地下水人工回灌和停采對地面沉降控制的影響分析

羅 勇， 田 芳， 秦歡歡， 崔文君， 歐志亮， 孫愛華, 田苗壯

(1. 北京市水文地質工程地質大隊， 北京 100195； 2.東華理工大學 核資源與環境國家重點實驗室， 江西 南昌 330013)

1 研究背景

作為目前世界各大城市的主要工程地質災害之一[1-2]，地面沉降嚴重影響城市基礎設施，限制經濟的可持續發展[3-5]，帶來的負面影響包括洪水[6]、對地下和地面基礎設施(如管道和建筑物)結構和基礎的損壞[7]、地表形態的變化[8]及地裂縫的產生[9,10]。在最近的40年里，世界各地記錄了200多起地面沉降事件，研究人員在數量和質量上進行了廣泛的調查[3,7,11-13]。中國的地面沉降主要發生在大中型城市，正在成為一個嚴重的環境地質問題。中國最早的地面沉降發生在1921年的上海，迄今為止，全國共有96個地區和城市發生了面積總計6.4×104km2的不同程度的地面沉降問題[14-16]，上海、蘇州、西安等城市的最大沉降量甚至大于2 m。正是由于地面沉降可能對地質、環境、水文地質和經濟等造成影響[17]，因此，世界范圍內發生的地面沉降問題引起了廣泛和重點關注。

造成地面沉降的原因有很多，包括自然因素(如地震、氣候變化等)和人為因素(如地下流體資源的開發利用等)，其中地下水的過度開采和地質活動是造成地面沉降的兩個主要原因[4-5,7]。許多研究表明，由于易受影響的含水層系統的壓實，過度的地下水開采在地面沉降中起著直接而重要的作用[3-5,7,12,17-18]。長期、大規模地過度開采地下水導致弱透水層和含水層中地下水水位的顯著下降是全球范圍內150多個國家和地區內發生地面沉降的主要原因。由于地下水超采，世界范圍內有許多地區存在嚴重的地面沉降問題，如泰國曼谷[19]、墨西哥城[20]、中國東部和中部地區[17,21-22]及美國的休斯敦-加爾維斯頓地區[23]。目前，中國有17個省市出現了顯著的地面沉降，包括北京、天津、上海、江蘇、河北等[24]。因此，十分有必要對中國的地面沉降現象進行定量化的模擬和研究。

1935年，地面沉降現象首先在北京被發現，其后逐步形成了多個沉降中心。由于水資源量的不足，北京市平原區經歷了30多年的地下水超采，帶來了一系列諸如地面沉降等環境問題，已經成為北京市經濟社會發展的主要制約因素之一[25-26]。經過多年的發展，北京市地面沉降的分布呈現兩個大區(北區和南區)、多個沉降中心的格局[7,27-28]，成為亟待解決的一個關鍵問題。

自20世紀60年代以來，為了控制地面沉降的發展，包括限制地下水開采、調整地下水開采的含水層分布和開采量以及對含水層進行人工回灌[4]等在內的3項措施在世界范圍內被廣泛采用。在過去幾十年里，作為管理水資源的技術方法，人工回灌已經在許多地方被成功采用[29-30]，該方法可以使地下水水位恢復，在短時間內對地面沉降控制有顯著的影響。目前，針對北京平原地面沉降問題進行的研究[21-22,27-28]主要采用觀測數據法和數值模擬法，較少有學者針對地下水人工回灌和停采對北京平原地下水水位恢復和地面沉降控制的影響進行研究?？紤]到地下水超采是造成地面沉降問題的主要因素之一，本文在文獻[7]的地下水流模型基礎上，采用情景分析的方法，研究地下水人工回灌和停采對北京平原地面沉降的影響，在此基礎上為北京市控制地面沉降的進一步發展提供科學的依據。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區概況

研究區為北京市平原地區，總面積約為6.4×103km2，位于華北平原西北端。北京市包含16區，2013年常住人口2 114.8×104人(密度為1 289人/km2)，GDP為19 500.6×108元(人均93 213元)，是中國的政治、經濟和文化中心。北京市屬于嚴重缺水的特大型城市，人均水資源占有量小于300 m3，遠低于人均1 000 m3的國際缺水標準線[26,31-32]。據統計，與1999年相比，2008年底北京平原地下水平均埋深為23 m，下降了11 m，地下水儲存量減少了56×108m3。隨著人口和經濟社會的發展，北京市不斷加大地下水的開采量，導致地下水降深的不斷加大，形成了約998 km2的地下水降落漏斗，主要分布在朝陽區將臺至順義區米各莊一線，在第四系較薄的地方，含水層瀕臨疏干或半疏干狀態。

