南水北調(diào)對(duì)天津市地面沉降的影響分析

徐冬 崔立 易長(zhǎng)榮

(1.天津市控制地面沉降工作辦公室，天津 300061;2.南京國(guó)圖信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，江蘇南京 210036)

1 概述

天津市是北方缺水城市之一，因過(guò)度開(kāi)采地下水，導(dǎo)致地下土層壓密，引發(fā)了地面沉降。引灤入津工程對(duì)天津市地面沉降影響很大，通水后大批地下水機(jī)井封停，中心城區(qū)和塘沽地面沉降漏斗中心的沉降速率從20世紀(jì)80年代的100 mm/年降為2003年的30 mm/年［1］。同樣，南水北調(diào)工程(本文指中線工程)也將對(duì)天津市地面沉降趨勢(shì)和格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

天津市中心城區(qū)和近郊四區(qū)(東麗區(qū)、西青區(qū)、津南區(qū)和北辰區(qū))總面積2 124 km2，是近30年來(lái)地面沉降發(fā)展比較典型的兩類區(qū)域。地下水是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，但是超采地下水形成了嚴(yán)峻的地面沉降形勢(shì)，給城市發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重威脅，一定程度上又制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。20世紀(jì)80年代，天津中心城區(qū)在引灤通水后地面沉降趨勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)，而近郊地區(qū)因?yàn)楣I(yè)迅猛發(fā)展，但沒(méi)有足夠地表水源，地面沉降速率明顯加快。分析這兩類區(qū)域在南水北調(diào)后地下水壓采的可行性和地面沉降發(fā)展趨勢(shì)，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前已有對(duì)南水北調(diào)后地下水壓采和天津市地面沉降趨勢(shì)的分析［2］，但忽視了地下水替換的可行性分析，由于其中一部分水量根本不可能被壓采，因此基于地下水用途的壓采分析更具有科學(xué)性。

2 地下水開(kāi)采及地面沉降情況

天津市逐年減少地下水開(kāi)采量，主要是壓采工業(yè)用地下水，并擴(kuò)展近郊四區(qū)的自來(lái)水管網(wǎng)，用引灤水替換地下水。受水源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的限制，當(dāng)壓采到一定程度時(shí)，已經(jīng)沒(méi)有多余的可替代水源，開(kāi)展節(jié)水措施的潛力也逐漸消失，地下水開(kāi)采量很難進(jìn)一步減少，因此近幾年天津市地下水開(kāi)采量基本維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。2011年，中心城區(qū)和近郊四區(qū)地下水開(kāi)采量0.66億m3，平均開(kāi)采強(qiáng)度為3.1萬(wàn)m3/km2。中心城區(qū)和近郊四區(qū)的工業(yè)開(kāi)采地下水具有在時(shí)間上連續(xù)和空間上集中的特點(diǎn)，而農(nóng)業(yè)開(kāi)采地下水具有季節(jié)性，一般集中在春季和夏季。

20世紀(jì)80年代以來(lái)中心城區(qū)地面沉降漏斗中心沉降量有了明顯減小。而20世紀(jì)90年代以來(lái)，近郊吸收了大部分的中心城區(qū)工業(yè)，大力推動(dòng)工業(yè)園區(qū)的建設(shè)，對(duì)地下水開(kāi)采量依賴增加，地面沉降發(fā)展迅速，區(qū)域平均地面沉降速率從20世紀(jì)90年代初的20 mm/年發(fā)展到2003年的50 mm/年，漏斗中心的沉降速率則達(dá)到100 mm/年。近年來(lái)，中心城區(qū)地面沉降形勢(shì)趨于穩(wěn)定，平均沉降速率能保持在25 mm/年以下。

