地下水人工回灌和停采对地面沉降控制的影响分析

罗 勇， 田 芳， 秦欢欢， 崔文君， 欧志亮， 孙爱华, 田苗壮

(1. 北京市水文地质工程地质大队， 北京 100195； 2.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室， 江西 南昌 330013)

1 研究背景

作为目前世界各大城市的主要工程地质灾害之一[1-2]，地面沉降严重影响城市基础设施，限制经济的可持续发展[3-5]，带来的负面影响包括洪水[6]、对地下和地面基础设施(如管道和建筑物)结构和基础的损坏[7]、地表形态的变化[8]及地裂缝的产生[9,10]。在最近的40年里，世界各地记录了200多起地面沉降事件，研究人员在数量和质量上进行了广泛的调查[3,7,11-13]。中国的地面沉降主要发生在大中型城市，正在成为一个严重的环境地质问题。中国最早的地面沉降发生在1921年的上海，迄今为止，全国共有96个地区和城市发生了面积总计6.4×104km2的不同程度的地面沉降问题[14-16]，上海、苏州、西安等城市的最大沉降量甚至大于2 m。正是由于地面沉降可能对地质、环境、水文地质和经济等造成影响[17]，因此，世界范围内发生的地面沉降问题引起了广泛和重点关注。

造成地面沉降的原因有很多，包括自然因素(如地震、气候变化等)和人为因素(如地下流体资源的开发利用等)，其中地下水的过度开采和地质活动是造成地面沉降的两个主要原因[4-5,7]。许多研究表明，由于易受影响的含水层系统的压实，过度的地下水开采在地面沉降中起着直接而重要的作用[3-5,7,12,17-18]。长期、大规模地过度开采地下水导致弱透水层和含水层中地下水水位的显著下降是全球范围内150多个国家和地区内发生地面沉降的主要原因。由于地下水超采，世界范围内有许多地区存在严重的地面沉降问题，如泰国曼谷[19]、墨西哥城[20]、中国东部和中部地区[17,21-22]及美国的休斯敦-加尔维斯顿地区[23]。目前，中国有17个省市出现了显著的地面沉降，包括北京、天津、上海、江苏、河北等[24]。因此，十分有必要对中国的地面沉降现象进行定量化的模拟和研究。

1935年，地面沉降现象首先在北京被发现，其后逐步形成了多个沉降中心。由于水资源量的不足，北京市平原区经历了30多年的地下水超采，带来了一系列诸如地面沉降等环境问题，已经成为北京市经济社会发展的主要制约因素之一[25-26]。经过多年的发展，北京市地面沉降的分布呈现两个大区(北区和南区)、多个沉降中心的格局[7,27-28]，成为亟待解决的一个关键问题。

自20世纪60年代以来，为了控制地面沉降的发展，包括限制地下水开采、调整地下水开采的含水层分布和开采量以及对含水层进行人工回灌[4]等在内的3项措施在世界范围内被广泛采用。在过去几十年里，作为管理水资源的技术方法，人工回灌已经在许多地方被成功采用[29-30]，该方法可以使地下水水位恢复，在短时间内对地面沉降控制有显著的影响。目前，针对北京平原地面沉降问题进行的研究[21-22,27-28]主要采用观测数据法和数值模拟法，较少有学者针对地下水人工回灌和停采对北京平原地下水水位恢复和地面沉降控制的影响进行研究。考虑到地下水超采是造成地面沉降问题的主要因素之一，本文在文献[7]的地下水流模型基础上，采用情景分析的方法，研究地下水人工回灌和停采对北京平原地面沉降的影响，在此基础上为北京市控制地面沉降的进一步发展提供科学的依据。

2 资料来源与研究方法

2.1 研究区概况

研究区为北京市平原地区，总面积约为6.4×103km2，位于华北平原西北端。北京市包含16区，2013年常住人口2 114.8×104人(密度为1 289人/km2)，GDP为19 500.6×108元(人均93 213元)，是中国的政治、经济和文化中心。北京市属于严重缺水的特大型城市，人均水资源占有量小于300 m3，远低于人均1 000 m3的国际缺水标准线[26,31-32]。据统计，与1999年相比，2008年底北京平原地下水平均埋深为23 m，下降了11 m，地下水储存量减少了56×108m3。随着人口和经济社会的发展，北京市不断加大地下水的开采量，导致地下水降深的不断加大，形成了约998 km2的地下水降落漏斗，主要分布在朝阳区将台至顺义区米各庄一线，在第四系较薄的地方，含水层濒临疏干或半疏干状态。

