南水北調對天津市地面沉降的影響分析

徐冬 崔立 易長榮

(1.天津市控制地面沉降工作辦公室，天津 300061;2.南京國圖信息產業股份有限公司，江蘇南京 210036)

1 概述

天津市是北方缺水城市之一，因過度開采地下水，導致地下土層壓密，引發了地面沉降。引灤入津工程對天津市地面沉降影響很大，通水后大批地下水機井封停，中心城區和塘沽地面沉降漏斗中心的沉降速率從20世紀80年代的100 mm/年降為2003年的30 mm/年［1］。同樣，南水北調工程(本文指中線工程)也將對天津市地面沉降趨勢和格局產生深遠影響。

天津市中心城區和近郊四區(東麗區、西青區、津南區和北辰區)總面積2 124 km2，是近30年來地面沉降發展比較典型的兩類區域。地下水是該地區經濟發展的重要保障，但是超采地下水形成了嚴峻的地面沉降形勢，給城市發展帶來嚴重威脅，一定程度上又制約了經濟的可持續發展。20世紀80年代，天津中心城區在引灤通水后地面沉降趨勢明顯好轉，而近郊地區因為工業迅猛發展，但沒有足夠地表水源，地面沉降速率明顯加快。分析這兩類區域在南水北調后地下水壓采的可行性和地面沉降發展趨勢，具有重要現實意義。目前已有對南水北調后地下水壓采和天津市地面沉降趨勢的分析［2］，但忽視了地下水替換的可行性分析，由于其中一部分水量根本不可能被壓采，因此基于地下水用途的壓采分析更具有科學性。

2 地下水開采及地面沉降情況

天津市逐年減少地下水開采量，主要是壓采工業用地下水，并擴展近郊四區的自來水管網，用引灤水替換地下水。受水源和經濟發展需求的限制，當壓采到一定程度時，已經沒有多余的可替代水源，開展節水措施的潛力也逐漸消失，地下水開采量很難進一步減少，因此近幾年天津市地下水開采量基本維持在一個穩定的水平。2011年，中心城區和近郊四區地下水開采量0.66億m3，平均開采強度為3.1萬m3/km2。中心城區和近郊四區的工業開采地下水具有在時間上連續和空間上集中的特點，而農業開采地下水具有季節性，一般集中在春季和夏季。

20世紀80年代以來中心城區地面沉降漏斗中心沉降量有了明顯減小。而20世紀90年代以來，近郊吸收了大部分的中心城區工業，大力推動工業園區的建設，對地下水開采量依賴增加，地面沉降發展迅速，區域平均地面沉降速率從20世紀90年代初的20 mm/年發展到2003年的50 mm/年，漏斗中心的沉降速率則達到100 mm/年。近年來，中心城區地面沉降形勢趨于穩定，平均沉降速率能保持在25 mm/年以下。

3 南水北調水源利用分析

根據《南水北調工程總體規劃》，中線一期工程丹江口水庫多年平均分配給天津市的總水量為10.2億m3，總干線(含天津干線)輸水損失率約為15%，天津干線末端以下至水廠、輸水管涵損失率和調節水庫蒸發滲漏損失率合計約為6%，進入水廠的凈水量多年平均為8.16億m3。初步的市內配套工程方案包括一個調蓄水庫和天津干線末端至各水廠的主要輸水線路。南水北調中線工程預計2014年正式通水?？紤]到引江水達到設計用水規模要有一個過程，相關配套工程也要分期實施，達到設計供水能力預計需要10年時間，到2024年引江用水量達到設計供水量。

天津中心城區和近郊四區共分配水量6.08億m3，南水北調中線對中心城區和環城四區的供水量都大于目前地下水開采量(北辰區除外)，理想情況下，地下水能全被替換。但實際上地下水不可能被完全壓采，能替換的部分僅限于工業和生活用地下水。根據有關規定，南水北調通水后，將利用引江水逐步替換近郊工業用地下水，然后解決農村生活用水。提高農村生活飲水質量，這也是新農村建設的一項重要內容。同時，受成本等方面的影響，農業生產都免費開采地下水，引江水不可能成為替換水源，所以農業開采地下水的形勢無法緩解。除了替換原有工業和農村生活用地下水外，剩余的引江水用于滿足城鎮不斷增長的用水需求。

