)構(gòu)區(qū)的分布相吻合，累計地面沉降量大于50 mm的地區(qū)主要分布在沖洪積扇中下部地區(qū)。

(3)在地面沉降風險性大的重點防治區(qū)，限制地下水開采從而遏制地下水位的下降趨勢，是減緩地面沉降最快最有效的方式。

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Contrastive analysis of spatial-temporal evolution between land subsidence and groundwater exploitation in Beijing

TIAN Fang1,LUO Yong1,2,ZHOU Yi1,3,LI Yu4,KOU Wen-jie1,JIANG Yuan4,WANG Rong1

(1.Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology,Beijing 100195,China;2.College of Earth Science,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100149,China；3.Beijing Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development,Beijing 100195,China)

Abstract：Regional land subsidence is one of the city diseases which many cities in the world must be facing.Excessive exploitation of groundwater is the most common reason for urban land subsidence.Land subsidence is particularly significant due to groundwater exploitation in Beijing.Based on a method combining qualitative and quantitative analysis,a contrastive analysis of spatial-temporal evolution between land subsidence and groundwater exploitation during 60 years was carried out in the paper in order to understand the new characteristics of land subsidence distribution with new conditions of groundwater exploitation and promote implementation of Beijing Land Subsidence Control Program (2013-2020).The results showed that it was quite consistent in the temporal patterns of formation and development between land subsidence and groundwater exploitation;the spatial-temporal distribution of land subsidence center area was highly correlated with the changes of groundwater depression cone;the primary subsidence layers gradually shifted to deeper formation (with depth more than 100 m) along with the increase of the mining depth of groundwater.These findings will provide the basis for decision-making of land subsidence control.

Key words：land subsidence;groundwater;spatial-temporal evolution;Beijing plain area

收稿日期：2016-11-14

修回日期：2017-02-15

網(wǎng)絡出版：時間:2017-03-27

網(wǎng)絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/13.1334.TV.20170327.1439.049.html

基金項目：北京市科技計劃課題(Z131100005613022)；北京市自然科學基金(8162043)；北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地質(zhì)科研項目(dkjdzky2013005)；北京市政府財政項目(國土京環(huán)[2004]75號)

作者簡介：田 芳(1981-)，女，山東威海人，高級工程師，主要從事地面沉降監(jiān)測與研究。E-mail：TFh-001@163.com

DOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2017.02.025

中圖分類號：P642.26

文獻標識碼：A

文章編號：1672-1683(2017)02-0163-07

Funds:Beijing Municipality for Science and Technology Planning Programs/Projects(Z131100005613022)；Beijing Municipal Natural Science Foundation(8162043)；Geological scientific research project of Beijing Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development(dkjdzky2013005);Beijing Municipal financial project([2004]75)

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