北京市地面沉降控沉目標(biāo)分析

郭 萌，田 芳，王 榮，姜 媛，賈三滿

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195)

北京市地面沉降控沉目標(biāo)分析

郭 萌1，田 芳2，王 榮2，姜 媛2，賈三滿2

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195)

《全國地面沉降防治規(guī)劃（2011－2020年）》明確提出了北京市的控沉目標(biāo)。本文介紹了控沉指標(biāo)的計(jì)算方法，對如何界定區(qū)域地面沉降速率的計(jì)算范圍進(jìn)行了探討，提出了基于控沉目標(biāo)的地面沉降分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，最后提出了用好南水北調(diào)來水等地面沉降的防控措施，以為北京市切實(shí)有效進(jìn)行地面沉降防治工作提供參考。

地面沉降；控沉指標(biāo)；分區(qū)評價(jià)

0 引言

地面沉降屬于一種緩變性的地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會成為災(zāi)害，其誘發(fā)因素有多種。但在我國，過量抽取地下水是最主要的原因，因此形成的地面沉降已遍及17個(gè)省市[1]，其中以華北平原（北京、天津、河北滄州、山東德州等）、長江三角洲（上海、蘇錫常、杭嘉湖等）和汾渭盆地（西安、太原）這3個(gè)區(qū)域性的地面沉降區(qū)最為突出。為了應(yīng)對地面沉降發(fā)展的嚴(yán)峻形勢，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）》（以下簡稱《規(guī)劃》），全面部署和推進(jìn)地面沉降防治工作。《規(guī)劃》中將北京市的控沉目標(biāo)定為：2015年區(qū)域地面沉降速率控制在每年25mm以內(nèi)，沉降中心控制在每年45mm以內(nèi)；2020年區(qū)域地面沉降速率控制在每年15mm以內(nèi)，沉降中心控制在每年30mm以內(nèi)。北京市能否實(shí)現(xiàn)《規(guī)劃》中的控沉目標(biāo)？地面沉降的現(xiàn)狀距此目標(biāo)的差距有多少？怎樣做才能控制地面沉降的發(fā)展實(shí)現(xiàn)控沉目標(biāo)？本文將就這些問題進(jìn)行探討。

1 地面沉降現(xiàn)狀

北京市開展由地面沉降監(jiān)測站、地面沉降專門測量網(wǎng)（一等水準(zhǔn)測量）、GPS測量網(wǎng)、InSAR監(jiān)測網(wǎng)和外圍地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)構(gòu)成的立體監(jiān)測始于2004年。截止到2010年，北京市累計(jì)地面沉降量超過200mm的面積為2474.70km2，分布呈現(xiàn)兩個(gè)大區(qū)（北區(qū)和南區(qū)），多個(gè)沉降中心的格局。北區(qū)主要包括：海淀區(qū)東北部、昌平區(qū)東南部的沙河—八仙莊、順義區(qū)西南部、平谷城區(qū)、朝陽區(qū)的全部和通州區(qū)西部和中部；南區(qū)主要分布于大興區(qū)的中南部（圖1）。

沉降中心的位置和面積隨時(shí)間而變。最早形成的是朝陽區(qū)來廣營沉降中心和東八里莊—大郊亭沉降中心，形成時(shí)間是上世紀(jì)50—60年代。昌平沙河—八仙莊沉降中心、大興榆垡—禮賢沉降中心和順義平各莊沉降中心形成于上世紀(jì)70 ～80年代。從上世紀(jì)90年代以后，東郊地區(qū)沉降中心出現(xiàn)東移的趨勢，自北向南依次出現(xiàn)了金盞—樓梓莊、三間房、通州城區(qū)和臺湖—黑莊戶4個(gè)沉降中心。到2010年底，北部沉降區(qū)中400mm累計(jì)沉降量等值線將其內(nèi)的沙河—八仙莊、平各莊、金盞—樓梓莊、三間房、通州城區(qū)和臺湖—黑莊戶共6個(gè)沉降中心全部包裹，面積超過800km2。昌平沙河—八仙莊沉降中心累計(jì)沉降量達(dá)到1.23m，是北京市沉降量最大的地方。禮賢沉降中心累計(jì)沉降量也達(dá)到1.03m。朝陽金盞—樓梓莊地區(qū)近年來沉降速度非常快，2008—2010年的年沉降速率分別為134.5mm、137.5mm和135.8mm。如果不加以控制，照這個(gè)速度發(fā)展下去，10年后金盞地區(qū)的最大累計(jì)沉降量將超過2m。

