南水北调对北京市地面沉降影响分析

2018-01-16穆晨波

河北地质大学学报 2017年6期

穆晨波

河北地质大学研究生学院，河北石家庄 050031

南水北调工程是实施我国水资源优化配置，改变南涝北旱和北方地区水资源严重短缺局面的战略工程，可有效缓解京津冀地区的水资源危机，对于提高城市供水保证率、改善城市水环境、保证经济社会可持续发展具有重要意义，中线北京段水质更是关系到北京市生活用水安全和社会稳定[1]。北京是以地下水作为主要供水水源地的特大型城市之一，其中三分之二以上的用水取自地下，第四系孔隙水开采量占到全市地下水开采总量的90%以上，地下水资源长期处于超量开采状态。全世界有150多个城市出现了因地下水过量开采而引发的严重的地面沉降问题，地面沉降成为一种全球性的灾害[2-7]。而地下水水位动态变化与地面沉降变化趋势具有良好的一致性，地下水位在反复升降中呈持续下降状态，地面沉降量呈持续增加状态[8]。北京平原区地面沉降灾害比较严重，主要发生在朝阳、海淀、顺义、通州、昌平、大兴等多个区，超过平原区三分之二的面积受到地面沉降的影响[9]。前人针对北京平原区地面沉降问题的研究工作主要放在研究地下水时空动态情况和水资源总量变化情况、地面沉降的相关性及运用遥感或干涉雷达等科学方法研究地面沉降变化规律等。本文从南水北调工程对地下水水位变化的影响角度出发，研究南水北调工程对北京平原区地面沉降的影响。

一、南水北调工程概况

（一）南水北调工程简况

工程自陕鄂豫交界处的丹江口水库引水，经河南、河北进入北京[10]。按北京市政府要求设计南水北调北京段施工，北京段总干渠工程布置是南水北调中线工程在北京房山区北拒马河中支南进入北京房山区境内，终点至颐和园的团城湖，全长约80 km。规划调水干渠入北京后，经房山城区西、北关过大石河、小清河、永定河（均为立交），穿丰台西铁路编组站北端进入市区，然后沿京石高速公路南侧东行，在大井村西穿京石高速公路于岳各庄环岛处沿西四环路北上，穿过西长铁路、五棵松地铁、永定河引水渠（均为立交）至团城湖，全线为局部加压管道引水。此外，南水北调进京后，为解决市内供水的需要，规划修建自来水厂14座，修建南干渠，自总干渠老庄子附近的南干渠分水口至亦庄调节池全长25.36 km，设计流量为40 m3/s，向丰台水厂、黄村水厂、亦庄水厂、通州水厂和自来水十厂供水以及规划水厂配套的输水管工程和连通水源九厂、田村山水厂、田村燕化净水厂的管线工程[11]。按水利部门研究确定南水北调工程为北京平原区供水12亿 m3，其中净供水量约10亿m3，总干渠设计流量约为60 m3/s。据北京市水资源公报数据，受降雨量等气候变化影响，南水北调工程2015年入京净水量约9亿 m3，基本达到政府要求。

