北京地面沉降發(fā)展新趨勢初步分析

羅 勇

（1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2. 中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029）

北京地面沉降發(fā)展新趨勢初步分析

羅 勇1,2

（1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2. 中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029）

地面沉降是北京平原區(qū)主要地質災害之一。本文通過分析北京市地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)多年獲取的大量監(jiān)測研究成果，對北京市地面沉降的歷史和現狀進行了總結，在此基礎上初步分析和研究了沉降發(fā)展出現的新趨勢。通過研究認為：北京市地面沉降仍然處于快速發(fā)展階段，而隨著降水量的變化和南水的持續(xù)供應，以及地面沉降防治措施的逐漸落實，北京市地下水開采逐步開始減少，地面沉降速率出現階段性拐點，區(qū)域沉降速率和中心沉降速率均出現減緩趨勢，北京市平原區(qū)地面沉降總體減緩。但是，隨著沉降的持續(xù)發(fā)展和區(qū)域間不均勻性的進一步增加，北京市地面沉降帶來的問題會在未來較長的時期持續(xù)存在。

地面沉降；發(fā)展趨勢；原因分析

北京是我國地面沉降較為發(fā)育的地區(qū)之一。地面沉降主要發(fā)生在朝陽、海淀、順義、通州、昌平、大興等多個區(qū)，影響面積較大，過量開采地下水是引起地面沉降的主要誘因[1]。地面沉降帶來高程損失等系列環(huán)境地質問題，已成為影響北京城市規(guī)劃建設及區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[2]。為防治地面沉降災害，保障首都地質安全。北京市分兩期建成了北京市地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)，持續(xù)開展沉降監(jiān)測。監(jiān)測發(fā)現：自1999年以來，北京市地面沉降速率持續(xù)較大，累計沉降量不斷增加，沉降一直處于快速發(fā)展階段。這個快速發(fā)展階段會一直持續(xù)嗎？長期快速發(fā)展的地面沉降會出現哪些新的變化特征呢？本文正是基于多年地面沉降監(jiān)測成果，對北京地面沉降發(fā)展變化的新趨勢進行探討，以期更加客觀真實地揭示北京市地面沉降，更好服務于災害防治工作。

1 北京平原區(qū)地面沉降發(fā)育狀況

北京平原區(qū)地面沉降早期的形成特征是在水文地質工作中開始受到關注的，而其發(fā)展變化則從測繪部門周期性的水準測量成果得以證實[3]。進入新世紀后，由于地面沉降的快速發(fā)展受到重視程度的提高，北京市開始系統(tǒng)開展地面沉降工作，投入專業(yè)力量周期性開展地面沉降調查工作，建設地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測地面沉降動態(tài)發(fā)育，組織技術力量系統(tǒng)研究沉降機理，對沉降區(qū)重大工程開展專門防控工作等[4～6]。在地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)常年的運行下，北京市地面沉降發(fā)育狀況得以真實揭示。北京市地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)目前包含地面沉降監(jiān)測站網、水準測量網、GPS監(jiān)測網、InSAR監(jiān)測網和地下水動態(tài)監(jiān)測網五部分。系統(tǒng)的研究工作將監(jiān)測網絡數據進行融合，從而全面掌握全市沉降發(fā)育狀況[4～6]。

