程凌鵬 王新惠 張琦偉 張弢 武增寬

摘要：根據(jù)北京平原區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了南水進(jìn)京后各主要沉降區(qū)域地面沉降的發(fā)展變化，并結(jié)合一定時(shí)期內(nèi)北京市地下水與南水的水資源配置方式和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，預(yù)測(cè)了各主要沉降區(qū)地面沉降的發(fā)展趨勢(shì)：城六區(qū)的朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)西小營(yíng)一帶沉降速率持續(xù)減小，并漸至穩(wěn)定；通州新城區(qū)地面沉降向東擴(kuò)張和較高速發(fā)展的勢(shì)頭近期內(nèi)難以控制；南部大興區(qū)榆垡—禮賢和北部順義區(qū)天竺—后沙峪—南法信一帶的沉降區(qū)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定發(fā)展期，沉降速率緩慢減小，沉降的空間擴(kuò)張趨于穩(wěn)定；昌平區(qū)沙河—八仙莊沉降區(qū)地面沉降速率難以控制在較低水平。

關(guān)鍵詞：沉降速率；沉降區(qū)；南水北調(diào)；北京

中圖分類號(hào)：P642.26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.020

北京平原區(qū)自20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)地面沉降以來(lái)，地面沉降已發(fā)展成為南北兩大片區(qū)、7個(gè)沉降中心、影響范圍超平原區(qū)總面積三分之二的廣闊區(qū)域[1]。截至2016年年底，北京平原區(qū)最大累計(jì)沉降量達(dá)1864mm，最大沉降速度達(dá)150mm/a，是我國(guó)華北平原地面沉降發(fā)育較為嚴(yán)重的區(qū)域之一。

地下水連續(xù)多年超采和天然補(bǔ)給量不足是北京地區(qū)地面沉降發(fā)生和發(fā)展的主要誘因[2-5]。多年來(lái)人們努力探索科學(xué)合理的地下水資源開發(fā)利用和管理方式，以及地面沉降地質(zhì)災(zāi)害有效控制和預(yù)防的方法，以實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)利用與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的和諧平衡與可持續(xù)發(fā)展[6-9]。南水北調(diào)中線工程引長(zhǎng)江水入北京，置換部分當(dāng)?shù)氐叵滤偷乇硭?，在保障城市供水保證率的條件下，在地質(zhì)條件適宜的地區(qū)采用人工回灌的方式補(bǔ)給當(dāng)?shù)氐叵滤?，這些均為北京地區(qū)地下水環(huán)境的休養(yǎng)生息提供了條件，對(duì)緩解和控制地面沉降的進(jìn)一步發(fā)展是利好因素。本文根據(jù)近年來(lái)北京平原區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域地面沉降發(fā)展的時(shí)空規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，重點(diǎn)分析了南水進(jìn)京后各主要沉降區(qū)域地面沉降的發(fā)展變化，并結(jié)合一定時(shí)期內(nèi)北京市地下水與南水的水資源配置方式和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，預(yù)測(cè)了各主要沉降區(qū)地面沉降的發(fā)展趨勢(shì)。

1 南水北調(diào)新水情

2014年11月底，南水北調(diào)中線一期工程全面通水，標(biāo)志著江水正式進(jìn)京，同時(shí)拉開了北京供水水源結(jié)構(gòu)調(diào)整、地下水開發(fā)與管理方式轉(zhuǎn)變以及水資源保護(hù)等用水、管水和節(jié)水新政實(shí)施的序幕。根據(jù)《北京市水資源公報(bào)》，2015年、2016年南水北調(diào)中線工程向北京年均輸水總量8.5億m3，約占全年總供水量的23%，明顯改變了其供水水源結(jié)構(gòu)，見圖1。南水進(jìn)京后，北京當(dāng)?shù)氐乇硭墓┧匡@著減少，由2014年的8.5億m3減少到2016年的2.9億m3，減少了5.6億m3，地表水供水量占年供水總量的比例由2014年的23%減少到7%；當(dāng)?shù)氐叵滤拈_采利用量逐年小幅減少，由2014年的19.6億m3減少到2016年的17.5億m3，減少了2.1億m3，地下水供水量占年供水總量的比例由2014年的52%減少到2016年的45%。