3 南水北調(diào)水源利用分析

根據(jù)《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》，中線一期工程丹江口水庫(kù)多年平均分配給天津市的總水量為10.2億m3，總干線(含天津干線)輸水損失率約為15%，天津干線末端以下至水廠、輸水管涵損失率和調(diào)節(jié)水庫(kù)蒸發(fā)滲漏損失率合計(jì)約為6%，進(jìn)入水廠的凈水量多年平均為8.16億m3。初步的市內(nèi)配套工程方案包括一個(gè)調(diào)蓄水庫(kù)和天津干線末端至各水廠的主要輸水線路。南水北調(diào)中線工程預(yù)計(jì)2014年正式通水?？紤]到引江水達(dá)到設(shè)計(jì)用水規(guī)模要有一個(gè)過(guò)程，相關(guān)配套工程也要分期實(shí)施，達(dá)到設(shè)計(jì)供水能力預(yù)計(jì)需要10年時(shí)間，到2024年引江用水量達(dá)到設(shè)計(jì)供水量。

天津中心城區(qū)和近郊四區(qū)共分配水量6.08億m3，南水北調(diào)中線對(duì)中心城區(qū)和環(huán)城四區(qū)的供水量都大于目前地下水開(kāi)采量(北辰區(qū)除外)，理想情況下，地下水能全被替換。但實(shí)際上地下水不可能被完全壓采，能替換的部分僅限于工業(yè)和生活用地下水。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，南水北調(diào)通水后，將利用引江水逐步替換近郊工業(yè)用地下水，然后解決農(nóng)村生活用水。提高農(nóng)村生活飲水質(zhì)量，這也是新農(nóng)村建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。同時(shí)，受成本等方面的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都免費(fèi)開(kāi)采地下水，引江水不可能成為替換水源，所以農(nóng)業(yè)開(kāi)采地下水的形勢(shì)無(wú)法緩解。除了替換原有工業(yè)和農(nóng)村生活用地下水外，剩余的引江水用于滿足城鎮(zhèn)不斷增長(zhǎng)的用水需求。

由于近幾年地下水開(kāi)采形勢(shì)變化不大，可用最新的2011年地下水開(kāi)采現(xiàn)狀作為工業(yè)用地下水壓采分析的基礎(chǔ)。東麗區(qū)、西青區(qū)和北辰區(qū)的工業(yè)和農(nóng)村生活開(kāi)采量均遠(yuǎn)小于南水北調(diào)供水量，可以逐步壓采。由于南水北調(diào)工程必須分步實(shí)施，假設(shè)從2014年起的10年內(nèi)，供水量平均按每年10%的速度增加，2024年達(dá)到完全供水能力，東麗區(qū)、西青區(qū)和津南區(qū)工業(yè)和農(nóng)村生活用地下水可完全壓采。而中心城區(qū)開(kāi)采地下水為制藥等特殊用途，除非進(jìn)行產(chǎn)業(yè)調(diào)整，否則不可能壓采。由于北辰區(qū)的城鎮(zhèn)一直以來(lái)被納入中心城區(qū)供水范圍，所以北辰區(qū)沒(méi)有單獨(dú)配置水量，即北辰區(qū)今后能從中心城區(qū)調(diào)配水量，工業(yè)和農(nóng)村生活用地下水也可以完全壓采。

根據(jù)每個(gè)區(qū)域可壓采量可以確定最終的地下水開(kāi)采規(guī)模。假設(shè)從2014年起的10年內(nèi)，工業(yè)和農(nóng)村生活地下水開(kāi)采量平均按每年10%的速度減少，到2024年完全實(shí)現(xiàn)禁采。扣除這些可壓采部分后，能匡算各時(shí)期的大致地下水開(kāi)采規(guī)模，其中2024年總量為1 899萬(wàn)m3(見(jiàn)表1)，2024年后地下水開(kāi)采規(guī)模不再有大的改變。屆時(shí)津南區(qū)開(kāi)采強(qiáng)度最小，為0.37萬(wàn)m3/km2，最大為中心城區(qū)1.41萬(wàn)m3/km2，整個(gè)區(qū)域平均開(kāi)采強(qiáng)度0.89萬(wàn)m3/km2。

表1 地下水開(kāi)采規(guī)模

4 地面沉降預(yù)測(cè)

