程凌鵬 范子訓 王新惠 畢然 羅勇 楊鋒

摘要：將地下水超采嚴重但受南水回灌影響的潮白河地下水庫中心區(qū)、地面沉降發(fā)育但目前已實施地下水壓限采行動的順義天竺和朝陽王四營3個典型地區(qū)作為研究對象，定量分析了南水北調進京后典型地區(qū)地下水位和地面沉降的動態(tài)變化，在此基礎上初步分析了南水進京后不同地區(qū)產生不同地質環(huán)境效應的內在機制。結果表明：潮白河地下水庫中心區(qū)對南水回灌的響應快，回灌期內中心區(qū)地下水位上升快，但停止回灌補給后其水位下降，目前仍是地下水降落漏斗中心區(qū)；順義天竺沉降敏感區(qū)，2015年、2016年潛水水位未呈現(xiàn)明顯下降趨勢，各層承壓水水位平均下降幅度約1m，地面沉降速率減小為34mm/a；朝陽王四營地區(qū)潛水水位2006-2016年總體保持在同一水平，各層承壓水水位2015年、2016年仍呈下降趨勢，其中淺層承壓水水位變幅小于0.5m，深層承壓水水位變幅約為1.0 m，該地區(qū)地面沉降發(fā)展速率由64mm（2014年）減小為55mm（2016年）。

關鍵詞：南水進京：地下水：水位：地面沉降

中圖分類號：P642. 26； TV68

文獻櫟志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.018

南水北調中線工程是舉世矚目的大型跨流域調水工程之一，是我國近代水利工程建設的豐碑之作。近半個世紀以來，圍繞該工程建設、效益以及環(huán)境影響等方面開展的研究及取得的成果不計其數(shù)。就跨流域調水工程對受水區(qū)地質環(huán)境的影響以及對控制或減緩地面沉降的作用而言，地下水環(huán)境（水位、水質、流場等）的變化是研究者關注的焦點，研究成果的廣度和深度堪稱一流。如研究者采用定性分析、試驗模擬、數(shù)值模擬等方法對受水區(qū)地下水環(huán)境的變化進行了不同程度的研究，其成果在推動地下水環(huán)境研究進步、為南水北調工程建設管理和決策服務中起到了不可替代的作用。相對而言，在控制和減緩受水區(qū)地面沉降方面研究的廣度和深度要弱一些，一方面地面沉降的發(fā)育有其特殊的地質環(huán)境條件，另一方面地下水對地面沉降的作用機制比較復雜。有效應力原理可以很好地解釋地下水位下降引發(fā)土層壓縮而形成地面沉降的現(xiàn)象，但對于地下水位恢復上升后，已經固結壓縮的土層在結構、應力和變形上的反映和作用機制無法解釋。因此，目前關于地下水位上升后地面沉降發(fā)展規(guī)律的研究多集中在定性分析判斷、水位與沉降監(jiān)測系列數(shù)據(jù)的相關分析和以此為基礎的模擬預測等方面。

南水北調中線工程的全線貫通為研究華北平原沉降區(qū)地下水位上升與地面沉降的關系及機制提供了良好契機。筆者從南水進京后兩年來北京平原典型受水區(qū)和沉降區(qū)地下水與地面沉降的動態(tài)變化人手，初步分析了不同區(qū)域的地質環(huán)境效應，以期為南水北調工程對區(qū)域地面沉降的控制作用研究、南水進京后地質環(huán)境效應的動態(tài)監(jiān)測與評估機制建立，以及南水北調工程綜合效益研究等奠定基礎。

1南水進京引起的水變化

截至2017年9月底，南水北調中線工程運行已近3a，累計向北京市輸水27.2億m^3。南水進京后北京市供水水源結構發(fā)生了顯著變化，主要表現(xiàn)為當?shù)氐乇硭偷叵滤┧繙p少、再生水和外調水供水量明顯增加，見表1。與2014年相比，南水北調工程運行2a后的2016年，當?shù)氐乇硭┧坑?.5億m^3減少到2.9億m^3，地表水供水比例由23%減少到7%；當?shù)氐叵滤_采量由19.6億m^3減少到17.5億m^3，地下水供水比例由52%減少到45%；再生水供水量由8.6億m^3增加到10.0億m^3，其供水量占比由23%增加到26%；外調水資源量由0.8億m^3增加到8.4億m^3，占當年全市總供水量的22%。