圖1 北京平原區(qū)累計(jì)地面沉降量等值線圖（1955—2010年）

北京市近幾年的區(qū)域地面沉降速率和沉降中心最大沉降速率見表1。由表1可見：2015年區(qū)域地面沉降速率控制在每年25mm以內(nèi)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度不大，但沉降中心沉降速率控制在每年45mm以內(nèi)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度相當(dāng)大。這對實(shí)現(xiàn)《規(guī)劃》目 標(biāo)是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

表1 北京市平原區(qū)地面沉降現(xiàn)狀主要特征值[2]（2005—2010年）

2 控沉指標(biāo)分析

2.1 控沉指標(biāo)的計(jì)算

《規(guī)劃》中提出了兩項(xiàng)控沉技術(shù)指標(biāo)：區(qū)域地面沉降速率（即區(qū)域地面沉降年均沉降量，用區(qū)域范圍內(nèi)每年發(fā)生的地面沉降總體積與區(qū)域面積的比值表示）和沉降中心沉降速率（即沉降中心年沉降量，用區(qū)域內(nèi)每年最大沉降數(shù)據(jù)表示）。由定義可以看出，區(qū)域地面沉降速率屬于一個(gè)計(jì)算指標(biāo)，它是在依據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制的年沉降速率等值線圖的基礎(chǔ)上計(jì)算得到的。而沉降中心沉降速率屬于測量指標(biāo)，一般由測量結(jié)果直接得到或者在年沉降速率等值線圖上讀取。

計(jì)算區(qū)域地面沉降速率用數(shù)學(xué)公式可表達(dá)為：

某一年度地面沉降量等值線圖的一般做法為：以水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔以InSAR和GPS數(shù)據(jù)，先在區(qū)域地理底圖上手動繪制年沉降量等值線，經(jīng)過專家校核后，進(jìn)行數(shù)字化，最終形成由點(diǎn)、線、面文件構(gòu)成的MapGIS圖形文件。以這一成果圖為基礎(chǔ)來計(jì)算區(qū)域地面沉降速率。利用MapGIS軟件，可統(tǒng)計(jì)獲得不同沉降量等值線包裹的各個(gè)分區(qū)的面積，詳見表2。

表2 年沉降量面積分區(qū)表

按照《規(guī)劃》對區(qū)域地面沉降速率的定義，則：

式中：va——年沉降速率（mm/a）

值得注意的是，由于測量精度和繪圖精度的限制，在計(jì)算va時(shí)，v′ak的選定存在一定的不確定性。在實(shí)際工作中，認(rèn)為每一地面沉降分區(qū)內(nèi)發(fā)生的是均勻沉降，因此選取區(qū)間中值進(jìn)行計(jì)算。

2.2 控沉指標(biāo)計(jì)算中的區(qū)域范圍界定

《規(guī)劃》中提出的區(qū)域地面沉降速率其定義為：用區(qū)域范圍內(nèi)每年發(fā)生的地面沉降總體積與區(qū)域面積的比值。對北京地區(qū)而言，在計(jì)算區(qū)域地面沉降速率中，涉及到區(qū)域范圍如何界定的問題。之所以產(chǎn)生這個(gè)問題，主要有以下兩個(gè)方面的原因：