南水進(jìn)京后，北京市適時(shí)調(diào)整了當(dāng)?shù)氐叵滤Y源開發(fā)利用與管理的方式。一是將南水作為北京市城六區(qū)（東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、石景山區(qū)）的主要供水水源，逐步實(shí)現(xiàn)城區(qū)地下水超采區(qū)的禁采，以有效控制主城區(qū)地面沉降的快速發(fā)展；二是縮小懷柔應(yīng)急水源地區(qū)地下水的開采規(guī)模，以緩解該地區(qū)地下水水位持續(xù)下降的趨勢(shì)，恢復(fù)與涵養(yǎng)地下水生態(tài)環(huán)境；三是選擇條件適宜的地區(qū)和時(shí)機(jī)，用南水回灌補(bǔ)給當(dāng)?shù)氐叵滤畲笙薅鹊赜煤?、存好外調(diào)水資源。

2 地面沉降現(xiàn)狀

北京平原區(qū)（不含延慶）地面沉降主要發(fā)生在北部昌平—海淀—順義、東部朝陽(yáng)—通州以及南部大興，目前在平面上基本形成了以昌平沙河—八仙莊、朝陽(yáng)金盞—樓梓莊、東郊八里莊—大郊亭、大興榆垡—禮賢、海淀西小營(yíng)—上莊為沉降中心的沉降區(qū)，其中北部與東部沉降區(qū)已連接成片，見圖2。截至2016年年底，累計(jì)沉降量最大的為東部朝陽(yáng)金盞地區(qū)，累計(jì)沉降量為1864mm；沉降最快的為東部朝陽(yáng)—通州一帶，年沉降量大于110mm。

2.1 沉降速率發(fā)展規(guī)律

總體上，北京平原區(qū)地面沉降的時(shí)空發(fā)展與地下水超采具有宏觀上的一致性。1999年后，當(dāng)?shù)氐叵滤_采進(jìn)入大規(guī)模超采期，地面沉降也進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，沉降中心的沉降速率增大，沉降區(qū)的空間擴(kuò)張速度加快。1999-2005年，北部昌平八仙莊、朝陽(yáng)來(lái)廣營(yíng)一順義天竺、東部朝陽(yáng)大郊亭一三間房、通州梨園一臺(tái)湖以及南部大興榆垡—禮賢一帶的年平均沉降速率超過30mm/a。該時(shí)期地面沉降的影響區(qū)域在平面上迅速擴(kuò)張，6a間，累計(jì)沉降量≥300mm的區(qū)域擴(kuò)張速度接近80km2/a，是1955-1999年平均擴(kuò)張速度（11km2/a）的7倍多，而累計(jì)沉降量≥50mm的區(qū)域擴(kuò)張速度為216km2/a。1999-2005年主要沉降區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

2006-2016年北京地區(qū)7個(gè)主要沉降中心沉降速率見圖3，由圖3可以看出，2006-2016年，所有沉降中心的沉降速率總體上呈上升趨勢(shì)，其中東部朝陽(yáng)區(qū)沉降速率最大，沉降速率由60～80mm/a增至140～160mm/a（2012年），2014-2016年仍維持115～140mm/a的沉降速率；東部通州區(qū)沉降速率也較大，年均沉降量均大于60mm，2012年沉降量最大，為130mm，2014-2016年平均沉降速率為100mm/a；北部昌平八仙莊沉降中心在2012年前沉降速率近線性增大，由約20mm/a增至約110mm/a，2014-2016年沉降量為70～90mm/a；海淀西小營(yíng)自2010年有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以來(lái)，一直表現(xiàn)為高速沉降，沉降速率為80～125mm/a；相對(duì)而言，南部大興榆垡—禮賢沉降中心多年來(lái)沉降速率增長(zhǎng)緩慢，除2008年外，11a來(lái)沉降速率基本穩(wěn)定在60～80mm/a。由此可以認(rèn)為，目前北京平原區(qū)東部、北部仍處于地面沉降的快速發(fā)展時(shí)期，而南部大興沉降區(qū)處于沉降的相對(duì)穩(wěn)定期。截至2016年年底，各主要沉降中心沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

