北京新航城地区基于地面沉降防治目标的地下水开采方案

王 荣,罗 勇,田苗壮, 田 芳,杨 艳,刘欢欢

（1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.首都师范大学，北京 100048)

0 引言

北京新机场建设项目已于2012年12月22日获国务院批准，建设地址位于北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇以及河北廊坊广阳区之间的地块。大兴新机场位于北京地面沉降发育区[1]，且新机场的建设使得大兴地区需水量激增，沉降面临的形势更为严峻[2]，另一方面，地面沉降对城市基础设施、轨道交通、管道等线性工程的安全运行具有一定的危害和影响[3]。因此如果新航城在当地继续大规模超采地下水，不仅可能造成更大范围地面沉降，更可能对新机场、新航城的建设发展带来不可估量的破坏性后果。为了保障新机场、新航城财产、设施安全可靠发展建设，有必要优化全区地下水开采布局和规模，尽量减少新航城区域内的地下水开采，控制地面沉降快速发展的势头。本文在分析了大兴新航城地区水文地质背景及地面沉降特征的基础上，利用地下水流-地面沉降模型，预测了以《北京市地面沉降防治规划（2013-2020年）》为目标，新航城地区2020年实现规划目标的地下水开采方案。

1 研究区含水层特征及沉降概况

1.1 含水层结构

研究区位于大兴东南和河北廊坊市交界处（图1），第四系沉积物受基岩地质构造、气候变化和永定河、潮白河为主的河流作用控制。区内松散层为冲积相或冲洪积相的砂石、砾石、卵石和粘土构成，岩性和厚度变化体现了冲洪积平原的特征。第四系含水层岩性自西北向东南逐渐变细，层次变多，含水层厚度随基底起伏而变化。永定河东岸立垡一带，含水层为单一的砂砾石层；北部地区含水层为砂砾石层为主，中细砂次之；往东南颗粒明显变细，主要以中细砂层为主，砂砾石层较薄（图2）。

考虑到不同开采目的对应的深度范围，选取相对稳定的弱透水层作为含水层组的顶底板进行划分。基于实际地质结构和地下水水力联系，结合地下水开发利用，对工作区第四系地层中的含水层、弱透水层进行组合，在垂向上划分出4个含水层组[4]。

I 第一含水层组

广泛分布于永定河冲洪积扇中下部，底板埋深25m左右，属潜水，岩性组合为中细砂、粉砂、粉质粘土、砂质粘土。该层地下水接受大气降水、农田灌溉入渗和河流入渗等补给，与第二含水层组水力联系密切。

II 第二含水层组

含水层组底界深度为80~100m，分布广泛，岩性组合由多层砂、粉质粘土、粘性土组成。该层在开采条件下，可得到上部潜水的越流补给，地下水流动主要以水平径流为主，地下水消耗以农业开采为主。

III 第三含水层组

在永定河冲洪积扇含水层组底板埋深150~180m，含水层主要由多层砂、粉砂构成，累计厚度5~20m左右。该层地下水主要以水平径流为主，接受少量的侧向补给和越流补给，地下水开采主要用于生活及工业用水。

IV 第四含水层组

第四含水层组底界为第四系基岩，含水层组岩性以砂为主。该层与上层含水层水力联系相对较弱，历史上该层地下水开采程度低，近年来其开采程度有所增加，地下水开采主要用于生活用水。

图1 研究区位置图

1.2 区域地面沉降概况

大兴区地面沉降区主要指大兴礼贤-榆垡沉降区，该沉降区位于大兴区南部，西起永定河沿线，东至青云店、安定，北至大兴城区南部，南与河北省接壤。

图2 第四系含水层剖面图A（剖面A-A'）

大兴礼贤-榆垡沉降区形成于上世纪四五十年代，60年代到90年代初期持续下降，到上世纪末本世纪初期，地面沉降下降速率加快。

大兴榆垡-礼贤沉降区随着沉降的继续沉降中心（赵村、小马坊、礼贤）累计沉降量继续增加，并且沉降区往西、往北缓慢扩展。在西北部，250mm的累计沉降量等值线跨越永定河河道，南部局部地区600mm的累计沉降量等值线跨过永定河道，50mm的累计沉降量等值线接近良乡-窦店一带；在北部，200mm的累计沉降量等值线已经接近大兴城区。