2.2 研究方法

根據《北京地面沉降防治規劃(2013-2020年)》，北京市地面沉降防治的目標為：區域地面沉降速率在2015年和2020年分別不超過25和15 mm/a，沉降中心地面沉降速率在2015年和2020年分別不超過45和30 mm/a。

研究區共分為7個計算分區，分別是弱發育區、榆垈、禮賢、望京、八仙莊、天竺和王四營[33]，其中后3個計算分區(八仙莊、天竺和王四營)采用監測站分層標與含水層水位擬合公式進行計算，其余4個計算分區(弱發育區、榆垈、禮賢、望京)采用經驗估算法進行計算[33]。計算分區和計算方法的具體細節可參閱文獻[33]。

本研究在已建立并校準的1995-2014年北京平原三維非穩態地下水模型[7, 33]基礎上進行，該模型利用MODFLOW軟件將北京平原劃分為9層(5個含水層和4個弱透水層)、138列和116行的網格(大小為1km× 1km)，采用有限差分法求解地下水流的控制方程。選擇了150口觀測井的地下水水位數據，采用“試錯法”對非穩態地下水模型進行校準(1995-2005年)和驗證(2006- 2014年)，結果表明研究區的地下水流模型不存在系統誤差，計算水位與觀測水位擬合較好，非穩態地下水模型可用于下一步的情景分析。

本文中地面沉降計算的時間為2015-2030年，共設計了保持現狀(BAU)、人工回灌(AR)和地下水停采(TE)3個情景(表1)。人工回灌情景中地下水人工回灌的位置在潮白河沖洪積扇頂部，回灌時間為2015-2020年，年回灌量為1.5×108m3，期間將懷柔應急水源地的地下水開采量減少至目前開采量的20%(約0.2×108m3)，其他地區的地下水開采量與保持現狀情景相同。在地下水停采情景中，針對地面沉降中心，只減少用于工業和生活目的的地下水開采量，而用于農業目的的地下水開采量則不作改變。

表1 地面沉降計算情景設計對比表

3 結果與分析

3.1 區域地面沉降量

表2為保持現狀、人工回灌和地下水停采3種情景下北京平原7個計算分區的地面沉降速率，圖1為這3種情景下北京平原的區域地面沉降速率。從表2可以看出，相比于保持現狀的情景，人工回灌情景和地下水停采情景下所有計算分區均控制了地面沉降的增長(下降或持平)，未造成地面沉降現象惡化，但地下水停采對地面沉降控制的效果要好于人工回灌的效果。由圖1可看出，2015年3種開采情景下研究區的區域地面沉降速率在24.3～24.8 mm/a；2020年各情景下研究區的區域地面沉降速率在12.7～23.2 mm/a，最大的是保持現狀情景BAU(23.2 mm/a)，最小的為地下水停采情景TE(12.7 mm/a)；而對于2030年各情景下研究區的區域地面沉降速率在12.4～23.7 mm/a，保持現狀情景BAU的區域沉降速率最大(23.7 mm/a)，地下水停采情景TE的區域沉降速率最小(12.4 mm/a)。

3.2 沉降中心地面沉降量

研究區共有7個地面沉降中心，分布在朝陽區(金盞、三間房及黑莊戶)、海淀區(西小營)、昌平區(八仙莊)、通州區(通州城區)和大興區(禮賢)等行政區，表3列出了模擬期內各情景下北京平原沉降中心的地面沉降速率。從表3可以看出，對于所有地面沉降中心，人工回灌和地下水停采都會使得地面沉降速率下降或持平。具體來說，在2015年，保持現狀情景下研究區的地面沉降速率為39.30～158.62 mm/a，人工回灌情景下研究區的地面沉降速率為39.30～158.62 mm/a，地下水停采情景下研究區的地面沉降速率為39.30～155.45 mm/a；在2020年，保持現狀情景下研究區的地面沉降速率為27.50～165.83 mm/a，人工回灌和地下水停采情景下研究區的地面沉降速率則分別為27.50～165.83 mm/a和21.09～29.34 mm/a；在2030年，保持現狀情景下研究區的地面沉降速率為16.50～162.95 mm/a，人工回灌和地下水停采情景下研究區的地面沉降速率則分別為16.50～162.95 mm/a和16.50～24.44 mm/a。

