北京地面沉降发展新趋势初步分析

罗 勇

（1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029）

北京地面沉降发展新趋势初步分析

罗 勇1,2

（1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029）

地面沉降是北京平原区主要地质灾害之一。本文通过分析北京市地面沉降监测系统多年获取的大量监测研究成果，对北京市地面沉降的历史和现状进行了总结，在此基础上初步分析和研究了沉降发展出现的新趋势。通过研究认为：北京市地面沉降仍然处于快速发展阶段，而随着降水量的变化和南水的持续供应，以及地面沉降防治措施的逐渐落实，北京市地下水开采逐步开始减少，地面沉降速率出现阶段性拐点，区域沉降速率和中心沉降速率均出现减缓趋势，北京市平原区地面沉降总体减缓。但是，随着沉降的持续发展和区域间不均匀性的进一步增加，北京市地面沉降带来的问题会在未来较长的时期持续存在。

地面沉降；发展趋势；原因分析

北京是我国地面沉降较为发育的地区之一。地面沉降主要发生在朝阳、海淀、顺义、通州、昌平、大兴等多个区，影响面积较大，过量开采地下水是引起地面沉降的主要诱因[1]。地面沉降带来高程损失等系列环境地质问题，已成为影响北京城市规划建设及区域经济可持续发展的重要因素之一[2]。为防治地面沉降灾害，保障首都地质安全。北京市分两期建成了北京市地面沉降监测系统，持续开展沉降监测。监测发现：自1999年以来，北京市地面沉降速率持续较大，累计沉降量不断增加，沉降一直处于快速发展阶段。这个快速发展阶段会一直持续吗？长期快速发展的地面沉降会出现哪些新的变化特征呢？本文正是基于多年地面沉降监测成果，对北京地面沉降发展变化的新趋势进行探讨，以期更加客观真实地揭示北京市地面沉降，更好服务于灾害防治工作。

1 北京平原区地面沉降发育状况

北京平原区地面沉降早期的形成特征是在水文地质工作中开始受到关注的，而其发展变化则从测绘部门周期性的水准测量成果得以证实[3]。进入新世纪后，由于地面沉降的快速发展受到重视程度的提高，北京市开始系统开展地面沉降工作，投入专业力量周期性开展地面沉降调查工作，建设地面沉降监测系统，实时监测地面沉降动态发育，组织技术力量系统研究沉降机理，对沉降区重大工程开展专门防控工作等[4～6]。在地面沉降监测系统常年的运行下，北京市地面沉降发育状况得以真实揭示。北京市地面沉降监测系统目前包含地面沉降监测站网、水准测量网、GPS监测网、InSAR监测网和地下水动态监测网五部分。系统的研究工作将监测网络数据进行融合，从而全面掌握全市沉降发育状况[4～6]。

北京市地面沉降最早始于上世纪三十年代中期（发生在西单-东单一带），先后经历了形成阶段（1955～1973）、发展阶段（1974～1983）、扩展阶段（1984～1998）和快速发展阶段（1999～今）[7]。目前北京市平原地区地面沉降划分为南北两个大区，七个沉降中心。“北区”主要分布在市区东部的朝阳、通州地区和市区北部的昌平、海淀、顺义地区。朝阳、通州沉降区连成一片，成为北京平原沉降最发育的地区，朝阳黑庄户、金盏、三间房和通州城区四个沉降中心以及周边地区沉降速率连续多年超过100mm/a。昌平八仙庄、海淀西小营是城区北部沉降中心，沉降较发育的地区还有昌平七里渠、燕丹，顺义西马各庄、牛栏山、李桥、杨镇和北务等，平谷城区沉降发育也较快。“南区”主要分布在大兴，礼贤是其沉降中心，赵村、庞各庄、榆垡沉降也较为发育，“南区”与河北相邻地区联系较为紧密。整体而言，城区东部地面沉降最为发育，北部次之，南部主要发育在市界附近，南苑-青云店-柴厂屯一带沉降较轻，成为南北两个大区的分界地带[1]。

2 地面沉降发展变化新趋势

《全国地面沉降防治规划（2011～2020）》和《北京市地面沉降防治规划（2012～2020）》均以区域地面沉降速率和中心沉降速率作为控制地面沉降发展变化的基本指标。区域地面沉降速率，即区域地面沉降年均沉降量，用区域范围内每年发生的地面沉降总体积与区域面积的比值表示；沉降中心地面沉降速率，即沉降中心每年沉降量，用区域内每年最大沉降数据表示。