2.2 研究方法

根据《北京地面沉降防治规划(2013-2020年)》，北京市地面沉降防治的目标为：区域地面沉降速率在2015年和2020年分别不超过25和15 mm/a，沉降中心地面沉降速率在2015年和2020年分别不超过45和30 mm/a。

研究区共分为7个计算分区，分别是弱发育区、榆垈、礼贤、望京、八仙庄、天竺和王四营[33]，其中后3个计算分区(八仙庄、天竺和王四营)采用监测站分层标与含水层水位拟合公式进行计算，其余4个计算分区(弱发育区、榆垈、礼贤、望京)采用经验估算法进行计算[33]。计算分区和计算方法的具体细节可参阅文献[33]。

本研究在已建立并校准的1995-2014年北京平原三维非稳态地下水模型[7, 33]基础上进行，该模型利用MODFLOW软件将北京平原划分为9层(5个含水层和4个弱透水层)、138列和116行的网格(大小为1km× 1km)，采用有限差分法求解地下水流的控制方程。选择了150口观测井的地下水水位数据，采用“试错法”对非稳态地下水模型进行校准(1995-2005年)和验证(2006- 2014年)，结果表明研究区的地下水流模型不存在系统误差，计算水位与观测水位拟合较好，非稳态地下水模型可用于下一步的情景分析。

本文中地面沉降计算的时间为2015-2030年，共设计了保持现状(BAU)、人工回灌(AR)和地下水停采(TE)3个情景(表1)。人工回灌情景中地下水人工回灌的位置在潮白河冲洪积扇顶部，回灌时间为2015-2020年，年回灌量为1.5×108m3，期间将怀柔应急水源地的地下水开采量减少至目前开采量的20%(约0.2×108m3)，其他地区的地下水开采量与保持现状情景相同。在地下水停采情景中，针对地面沉降中心，只减少用于工业和生活目的的地下水开采量，而用于农业目的的地下水开采量则不作改变。

表1 地面沉降计算情景设计对比表

3 结果与分析

3.1 区域地面沉降量

表2为保持现状、人工回灌和地下水停采3种情景下北京平原7个计算分区的地面沉降速率，图1为这3种情景下北京平原的区域地面沉降速率。从表2可以看出，相比于保持现状的情景，人工回灌情景和地下水停采情景下所有计算分区均控制了地面沉降的增长(下降或持平)，未造成地面沉降现象恶化，但地下水停采对地面沉降控制的效果要好于人工回灌的效果。由图1可看出，2015年3种开采情景下研究区的区域地面沉降速率在24.3～24.8 mm/a；2020年各情景下研究区的区域地面沉降速率在12.7～23.2 mm/a，最大的是保持现状情景BAU(23.2 mm/a)，最小的为地下水停采情景TE(12.7 mm/a)；而对于2030年各情景下研究区的区域地面沉降速率在12.4～23.7 mm/a，保持现状情景BAU的区域沉降速率最大(23.7 mm/a)，地下水停采情景TE的区域沉降速率最小(12.4 mm/a)。

3.2 沉降中心地面沉降量

研究区共有7个地面沉降中心，分布在朝阳区(金盏、三间房及黑庄户)、海淀区(西小营)、昌平区(八仙庄)、通州区(通州城区)和大兴区(礼贤)等行政区，表3列出了模拟期内各情景下北京平原沉降中心的地面沉降速率。从表3可以看出，对于所有地面沉降中心，人工回灌和地下水停采都会使得地面沉降速率下降或持平。具体来说，在2015年，保持现状情景下研究区的地面沉降速率为39.30～158.62 mm/a，人工回灌情景下研究区的地面沉降速率为39.30～158.62 mm/a，地下水停采情景下研究区的地面沉降速率为39.30～155.45 mm/a；在2020年，保持现状情景下研究区的地面沉降速率为27.50～165.83 mm/a，人工回灌和地下水停采情景下研究区的地面沉降速率则分别为27.50～165.83 mm/a和21.09～29.34 mm/a；在2030年，保持现状情景下研究区的地面沉降速率为16.50～162.95 mm/a，人工回灌和地下水停采情景下研究区的地面沉降速率则分别为16.50～162.95 mm/a和16.50～24.44 mm/a。