結(jié)合南水北調(diào)進(jìn)京新水情，從目前地面沉降的發(fā)展規(guī)律看，2015年、2016年?yáng)|部朝陽(yáng)三間房、黑莊戶和通州城區(qū)一帶以及北部昌平八仙莊沉降區(qū)沉降速率減??；海淀西小營(yíng)地區(qū)，2015年沉降速率相比2014年顯著增大，而2016年沉降速率相比2015年顯著減小，減小至與2014年基本持平；南部大興地區(qū)，2015年和2016年沉降速率基本穩(wěn)定在70mm/a左右，相比2014年增大約15mm。

2.2 沉降區(qū)域空間擴(kuò)展規(guī)律

自有觀測(cè)記錄以來(lái)，北京地面沉降影響區(qū)域在空間上的擴(kuò)展趨勢(shì)總體表現(xiàn)為：東部沉降區(qū)向南、北、東三面擴(kuò)展；北部沉降區(qū)自來(lái)廣營(yíng)—天竺一帶向東西兩側(cè)及北部擴(kuò)展，逐漸形成了以昌平沙河與八仙莊、順義平各莊與天竺、海淀西小營(yíng)以及朝陽(yáng)來(lái)廣營(yíng)為中心的串珠狀沉降區(qū)，并與東部沉降區(qū)相接；南部沉降區(qū)以大興榆垡—禮賢為沉降中心，緩慢向北部擴(kuò)展。2016年北京平原區(qū)累計(jì)地面沉降量≥500mm的區(qū)域面積為1561km2，占平原區(qū)面積的25.6%；累計(jì)沉降量≥800mm的區(qū)域面積為790km2，占平原區(qū)面積的13.0%；累計(jì)沉降量≥1000mm的區(qū)域面積為390km2，占平原區(qū)面積的6.4%。

對(duì)應(yīng)于前述沉降中心區(qū)的快速發(fā)展時(shí)期（1999-2005年），地面沉降的空間擴(kuò)展速度表現(xiàn)為：累計(jì)沉降量≥800mm的區(qū)域，年均增長(zhǎng)面積1km2；累計(jì)沉降量500mm的區(qū)域，年均增長(zhǎng)面積40km2；累計(jì)沉降量≥200mm的區(qū)域，年均增長(zhǎng)面積107km2；累計(jì)沉降量≥50mm的區(qū)域，年均增長(zhǎng)面積216km2[1]。這表明沉降中心區(qū)（累計(jì)沉降量大、沉降速度快）的空間擴(kuò)張速度遠(yuǎn)小于其外圍沉降影響區(qū)的擴(kuò)張速度，意味著地面沉降在平原區(qū)較大范圍內(nèi)開始顯現(xiàn)，但僅沉降中心區(qū)沉降速率較大。

分析近11a來(lái)沉降區(qū)域空間擴(kuò)張曲線（見圖4）發(fā)現(xiàn)，累計(jì)沉降量≥1000mm的區(qū)域，年均增長(zhǎng)面積39km2；累計(jì)沉降量≥800mm的區(qū)域，年均增長(zhǎng)面積77km2；累計(jì)沉降量≥500mm的區(qū)域，年均增長(zhǎng)面積109km2；累計(jì)沉降量≥200mm的區(qū)域，年均增長(zhǎng)面積120km2。這表明，與1999-2005年的快速發(fā)展期相比，近11a來(lái)沉降中心區(qū)的空間擴(kuò)張速度明顯加快，即沉降速度較快的區(qū)域迅速向外擴(kuò)展，影響到外圍更大的區(qū)域，而總的地面沉降影響區(qū)范圍擴(kuò)張相對(duì)穩(wěn)定，即南水北調(diào)新水情對(duì)區(qū)域地面沉降的空間擴(kuò)展趨勢(shì)未產(chǎn)生明顯影響。