伴隨著南水進京和供水水源結構變化的是北京市穩(wěn)步推進當?shù)氐叵滤畨合薏尚袆佑媱潱詫崿F(xiàn)地下水超采區(qū)生態(tài)地質環(huán)境的休養(yǎng)生息和地面沉降有效控制的長期目標。2014年11月，北京市水務部門正式啟動了白備井置換工作，東部、南部供生活飲用的白備井最先關停：2015年完成了105家單位共157眼白備井置換，涉及東城、西城、朝陽、海淀、豐臺、石景山、昌平及大興8個區(qū)，置換地下水開采量1600萬m^3；2016年完成160家單位白備井置換任務，置換地下水開采量1400萬m^3，平原區(qū)地面沉降發(fā)育區(qū)全部規(guī)劃為地下水禁采區(qū)。2015年9月起，位于潮白河沖洪積扇中上部的懷柔應急水源地實現(xiàn)了12a來首次熱備涵養(yǎng)，開采量由26.5萬m^3/d減少為10萬m^3/d，同一地區(qū)的潮白河懷河應急水源地（開采量10萬m^3/d）和潮白河綠化水源地（開采量5萬m^3/d）全部停止開采。2015年、2016年，北京市水源地共計壓減開采地下水量近1.2億m^3。

本文選擇潮白河地下水庫中心區(qū)、順義天竺和朝陽王四營地面沉降區(qū)3個典型地下水壓限采區(qū)作為研究對象，分析南水進京后2a（2015-2016年）內這些區(qū)域地下水和地面沉降的變化狀況，進而探討南水北調工程的地質環(huán)境效應。

2典型區(qū)地質環(huán)境簡況

潮白河地下水庫中心區(qū)指位于北京市東北部、潮白河沖洪積扇中上部的地下水降落漏斗中心區(qū)，包括牛欄山以北、廟城一小羅山以南以及木林鎮(zhèn)以東的平原區(qū)，面積約80km^2。該區(qū)域有懷柔應急水源地、水源八廠水源地、潮白河懷河應急水源地等多個水源地，開采井120眼左右，南水進京前的日開采量達70萬m^3/d，地下水位年均降幅約2.5m，2014年潛水水位埋深南部牛欄山地區(qū)為35～ 45m，北京廟城一王各莊村為25～30m。區(qū)內第四系含水層巖組自上而下可分為3層，分別賦存潛水、淺層承壓水和深層承壓水，含水巖組厚度由北向南增大，累計厚度最大約70m，底板埋深在170m以上。

順義天竺鎮(zhèn)位于北京市平原區(qū)東北部，地處溫榆河與潮白河沖洪積扇下部，是順義迭凹陷的核心地帶，第四系沉積層總厚度達500m，是北京地區(qū)典型的地面沉降發(fā)育區(qū)。根據(jù)北京市區(qū)域地面沉降監(jiān)測和研究成果，該地區(qū)第四系地層中可壓縮土層（中一高等壓縮性的黏性土層）總厚度為150～220m，深度100m以內的可壓縮土層厚度達60～70m。王四營地區(qū)同為典型的地面沉降發(fā)育區(qū)，位于北京市平原區(qū)中東部、溫榆河沖洪積扇中下部，區(qū)域構造處于坨里一豐臺迭凹陷與黃村迭凸起的交界地帶，第四系沉積地層總厚度約200m，深度100m以內的可壓縮土層厚度為70～80m。天竺和王四營兩個地面沉降監(jiān)測站第四系地下水與土層沉降分層監(jiān)測深度范圍內的地層結構見圖1。

3典型區(qū)地下水新動態(tài)

3.1潮白河地下水庫中心區(qū)

潮白河地下水庫中心區(qū)在2015年8-11月接受南水北調來水，通過天然河道的人滲補給，地下水位在短時期內快速回升。根據(jù)文獻，此次累計補水量為3379.16萬m^3，日補給量約45萬m^3，補水引起的庫區(qū)地下水動力場影響范圍最大約23.4km^2，回灌補給期地下水位的最大升幅約14.0m，升幅最大處為水源八廠水源地中心開采區(qū)；回灌結束后，河道中心區(qū)地下水位開始回落，其外圍地下水位在一段時間內仍處于上升狀態(tài)，2016年1-2月達到最高，之后開始回落，反映了地下水壓力白回補中心向外圍逐漸消散衰減的一般性規(guī)律；2016年6月12日，即實施回灌補給約8個月后，庫區(qū)中心回灌區(qū)地下水位比回灌前的初始水位高約6.3m，而外圍影響區(qū)地下水位相比初始水位高約2.0m。

