北京市地面沉降與地下水開采關(guān)系分析

劉明坤，寇文杰，羅 勇，王 榮，田 芳，趙晨曦，劉建凱（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

北京市地面沉降與地下水開采關(guān)系分析

劉明坤，寇文杰，羅 勇，王 榮，田 芳，趙晨曦，劉建凱
（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

北京市地面沉降日趨嚴(yán)重，主要是由長(zhǎng)期超量開采地下水引起，目前北京市地下水供水量已占北京市總供水量的2/3以上。本文對(duì)地面沉降與地下水資源進(jìn)行了時(shí)間演變分析、空間對(duì)比分析、線性回歸相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)北京地下水開采歷史的階段性變化與地面沉降的形成、發(fā)展、擴(kuò)展和快速發(fā)展吻合極好，地面沉降范圍、沉降速率與地下水開采強(qiáng)度和儲(chǔ)變量及地下水位的變化相關(guān)。從區(qū)域上建立了地面沉降與地下水位以及地下水儲(chǔ)量變化之間的線性回歸方程，發(fā)現(xiàn)具有良好的相關(guān)性，并計(jì)算出在目前條件下（一定環(huán)境下的線性區(qū)間內(nèi)），地下水位每下降1m，對(duì)應(yīng)的地面沉降將達(dá)到10.12mm。

地面沉降；地下水；空間分析；回歸分析；北京市

0　引言

地面沉降（ land subsidence）又稱為地面下沉或地陷，是指在一定的地表面積內(nèi)所發(fā)生的地表海拔標(biāo)高降低的現(xiàn)象，地面沉降是一種緩變性的地質(zhì)災(zāi)害，是一種“沉默的土地危機(jī)”，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大、防治難度大等特點(diǎn)。隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地面沉降已經(jīng)演變成全球性的地質(zhì)問(wèn)題，地面沉降也是我國(guó)平原地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害，成為制約我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要災(zāi)種之一（劉明坤等，2012；賈三滿等，2007）。

綜觀世界各國(guó)的地面沉降問(wèn)題，可將其誘發(fā)因素歸納為自然地質(zhì)因素和人類工程活動(dòng)因素兩大類。前者主要包括地質(zhì)構(gòu)造作用、地震、近期沉積的欠固結(jié)土層的壓密和凍土融化等，后者主要包括開發(fā)利用地下流體資源（地下水、石油、天然氣等）、開采固體礦產(chǎn)、巖溶塌陷、以及工程建設(shè)相關(guān)的土體變形等（張阿根等，2005；薛禹群等，2006）。

北京地面沉降最早于上世紀(jì)30年代中期發(fā)生在西單—東單一帶，先后經(jīng)歷形成階段、發(fā)展階段、擴(kuò)展階段和快速發(fā)展階段。至2011年底，北京地面沉降區(qū)分布呈南北兩個(gè)大區(qū)，北部沉降區(qū)主要包括昌平沙河—八仙莊沉降區(qū)、朝陽(yáng)來(lái)廣營(yíng)沉降區(qū)和東八里莊—大郊亭沉降區(qū)，南部沉降區(qū)主要包括大興榆垡—禮賢沉降區(qū)（劉予等，2007；趙守生等，2008）。

根據(jù)北京地區(qū)的地下水開采歷史與地面沉降監(jiān)測(cè)資料，研究區(qū)內(nèi)（北京平原區(qū)）的地面沉降主要是由長(zhǎng)期超量開采地下水引起的，平原（含山間盆地）第四系松散孔隙水是北京市主要開采利用水源，第四系松散孔隙水系統(tǒng)總體邊界西北為第四系沉積邊界，接受山前巖溶水和山區(qū)基巖裂隙水補(bǔ)給；東南為行政界線，地下水以側(cè)向徑流向區(qū)外排泄。由于各河流沖洪積作用形成的沖洪積扇和沖洪積平原范圍、沉積物的差異，各沖洪積扇交互地帶地下水滲透性能相對(duì)減弱，構(gòu)成了各沖洪積扇之間相對(duì)獨(dú)立的邊界。從垂向上看，第四系主要含水層深度在400m以內(nèi)。從山前河流沖洪積扇頂部地區(qū)-沖洪積扇中上部地區(qū)-沖洪積扇中下部的沖洪積平原區(qū)，含水層由單一潛水含水層增加為潛水含水層和由2～3層砂卵石組成的承壓含水層共存，再增加為潛水含水層與多層承壓含水層共存。因此研究北京地區(qū)地下水水位變化、開采量等與地面沉降的關(guān)系有著重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1　時(shí)間演變分析