北京市地面沉降最早始于上世紀三十年代中期（發(fā)生在西單-東單一帶），先后經歷了形成階段（1955～1973）、發(fā)展階段（1974～1983）、擴展階段（1984～1998）和快速發(fā)展階段（1999～今）[7]。目前北京市平原地區(qū)地面沉降劃分為南北兩個大區(qū)，七個沉降中心。“北區(qū)”主要分布在市區(qū)東部的朝陽、通州地區(qū)和市區(qū)北部的昌平、海淀、順義地區(qū)。朝陽、通州沉降區(qū)連成一片，成為北京平原沉降最發(fā)育的地區(qū)，朝陽黑莊戶、金盞、三間房和通州城區(qū)四個沉降中心以及周邊地區(qū)沉降速率連續(xù)多年超過100mm/a。昌平八仙莊、海淀西小營是城區(qū)北部沉降中心，沉降較發(fā)育的地區(qū)還有昌平七里渠、燕丹，順義西馬各莊、牛欄山、李橋、楊鎮(zhèn)和北務等，平谷城區(qū)沉降發(fā)育也較快?！澳蠀^(qū)”主要分布在大興，禮賢是其沉降中心，趙村、龐各莊、榆垡沉降也較為發(fā)育，“南區(qū)”與河北相鄰地區(qū)聯(lián)系較為緊密。整體而言，城區(qū)東部地面沉降最為發(fā)育，北部次之，南部主要發(fā)育在市界附近，南苑-青云店-柴廠屯一帶沉降較輕，成為南北兩個大區(qū)的分界地帶[1]。

2 地面沉降發(fā)展變化新趨勢

《全國地面沉降防治規(guī)劃（2011～2020）》和《北京市地面沉降防治規(guī)劃（2012～2020）》均以區(qū)域地面沉降速率和中心沉降速率作為控制地面沉降發(fā)展變化的基本指標。區(qū)域地面沉降速率，即區(qū)域地面沉降年均沉降量，用區(qū)域范圍內每年發(fā)生的地面沉降總體積與區(qū)域面積的比值表示；沉降中心地面沉降速率，即沉降中心每年沉降量，用區(qū)域內每年最大沉降數據表示。

2.1 區(qū)域沉降速率出現減緩趨勢

近年來，北京市地面沉降的區(qū)域面積變化不大，地面沉降“南北兩個大區(qū)，七個沉降中心”的總體格局基本保持不變。2005年至2012年，沉降速率小的地區(qū)面積減小，沉降速率大的地區(qū)面積呈增加趨勢；2012年以后，沉降速率大的區(qū)域面積則呈現出減小的趨勢。沉降速率大于30mm/a的地區(qū)面積2005～2012年整體呈現波動上升趨勢（圖1(a)），8年間僅2008年和2011年面積有所減小，其余年份均增大，2012年以后出現下降趨勢；沉降速率大于50mm/a的地區(qū)面積2005～2012年整體也呈現波動上升趨勢（圖1(b)），2012年以后出現下降；沉降速率大于100mm/ a的地區(qū)面積2005～2012年呈現明顯上升趨勢（圖1(c)），2012年以后則出現顯著下降。在沉降區(qū)總體格局基本穩(wěn)定的情況下，沉降速率越大的地區(qū)面積增加，速率小的地區(qū)面積必然會減小，反映出整個平原區(qū)整體沉降速率在增大，反之則減小。區(qū)域地面沉降平均速率則更加直接地反映了沉降在平面上的總體變化。根據規(guī)劃要求，用沉降體積除以沉降區(qū)面積，獲得區(qū)域沉降速率。統(tǒng)計期初的2006年區(qū)域沉降速率最?。▓D1(d)），為12mm/a，2007年增加至15mm/a，2008年略有減小，2009和2010年連續(xù)增加，快速突破20mm/a，2011年減小，2012年區(qū)域沉降速率沖高至25.5mm/a，成為統(tǒng)計期內最大值；2012年以后，區(qū)域地面沉降速率明顯成為下降趨勢，6年間僅2015年出現小幅上升，其余年份均下降，沉降速率由25.5mm/a下降至18.1mm/ a，降幅接近30%。無論從范圍來統(tǒng)計，還是從沉降速率來分析，2012年儼然成為區(qū)域地面沉降速率變化的分水嶺，之前沉降速率總體增加，之后速率總體減小，近年北京市區(qū)域地面沉降速率減緩趨勢明顯。