（二）南水北调工程对北京市供水影响

南水北调工程于2008年9月京石段应急供水工程建成通水，京石段工程自2008年9月18日起，从河北省黄壁庄、安格庄、王快以及岗南4个水库调水，据北京市水资源公报数据，2009年—2013年京石段将累计14亿 m3的水安全输送至北京，夏季输水高峰期占北京日供水量的1/3。在中线工程全线贯通之前，先期形成了华北地区水资源配置的新通道，有利于优化配置水资源，抵御严重自然灾害。2014 年末南水北调工程全线开通后北京将形成外调水、当地地表水和地下水多水源联合供水的格局，其中外调水是由南水北调中线工程整体调度后确定的，其水量和对北京市供水调度有重要影响[12]。南水北调进京后，与现有供水系统形成统一的地表水供水网络，使北京市的供水范围扩大约700 km2，供水范围包括城区、大兴、通州以及房山、门头沟的山前平原和昌平南部。目前房山、长辛店等京西南地区生活用水主要靠密云水库，通过京密引水渠、团城湖至燕化供水管线长距离送水和超采地下水解决。通县、大兴等京南地区主要靠超采地下水解决。南水北调工程开展后利用总干渠上的分水口向该地区送水，解决该地区严重缺水的问题。南水北调向北京市调水有效地控制城市中心地区地下水的超量开采。城市中心地区现有10个自来水厂，其中自来水九厂及田村山水厂用的是密云水库的地表水，自来水六厂用的是再生水，其余6个水厂均开采地下水。南水北调进京后，充分利用调水供给城市用水，控制现有地下水厂的开采，并改造现有水厂。工程正式开通后半数以上的规划市区实现双水源供水。南水北调入京和现有地表水供水系统联调，使规划市区范围内半数以上地区实现双水源供水，供水水源的保证率得到明显提高。最终可供水资源量增加，规划南水北调工程用于环境用水量达到8亿～10亿 m3，使京城河湖水系有比较充裕的水量予以补给[11]。在南水北调进京之后，正常年能够保证北京用水[13]。

二、南水北调供水对北京市地下水水位埋深的影响

（一）地下水水位平均埋深时间演变

北京市地下水降落漏斗最早形成于1971年，当时的漏斗中心位于东北郊酒仙桥附近，只是局部的小漏斗。从20世纪70年代开始，东郊地区出现了较大的地下水降落漏斗。从20世纪80年代后期至90年代中期，地下水位降落漏斗面积呈逐年增加趋势，漏斗范围由东郊向着通州、顺义和昌平地区逐渐扩大。从20世纪90年代后期出现了连续的干旱年份，地下水位普遍下降，很多地方的水位达到历史最低水平，地下水降落漏斗逐渐扩展，平谷地区也出现了地下水降落漏斗[14]。2000年以来，北京市地区发展迅速，外来人口逐年增加导致生活用水总量逐年升高，同时周边地区工农业发展迅速导致水资源需求量大幅度增加[8]。1999年之后，北京市遭遇到连续多个枯水年，从1999年到2010年，12年降水量减少19%。连续的干旱与水资源量需求增加致使近年来北京市地下水持续超量开采，据北京市水资源公报提供数据，由表1可以看出北京市地下水水位埋深逐年增大。

表1 地下水位平均埋深表

2001年—2008年，连续多年北京市地下水水位快速下降。地下水水位平均埋深自16.42 m降至22.92 m，与2001 年相比平均水位埋深增大6.5 m。地下水水位快速下降问题得到政府重视，采取提前应用南水北调工程缓解北京地下水水位快速下降的情况，于2008 年9 月南水北调中线京石段应急供水工程建成通水。

2014 年南水北调工程继续施工，同年年12 月分开始全线运行。据2015 年数据，南水北调对北京市调水量增加到8.81亿m3。据北京市水资源公报，由图1可以看出2015 年年末北京市地下水水位平均埋深为25.75 m，与2014 年年末相比地下水水位下降仅0.09 m，2015 年年末地下水水位埋深超过10 m的面积为5 472 km2，较2014年增加2 km2；地下水降落漏斗（最高闭合等水位线）面积为1 056 km2，比2014 年减少2 km2，主要分布在朝阳区的黄港、长店—顺义区的米各庄，赵全营一带[15]。

图1 北京平原区地下水水位等值线图（2015年）

（二）南水北调对地下水水位埋深影响分析

21世纪以来，北京市经济文化迅速发展，外来人口增多，工农业用水与生活用水量明显增高，地下水水位埋深逐年快速增大。2008 年年末北京市平均地下水水位22.92 m，相比2001 年年末8年来地下水水位平均埋深共增大6.5 m。2008 年9 月份开通南水北调京石线开通后，截止2015 年地下水水位平均埋深达25.75 m，相比2008 年年末地下水水位平均埋增大2.83 m。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580 mm左右，降水量年际变化量较小，多年降水较稳定。降水入渗补给地下水量每年变化较小，对地下水位变化影响较小。假定地下水位变化不受气候影响，将2000年—2014年北京市地下水位变化利用一次函数表达：