北京地區(qū)開采地下水有悠久的歷史，從解放后到現(xiàn)在，北京市地下水開發(fā)利用可分為4個(gè)階段：初步開發(fā)階段、開采增加階段、開采控制階段和嚴(yán)重超采階段。與前述的北京市地面沉降的形成發(fā)展過(guò)程的4個(gè)階段基本吻合（表1）。現(xiàn)就地下水的各個(gè)開發(fā)階段與地面沉降的形成發(fā)展階段作對(duì)比分析（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008）。

表1　地下水開發(fā)利用與地面沉降發(fā)展階段對(duì)比表Tab.1 Comparison table of groundwater exploitation and land subsidence development phase

2　空間對(duì)比分析

石建省等曾對(duì)京津冀德平原區(qū)深層水開采與地面沉降關(guān)系進(jìn)行了空間分析（石建省等，2006），根據(jù)多年資料的全面整理，本次對(duì)北京市平原區(qū)地面沉降與地下水開采關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步的對(duì)比分析。

2.1地面沉降與地下水開采關(guān)系

為了進(jìn)一步確定地面沉降與地下水開采的關(guān)系，選取相對(duì)準(zhǔn)確、齊全的地面沉降的快速發(fā)展階段的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析（于軍等，2007；張士鋒等，2012；張兆吉等，2009；崔亞莉等，2009；馬鋒等，2008；范珊珊等，2013；譚榮初，2002）。表2為1999—2011年北京平原地區(qū)地面年沉降量與地下水儲(chǔ)量及地下水位（混合水位）平均變化統(tǒng)計(jì)表。

通過(guò)2006—2011年年均地面沉降與地下水位、年均地面沉降與年儲(chǔ)量虧損的動(dòng)態(tài)對(duì)比（圖1、圖2），年均地面沉降與地下水位和年儲(chǔ)量虧損有著較一致的趨勢(shì)，說(shuō)明地面沉降年均沉降速與地下水位動(dòng)態(tài)變化關(guān)系密切。考慮到地面沉降對(duì)開采地下水的滯后性， 在分析時(shí)采用逐年累計(jì)量。

通過(guò)表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立累積地面沉降量和累積地下水位變幅的線性回歸方程：

式中：s——累積地面沉降量；

H——累積地下水水位變幅。

擬合曲線如圖3所示。擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.996，很好反映水位與沉降之間的關(guān)系。

通過(guò)表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立累積地面沉降量和累積水資源虧損量的線性回歸方程：

式中：s——累積地面沉降量；

ΔQ——累積儲(chǔ)量變化。

擬合曲線如圖4所示。擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.994，很好地反映了儲(chǔ)量變化與沉降之間的關(guān)系。

表2　地面沉降量與地下水儲(chǔ)量、地下水位變化關(guān)系表Tab.2 Relationship between land subsidence and variable storage， variation of groundwater level

圖1　年均地面沉降與水位變幅對(duì)比圖Fig. 1 Annual average land subsidence compared with water level amplitude

圖2　年均地面沉降與年儲(chǔ)量虧損對(duì)比圖Fig. 2 Annual average land subsidence compared with reserves deficit

通過(guò)對(duì)累計(jì)地面沉降量與累計(jì)地下水位變幅、累計(jì)地下水儲(chǔ)量虧損之間的回歸分析，得到其線性相關(guān)系數(shù)分別為0.996和0.994，相關(guān)度極高。在今后的工作中可以通過(guò)上述兩個(gè)變量對(duì)地面沉降進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測(cè)，并為南水北調(diào)進(jìn)京后對(duì)北京市地面沉降的影響及實(shí)現(xiàn)控沉目標(biāo)提供依據(jù)。

圖3　累計(jì)地面沉降與累計(jì)地下水位的回歸分析Fig. 3 Regression analysis of accumulative land subsidence and accumulative underground water level

2.2地面沉降累積量空間分布特征

利用MAPGIS地理信息系統(tǒng)分析軟件，采用空間分析和空間統(tǒng)計(jì)方法，分析了北京平原區(qū)1955—2011年地面沉降累積量分布特征（表3）。根據(jù)研究區(qū)最新調(diào)查的地面沉降現(xiàn)狀做出的空間統(tǒng)計(jì)表明，北京市平原區(qū)地面沉降累積體積已達(dá)15.50×108m3。其中累計(jì)沉降量大于1000mm的地區(qū)面積為58.06km2，對(duì)應(yīng)沉降體積為0.67×108m3，累計(jì)沉降量500～1000mm的地區(qū)面積為1036.72km2，對(duì)應(yīng)沉降體積為7.35×108m3，累計(jì)沉降量50～500mm的地區(qū)面積為3231.04km2，對(duì)應(yīng)沉降體積為7.06×108m3，累計(jì)沉降量小于50mm的地區(qū)面積為2092.42km2，對(duì)應(yīng)沉降體積為0.42×108m3（圖5）。