2.2 中心沉降速率減緩

北京平原區(qū)北部沉降中心主要為昌平八仙莊和海淀西小營。昌平八仙莊沉降中心2006年沉降速率不到20mm/ a（圖2），2007年升至超過40mm/a，2008年減小到32mm/ a，2009～2012年迅速攀升至超過110mm/a，隨后出現減小趨勢，2013年減小至81mm/a，2014年升至94mm/a，2015和2016年持續(xù)減小。海淀西小營是近年新發(fā)育的沉降中心，2010年沉降速率為95mm/a，2009～2012年攀升至127mm/a，2013年大幅度回落至83mm/a，2014年與2013年基本持平，2015年大幅度回升至120mm/a，2016年又大幅度回落至79mm/a。可見平原區(qū)北部兩個沉降中心沉降速率總體上表現出2012年前上升，2012年后下降的趨勢，但具體情況又不盡相同，八仙莊沉降中心能夠更顯著的體現這一特征，而西小營沉降中心速率變化起伏較大。

圖1 北京市2005～2016年平均地面沉降速率大于30～100mm范圍隨時間變化曲線Fig.1 Curve relate to range of average land subsidence rate greater than 30～100 mm change with time from 2005 to 2016 in Beijing

圖2 2006～2016年北京平原北部中心沉降速率變化Fig.2 The chart of subsidence rate variation in North central of Beijing plain from 2006 to 2016

北京平原區(qū)東部沉降中心主要為朝陽黑莊戶、金盞、三間房和通州城區(qū)。朝陽黑莊戶沉降中心2006年沉降速率為61mm/a（圖3），2007年升至超過93mm/a，2008年減小到85mm/a，2009～2010年迅速攀升至136mm/a，2011年小幅降低，2012年升至超過150mm/a，隨后出現減小趨勢，4年間速率變?yōu)?15mm/a，降幅約為28%。金盞沉降中心2006～2009年沉降速率由82mm/a增大至137mm/a，2010～2011年小幅度減小，2012年快速增加至超過150mm/ a，2012年后出現明顯減緩趨勢，4年時間速率減小至131mm/a，降幅約為17%。三間房沉降中心2006～2012年沉降速率由57mm/a增大至140mm/a，2013～2016年逐年減小至113mm/a，降幅約為20%。通州城區(qū)沉降中心2006～2012年沉降速率由60mm/a增大至130mm/a，2012年后沉降減緩趨勢明顯，2013-2016年沉降速率降幅約為22%?？傮w來看，北京平原區(qū)東部沉降中心2006～2012年沉降速率快速增大，2013～2016年明顯減緩。

圖3 2006～2016年北京平原東部中心沉降速率變化Fig.3 The chart of subsidence rate variation in East central of Beijing plain from 2006 to 2016

北京平原區(qū)南部沉降中心位于大興禮賢，其沉降速率小于“北區(qū)”的沉降中心。禮賢沉降中心2006和2007年沉降速率變化不大（圖4），2008年減緩，2009～2010年快速增大至78mm/a；除2014年出現顯著降低以外，2011～2016年沉降速率曲線震蕩下行，減緩趨勢明顯?？梢?，“南區(qū)”中心沉降速率以2010年為分界線出現不同的趨勢變化，亦即2010年前呈現增大趨勢，2010年以后出現明顯減緩趨勢。

圖4 2006～2016年北京平原南部中心沉降速率變化Fig.4 The chart of subsidence rate variation in south central of Beijing plain from 2006 to 2016

綜上所述，北京平原區(qū)沉降中心速率均出現階段性最大值，東部和北部為代表的“北區(qū)”最大值較為集中地出現在2012年，“南區(qū)”則出現在2010年。在此以后，中心沉降速率明顯減緩。