式中：y表示地下水水位平均埋深深度，x表示年份。

拟合2001年—2008年南水北调工程北京段开通之前和2009年—2014年南水北调工程北京段开通之后的北京市地下水水位平均埋深与年份的关系曲线，显示地下水水位平均埋深与年份呈现线性正相关关系。其中a表示水位平均埋深与年份的线性关系的斜率，即为平均每年地下水水位平均埋深的增大量，a的值越大，代表地下水水位平均埋深逐年增大量越大。拟合由表1中2001年—2008年地下水水位平均埋深的数据，得到年份与地下水水位平均埋深的关系式为：

y=0.995 1x－1 974.9

式中：y表示水位平均埋深，x表示年份。

拟合2009～2015 年地下水水位平均埋深变化趋势，得到关系式为：

y=0.217 9x－413.45

式中：y表示水位平均埋深，x表示年份。

图2 南水北调前地下水平均水位埋深变化趋势线

图3 南水北调后地下水平均水位埋深变化趋势线

地下水平均水位埋深变化趋势如图2、图3所示。2008 年之前南水北调北京段未开通时北京市地下水平均水位埋深每年增加0.995 1 m；开通后地下水平均水位埋深变为每年增加0.217 9 m。显然南水北调京石线开通后，地下水水位埋深变化趋势线斜率明显小于开通前，平均水位埋深增长量明显变小。

即南水北调工程北京线正式调水后北京市开采利用地下水量减少，地下水位下降速率明显减缓，表征南水北调工程对北京市地下水位下降问题有较强的良性影响。2014年底南水北调工程全线开通后，2015年北京市调入水量从约3亿 m3增长到约9亿 m3，北京市得到更多可以利用的外调水，对地下水的开采量将进一步减少，因而在2015年后的未来几年内，北京市地下水位下降问题将得到更好缓解。

三、北京市地面沉降现象与地下水水位

北京地面沉降最早于1935年在西单到东单一带被发现，截至1952年的17年间最大累计沉降量仅为58 mm。20世纪五六十年代，随着东郊地区电子工业区、纺织工业区等迅速发展，地下水大量开采，逐步形成东郊沉降区。20世纪七十年代是北京市地面沉降快速发展时期，沉降区集中，沉降量大。东郊沉降区快速发展的同时，昌平区、顺义区、大兴区等均出现新的沉降中心[16]，个别监测点的沉降量甚至达到81 mm。北京市在1990年建成了第一个地面沉降监测站—八王坟地面沉降监测站，2002年开始了地面沉降监测网站预警预报系统（一期）工程建设，首批建成了3个地面沉降监测站，于2004年开始监测。二期工程也于2008 年竣工[17]。截止到2010 年底观测到北京平原区地面沉降量大于50 mm的面积为4 281 km2，大于100 mm的地面沉降面积为3 901 km2，大于200 mm的面积为2 475 km2，已占到北京平原区面积的1/3，最大累积沉降量达到1 233 mm，最大年沉降速率达到137.5 mm/a。2004年—2009年间，各大沉降区的累积沉降量分别为昌平沙河—八仙庄：272.8 mm，朝阳东八里庄—大郊亭：460.0 mm，朝阳—来广营：434.0 mm，顺义—平各庄：281.6 mm，通州西北处：435.8 mm。此后，各大沉降区的沉降速率较之前稍有增大，截止到2010年，最大沉降量分别达到：449.8 mm、678 mm、545.9 mm、383.1 mm、635.0 mm[18]。

关于地面沉降与地下水水位的响应关系，在北京地区，杨勇[19]等选用王四营站地面沉降观测点2010年的观测数据，利用Logistic方程拟合地面沉降S与地下水位H的响应关系，其中王四营站F1-3（66～94 m）的方程关系式分别为：