由于近幾年地下水開采形勢變化不大，可用最新的2011年地下水開采現狀作為工業用地下水壓采分析的基礎。東麗區、西青區和北辰區的工業和農村生活開采量均遠小于南水北調供水量，可以逐步壓采。由于南水北調工程必須分步實施，假設從2014年起的10年內，供水量平均按每年10%的速度增加，2024年達到完全供水能力，東麗區、西青區和津南區工業和農村生活用地下水可完全壓采。而中心城區開采地下水為制藥等特殊用途，除非進行產業調整，否則不可能壓采。由于北辰區的城鎮一直以來被納入中心城區供水范圍，所以北辰區沒有單獨配置水量，即北辰區今后能從中心城區調配水量，工業和農村生活用地下水也可以完全壓采。

根據每個區域可壓采量可以確定最終的地下水開采規模。假設從2014年起的10年內，工業和農村生活地下水開采量平均按每年10%的速度減少，到2024年完全實現禁采?？鄢@些可壓采部分后，能匡算各時期的大致地下水開采規模，其中2024年總量為1 899萬m3(見表1)，2024年后地下水開采規模不再有大的改變。屆時津南區開采強度最小，為0.37萬m3/km2，最大為中心城區1.41萬m3/km2，整個區域平均開采強度0.89萬m3/km2。

表1 地下水開采規模

4 地面沉降預測

從地下水保護的角度而言，表1中地下水開采規模已經小于允許開采量［3］，不應產生地面沉降。但農業開采地下水時間集中，含水層來不及補給，且土層壓密(主要指南水北調通水前)具有滯后性，仍會有地面沉降產生。以南水北調通水后地下水開采量為基礎，可以預測出地面沉降發展趨勢。BP神經網絡的學習算法具有復雜的輸入輸出關系，為解決中心城區和近郊四區地下水開采量與地面沉降量之間的非線性問題和模擬未知系統的控制過程提供了新思路。本文采用文獻［4］的方法，利用Matlab建立典型的BP神經網絡三層結構，即兩個隱含層和一個輸出層，學習樣本為2001年～2009年的地下水開采量和相應的平均地面沉降量，權值隨機確定，轉移函數采用指數函數，而將2010年和2011年的值作為檢驗。將各年的地下水開采量輸入訓練好的網絡即可得到各區縣年度地面沉降量(即沉降速率，見表2)。從預測結果可以看出，2024年南水北調達到完全通水能力后，中心城區和近郊四區地面沉降形勢將發生重大變化，整體地面沉降速率低于26 mm/年。西青區和北辰區的地面沉降速率仍較大，且排名處于前兩位，津南區已經不是地面沉降最嚴重的區縣。西青區現時地面沉降速率雖然相對較小，但壓采地下水幅度有限，所以地面沉降速率減緩較慢。

表2 地面沉降速率預測 mm/年

5 結語

基于地下水現狀開采用途的分析表明，南水北調工程將大幅減緩天津中心城區和近郊四區的地下水開采和地面沉降形勢。在整個地區產業布局不變的情況下，地下水開采量可從2011年的6 610萬m3減少到2024年的1 899萬m3，平均開采強度為0.89萬m3/km2。經BP神經網絡預測，在2024年南水北調水源得以完全利用后，中心城區和近郊四區的地面沉降速率迅速下降，普遍在26 mm/年以下，環城四區的地面沉降速率已經幾乎恢復到20世紀90年代初的水平，此后地面沉降形勢將趨于穩定。

表2的預測結果還表明，2015年中心城區的地面沉降速率符合《全國地面沉降防治規劃》(2011—2020)25 mm/年的要求，而2020年則比制定的目標16 mm/年略高。這是因為中心城區的地下水開采強度沒有減小，地面沉降速率下降趨勢緩慢，建議對中心城區的工業結構進行調整，另外，還要加強基坑開挖疏干抽排地下水的管理，才能順利達到規劃制定的目標。

［1］薛禹群，張 云，葉淑君，等.中國地面沉降及其需要解決的幾個問題［J］.第四紀研究，2003，23(6)：85-93.

［2］王 威，王 淼，韋勁松，等.南水北調中線工程與天津地面沉降防治關系研究［J］.南水北調與水利科技，2012，10(3)：22-26.

［3］天津市地質環境監測總站.天津市地下水資源開發區域規劃報告［R］.天津：天津市地質環境監測總站，1995.

［4］李紅霞，趙新華，遲海燕，等.基于改進BP神經網絡模型的地面沉降預測及分析［J］.天津大學學報，2009，42(1)：60-64.