2.1 区域沉降速率出现减缓趋势

近年来，北京市地面沉降的区域面积变化不大，地面沉降“南北两个大区，七个沉降中心”的总体格局基本保持不变。2005年至2012年，沉降速率小的地区面积减小，沉降速率大的地区面积呈增加趋势；2012年以后，沉降速率大的区域面积则呈现出减小的趋势。沉降速率大于30mm/a的地区面积2005～2012年整体呈现波动上升趋势（图1(a)），8年间仅2008年和2011年面积有所减小，其余年份均增大，2012年以后出现下降趋势；沉降速率大于50mm/a的地区面积2005～2012年整体也呈现波动上升趋势（图1(b)），2012年以后出现下降；沉降速率大于100mm/ a的地区面积2005～2012年呈现明显上升趋势（图1(c)），2012年以后则出现显著下降。在沉降区总体格局基本稳定的情况下，沉降速率越大的地区面积增加，速率小的地区面积必然会减小，反映出整个平原区整体沉降速率在增大，反之则减小。区域地面沉降平均速率则更加直接地反映了沉降在平面上的总体变化。根据规划要求，用沉降体积除以沉降区面积，获得区域沉降速率。统计期初的2006年区域沉降速率最小（图1(d)），为12mm/a，2007年增加至15mm/a，2008年略有减小，2009和2010年连续增加，快速突破20mm/a，2011年减小，2012年区域沉降速率冲高至25.5mm/a，成为统计期内最大值；2012年以后，区域地面沉降速率明显成为下降趋势，6年间仅2015年出现小幅上升，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%。无论从范围来统计，还是从沉降速率来分析，2012年俨然成为区域地面沉降速率变化的分水岭，之前沉降速率总体增加，之后速率总体减小，近年北京市区域地面沉降速率减缓趋势明显。

2.2 中心沉降速率减缓

北京平原区北部沉降中心主要为昌平八仙庄和海淀西小营。昌平八仙庄沉降中心2006年沉降速率不到20mm/ a（图2），2007年升至超过40mm/a，2008年减小到32mm/ a，2009～2012年迅速攀升至超过110mm/a，随后出现减小趋势，2013年减小至81mm/a，2014年升至94mm/a，2015和2016年持续减小。海淀西小营是近年新发育的沉降中心，2010年沉降速率为95mm/a，2009～2012年攀升至127mm/a，2013年大幅度回落至83mm/a，2014年与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。可见平原区北部两个沉降中心沉降速率总体上表现出2012年前上升，2012年后下降的趋势，但具体情况又不尽相同，八仙庄沉降中心能够更显著的体现这一特征，而西小营沉降中心速率变化起伏较大。

图1 北京市2005～2016年平均地面沉降速率大于30～100mm范围随时间变化曲线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

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

北京平原区东部沉降中心主要为朝阳黑庄户、金盏、三间房和通州城区。朝阳黑庄户沉降中心2006年沉降速率为61mm/a（图3），2007年升至超过93mm/a，2008年减小到85mm/a，2009～2010年迅速攀升至136mm/a，2011年小幅降低，2012年升至超过150mm/a，随后出现减小趋势，4年间速率变为115mm/a，降幅约为28%。金盏沉降中心2006～2009年沉降速率由82mm/a增大至137mm/a，2010～2011年小幅度减小，2012年快速增加至超过150mm/ a，2012年后出现明显减缓趋势，4年时间速率减小至131mm/a，降幅约为17%。三间房沉降中心2006～2012年沉降速率由57mm/a增大至140mm/a，2013～2016年逐年减小至113mm/a，降幅约为20%。通州城区沉降中心2006～2012年沉降速率由60mm/a增大至130mm/a，2012年后沉降减缓趋势明显，2013-2016年沉降速率降幅约为22%。总体来看，北京平原区东部沉降中心2006～2012年沉降速率快速增大，2013～2016年明显减缓。

图3 2006～2016年北京平原东部中心沉降速率变化Fig.3 The chart of subsidence rate variation in East central of Beijing plain from 2006 to 2016

北京平原区南部沉降中心位于大兴礼贤，其沉降速率小于“北区”的沉降中心。礼贤沉降中心2006和2007年沉降速率变化不大（图4），2008年减缓，2009～2010年快速增大至78mm/a；除2014年出现显著降低以外，2011～2016年沉降速率曲线震荡下行，减缓趋势明显。可见，“南区”中心沉降速率以2010年为分界线出现不同的趋势变化，亦即2010年前呈现增大趋势，2010年以后出现明显减缓趋势。