式中：S表示累积沉降，H表示水位标高。

拟合曲线如图4所示，初期地下水位下降较缓慢，同时沉降速率较小；中期地下水下降速率变快，地面沉降速率明显增加，是地面沉降现象较为明显的阶段；后期地下水位下降速率略减小，地面沉降增加量减小，说明此阶段地面沉降趋向于稳定。

分析王四营F1-2（94 m以上）的观测数据，得到的logistic方程关系式为：

式中：S表示累积沉降，H表示水位标高。

拟合曲线如图5所示，实测结果与拟合结果基本相同。地下水位下降初期地面沉降量增加不明显；中期地下水位下降速率增大，同期地面沉降量较大，沉降处于快速发展阶段。该结果显示地下水位下降速率与地面沉降速率在数学模型中基本吻合，地下水位变化与地面沉降量变化有较强的响应关系。

图4 王四营站 F1-3(66～94 m)地下水位与沉降量相关关系

图5 王四营站 F1-2(94 m以上)地下水位与沉降量相关关系

由以上结果在宏观尺度上得到相应证明，北京市东北部主要河流有温榆河与潮白河，潮白河水系修建有密云和怀柔两座大型水库，多年来对河水过量开采利用使北部顺义区水库大坝以下的潮白河河水基本干涸。潮白河水系位置地下水总体是由北部向南部运移，现已形成区域性的地下水降落漏斗。如图6所示，将地下水降落漏斗区与地面沉降区位置在地图上叠加，漏斗区与地面沉降区位置基本一致。在北京顺义、朝阳、大兴等地水位较低处，地面沉降明显较为发育。表明地下水位动态变化与地面沉降变化关系密切，当地下水位下降时，地面沉降量即增大，两者有共同趋势。

图6 2010年地下水漏斗区与地面沉降叠加图

北京地区地下水水位下降现象与地面沉降问题的一致性表现在地下水降落漏斗区域与地面沉降区域基本吻合，地面沉降的发展与地下水水位变化相关。地下水水位较低的区域地面沉降问题较为严重，反之地下水水位较高的区域地面沉降不明显[20]，表明地下水水位平均埋深与宏观尺度上地面沉降严重性呈正相关关系。地下水位的变换是地面沉降现象的重要诱因，地下水位逐年下降引发地面沉降。总研究区域内地下水水位平均埋深年均增长量越大，总体上年均地面沉降量越严重。

四、结论

论文在结合以往的研究资料和调查成果，初步讨论了南水北调工程对北京市地下水水位埋深的影响和北京市地面沉降地质灾害与地下水水位埋深的相关性，得出以下结论：

1. 南水北调工程京石线开通后，北京市区内部分用水采用南水北调的调入水，地下水开采量相对减少。地下水位平均埋深由平均每年增长0.995 1 m减少到0.217 9 m，水位下降速率总体上明显减小。地下水过量开采是引发北京地区地面沉降问题的重要的因素，水位动态变化与地面沉降的变化趋势一致。北京市地下水水位平均埋深增长量下降，地下水位下降过快问题得到一定缓解，则宏观上地面沉降速率下降。即南水北调工程对缓解北京市地区地面沉降问题有一定帮助。

2. 2015 年南水北调工程全线开通后，北京市调入水量由2008年起的约3亿 m3增长到约9亿 m3，北京市地区得到更多的调入水量，但总用水量基本维持不变，因而地下水开采量减少，预测地下水水位下降问题将得到更好控制，同时地面沉降问题受到良性响应，2015年后的未来几年内北京市地面沉降速率将继续减缓。

3. 论文仅针对南水北调工程对地下水水位平均埋深变化的影响和地下水水位与地面沉降问题的相关性进行了讨论。对于受气候等因素与南水北调工程调水量共同影响的地下水水位变化机制没有研究，同时地下水水位变化与地面沉降问题的滞后效应尚不明确，有待进一步探讨。

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