對比2014-2016年北京市平原區(qū)地下水位發(fā)現(xiàn)，潮白河地下水庫中心區(qū)近3a來的最高地下水位為35m，最低地下水位均在-10m以下。2015年度相比2014年度，漏斗中心區(qū)（-10m等水位線閉合區(qū)）相對向東北部潮白河一線，即水源八廠水源地一帶偏移，而2016年度相比2015年度，漏斗中心區(qū)西部即牛欄山以西區(qū)域明顯向東收縮?？傮w來說，從淺層地下水位的長期動態(tài)觀測結果看，南水進京后，潮白河地下水庫中心區(qū)中北部地區(qū)淺層地下水位的年動態(tài)變幅約為Im，地下水位持續(xù)下降的勢頭有所控制；南部牛欄山地區(qū)仍是漏斗中心區(qū)，地下水位最低，其平面影響范圍在2016年度略有減小。

地下水位的動態(tài)變化反映了區(qū)域水資源量的動態(tài)變化。南水進京后2a（2015-2016年），除了在2015年實施了短期河道回灌補給地下水外，潮白河地下水庫中心區(qū)基本處于自然修復狀態(tài)，地下水位及資源量的動態(tài)變化與天然補給量和人工開采量密切相關。根據(jù)《北京市水資源公報》，2014年潮白河地下水庫中心區(qū)涉及的密云區(qū)、懷柔區(qū)和順義區(qū)年降水量為400～500mm，低于其多年平均降水量；2015年，密云區(qū)、懷柔區(qū)降水量近600mm，順義區(qū)最大為705mm；2016年，該區(qū)域年降水量均在650mm左右。按人滲系數(shù)法概略估算，潮白河地下水庫中心區(qū)在2015-2016年的平均大氣降水人滲補給量約為1300萬m^3/a（人滲系數(shù)取0.25，中心區(qū)面積按80km^2計，年平均降水量按650mm計）。

從歷年《北京市水資源公報》公布的數(shù)據(jù)可以看出，2015年、2016年潮白河流域地下水資源量相比十多年來年均地下水資源量（2.92億m^3）略有增長，2a總增長量為3600萬m^3，見表2。

就開采量而言，由前述潮白河地下水庫中心區(qū)的水源地壓限采行動可知，南水北調進京后，區(qū)內集中開采的幾個水源地總壓采規(guī)模達31.5萬m^3/d，2015年、2016年壓采總量達1.2億m^3。

3.2順義天竺地區(qū)

天竺地面沉降監(jiān)測站建有地下水位動態(tài)監(jiān)測井6眼，最深監(jiān)測層位為245.0～308.0m，最淺監(jiān)測層位為27.2～31.3m，監(jiān)測的地下水包括潛水、淺層承壓水和深層承壓水。天竺地面沉降監(jiān)測站分層水位特征參數(shù)見表3。

多年分層監(jiān)測數(shù)據(jù)（見圖2）表明，天竺地面沉降區(qū)潛水水位在2008年以前基本穩(wěn)定，平均約為8m；2008-2011年總體呈微下降趨勢，累計降幅約1.4m；2012-2014年總體呈上升趨勢，累計升幅3.2m，2014年水位最高，為9.8m；與2014年相比，南水進京后的2015-2016年沉降區(qū)潛水水位總體呈下降趨勢，累計降幅約2.0m，與監(jiān)測初始期（2005年）的水位基本持平；與2015年相比，2016年該區(qū)潛水水位相對上升0.4m。

由圖2可以看出，天竺地面沉降區(qū)中深層與深層承壓水水位在2011年以前呈直線下降趨勢，平均下降速率分別為1.10m/a和1.90m/a，水位分別降至-11m和-15m左右；2011-2016年，該區(qū)深層承壓水水位呈現(xiàn)先上升（2014年以前）、后下降（2015-2016年）的變化趨勢，最大水位動態(tài)變幅約1m；中深層承壓水水位總體仍呈下降趨勢，但下降速率明顯變小，平均約為0.45m/a。與2014年相比，2015年200m深以內的各層承壓水水位均有小幅上升，升幅為0.3～0.8m；與2015年相比，2016年各層承壓水水位均下降，降幅最大的為淺層承壓水（D3-5監(jiān)測標），相對降幅約3.8m，最深部的承壓水水位降幅最小，約0.7m，且200m深以內的各層承壓水水位降幅相對大于更深部承壓水的。