大兴区地面沉降形成的主要原因是由于地下水长期过量开采[5]~[6]，导致地下水位大幅下降引起地面沉降及区域地质构造活动共同作用的结果。上世纪末到本世纪初期，随着经济的高速发展，地下水大量开采是造成地面沉降快速发展的因素之一，近几年开采量减少后地面沉降速率有所缓解。此外，邻近河北廊坊地区城市建设快速发展、大量开采深层地下水，导致下游地下水位急剧下降也是大兴区南部地面沉降以较快速度发展的一个潜在影响因素。

1.3 分层压缩特征

北京市地面沉降监测系统中的榆垡监测站[7]位于大兴新航城范围内。榆垡地面沉降监测站分层监测数据显示，该地区分层沉降具有3个显著特点，一是相较北京其他地区，其浅部地层（82m以浅）压缩贡献量较大；二是不同深度地层的压缩量差距较小；三是浅部地层压缩量和压缩贡献比例有逐年减小的趋势。

分层标监测结果表明，2009~2013年该地区地面沉降主要压缩层发生在27~53m、2~27m埋深范围内，其压缩量分别占整个地层总压缩量的23.97%和16.9%；其余不同深度地层的压缩量差别不大，53~82m、82~116m、116~170m、170~205m、205m以下地层的压缩比例分别为8.18%、15.19%、11.95%、10.49%、13.32%。总体上看，82m以浅地层压缩量占整个地层总压缩量的49.05%，82m以深地层的压缩量占到总压缩量的50.95%[8]（图3）。

图3 榆垡监测站分层压缩比例图

通过分年度浅部地层和深部地层压缩贡献量的对比可知，浅部地层压缩比例呈现明显减少趋势，82m以浅地层2009年压缩贡献量为67.62%，2013年贡献量为25.97%，减少了41.65%，深部地层压缩比例明显增加（表1）。

2 基于沉降目标的地下水开采方案

2.1 地下水-地面沉降模型

根据研究区的水文地质条件、钻孔、地下水水位动态、抽水试验成果，采用GSM软件及其中的SUB软件包，建立了地下水-地面沉降模拟模型。模型包含整个大兴区和河北廊坊的部分地区。西部以永定河为边界，北部和东部以大兴区界为边界，南部包含廊坊市广阳、安次和永清地区，模拟面积1348.25km2。综合考虑本次模拟的目的，结合分层地面沉降形变特征，综合考虑地下水开发利用层位的特点，将模型在垂向上概化为3层：其中第一含水岩组和第二含水岩组水力联系极为紧密，且近年来地下水位动态变化特征、地面沉降压缩特征相似，故将第一含水岩组和第二含水岩组合并概化为模型的第一含水层组，将第三含水岩组作为模型的第二含水层组，第四含水岩组作为模型的第三含水层组（图4）将2009年1月到2013年12月作为模拟识别验证期，对模型的参数、均衡进行了验证识别，并将识别和验证后的模型参数用于地下水、地面沉降预测和分析中。

图4 地下水-地面沉降模型范结构图

2.2 地面沉降规划目标

表1 2009～2013年榆垡监测站分层压缩比例统计表

《北京市地面沉降防治规划（2013-2020年）》已于2014年颁布实施，在《规划》中提出了北京市地面沉降防治的总体目标、近期目标和远期目标。

总体目标：建立健全政府主导、多部门协作、区域联动的地面沉降防治工作机制；建立地面沉降防治管理制度及标准体系；完善地面沉降监测网络，建立地面沉降预警预报信息系统；地面沉降快速发展趋势得到有效遏制，防灾减灾体系基本建立。

近期目标（2013-2015年）：进一步完善地面沉降防治管理制度；完成北京市地面沉降调查工作；完善地面沉降防治基础设施建设；初步建立地面沉降预警预报信息系统；开展地面沉降灾害机理研究及防治技术应用与研究；开展地下水专项调查工作；逐步建设地面沉降重点防治区和次重点防治区城市水系治理工程，节水、雨水利用及再生水利用设施工程，控制地下水开采。