（1）地面沉降監(jiān)測技術(shù)手段的監(jiān)測范圍在空間上不一致。一等水準(zhǔn)測量精度高，但是需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力，因此從效益最大化出發(fā)，北京地面沉降高精度水準(zhǔn)測量的部署原則是控制平原區(qū)沖洪積扇中下部的重點(diǎn)沉降區(qū)，目前控制面積約為4100km2。InSAR具有精度高、覆蓋范圍廣、面矩陣測量[3]、時(shí)效性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢，目前覆蓋了除延慶縣的整個(gè)平原區(qū)，控制面積約為6400km2。

（2）水準(zhǔn)測量與InSAR的測量精度不同。將水準(zhǔn)測量與地面沉降監(jiān)測站內(nèi)的分層標(biāo)自動化監(jiān)測進(jìn)行多年對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)7個(gè)站的測量差值大部分在1mm左右，由此說明水準(zhǔn)測量的精度很高。從歷年的InSAR與水準(zhǔn)測量結(jié)果的比較中發(fā)現(xiàn)，兩者在對地面沉降漏斗區(qū)的監(jiān)測及沉降量的數(shù)量級方面都有比較好的一致性，但是在沉降量較小的地區(qū)，測量值之間仍然存在一定的差距。

基于以上因素，筆者建議在計(jì)算區(qū)域地面沉降速率時(shí)，分成兩部分計(jì)算：水準(zhǔn)測量控制的地區(qū)，基于水準(zhǔn)測量成果計(jì)算，未控制的地區(qū)，則基于InSAR成果計(jì)算。最后將兩部分計(jì)算結(jié)果綜合起來，得到一個(gè)區(qū)域地面沉降速率值。

3 地面沉降的分區(qū)評價(jià)建議

地面沉降是一種“沉默”的地質(zhì)災(zāi)害，確定評價(jià)因子和標(biāo)準(zhǔn)是十分復(fù)雜的問題。不同地區(qū)、不同行業(yè)有不同的標(biāo)準(zhǔn)。如，天津市地面沉降災(zāi)害災(zāi)情評估采用累積沉降量和沉降災(zāi)害面積進(jìn)行災(zāi)害程度和災(zāi)害規(guī)模的評價(jià)[4]；北京市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估則根據(jù)地面沉降發(fā)育程度和危害程度進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)評價(jià)[5]，其中發(fā)育程度以累計(jì)沉降量和沉降速率作為分區(qū)指標(biāo)，劃分強(qiáng)、中、弱區(qū) ，危害程度則為定性評價(jià)，分輕、中、重區(qū)。以往在北京市地面沉降監(jiān)測年度報(bào)告中，依據(jù)上述危險(xiǎn)性評估標(biāo)準(zhǔn)繪制每年的地面沉降發(fā)育程度圖。鑒于《規(guī)劃》中已經(jīng)明確提出了北京市的控沉目標(biāo)，為此，筆者建議將控沉指標(biāo)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分區(qū)，劃分嚴(yán)重超標(biāo)區(qū)、超標(biāo)區(qū)和非超標(biāo)區(qū)（表3）。評價(jià)的結(jié)果既說明了地面沉降的 現(xiàn)狀，也可考核落實(shí)防治規(guī)劃的成果，檢驗(yàn)地面沉降的防治措施是否到位。這一分區(qū)可以更好地指導(dǎo)控沉工作的開展，并為研究工作重點(diǎn)提供依據(jù)。

表3 基于控沉目標(biāo)的北京市地面沉降分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)表

4 防治措施管理建議

地面沉降作為一種廣泛分布的城市環(huán)境地質(zhì)問題，其發(fā)生發(fā)展過程不易察覺，易被忽視。但長期積累卻能誘發(fā)或加劇其它地質(zhì)災(zāi)害，給城市的生產(chǎn)和生活帶來的影響是深刻和巨大的。地面沉降災(zāi)害具有區(qū)域性、緩變性、累進(jìn)性和不可逆性等特點(diǎn)，同時(shí)又具有與人類經(jīng)濟(jì)、工程活動的互交性，以及對洪澇、潮汛、地裂縫等其他自然災(zāi)害的疊加性。