3.3朝陽王四營地區(qū)

王四營地面沉降監(jiān)測站設5眼地下水位監(jiān)測井，最深監(jiān)測層位為159.7～182.8m，最淺監(jiān)測層位為9.2～14.7m，監(jiān)測層位包括潛水和多層承壓水。該監(jiān)測站的分層水位特征參數(shù)見表4。

多年監(jiān)測數(shù)據(jù)（見圖3）表明，王四營地區(qū)潛水水位近10a來基本穩(wěn)定在20m左右；淺層承壓水水位在2009年以前基本穩(wěn)定在0.1m左有，2009年以后水位開始下降，至2016年累計降幅7.2m左右，年平均降幅約0.9m，其中2012年以后該層水位下降速率相對之前略有減小，基本穩(wěn)定在0.7m/a；中深層承壓水水位自監(jiān)測以來一直保持下降趨勢，其中2009年以前下降速率相對較小，為1.4m/a，2009-2016年平均下降速率為1.5m/a，相對較大；深層承壓水水位多年變化趨勢總體與中深層承壓水的一致，10a來水位累計下降18.0m，平均下降速率為1.8m/a，目前水位約為-25.0m。

就南水進京后2a而言，除潛水外，該地區(qū)各層承壓水水位相比2014年均為下降，相對降幅最大的為深層承壓水（Dl-1），2a的降幅相差不大，均為約1.0m；降幅最小的為淺層承壓水（Dl-3），2016年降幅不足0.1m，2015年降幅為0.3 m；2015年、2016年潛水水位表現(xiàn)為微上升，但升幅均小于0.1m，可以認為基本與2014年持平。

4典型區(qū)地面沉降新動態(tài)

4.1天竺地面沉降區(qū)

順義天竺鎮(zhèn)位于北京平原區(qū)最大的承壓水位降落漏斗—天竺—通州降落漏斗范圍內，區(qū)域地面沉降的時空發(fā)展與該地區(qū)地下水位動態(tài)變化密切相關。20世紀七八十年代中期，該地區(qū)地下水位平均下降速率為0.7m/a，地面沉降處于初步形成和緩慢發(fā)展階段，累計沉降量僅100mm；20世紀80年代中后期至21世紀初期，該區(qū)域地面沉降處于相對快速發(fā)展時期，特別是20世紀90年代后期全市進入枯水期后，該區(qū)域地下水開采力度加大，1998-2003年地下水位下降速率為2.2m/a，同期的地面沉降速率為33～42mm/a，到2005年最大累計沉降量近500mm。

2005年以后，該地區(qū)承壓水水位繼續(xù)下降，但年均下降速率明顯減?。?2.0m/a），同期地面沉降發(fā)展速率仍保持在一個相對較高的水平，見圖4。2006-2016年，天竺地區(qū)地面沉降速率為31～43mm/a，屬中速發(fā)展時期，多年平均沉降速率為37mm/a，累計地面沉降量為483mm。與2014年相比，2015-2016年天竺地區(qū)的地面沉降速率有所減小，2014年、2015年、2016的沉降量分別為40、31、34mm。

4.2王四營地面沉降區(qū)

王四營為東八里莊一大郊亭沉降區(qū)向東、向南擴展的影響區(qū)域，該區(qū)域地面沉降最早發(fā)現(xiàn)于20世紀50年代。1983年以前，該沉降中心區(qū)位于王四營西北部的東八里莊—大郊亭一線，年沉降量最大為81mm，平均沉降速率為30mm/a，最大累計沉降量達590mm，此時的地面沉降速率大，但其平面擴展和影響范圍相對較小，距離沉降中心約4km的王四營地區(qū)累計沉降量不足100mm。20世紀80年代以后，北京東郊地下水開采量減小，該地區(qū)地面沉降速率明顯減小，1987-1999年，該區(qū)域沉降中心的年平均沉降速率僅5.7mm/a，王四營地區(qū)累計沉降量小于250mm；1999-2005年，該區(qū)域沉降中心逐漸向東偏移，大郊亭一三間房一帶沉降發(fā)展最快，王四營地區(qū)的年沉降速率有所增大，7a的累計沉降量為50～100mm。