2.3 沉降速率仍然較大，累計沉降量持續(xù)攀升

自2007年朝陽金盞沉降中心沉降速率超過100mm/a以來，10年間北京市最大中心沉降速率一直超過100mm/a。這個速率在北京平原區(qū)沉降歷史上是沒有過的，預計也不會在短期內出現根本性改變，從華北甚至全國來看，北京市沉降中心速率處于較高位置。在沉降中心外圍，沉降速率較大的地區(qū)在平原區(qū)東部和北部部分地區(qū)連成一片。金盞-酒仙橋-南太平莊-王四營-次渠-臺湖-胡各莊-宋莊-徐辛莊-朝陽農場一帶以內地區(qū)（圖5），在超過300km2的較大區(qū)域內沉降速率連續(xù)多年大于40mm/a。就整個沉降區(qū)而言，如前所述，區(qū)域沉降速率一直較大，2009年以來的區(qū)域沉降速率全部大于16mm/a，毫無疑問，北京平原區(qū)地面沉降仍然處于快速發(fā)展階段。日積月累的沉降將累計沉降量逐年推高，累計沉降量較大的區(qū)域面積快速增加。2005到2015年北京市累積地面沉降量大于500mm范圍的區(qū)域面積由350km2增加到1492km2（圖6），11年間沉降面積增加量約為1100km2。

圖5 金盞—樓梓莊—黑莊戶一帶沉降速率≥40mm/a的范圍及面積變化Fig.5 Scope of subsidence rate greater 40 mm/a and area change area in Jinzhan, Louzizhuang and Heizhuanghu

圖6 北京市地面沉降量大于500mm范圍隨時間變化曲線Fig.6 Curve relate to range of land subsidence greater than 500 mm change with time in Beijing

2.4 減緩原因初步分析

北京平原區(qū)地面沉降是由超采地下水誘發(fā)的，沉降減緩也與地下水的變化緊密聯(lián)系在一起。2008年以后，大氣降水量已經不再出現連續(xù)多年低于多年平均降水量的情況，持續(xù)干旱的問題得到緩解，對于地下水而言，大氣降水補給增加；2014年末，“南水”開始供應北京，隨著部分飲用水來源開始由“南水”替代地下水，地下水禁、限采工作逐步開展，地下水超采問題得到一定程度緩解；2011年后，《全國地面沉降防治規(guī)劃（2011～2020年）》和《北京市地面沉降防治規(guī)劃（2012～2020年）》相繼出臺，在“規(guī)劃”的指導下，北京市陸續(xù)開展和落實了系列地面沉降防治措施，也緩解了地下水超采的嚴峻形勢。大氣降水量增加，地下水補給量增加；南水的持續(xù)供應和沉降防治措施的逐步落實，減少了地下水開采，地下水位下降幅度減小，根據Terzaghi地層固結理論，孔隙水壓力下降幅度減小，有效應力增幅減小，地面沉降出現減緩。

（1）降水量的變化

根據北京市氣象局20個觀測站的統(tǒng)計資料，北京平原區(qū)多年平均降水量在580mm左右（圖7），降水量在時間和空間上分布極不均勻，降水量年際變化較大，且常出現連續(xù)的干旱或豐水年份。1999年至2007年，北京市連續(xù)9年降水量低于歷年平均降水量的平均值，出現連續(xù)干旱。2008年降水量超過歷年平均降水量，連續(xù)多年的干旱情況得到改善。兩年之后的2011年，降水量再次超過歷年平均降水量，2012年降水量大幅度超過歷年平均降水量，盡管2013 和2014年降水量出現較大幅度減小，但2015和2016年降水量又增加至歷年平均降水量以上。大氣降水是北京平原區(qū)地下水的主要補給來源，降水量增加，地下水補給量增加，一定程度上緩解了地下水超采問題。

圖7 北京市2005～2015年降水量直方圖Fig.7 The histogram of annual precipitation from 2005 to 2015; n Beijing

（2）南水持續(xù)供應

2014年末“南水”到京，截止到2016年末南水持續(xù)兩年供應北京，緩解了北京供水的緊張局勢?！澳纤钡某掷m(xù)供應，正在逐步改變北京市的用水格局，城區(qū)自備井置換工作啟動，“南水”開始部分替代地下水，一系列禁止、限制地下水開采的措施正在制訂和實施，局部開始地下水回灌，建設地下水庫的構想也日漸清晰。結合南水北調來水情況，北京計劃在2015～2020年置換地下水水源井4000眼，壓縮地下水開采量1.5億立方米。因此，“南水”持續(xù)供應，正在減輕北京市地下水供應負擔，減少平原區(qū)地下水排泄量，進而緩解地下水超采。