從地下水保護(hù)的角度而言，表1中地下水開(kāi)采規(guī)模已經(jīng)小于允許開(kāi)采量［3］，不應(yīng)產(chǎn)生地面沉降。但農(nóng)業(yè)開(kāi)采地下水時(shí)間集中，含水層來(lái)不及補(bǔ)給，且土層壓密(主要指南水北調(diào)通水前)具有滯后性，仍會(huì)有地面沉降產(chǎn)生。以南水北調(diào)通水后地下水開(kāi)采量為基礎(chǔ)，可以預(yù)測(cè)出地面沉降發(fā)展趨勢(shì)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法具有復(fù)雜的輸入輸出關(guān)系，為解決中心城區(qū)和近郊四區(qū)地下水開(kāi)采量與地面沉降量之間的非線性問(wèn)題和模擬未知系統(tǒng)的控制過(guò)程提供了新思路。本文采用文獻(xiàn)［4］的方法，利用Matlab建立典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)隱含層和一個(gè)輸出層，學(xué)習(xí)樣本為2001年～2009年的地下水開(kāi)采量和相應(yīng)的平均地面沉降量，權(quán)值隨機(jī)確定，轉(zhuǎn)移函數(shù)采用指數(shù)函數(shù)，而將2010年和2011年的值作為檢驗(yàn)。將各年的地下水開(kāi)采量輸入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)即可得到各區(qū)縣年度地面沉降量(即沉降速率，見(jiàn)表2)。從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，2024年南水北調(diào)達(dá)到完全通水能力后，中心城區(qū)和近郊四區(qū)地面沉降形勢(shì)將發(fā)生重大變化，整體地面沉降速率低于26 mm/年。西青區(qū)和北辰區(qū)的地面沉降速率仍較大，且排名處于前兩位，津南區(qū)已經(jīng)不是地面沉降最嚴(yán)重的區(qū)縣。西青區(qū)現(xiàn)時(shí)地面沉降速率雖然相對(duì)較小，但壓采地下水幅度有限，所以地面沉降速率減緩較慢。

表2 地面沉降速率預(yù)測(cè) mm/年

5 結(jié)語(yǔ)

基于地下水現(xiàn)狀開(kāi)采用途的分析表明，南水北調(diào)工程將大幅減緩天津中心城區(qū)和近郊四區(qū)的地下水開(kāi)采和地面沉降形勢(shì)。在整個(gè)地區(qū)產(chǎn)業(yè)布局不變的情況下，地下水開(kāi)采量可從2011年的6 610萬(wàn)m3減少到2024年的1 899萬(wàn)m3，平均開(kāi)采強(qiáng)度為0.89萬(wàn)m3/km2。經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)，在2024年南水北調(diào)水源得以完全利用后，中心城區(qū)和近郊四區(qū)的地面沉降速率迅速下降，普遍在26 mm/年以下，環(huán)城四區(qū)的地面沉降速率已經(jīng)幾乎恢復(fù)到20世紀(jì)90年代初的水平，此后地面沉降形勢(shì)將趨于穩(wěn)定。

表2的預(yù)測(cè)結(jié)果還表明，2015年中心城區(qū)的地面沉降速率符合《全國(guó)地面沉降防治規(guī)劃》(2011—2020)25 mm/年的要求，而2020年則比制定的目標(biāo)16 mm/年略高。這是因?yàn)橹行某菂^(qū)的地下水開(kāi)采強(qiáng)度沒(méi)有減小，地面沉降速率下降趨勢(shì)緩慢，建議對(duì)中心城區(qū)的工業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，另外，還要加強(qiáng)基坑開(kāi)挖疏干抽排地下水的管理，才能順利達(dá)到規(guī)劃制定的目標(biāo)。

［1］薛禹群，張 云，葉淑君，等.中國(guó)地面沉降及其需要解決的幾個(gè)問(wèn)題［J］.第四紀(jì)研究，2003，23(6)：85-93.

［2］王 威，王 淼，韋勁松，等.南水北調(diào)中線工程與天津地面沉降防治關(guān)系研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2012，10(3)：22-26.

［3］天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.天津市地下水資源開(kāi)發(fā)區(qū)域規(guī)劃報(bào)告［R］.天津：天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1995.

［4］李紅霞，趙新華，遲海燕，等.基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的地面沉降預(yù)測(cè)及分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，42(1)：60-64.