近10a來，該地區(qū)各層承壓水水位均呈持續(xù)下降趨勢，地面沉降相應地處于快速發(fā)展階段。歷年地面沉降量變化曲線（見圖5）表明，2006年以來王四營地區(qū)年沉降量最小約20.0mm（2007年），最大年沉降量為66.7mm（2013年），2013年以后年沉降量有所減小，2015年、2016年的沉降量基本持平，平均為55.0mm，相比2014年的64.0mm略有減小。至2016年年底，王四營地區(qū)累計地面沉降量為548mm。

5南水進京后的地質環(huán)境效應分析

南水進京不僅提高了北京地區(qū)的供水保證率，而且通過供水水源結構的變化，從根本上促進了當?shù)氐叵滤刭|環(huán)境的變化。對于潮白河地下水庫中心區(qū)，庫區(qū)地層以粗顆粒的砂、卵礫石為主，可壓縮的黏性土層相對較薄，地下水接受大氣降水補給、人工回灌補給的條件較好，南水進京后該地區(qū)地下水資源量略有增長，淺層地下水位回升較明顯。特別是在人工回灌補給期，庫區(qū)地下水降落漏斗中心水位上升快且升幅大，隨時間推移水壓力逐漸向周邊擴散，中心水位降低、周邊水位緩慢上漲。但目前該地區(qū)總體上仍為平原區(qū)東北部的地下水超采和水位降落漏斗中心，其地質環(huán)境的恢復與改善有待繼續(xù)關注。

對于地面沉降易發(fā)的平原區(qū)東北部（天竺）和東南部（王四營），南水進京主要導致這些地區(qū)部分地下水源白備井被置換，但目前置換的水資源量小，區(qū)域內潛水以及各層承壓水水位的動態(tài)變化趨勢未發(fā)生明顯改變，對地面沉降貢獻較大的各深層承壓水水位總體仍呈持續(xù)下降趨勢，因此這些地區(qū)地面沉降目前仍處于相對較快速的發(fā)展時期，且東南部地區(qū)比東北部地區(qū)沉降速率大。

6結論與建議

通過對典型地區(qū)地下水和地面沉降動態(tài)變化的定量分析，得出以下結論：

（1）潮白河沖洪積扇中上部地區(qū)多年地下水超采形成了較大的地下儲蓄空間，南水北調來水通過河床回灌補給地下水的短期效果明顯，水位恢復快，但持續(xù)時間短、回灌量小，該地區(qū)目前仍為地下水降落漏斗中心。

（2）平原區(qū)北部地面沉降敏感區(qū)——順義天竺，南水北調進京2a來，潛水水位未呈現(xiàn)明顯下降趨勢：各層承壓水水位下降趨勢較明顯，平均動態(tài)變幅約1m，且總體上200 m深度以內的承壓水水位下降趨勢略大于更深層承壓水的。2a來該區(qū)域地面沉降有減緩趨勢，年沉降速率由40mm/a（2014年）減小為34mm/a（2016年）。

（3）平原區(qū)東部地面沉降敏感區(qū)——朝陽王四營，南水進京后潛水水位未發(fā)生明顯變化：淺層承壓水水位變幅小于0.5m，深層承壓水水位變幅約為1.0m。該地區(qū)地面沉降發(fā)展速率明顯減小，由2014年的64mm/a減小為2015年、2016年的55mm/a。

從控制地面沉降的角度來看，南水進京2a來，北京平原區(qū)北部和東部地面沉降典型發(fā)育區(qū)的沉降速率有所減緩。南水進京對北京地區(qū)地質環(huán)境的影響是一個長期持續(xù)的作用過程，不同的地質條件將產生不同的響應，其影響作用機制值得進一步探索研究，為此建議：

（1）建立南水北調工程地質環(huán)境效應監(jiān)測評估機制，加強對直接受水區(qū)、水源置換區(qū)、地下水壓限采區(qū)等典型區(qū)域地質環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測和跟蹤評估，為水資源的可持續(xù)利用、優(yōu)化配置以及地質環(huán)境的科學保護提供依據(jù)。

（2）加強南水進京后北京市地下水庫中心區(qū)、地面沉降易發(fā)區(qū)、固體污染物填埋區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)地質作用效應的研究，為地下水環(huán)境保護、有效控制地面沉降和保障城市地質環(huán)境安全等提供科學支持。

（3）以地質環(huán)境效應的動態(tài)監(jiān)測為基礎，開展北京市南水北調工程生態(tài)地質環(huán)境效益的動態(tài)跟蹤研究和評價。