表2 各情景下北京平原計算分區的地面沉降速率 mm/a

圖1 不同情景下北京平原區域地面沉降速率

3.3 人工回灌和地下水停采的影響

人工回灌和地下水停采均對研究區的地下水各含水層水位(圖2)和地下水含水層儲存量(圖3)的恢復有著顯著的影響。相比于保持現狀情景，人工回灌和地下水停采情景下北京平原5個含水層中觀測點的地下水水位均有不同程度的恢復，同時也使得地下水儲存量有不同程度的恢復。地下水停采情景對地下水水位和含水層儲存量的影響要大于人工回灌情景，這是因為一方面人工回灌只是在局部地區(潮白河沖洪積扇頂部)、部分時間(2015-2020年)進行，另一方面地下水停采情景停采的是沉降中心的工業和生活開采量，停采量比較大，效果比較明顯。值得關注的是，由于人工回灌的時間是2015-2020年，圖3中人工回灌情景和保持現狀情景在2021-2030年的曲線是重合的。

表3 各情景下北京平原沉降中心的地面沉降速率 mm/a

圖2 2015-2030年保持現狀、人工回灌和地下水停采情景下北京平原地下水各含水層水位恢復情況

保持現狀、人工回灌和地下水停采情景下含水層平均儲存量變化分別為-1.16×108、-0.28×108和3.52×108m3(正數表示增加，負數表示減少，下同)，含水層最大儲存量變化分別為-5.84×108、-5.84×108和7.83×108m3。相對于保持現狀情景，人工回灌和地下水停采情景的含水層平均儲存量變化分別增加0.88×108和4.68×108m3。相對于模擬期初，人工回灌情景下模擬期末不同含水層地下水水位恢復量在-0.008～0.027 m，地下水停采情景下模擬期末不同含水層地下水水位恢復量在8.162～17.548 m。地下水停采情景的效果比人工回灌情景的效果要好，但完全停采工業和生活地下水開采并不可行。

圖3 2015-2030年保持現狀、人工回灌和地下水停采情景下北京平原地下水含水層儲存量變化

與此同時，人工回灌和地下水停采均能有效地降低區域地面沉降率和沉降中心地面沉降，但效果不同(表4)。相對于現狀保持情景，人工回灌情景下區域地面沉降分別下降0.8%(2015年)、21.6%(2020年)和28.3%(2030年)，地下水停采情景下區域地面沉降分別下降2.0%(2015年)、45.3%(2020年)和47.7%(2030年)；而人工回灌情景下沉降中心地面沉降分別為持平(2015年)、下降0～50%(2020年)及持平(2030年)，地下水停采情景下沉降中心地面沉降分別下降0～5%(2015年)、0～86%(2020年)和0～85%(2030年)。

表4 相對于保持現狀情景的地面沉降變幅 %

總體上來看，對于地面沉降控制的影響，地下水停采的效果要比人工回灌效果顯著。這是因為：(1)地下水停采針對的是區域層面，而人工回灌針對的是局部層面，兩者的作用范圍不同；(2)地下水停采持續的時間是整個模擬周期，而人工回灌則只在2015-2020年起作用。然而，地下水停采對研究區經濟社會發展的限制較多，容易造成對社會發展的阻礙作用，需謹慎采用。只有綜合考慮社會經濟發展和地面沉降控制，將人工回灌和地下水停采相結合，才能既防止地面沉降的惡化，同時又保證北京平原社會的可持續發展。

4 結 論

(1)保持現狀、人工回灌和地下水停采等3個情景下北京平原區域地面沉降分別為2015年24 mm/a左右，2020年12.7～23.2 mm/a，2030年12.4～23.7 mm/a；而沉降中心地面沉降分別為2015年39.30～158.62、39.30～158.62和39.30～155.45 mm/a，2020年27.5～165.83、27.5～165.83和21.09～29.34 mm/a，2030年16.5～162.95、16.5～162.95和16.5～24.44 mm/a。

(2)人工回灌和地下水停采均對研究區地下水水位和含水層儲存量的恢復有著顯著的影響，3種情景下含水層平均儲存量變化分別為-1.16×108、-0.28×108和3.52×108m3。相對于模擬期初，人工回灌情景下模擬期末不同含水層地下水水位恢復量在-0.008～0.027 m，地下水停采情景下模擬期末不同含水層地下水水位恢復量在8.162～17.548 m。

(3)總體上來看，對于地面沉降控制的影響，地下水停采的效果要比人工回灌效果顯著。只有綜合考慮社會經濟發展和地面沉降控制，將兩者相結合，才能既防止地面沉降的惡化，又保證北京平原社會的可持續發展。