北京市地面沉降區(qū)域涉及朝陽、順義、通州、昌平、大興等多個(gè)區(qū)縣，覆蓋面積超過平原區(qū)面積的2/3，已經(jīng)造成地基下沉、房屋開裂、井管抬升、誘發(fā)或加劇地裂縫災(zāi)害、增加線性軌道交通工程的安全維護(hù)成本等一系列問題。盡管到目前為止，北京市在地面沉降監(jiān)測研究方面已經(jīng)投入了上億資金，建成了現(xiàn)代化的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，比較清楚的掌握了地面沉降的分布情況、發(fā)展動態(tài)和趨勢，但是地面沉降繼續(xù)惡化的趨勢沒有得到有效控制。因此，加強(qiáng)地面沉降防控工作的力度勢在必行。而有效控沉的工作落腳點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)和著力點(diǎn)是嚴(yán)格控制地下水超采，涵養(yǎng)恢復(fù)地下含水系統(tǒng)。

北京是國際上為數(shù)不多的以地下水作為主要供水水源的大城市之一。從上世紀(jì)70年代末到本世紀(jì)前5年，地下水開采量一直維持在26×108～28×108m3，占整體供水的2/3左右[6]。2000年以后，北京市政府逐步關(guān)閉了城區(qū)內(nèi)所有自備井，并加強(qiáng)對郊區(qū)縣地下水井的控制 和管理，嚴(yán)格控制工程施工降水及排放，積極開展地下水回灌、雨洪水收集和利用等試驗(yàn)和推廣工作，各項(xiàng)措施并舉，使得地下水開采量得到有效控制。從2005年到2011年末，地下水開采量從24.9×108m3逐步下降到20.9×108m3，地下水供水量在總供水量中的比例從70%多下降到59%。據(jù)有關(guān)資料，2014年南水北調(diào)進(jìn)京每年可向本市供水10.5×108m3[7]，約占現(xiàn)階段本市用水總量的四分之一。盡管北京無法像上海、蘇錫常地區(qū)那樣利用其他水源,大部分甚至完全替代地下水開采[8-9]，但可以預(yù)計(jì)，南水北調(diào)進(jìn)京可以有效緩解北京市對地下水的嚴(yán)重依賴。

北京市地面沉降的成因主要是開采地下水造成的。因此，用好南水北調(diào)來水，通過地下水資源開發(fā)利用的精細(xì)化管理，優(yōu)化用水格局，地面沉降是完全可以控制的。北京市政府在2011年發(fā)布的《進(jìn)一步加強(qiáng)水務(wù)改革發(fā)展的意見》中指出：將實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，確立水資源開發(fā)利用控制紅線。建立覆蓋全市的區(qū)域用水總量控制指標(biāo)體系。筆者建議將地面沉降控沉指標(biāo)作為水資源配置方案的重要依據(jù)之一，對地面沉降超標(biāo)區(qū)和嚴(yán)重超標(biāo)區(qū)采取最嚴(yán)格的用水總量控制標(biāo)準(zhǔn)。否則，我市的控沉目標(biāo)將難以實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)地面沉降災(zāi)害的特點(diǎn)、北京市水資源的現(xiàn)狀以及《規(guī)劃》的要求，北京市地面沉降防治的具體指導(dǎo)思想是：以保障北京城市建設(shè)安全和人民生活環(huán)境質(zhì)量為目的，堅(jiān)持以防為主、防治結(jié)合的方針，立足于防災(zāi)減災(zāi)，強(qiáng)化監(jiān)控與減災(zāi)對策措施的落實(shí)，減災(zāi)即增效，最大限度地減少和避免地面沉降對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活造成大的危害。

