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(zhì)工程地質(zhì)大隊， 北京 100195； 2.東華理工大學 核資源與環(huán)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(zhì)災(zāi)害之一[1-2]，地面沉降嚴重影響城市基礎(chǔ)設(shè)施，限制經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3-5]，帶來的負面影響包括洪水[6]、對地下和地面基礎(chǔ)設(shè)施(如管道和建筑物)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的損壞[7]、地表形態(tài)的變化[8]及地裂縫的產(chǎn)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(shù)量和質(zhì)量上進行了廣泛的調(diào)查[3,7,11-13]。中國的地面沉降主要發(fā)生在大中型城市，正在成為一個嚴重的環(huán)境地質(zhì)問題。中國最早的地面沉降發(fā)生在1921年的上海，迄今為止，全國共有96個地區(qū)和城市發(fā)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(zhì)、環(huán)境、水文地質(zhì)和經(jīng)濟等造成影響[17]，因此，世界范圍內(nèi)發(fā)生的地面沉降問題引起了廣泛和重點關(guān)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(fā)利用等)，其中地下水的過度開采和地質(zhì)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(tǒng)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(guī)模地過度開采地下水導(dǎo)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(nèi)150多個國家和地區(qū)內(nèi)發(fā)生地面沉降的主要原因。由于地下水超采，世界范圍內(nèi)有許多地區(qū)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(qū)[17,21-22]及美國的休斯敦-加爾維斯頓地區(qū)[23]。目前，中國有17個省市出現(xiàn)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(xiàn)象進行定量化的模擬和研究。

1935年，地面沉降現(xiàn)象首先在北京被發(fā)現(xiàn)，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(qū)經(jīng)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(huán)境問題，已經(jīng)成為北京市經(jīng)濟社會發(fā)展的主要制約因素之一[25-26]。經(jīng)過多年的發(fā)展，北京市地面沉降的分布呈現(xiàn)兩個大區(qū)(北區(qū)和南區(qū))、多個沉降中心的格局[7,27-28]，成為亟待解決的一個關(guān)鍵問題。

自20世紀60年代以來，為了控制地面沉降的發(fā)展，包括限制地下水開采、調(diào)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(nèi)的3項措施在世界范圍內(nèi)被廣泛采用。在過去幾十年里，作為管理水資源的技術(shù)方法，人工回灌已經(jīng)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(fù)，在短時間內(nèi)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(shù)據(jù)法和數(shù)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(fù)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(chǔ)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(chǔ)上為北京市控制地面沉降的進一步發(fā)展提供科學的依據(jù)。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為北京市平原地區(qū)，總面積約為6.4×103km2，位于華北平原西北端。北京市包含16區(qū)，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(jīng)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(jù)統(tǒng)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(jīng)濟社會的發(fā)展，北京市不斷加大地下水的開采量，導(dǎo)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(qū)將臺至順義區(qū)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(tài)。

2.2 研究方法

根據(jù)《北京地面沉降防治規(guī)劃(2013-2020年)》，北京市地面沉降防治的目標為：區(qū)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(qū)共分為7個計算分區(qū)，分別是弱發(fā)育區(qū)、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(qū)(八仙莊、天竺和王四營)采用監(jiān)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(qū)(弱發(fā)育區(qū)、榆垈、禮賢、望京)采用經(jīng)驗估算法進行計算[33]。計算分區(qū)和計算方法的具體細節(jié)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(wěn)態(tài)地下水模型[7, 33]基礎(chǔ)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(wǎng)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(shù)據(jù)，采用“試錯法”對非穩(wěn)態(tài)地下水模型進行校準(1995-2005年)和驗證(2006- 2014年)，結(jié)果表明研究區(qū)的地下水流模型不存在系統(tǒng)誤差，計算水位與觀測水位擬合較好，非穩(wěn)態(tài)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(shè)計了保持現(xiàn)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(yīng)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(qū)的地下水開采量與保持現(xiàn)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(yè)和生活目的的地下水開采量，而用于農(nóng)業(yè)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(shè)計對比表

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域地面沉降量

表2為保持現(xiàn)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(qū)的地面沉降速率，圖1為這3種情景下北京平原的區(qū)域地面沉降速率。從表2可以看出，相比于保持現(xiàn)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(qū)均控制了地面沉降的增長(下降或持平)，未造成地面沉降現(xiàn)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(qū)的區(qū)域地面沉降速率在24.3～24.8 mm/a；2020年各情景下研究區(qū)的區(qū)域地面沉降速率在12.7～23.2 mm/a，最大的是保持現(xiàn)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(qū)的區(qū)域地面沉降速率在12.4～23.7 mm/a，保持現(xiàn)狀情景BAU的區(qū)域沉降速率最大(23.7 mm/a)，地下水停采情景TE的區(qū)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(qū)共有7個地面沉降中心，分布在朝陽區(qū)(金盞、三間房及黑莊戶)、海淀區(qū)(西小營)、昌平區(qū)(八仙莊)、通州區(qū)(通州城區(qū))和大興區(qū)(禮賢)等行政區(qū)，表3列出了模擬期內(nèi)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(xiàn)狀情景下研究區(qū)的地面沉降速率為39.30～158.62 mm/a，人工回灌情景下研究區(qū)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(qū)的地面沉降速率為39.30～155.45 mm/a；在2020年，保持現(xiàn)狀情景下研究區(qū)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(qū)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(xiàn)狀情景下研究區(qū)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(qū)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(qū)的地面沉降速率 mm/a

圖1 不同情景下北京平原區(qū)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(qū)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(fù)有著顯著的影響。相比于保持現(xiàn)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(fù)，同時也使得地下水儲存量有不同程度的恢復(fù)。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(qū)(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(yè)和生活開采量，停采量比較大，效果比較明顯。值得關(guān)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(xiàn)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(xiàn)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(fù)情況

保持現(xiàn)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(shù)表示增加，負數(shù)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(xiàn)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(fù)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(fù)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(yè)和生活地下水開采并不可行。

圖3 2015-2030年保持現(xiàn)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(qū)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(xiàn)狀保持情景，人工回灌情景下區(qū)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(qū)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(xiàn)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(qū)域?qū)用?，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(xù)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(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的限制較多，容易造成對社會發(fā)展的阻礙作用，需謹慎采用。只有綜合考慮社會經(jīng)濟發(fā)展和地面沉降控制，將人工回灌和地下水停采相結(jié)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(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1)保持現(xiàn)狀、人工回灌和地下水停采等3個情景下北京平原區(qū)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(qū)地下水水位和含水層儲存量的恢復(fù)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(fù)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(fù)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(jīng)濟發(fā)展和地面沉降控制，將兩者相結(jié)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(xù)發(fā)展。