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

综上所述，北京平原区沉降中心速率均出现阶段性最大值，东部和北部为代表的“北区”最大值较为集中地出现在2012年，“南区”则出现在2010年。在此以后，中心沉降速率明显减缓。

2.3 沉降速率仍然较大，累计沉降量持续攀升

自2007年朝阳金盏沉降中心沉降速率超过100mm/a以来，10年间北京市最大中心沉降速率一直超过100mm/a。这个速率在北京平原区沉降历史上是没有过的，预计也不会在短期内出现根本性改变，从华北甚至全国来看，北京市沉降中心速率处于较高位置。在沉降中心外围，沉降速率较大的地区在平原区东部和北部部分地区连成一片。金盏-酒仙桥-南太平庄-王四营-次渠-台湖-胡各庄-宋庄-徐辛庄-朝阳农场一带以内地区（图5），在超过300km2的较大区域内沉降速率连续多年大于40mm/a。就整个沉降区而言，如前所述，区域沉降速率一直较大，2009年以来的区域沉降速率全部大于16mm/a，毫无疑问，北京平原区地面沉降仍然处于快速发展阶段。日积月累的沉降将累计沉降量逐年推高，累计沉降量较大的区域面积快速增加。2005到2015年北京市累积地面沉降量大于500mm范围的区域面积由350km2增加到1492km2（图6），11年间沉降面积增加量约为1100km2。

图5 金盏—楼梓庄—黑庄户一带沉降速率≥40mm/a的范围及面积变化Fig.5 Scope of subsidence rate greater 40 mm/a and area change area in Jinzhan, Louzizhuang and Heizhuanghu

图6 北京市地面沉降量大于500mm范围随时间变化曲线Fig.6 Curve relate to range of land subsidence greater than 500 mm change with time in Beijing

2.4 减缓原因初步分析

北京平原区地面沉降是由超采地下水诱发的，沉降减缓也与地下水的变化紧密联系在一起。2008年以后，大气降水量已经不再出现连续多年低于多年平均降水量的情况，持续干旱的问题得到缓解，对于地下水而言，大气降水补给增加；2014年末，“南水”开始供应北京，随着部分饮用水来源开始由“南水”替代地下水，地下水禁、限采工作逐步开展，地下水超采问题得到一定程度缓解；2011年后，《全国地面沉降防治规划（2011～2020年）》和《北京市地面沉降防治规划（2012～2020年）》相继出台，在“规划”的指导下，北京市陆续开展和落实了系列地面沉降防治措施，也缓解了地下水超采的严峻形势。大气降水量增加，地下水补给量增加；南水的持续供应和沉降防治措施的逐步落实，减少了地下水开采，地下水位下降幅度减小，根据Terzaghi地层固结理论，孔隙水压力下降幅度减小，有效应力增幅减小，地面沉降出现减缓。

（1）降水量的变化

根据北京市气象局20个观测站的统计资料，北京平原区多年平均降水量在580mm左右（图7），降水量在时间和空间上分布极不均匀，降水量年际变化较大，且常出现连续的干旱或丰水年份。1999年至2007年，北京市连续9年降水量低于历年平均降水量的平均值，出现连续干旱。2008年降水量超过历年平均降水量，连续多年的干旱情况得到改善。两年之后的2011年，降水量再次超过历年平均降水量，2012年降水量大幅度超过历年平均降水量，尽管2013 和2014年降水量出现较大幅度减小，但2015和2016年降水量又增加至历年平均降水量以上。大气降水是北京平原区地下水的主要补给来源，降水量增加，地下水补給量增加，一定程度上缓解了地下水超采问题。

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

（2）南水持续供应

2014年末“南水”到京，截止到2016年末南水持续两年供应北京，缓解了北京供水的紧张局势。“南水”的持续供应，正在逐步改变北京市的用水格局，城区自备井置换工作启动，“南水”开始部分替代地下水，一系列禁止、限制地下水开采的措施正在制订和实施，局部开始地下水回灌，建设地下水库的构想也日渐清晰。结合南水北调来水情况，北京计划在2015～2020年置换地下水水源井4000眼，压缩地下水开采量1.5亿立方米。因此，“南水”持续供应，正在减轻北京市地下水供应负担，减少平原区地下水排泄量，进而缓解地下水超采。