根據(jù)地面沉降災(zāi)害的區(qū)域性、緩變性、累進(jìn)性及與工程活動交互性的特點(diǎn)，針對《規(guī)劃》的控沉要求，建議：

（1）在南水北調(diào)進(jìn)京前，要對地面沉降超標(biāo)區(qū)，尤其是嚴(yán)重超標(biāo)區(qū)內(nèi)實(shí)施最嚴(yán)格的地下水管理措施，大幅度減少深層承壓水開采量。

（2）根據(jù)地面沉降防控效果，優(yōu)化南水北調(diào)進(jìn)京后的配水方案。

（3）對地面沉降區(qū)內(nèi)的重大工程和線性工程，應(yīng)根據(jù)區(qū)域的孕災(zāi)條件和工程設(shè)防要求，在重點(diǎn)地區(qū)和典型地段實(shí)施重點(diǎn)監(jiān)測，并應(yīng)開展地面沉降專項(xiàng)研究與評價(jià)，提出防患與保護(hù)的科學(xué)對策，以保障重要工程的建設(shè)和運(yùn)行安全。

5 結(jié)語

北京市已經(jīng)建成了具有國內(nèi)外先進(jìn)水平的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，比較清楚的掌握了地面沉降的發(fā)育分布情況和發(fā)展趨勢。但是目前，地面沉降繼續(xù)惡化的趨勢沒有得到有效控制，尤其是地面沉降中心區(qū)沉降速率的控制與《規(guī)劃》要求相比具有較大差距。結(jié)合水資源和用水現(xiàn)狀以及《規(guī)劃》的要求，北京市的地面沉降防控要強(qiáng)化監(jiān)控與減災(zāi)對策措施的落實(shí)，在南水北調(diào)進(jìn)京前后實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度，依據(jù)控沉形勢，不斷優(yōu)化南水北調(diào)配水方案。

[1]薛禹群,吳吉春,張?jiān)频?長江三角洲（南部）區(qū)域地面沉降模擬研究[J].中國科學(xué)D輯：地球科學(xué),2008,38（4）：4 77～492.

[2]賈三滿,羅 勇,楊 艷等.北京市地面沉降監(jiān)測年度報(bào)告（2011年）[R].北京：北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),2011.

[3]查顯杰,傅容珊,戴志陽.DInSAR技術(shù)對不同方位形變的敏感性研究[J].測繪學(xué)報(bào),2006,35（2）:133～137.

[4]張 梁,張業(yè)成,羅元華等.地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評估理論與實(shí)踐[M].北京：地質(zhì)出版社,1998:299～304.

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[8]龔士良.上海地面沉降影響因素綜合分析與地面沉降系統(tǒng)調(diào)控對策研究[D].上海：華東師范大學(xué),2008.

[9]胡建平.蘇錫常地區(qū)地下水禁采后的地面沉降效應(yīng)研究[D].江蘇：南京大學(xué),2011.

The Analysis of Control Targets for Land Subsidence in Beijing

GUO Meng1, TIAN Fang2, WANG Rong2, JIANG Yuan2, JIA Sanman2

(1. Beijing Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Beijing 100195; 2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

The control targets for land subsidence in Beijing were put forward clearly in National Land Subsidence Control Program (2011-2020). The paper presented the calculation method of control index of land subsidence and discussed how to define the calculation area of regional land subsidence rate. The zoning standards based on the control targets for land subsidence were also described. Finally, some relevant prevention and control measures of land subsidence (such as making good use of water from South-to-North Water Diversion) were proposed in order to provide reference for land subsidence prevention and control work in Beijing.

Land subsidence; Control index of land subsidence; Zoning evaluation

P642.26

A

1007-1903 (2013) 03-0001-05

北京市政府財(cái)政項(xiàng)目“北京市地面沉降監(jiān)測運(yùn)行”（國土京環(huán)[2004]75號）和北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局公益性地質(zhì)科研項(xiàng)目“基于地面沉降控沉目標(biāo)的地下水位控制指標(biāo)研究”（京地[2013]22號）聯(lián)合資助。

郭 萌（1958- ），男，教授級高工，主要從事工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。E-mail：dkjdhc@163.com。