圖5　北京平原區(qū)地面沉降累積量分布曲線Fig.5 Distribution curve of accumulative land substance quantity in Beijing plain

表3　北京平原區(qū)累計(jì)地面沉降量分布空間統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 3. Spatial distribution of accumulative land subsidence quantity in Beijing plain

通過(guò)對(duì)1955—2011年地面沉降累積量空間分析，那么可以粗略計(jì)算出57年間北京平原區(qū)每年沉降體積為0.27×108m3，全區(qū)等效平均沉降量達(dá)0.242m，年均4.25mm。

2.3地面沉降與地下水位空間分析

北京地區(qū)地面沉降雖形成于1955年，但形成初期發(fā)展緩慢，我們假設(shè)地面沉降累積量全部貢獻(xiàn)來(lái)自1960年以后的開采地下水行為，根據(jù)北京市水資源公報(bào)（2011年）顯示，2011年末地下水平均埋深為24.94m，北京地區(qū)1960—2011年間等效平均水位變差為21.75m，52年間年平均水位下降0.42m。

將年均地面沉降量與年均地下水水位變差相比較，可以看出，年均水位變差0.42m，對(duì)應(yīng)年均地面沉降4.25mm，可以認(rèn)為在目前條件下（一定環(huán)境下的線性區(qū)間內(nèi)），地下水位每下降1m，對(duì)應(yīng)的地面沉降將達(dá)到10.12mm。

3　結(jié)論

（1）從地面沉降與地下水資源時(shí)間演變分析、空間對(duì)比分析、地下水資源動(dòng)態(tài)對(duì)比分析、線性回歸相關(guān)性分析，可以發(fā)現(xiàn)，北京地下水開采歷史的階段性變化與地面沉降的形成、發(fā)展、擴(kuò)展和快速發(fā)展吻合極好，地面沉降范圍、沉降速率與地下水開采強(qiáng)度和儲(chǔ)變量及地下水位的變化相關(guān)。

（2）通過(guò)對(duì)北京地區(qū)地面沉降和地下水開采的關(guān)系進(jìn)行分析，建立地面沉降與地下水位及地下水儲(chǔ)量變化之間的線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)分別為0.996和0.994，相關(guān)性極好，證明了北京地區(qū)地面沉降主要是由長(zhǎng)期超量開采地下水引起的，通過(guò)上述兩者的變化在未來(lái)可以對(duì)地面沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，為南水北調(diào)進(jìn)京后對(duì)北京市地面沉降的影響及實(shí)現(xiàn)控沉目標(biāo)提供依據(jù)。

（3）自1955年北京市地面沉降形成以來(lái)，平原區(qū)6418km2地面沉降累計(jì)體積約15.50×108m3，等效平均沉降量達(dá)0.242m，年均4.25mm，等效平均水位變差為21.75m，年平均水位下降0.42m，不考慮非線性因素，相當(dāng)于水位每下降1m，對(duì)應(yīng)地面沉降10.12mm。

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Analysis of the Relationship between Groundwater Exploitation and Land Subsidence in Beijing

LIU Mingkun； KOU Wenjie； LUO Yong； Wang Rong； TIAN Fang； ZHUAO Chenxi； LIU Jiankai
（Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology， Beijing 100195）

Due to long-term over-exploitation of groundwater， the land subsidence is becoming more and more serious in Beijing. At present， the amount of groundwater exploitation has accounted for 2/3 of the total supplying amount. This paper used the method of time， space and linear regression to study the relationship between the land subsidence and groundwater. The results show that the history of groundwater exploitation is in good agreement with the formation， development， expansion and the development of land subsidence in Beijing area. The range and the rate of land subsidence have a good correlation with the groundwater exploitation intensity， reservoir and the change of groundwater level. The linear regression equation of land subsidence and groundwater level， groundwater reserves are established. We found that they have a good correlation. Under the present conditions （under certain circumstances）， the groundwater level decreased by 1m， and the land subsidence decreased by 10.12mm.

Land subsidence； Groundwater； Space analysis； regression analysis； Beijing

P642.26

A

1007-1903（2016）01-0021-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.005

基金課題：北京市科委項(xiàng)目（Z131100005613022）、中國(guó)地調(diào)局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（水［2013］01-032-004）、北京市政府財(cái)政項(xiàng)目“北京市地面沉降監(jiān)測(cè)運(yùn)行”（國(guó)土京環(huán)［2004］75）

劉明坤（1982- ），男，高級(jí)工程師，主要從事地面沉降及地質(zhì)災(zāi)害研究工作。Email：liumingkun@126.com