（3）地面沉降防治工作初見成效

《全國地面沉降防治規(guī)劃（2011～2020年）》和《北京市地面沉降防治規(guī)劃（2012～2020年）》出臺后，北京市開展了系列地面沉降防治工作，取得了初步成效。組織開展了一系列地面沉降調查工作；持續(xù)開展北京市地面沉降監(jiān)測，動態(tài)掌握沉降發(fā)展變化；開展了地面沉降機理研究工作，在解決地面沉降防治工作的關鍵技術和難題方面取得了一系列成果；結合水資源形勢的變化，開展基于地面沉降防控的地下水優(yōu)化管理。通過嚴格水資源管理防控地面沉降。按照“用水總量控制、生活用水適度增長、工業(yè)用水零增長、農業(yè)用水負增長、環(huán)境用水控制增長”的原則，通過嚴格執(zhí)行市政府出臺的《北京市關于實施最嚴格水資源管理制度的意見》，建立用水總量控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污控制“三條紅線”管理制度。系列地面沉降防控工作，將地面沉降防控工作與地下水優(yōu)化管理緊密聯(lián)系在一起，減緩地下水超采局勢。

2.5 未來發(fā)展初步判斷

北京平原區(qū)地面沉降減緩趨勢已經形成，預計未來一段時期內，形成沉降減緩的條件不會出現根本性改變，因此判斷沉降仍會保持減緩趨勢。然而，就目前沉降變化趨勢，結合地面沉降累進和不可逆等特點，在不出現重大有利條件的情況下，北京平原區(qū)地面沉降減緩幅度會減小。地面沉降速率仍然會保持在較大位置，尤其是地面沉降中心及附近區(qū)域，沉降仍將高速發(fā)展。

在降水量基本不變的前提下，“南水”持續(xù)供應北京，地面沉降防控工作持續(xù)有利推進，沉降持續(xù)減緩的趨勢不會根本性改變。筆者認為，受到環(huán)境保護意識的增強，地面沉降等“城市病”正在引起和推動北京城市發(fā)展一些深層次的變革，部分對城市地質環(huán)境構成威脅的領域正在做“減法”，這可能成為緩解地下水超采和地面沉降的新的有利形勢。

但也應該看到，地下水仍然是北京最重要的供水水源，地下水超采問題在較長時期內仍將繼續(xù)存在，地面沉降災害仍將繼續(xù)對首都地質安全構成威脅。沉降防控過程中若由于不當引發(fā)或加劇地區(qū)差異沉降，將存在危害加重的風險。由于深層承壓水得到補給的難度極大，隨著地面沉降與深層承壓水超采聯(lián)系越來越緊密，深度的沉降防控工作難度也會增加。

3 結論建議

北京市地面沉降仍然處于快速發(fā)展階段，而隨著降水量的變化和南水的持續(xù)供應，以及地面沉降防治措施的逐漸落實，北京市地下水開采逐步開始減少，地面沉降速率出現階段性拐點，區(qū)域沉降速率和中心沉降速率均出現減緩趨勢，北京市平原區(qū)地面沉降總體減緩。大氣降水量的增加、南水的持續(xù)供應和沉降防治措施的落實，是北京平原區(qū)地面沉降減緩的主要原因。結合現狀和條件分析認為，北京平原區(qū)地面沉降仍會保持減緩趨勢，但減緩幅度會減小，地面沉降速率仍然會持續(xù)在較大水平，尤其是地面沉降中心及附近區(qū)域，沉降仍將高速發(fā)展。

基于以上分析，提出如下建議：

（1）在地面沉降防控工作中，應高度重視沉降出現的新變化、新趨勢和新特征，以更好指導深入的防治工作。

（2）應更加深入研究沉降減緩成因機制，建立沉降減緩與地下水開采量、地下水位變化定量關系。

（3）對北京平原區(qū)地面沉降防治難度應有清醒認識，階段性沉降減緩并未改變沉降防控的嚴峻形勢，系列的防控措施應進一步加強。

（References）

[1] 北京市水文地質工程地質大隊. 北京市地面沉降監(jiān)測年度報告[R]. 2015. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology. The annual report of Beijing land subsidence monitoring[R]. 2015.