3 地面沉降趨勢(shì)分析

從南水進(jìn)京后的供水空間分配和自備井置換兩方面入手，定性分析未來(lái)一段時(shí)間北京平原區(qū)地面沉降的時(shí)空發(fā)展趨勢(shì)。目前北京市接納南水的水廠共有8座，分別為郭公莊水廠、第三水廠、第九水廠、田村山凈水廠、309水廠、長(zhǎng)辛店水廠、門頭溝城子水廠和通州水廠。南水的主要供水范圍為北京市城六區(qū)，以及城區(qū)南部的豐臺(tái)南苑—東高地、大興西紅門—舊宮、西部門頭溝區(qū)和東部通州新城的西部地區(qū)。結(jié)合前述北京平原區(qū)地面沉降的空間發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，南水供水范圍內(nèi)的地面沉降發(fā)育區(qū)主要有城區(qū)東部的朝陽(yáng)、北部的海淀西小營(yíng)一帶和通州新城區(qū)，其余地區(qū)（門頭溝、豐臺(tái)東南部和大興北部）大部分位于地面沉降的弱發(fā)育區(qū)，最大沉降速率小于10mm/a，累計(jì)沉降量不超過50mm，這主要是由這些地區(qū)特殊的第四系地層巖性（以粗顆粒的砂礫石為主）及其性質(zhì)（壓縮性?。Q定的。

北京市城六區(qū)既是南水的主要受水區(qū)，又是南水進(jìn)京后當(dāng)?shù)氐叵滤醋詡渚闹饕脫Q區(qū)。據(jù)報(bào)道，北京市政府批準(zhǔn)自2015年開始實(shí)施《2015-2020年城區(qū)自備井置換工作方案》，計(jì)劃用5a時(shí)間分3個(gè)階段完成城區(qū)自備井置換工作：2015—2016年主要置換東部定福莊、東壩、垡頭、溫榆河，南部南苑、郭公莊等地區(qū)；2017-2018年主要置換北部海淀后山地區(qū)以及西苑、石景山地區(qū)；2018-2020年完成城區(qū)剩余自備井置換。該工作全部實(shí)施完成后，北京市城六區(qū)自備井全部關(guān)停，按與其原供水量相同考慮，城六區(qū)范圍內(nèi)地下水開采量可望減少2.2億～2.4億m3。對(duì)于受水區(qū)內(nèi)的朝陽(yáng)和海淀西小營(yíng)一帶的沉降區(qū)，近2a來(lái)沉降速率總體為減緩趨勢(shì)，特別是東部朝陽(yáng)區(qū)，2015年、2016年沉降速率持續(xù)下降，由此可以初步判斷，至2020年若自備井置換工作按計(jì)劃落實(shí)，則城區(qū)地下水開采量將在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上持續(xù)減小，其地面沉降速率有望持續(xù)減小，并漸至穩(wěn)定。

對(duì)于通州新城地區(qū)，2012年該區(qū)地面沉降速率達(dá)到近11a來(lái)最大，年沉降量約130mm/a，2014年下降至約90mm/a，2015年又上升至110mm/a，總體上沉降速率仍相對(duì)較大，減小趨勢(shì)不明顯。考慮到通州行政副中心的建設(shè)，今后一段時(shí)期內(nèi)通州地區(qū)地下水壓減采形勢(shì)依然嚴(yán)峻。另外，近年來(lái)平原區(qū)東部地面沉降總體呈現(xiàn)繼續(xù)向東擴(kuò)展的趨勢(shì)，且朝陽(yáng)黑莊戶至通州臺(tái)湖、張家灣以及宋莊一帶的沉降速率2012-2016年均維持在較高水平，平均年沉降量超過70mm/a，短期內(nèi)這一趨勢(shì)不能得到有效緩解。因此，今后一段時(shí)期內(nèi)，通州新城及其以東的宋莊、潞城一帶的城市建設(shè)區(qū)，地面沉降的時(shí)空擴(kuò)展仍可能保持相對(duì)較快的勢(shì)頭。

