北京地面沉降與地下水開采時空演變對比

田芳　羅勇　周毅　李宇　寇文杰　姜媛　王榮

摘要：區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育分布的新特點，推動實現《北京地面沉降防治規劃（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。結果表明：地面沉降的形成發展階段與地下水開發利用階段高度吻合；地面沉降中心區與地下水位降落漏斗區的時空變化高度相關；隨著地下水開采深度整體上向地表以下更深層發展，主沉降層逐漸向深部（100 m以下）地層轉移，為地面沉降防控決策制定提供了依據。關鍵詞：地面沉降；地下水；時空演變；北京平原區

中圖分類號：P642.26 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0163-07

地面沉降現象在世界范圍內普遍存在，作為一種“緩變地質災害”，具有成災慢、持續時間長，影響范圍廣等特點，可導致建筑物開裂破壞、城市內澇、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，據粗略統計，從1949年以來由其造成的經濟損失累計高達4 500-5 000億元。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），這三個區域性的地面沉降區，過量抽取地下水是最主要的原因。

在國內外主要因地下水開采而發生地面沉降的地區，盡管發生地面沉降的地質環境模式不同，如美國得克薩斯州休斯頓、意大利艾米利亞一羅馬涅區、上海、蘇錫常和天津屬同屬于沿海三角洲地區，西安和太原屬于內陸斷陷盆地，但是地面沉降演化對地下水超采的響應具有普遍性：（1）在采取地下水限采措施之前，地面沉降的發展一般會經歷緩幔、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。關于北京地區地面沉降對地下水開采的響應，前人也有過研究，如基于InSAR監測和地下水動態監測從平面上系統分析北京地區地下水降落漏斗區和地面沉降的形成演化，分層壓縮變形量與地下水位變化的定性定量關系等。

國土資源部和水利部于2012年3月2日印發了《全國地面沉降防治規劃（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劃（2013-2020年）》，提出控沉指標‘區域地面沉降速率”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。北京市地面沉降當前仍處于快速發展階段，沉降中心最大年沉降速率從2007年-2010年連續超過100 mm/a，實現控沉目標任務艱巨。鑒于此，本文將從時間空間維度上對比建國至今60多年來北京平原區地面沉降形成發展和地下水開發利用，基于地下水動態監測、地面沉降高精度水準測量和分層標數據，揭示地面沉降隨地下水開采布局和開采層次變化而出現的新特點，最后探討了北京沖洪積平原地質環境模式下的地下水開采引發地面沉降的共性和特性，以為有效控沉提供依據。

1地面沉降形成發展與地下水開采的時間演變

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

1.1地下水初步開發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階段，采補整體基本平衡，只在城近郊局部地區出現超采。地面沉降也只出現在超采區。

1949年北京市解放時地下水開采量為803萬m³。解放后，隨著人口和工農業發展，地下水資源開始大規模開發。1961年全市平原區地下水開采量為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1955年-1966年水準測量數據，東郊紡織工業區和東北郊酒仙橋電子工業區的累計沉降量分別達到58 mm和30 mm。1971年平原區地下水開采總量為13.8億m³，在地下水開采量大幅增加的城近郊區（東部的八里莊-大郊亭、東北部的來廣營一酒仙橋一帶）形成區域性地下水降落漏斗。東八里莊-大郊亭沉降區和來廣營沉降區逐漸形成，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，城近郊區超采現象嚴重，地面沉降區相對集中，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。城近郊區地下水出現嚴重超采，十年間的地下水儲存量減少了12.42億m³。遠郊區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，城近郊區年開采量最高時可達到0.52億m³。據1983年5月水準測量數據，東郊地面沉降區累計沉降量大于50 mm的區域面積達到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307mm。其它各區地面沉降不明顯。

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定，地下水超采區由早期主要集中在城近郊區逐漸向遠郊區縣擴展，超采區面積占平原區面積70%多。早期形成的沉降區的沉降速率減緩，新的沉降區形成，沉降區面積顯著擴大。

從1981年起，北京市對城鎮地下水采取了包含節水等的一系列科學管理措施，使城近郊區地下水開采量由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。但在未實現自來水管網覆蓋的東郊邊緣地區，地下水開采量仍不斷增大，出現了新的地下水降落漏斗區，東郊地面沉降區逐漸向東、向北擴展。在昌平沙河一八仙莊和大興禮賢一榆垡一帶，新的沉降區形成。到1987年底，平原區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定，全市每年開采量在26-28億m³。地下水的采補出現了新一輪的動態平衡，但是與20世紀60年代的天然狀態比，累計虧損量仍然比較大。這一時期的地面沉降區面積在穩定增加。到1999年底，平原區形成了五大大沉降區，包含朝陽東八里莊一大郊亭、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722mm、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水措施，加大外調水，建設應急水源地，加快推進節水型社會建設，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2L 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虧損。這個時期的北京地下水處于嚴重超采狀態。從1999年到20 10年是北京地面沉降快速發展階段。到2010年底，平原區累計地面沉降量大于50 mm的面積達4 28 1 km²，相比1999年，增加了1 466km²，增長速度之快超過以往任何階段。已形成的沉降區不斷向外擴展，新的沉降中心出現，如朝陽來廣營沉降區金盞一樓梓莊沉降中心自2007年連續四年的年沉降速率都超過了100 m/鞏東八里莊一大郊亭沉降區中出現了三間房、通州城區和臺湖-黑莊戶三個沉降中心。一些新的沉降區，如海淀山后西小營-上莊、平谷城區等，2010年InSAR監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枯水年，地下水開采量穩中有降，但地下水超采區顯著增加，占平原區面積超過90%。地面沉降區在快速擴展，新的沉降中心出現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，可以發現，北京市地面沉降的形成發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。