至2015年，地面沉降快速发展趋势有所缓解。区域地面沉降速率控制在每年25mm以内。

远期目标（2016-2020年）：全面完成防治基础设施和预警预报信息系统建设工作；形成地面沉降防治管理与技术体系；完善地面沉降重点防治区和次重点防治区城市水系治理工程，节水、雨水利用及再生水利用设施工程；基本建成南水北调配套工程和地下水压采替代水源工程；完成城区90%自备井置换工作；减少地下水开采，积极开展地下水回灌工作，使地面沉降得到有效控制。

至2020年，区域地面沉降速率控制在每年15mm以内，沉降中心沉降速率控制在每年30mm以内。

2.3 基于规划目标的地下水开采方案

本次研究以《北京市地面沉降防治规划（2013-2020年）》为目标，预测在2020年实现规划目标的地下水开采方案。

表2 减采方案信息表

根据北京新机场环评报告中的内容，白家务水源地需关闭并选址另建。为此，本次地下水开采方案优化中将白家务水源地实施停采。此外，鉴于深部地下水可更新能力差，一旦开采不易涵养，为此本次预测模拟将停采全部第三含水层地下水。

本次预测，利用识别和验证后的地下水-地面沉降模型对拟定的方案（表2），以不同减采方案输入模型，计算和评价不同开采方案下2020年研究区地面沉降状况。

通过模型计算，方案一其区域沉降速率均大于15mm/a，方案二总体上区域沉降量小于15mm/a，但是礼贤等地的沉降速率仍然大于30mm/a，为此，在方案二基础上，将礼贤、榆垡的第二、第三含水层开采量减少40%，庞各庄减少开采量的20%，其余地区均减少开采量的10%，当大兴地区地下水开采总量为1.73亿m3/a（表3），计算得出，截至到2020年，最大年沉降速率接近30mm/a，区域沉降速率小于15mm/a（图5），满足《北京市地面沉降防治规划（2013-2020年）》中2020年的规划目标。

表3 基于地面沉降规划目标的地下水减采方案

3 结论与建议

（1）本文在分析大兴新航城地区地面沉降发育历史与现状的基础上，结合分层地面沉降形变特征，建立了地下水流-地面沉降模型，在模型参数识别的基础上，利用所建立的模型计算得出，将礼贤、榆垡、庞各庄的第二、第三含水层开采量减少30%，其余地区均减少开采量的10%，第三含水层停止开采条件下，将满足《北京市地面沉降防治规划（2013-2020年）》中2020年的规划目标；

图5 地面沉降速率预测图（2015-2020年）

（2）建议进一步加强跨区域地面沉降监测。新机场范围跨越北京和河北两省市，其基础地质、水文地质、工程地质工作基础相差较大，特别是地面沉降监测工作程度有较大的差距。地面沉降监测是地面沉降防控中一项重要的基础工作，为准确、及时地掌握地面沉降状况，必须建立和完善跨区域地面沉降监测。此外，应在新机场和新航城范围内开展专门的地面沉降监测工作，布置相应的基岩标和分层监测，为新航城的地面沉降防治和地下水可持续开发利用提供科学依据。

[1]罗 勇,贾三满,赵 波,田 芳. 北京南部地区地面沉降发育特征及成因分析[J]. 城市地质,2011,03:1~5+21.

[2]杨 艳,贾三满,王海刚.北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析.上海地质,2010, 31(4): 23~28.

[3]王 荣,刘明坤,贾三满,杨 艳,田 芳,刘欢欢. 地面沉降对高速铁路的影响分析[J]. 中国地质灾害与防治学报,2014,02:49~53+64.

[4]北京市地质矿产勘查开发局、北京市水文地质工程地质大队.北京地下水[M].2008.

[5]杨勇,郑凡东,刘立才,窦艳兵,贾三满. 地下水开采引发的地面沉降易发性区划及控制措施[J]. 中国地质,2013,02:653~658.

[6]田 芳,郭 萌,罗 勇,周 毅,贾三满. 北京地面沉降区土体变形特征[J]. 中国地质,2012,01:236~242.

[7]刘明坤,贾三满,褚宏亮. 北京市地面沉降监测系统及技术方法[J]. 地质与资源,2012,02:244~249.

[8]北京市水文地质工程地质大队.北京市地面沉降监测报告[R].2013.