南部大興榆垡—禮賢一帶的沉降區(qū)，2010年以來(lái)地面沉降速率基本穩(wěn)定在70～80mm/a，南水進(jìn)京后該沉降區(qū)地下水潛水位漏斗中心（10m等水位閉合線）在南各莊—半壁店一線，空間范圍相對(duì)南水進(jìn)京前有所縮小。該區(qū)域目前為非南水受水區(qū)，在保持現(xiàn)有人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的條件下，該區(qū)域地下水開發(fā)利用處于相對(duì)穩(wěn)定期，其地面沉降的發(fā)展也會(huì)相應(yīng)地處于平穩(wěn)發(fā)展期，沉降速率將緩慢減小，沉降的空間擴(kuò)展將趨于穩(wěn)定。

自2012年以來(lái)，北部昌平沙河—八仙莊沉降中心地面沉降速率總體為減小趨勢(shì)。該區(qū)域目前不是南水的受水區(qū)，供水水源主要為當(dāng)?shù)氐叵滤?，區(qū)內(nèi)建有小湯山水廠、北七家水廠、沙河水廠等中小型水廠，在建的未來(lái)科技城（規(guī)劃占地10km2，人口總規(guī)模為10萬(wàn)以內(nèi)）位于該區(qū)域內(nèi)，可以預(yù)計(jì)其地下水資源的開發(fā)利用規(guī)模在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)處于微增大趨勢(shì)，其中心區(qū)的地面沉降速率難以控制在較低水平。

順義天竺—后沙峪—南法信沉降區(qū)向西與昌平沙河—八仙莊沉降區(qū)相接，向南與朝陽(yáng)區(qū)來(lái)廣營(yíng)—金盞沉降帶相接，近11a來(lái)平均沉降速率為37mm/a，相對(duì)其他沉降中心區(qū)沉降速率小得多，表明該區(qū)域地面沉降已進(jìn)入相對(duì)緩慢發(fā)展期。另外，從水文地質(zhì)條件分析，該地區(qū)處于潮白河沖洪積扇中下部，距離潮白河地下水庫(kù)較近，南水進(jìn)京以及潮白河地下水庫(kù)現(xiàn)有集中供水水源地實(shí)施的壓采和河道回灌措施均有利于區(qū)域內(nèi)地下水資源量的增加和水位恢復(fù)，從而可以緩解該地區(qū)地面沉降。

4 結(jié)語(yǔ)

南水進(jìn)京改變了北京市供水水源的結(jié)構(gòu)，北京市城六區(qū)為南水的主要受水區(qū)，其地下水開采量在今后一段時(shí)期將逐步減小，淺層地下水將全面禁采，這有助于減緩東部朝陽(yáng)區(qū)和北部海淀區(qū)西小營(yíng)一帶的地面沉降，但對(duì)于東部通州城區(qū)來(lái)說，未來(lái)一段時(shí)期地面沉降繼續(xù)向東擴(kuò)展和快速發(fā)展的勢(shì)頭難以避免。目前非南水受水區(qū)的地面沉降區(qū)，大興區(qū)西南部的榆垡—禮賢、順義區(qū)的天竺—后沙峪—南法信一帶地面沉降的空間擴(kuò)展已趨于穩(wěn)定，沉降速率將逐漸減??；昌平沙河—八仙莊一帶在今后一段時(shí)期仍將保持較快的沉降速率。區(qū)域地面沉降的發(fā)展過程是相對(duì)緩慢的，且空間影響范圍大，南水進(jìn)京后，局部地區(qū)實(shí)施地下水資源限采禁采措施在短時(shí)期內(nèi)難以產(chǎn)生對(duì)地面沉降的明顯抑制作用，地面沉降防控形勢(shì)短期內(nèi)仍然嚴(yán)峻。

目前北京市正處于供水水源結(jié)構(gòu)調(diào)整、地下水資源管理方式轉(zhuǎn)變以及南水北調(diào)工程運(yùn)行的初期階段，應(yīng)盡快在重點(diǎn)受水區(qū)、地下水資源禁采限采區(qū)和典型地面沉降區(qū)建立地下水、地面沉降以及地質(zhì)環(huán)境等多目標(biāo)研究的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，將南水北調(diào)新水情下城市地質(zhì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)納入保障城市地質(zhì)環(huán)境安全與防災(zāi)減災(zāi)管理體系，為用好南水、管好地下水和有效控制地面沉降提供科學(xué)支撐。

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