2地下水降落漏斗與地面沉降中心區的時空演變

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，東郊地區出現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逐年增加趨勢，漏斗范圍由東郊向著通州、順義和昌平地區逐漸擴大。從20世紀90年代后期至今出現了連續的干旱年份，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，平谷地區也出現了地下水降落漏斗。地下水位降落漏斗面積從1975年的250 km²增加到2010年的1280 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（本文中特指“大興區以北累計沉降量≥100 mm的地區”）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。1955年-1999年的地面沉降中心區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擴展最為明顯（圖4），地面沉降中心區相比于1999年繼續朝東北（順義、平谷）、東南（通州）和西北（昌平）方向擴展，面積增加1倍多，朝陽和通州區近三年來沉降速率

3地下水主采層與地面沉降主壓縮層的變化

2000年以前，北京地區農業用水開采層集中在80-100 m，工業和城鎮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，從地表至埋深80-100 m為全新統、上更新統地層，地層壓縮性相對較高，屬地下水農業開采層，開采程度較高。以往據此認為，100 m以淺土體是地面沉降的主要貢獻層。100-280 m為中更新統沉積層，土體壓縮性較低，為次要貢獻層。

與2000年以前相比，當前北京市平原區地下水開采層位發生了明顯變化。由于平原區淺部含水層水位的持續下降以及水質惡化，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展，除局部地區工程施工排水外，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變為中深層承壓水為主。以近三年年沉降速率均超過100 mm/a的朝陽區東南郊某鄉為例，該地區2011年共有水井127眼，其中井深<100 m、100-200 m和>200 m的井數分別為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以內的水井數量占比61.42%，但其年開采量僅占12.87%，而井深在100-200 m的水井數量雖僅占18.11%，但其年開采量占比達到53.22%。可見該地區的中深層和深層含水層已經成為主要的開采層。

開采層的變化導致不同埋深含水層水位也出現了相應的變化。該區內612號和204號分層觀測井（圖6）水位動態曲線顯示，100 m以淺含水層年均水位保持相對穩定狀態甚至有小幅回升，而100 m以深含水層水位均出現了不同程度的下降，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，通過地面沉降監測站內分層標長時間序列數據可以發現地面沉降不同壓縮層位的沉降貢獻比例發生了顯著變化：平原區絕大部分地區地面沉降的主要貢獻層已經從100 m以淺轉移到100 m以深的地層。表2是白2004年開始監測的北京市首批建設的三個地面沉降監測站內100 m（左右）上下地層歷年沉降比重變化。從監測初期的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性。

4討論

北京平原區地面沉降形成發展階段與地下水開發利用階段的對應、地面沉降中心區與地下水降落漏斗兩者時空演變的相關性以及地面沉降主壓縮層隨地下水主采層變化而發生的轉移，顯示了北京平原區與其他不同地質環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結構，表現出了沖洪積平原模式的特性。北京平原區主要是在五大河流（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，含水層顆粒由粗變細，結構由單一層逐漸過渡到多層，在平面上可劃分為單一結構區和多層結構區。地面沉降區基本與含水層多層結構區的分布相吻合，累計地面沉降量大于50 mm的地區主要分布在沖洪積扇中下部地區。沖洪積扇中上部地區含水層富水性好，建設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年并網運行到2009年底，在懷柔和順義交界地帶已經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，但并未像在沖洪積扇中下部地區抽水那樣而出現明顯的地面沉降。

因此，針對風險評價做出的地面沉降重點防治區，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。特別是重點防治區內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整方案細化落實至不同區域、不同層位、不同用途的具體開采井上，在南水進京后，優先置換影響區內的自備井。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蓄工程，涵養恢復地下水資源，增強供水能力，減少地面沉降重點防治區內的地下水開采量。

5結論

（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、發展、擴展及快速發展階段分別與地下水開發利用的初步開發、開采增加、開采控制和嚴重超采階段相對應，地面沉降中心區和地下水降落漏斗的時空演變高度相關，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移。

（2）北京地面沉降的發生發展表現出了沖洪積平原地質模式的特性，即地面沉降區基本與地下水多層結構區的分布相吻合，累計地面沉降量大于50mm的地區主要分布在沖洪積扇中下部地區。

（3）在地面沉降風險性大的重點防治區，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。