[2] 張雯,宮輝力,陳蓓蓓,等. 北京典型區(qū)地面沉降演化特征與成因分析[J]. 地球信息科學學報,2015,(8):909-916. Zhang W, Gong H L, Chen B B, et al. Evolution and genetic analysis of land subsidence in Beijing typical area[J]. Geo-Information Science, 2015,(8):909-916.

[3] 宗煥平. 北京地面正在逐年下沉[J]. 首都經濟,1996,(12):43-44. Zong H P. Beijing ground sinking year by year [J]. Capital Economic, 1996,(12):43-44.

[4] 羅勇,賈三滿,楊艷,等. 北京市地面沉降防治工作探討[J]. 上海國土資源,2014,35(4):110-113,141. Luo Y, Jia S M, Yang Y, et al. Prevention and control of land subsidence in Beijing[J]. Shanghai Land & Resources, 2014,35(4):110-113,141.

[5] 羅勇,賈三滿,趙波,等. 北京南部地區(qū)地面沉降發(fā)育特征及成因分析[J]. 城市地質,2011,(3):1-5,21. Luo Y, Jia S M, Zhao B, et al. Tian Characteristics and causes of land subsidence in the south of Beijing[J]. Urban Geology, 2011,(3):1-5,21.

[6] 雷坤超,羅勇,陳蓓蓓,等. 北京平原區(qū)地面沉降水準監(jiān)測網點位優(yōu)化[J]. 中國地質,2016,(4):1457-1467. Lei K C, Luo Y, Chen B B, et al. Optimization design of land subsidence leveling network of Beijing Plain[J]. Geology in China, 2016,(4):1457-1467.

[7] 劉予. 北京市地面沉降區(qū)含水層和壓縮層組劃分及地面沉降自動監(jiān)測系統(tǒng)[D]. 吉林大學,2004. Liu Y. Divided water-bearing zones and compressible zones of Beijing Land subsidence area an Land subsidence automatic monitoring system[D]. Jilin University, 2004.

Research in the new trends of Beijing land subsidence

LUO Yong1,2
(1.Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China; 2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China)

Land subsidence is one of the main geological disasters in the Beijing plain. It is due to urban development, and restricts the rapid expansion of the city. In this paper, by analyzing and summarizing monitoring data from the land subsidence monitoring system in Beijing, we summarize the history and current situation of Beijing land subsidence, examining new trends. Our research shows that land subsidence in Beijing is still in the stage of rapid development. However, due to changes in precipitation and the continuous supply of water from the south, along with the continual decrease in groundwater exploitation because of the implementation of the Beijing subsidence prevention policy, an inflection point in the subsidence rate appears, with the trend showing a deceleration in the regional and central subsidence rate and a mitigation of land subsidence in the Beijing plain. However, with the development of subsidence and the further increase in regional subsidence heterogeneity, the problems caused by land subsidence in Beijing will exist for a long time.

land subsidence; development tendency; cause analysis

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0013-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.004

2017-03-06

修回日期: 2017-05-26

羅勇(1978-),男,博士生,高級工程師,主要從事地質災害調查與監(jiān)測.

電子郵箱: 79245667@qq.com

聯(lián)系電話: 010-51560310

北京市科技計劃課題(Z13110000561 3022);北京市自然科學基金項目(8162043);北京市地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)年運行費項目(P X M 2 0 1 5-1 5 8 3 0 5-000011;PXM2016-158305-000004);基于北斗衛(wèi)星的地面沉降監(jiān)測(121211220184);通州城市副中心地區(qū)重大地質問題調查與評價項目地面沉降專題(PXM2016-158203-000008)