（3）地面沉降防治工作初见成效

《全国地面沉降防治规划（2011～2020年）》和《北京市地面沉降防治规划（2012～2020年）》出台后，北京市开展了系列地面沉降防治工作，取得了初步成效。组织开展了一系列地面沉降调查工作；持续开展北京市地面沉降监测，动态掌握沉降发展变化；开展了地面沉降机理研究工作，在解决地面沉降防治工作的关键技术和难题方面取得了一系列成果；结合水资源形势的变化，开展基于地面沉降防控的地下水优化管理。通过严格水资源管理防控地面沉降。按照“用水总量控制、生活用水适度增长、工业用水零增长、农业用水负增长、环境用水控制增长”的原则，通过严格执行市政府出台的《北京市关于实施最严格水资源管理制度的意见》，建立用水总量控制、用水效率控制和水功能区限制纳污控制“三条红线”管理制度。系列地面沉降防控工作，将地面沉降防控工作与地下水优化管理紧密联系在一起，减缓地下水超采局势。

2.5 未来发展初步判断

北京平原区地面沉降减缓趋势已经形成，预计未来一段时期内，形成沉降减缓的条件不会出现根本性改变，因此判断沉降仍会保持减缓趋势。然而，就目前沉降变化趋势，结合地面沉降累进和不可逆等特点，在不出现重大有利条件的情况下，北京平原区地面沉降减缓幅度会减小。地面沉降速率仍然会保持在较大位置，尤其是地面沉降中心及附近区域，沉降仍将高速发展。

在降水量基本不变的前提下，“南水”持续供应北京，地面沉降防控工作持续有利推进，沉降持续减缓的趋势不会根本性改变。笔者认为，受到环境保护意识的增强，地面沉降等“城市病”正在引起和推动北京城市发展一些深层次的变革，部分对城市地质环境构成威胁的领域正在做“减法”，这可能成为缓解地下水超采和地面沉降的新的有利形势。

但也应该看到，地下水仍然是北京最重要的供水水源，地下水超采问题在较长时期内仍将继续存在，地面沉降灾害仍将继续对首都地质安全构成威胁。沉降防控过程中若由于不当引发或加剧地区差异沉降，将存在危害加重的风险。由于深层承压水得到补给的难度极大，随着地面沉降与深层承压水超采联系越来越紧密，深度的沉降防控工作难度也会增加。

3 结论建议

北京市地面沉降仍然处于快速发展阶段，而随着降水量的变化和南水的持续供应，以及地面沉降防治措施的逐渐落实，北京市地下水开采逐步开始减少，地面沉降速率出现阶段性拐点，区域沉降速率和中心沉降速率均出现减缓趋势，北京市平原区地面沉降总体减缓。大气降水量的增加、南水的持续供应和沉降防治措施的落实，是北京平原区地面沉降减缓的主要原因。结合现状和条件分析认为，北京平原区地面沉降仍会保持减缓趋势，但减缓幅度会减小，地面沉降速率仍然会持续在较大水平，尤其是地面沉降中心及附近区域，沉降仍将高速发展。

基于以上分析，提出如下建议：

（1）在地面沉降防控工作中，应高度重视沉降出现的新变化、新趋势和新特征，以更好指导深入的防治工作。

（2）应更加深入研究沉降减缓成因机制，建立沉降减缓与地下水开采量、地下水位变化定量关系。

（3）对北京平原区地面沉降防治难度应有清醒认识，阶段性沉降减缓并未改变沉降防控的严峻形势，系列的防控措施应进一步加强。

（References）

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[4] 罗勇,贾三满,杨艳,等. 北京市地面沉降防治工作探讨[J]. 上海国土资源,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.

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[7] 刘予. 北京市地面沉降区含水层和压缩层组划分及地面沉降自动监测系统[D]. 吉林大学,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

罗勇(1978-),男,博士生,高级工程师,主要从事地质灾害调查与监测.

电子邮箱: 79245667@qq.com

联系电话: 010-51560310

北京市科技计划课题(Z13110000561 3022);北京市自然科学基金项目(8162043);北京市地面沉降监测系统年运行费项目(P X M 2 0 1 5-1 5 8 3 0 5-000011;PXM2016-158305-000004);基于北斗卫星的地面沉降监测(121211220184);通州城市副中心地区重大地质问题调查与评价项目地面沉降专题(PXM2016-158203-000008)