表2 各情景下北京平原计算分区的地面沉降速率 mm/a

图1 不同情景下北京平原区域地面沉降速率

3.3 人工回灌和地下水停采的影响

人工回灌和地下水停采均对研究区的地下水各含水层水位(图2)和地下水含水层储存量(图3)的恢复有着显著的影响。相比于保持现状情景，人工回灌和地下水停采情景下北京平原5个含水层中观测点的地下水水位均有不同程度的恢复，同时也使得地下水储存量有不同程度的恢复。地下水停采情景对地下水水位和含水层储存量的影响要大于人工回灌情景，这是因为一方面人工回灌只是在局部地区(潮白河冲洪积扇顶部)、部分时间(2015-2020年)进行，另一方面地下水停采情景停采的是沉降中心的工业和生活开采量，停采量比较大，效果比较明显。值得关注的是，由于人工回灌的时间是2015-2020年，图3中人工回灌情景和保持现状情景在2021-2030年的曲线是重合的。

表3 各情景下北京平原沉降中心的地面沉降速率 mm/a

图2 2015-2030年保持现状、人工回灌和地下水停采情景下北京平原地下水各含水层水位恢复情况

保持现状、人工回灌和地下水停采情景下含水层平均储存量变化分别为-1.16×108、-0.28×108和3.52×108m3(正数表示增加，负数表示减少，下同)，含水层最大储存量变化分别为-5.84×108、-5.84×108和7.83×108m3。相对于保持现状情景，人工回灌和地下水停采情景的含水层平均储存量变化分别增加0.88×108和4.68×108m3。相对于模拟期初，人工回灌情景下模拟期末不同含水层地下水水位恢复量在-0.008～0.027 m，地下水停采情景下模拟期末不同含水层地下水水位恢复量在8.162～17.548 m。地下水停采情景的效果比人工回灌情景的效果要好，但完全停采工业和生活地下水开采并不可行。

图3 2015-2030年保持现状、人工回灌和地下水停采情景下北京平原地下水含水层储存量变化

与此同时，人工回灌和地下水停采均能有效地降低区域地面沉降率和沉降中心地面沉降，但效果不同(表4)。相对于现状保持情景，人工回灌情景下区域地面沉降分别下降0.8%(2015年)、21.6%(2020年)和28.3%(2030年)，地下水停采情景下区域地面沉降分别下降2.0%(2015年)、45.3%(2020年)和47.7%(2030年)；而人工回灌情景下沉降中心地面沉降分别为持平(2015年)、下降0～50%(2020年)及持平(2030年)，地下水停采情景下沉降中心地面沉降分别下降0～5%(2015年)、0～86%(2020年)和0～85%(2030年)。

表4 相对于保持现状情景的地面沉降变幅 %

总体上来看，对于地面沉降控制的影响，地下水停采的效果要比人工回灌效果显著。这是因为：(1)地下水停采针对的是区域层面，而人工回灌针对的是局部层面，两者的作用范围不同；(2)地下水停采持续的时间是整个模拟周期，而人工回灌则只在2015-2020年起作用。然而，地下水停采对研究区经济社会发展的限制较多，容易造成对社会发展的阻碍作用，需谨慎采用。只有综合考虑社会经济发展和地面沉降控制，将人工回灌和地下水停采相结合，才能既防止地面沉降的恶化，同时又保证北京平原社会的可持续发展。

4 结 论

(1)保持现状、人工回灌和地下水停采等3个情景下北京平原区域地面沉降分别为2015年24 mm/a左右，2020年12.7～23.2 mm/a，2030年12.4～23.7 mm/a；而沉降中心地面沉降分别为2015年39.30～158.62、39.30～158.62和39.30～155.45 mm/a，2020年27.5～165.83、27.5～165.83和21.09～29.34 mm/a，2030年16.5～162.95、16.5～162.95和16.5～24.44 mm/a。

(2)人工回灌和地下水停采均对研究区地下水水位和含水层储存量的恢复有着显著的影响，3种情景下含水层平均储存量变化分别为-1.16×108、-0.28×108和3.52×108m3。相对于模拟期初，人工回灌情景下模拟期末不同含水层地下水水位恢复量在-0.008～0.027 m，地下水停采情景下模拟期末不同含水层地下水水位恢复量在8.162～17.548 m。

(3)总体上来看，对于地面沉降控制的影响，地下水停采的效果要比人工回灌效果显著。只有综合考虑社会经济发展和地面沉降控制，将两者相结合，才能既防止地面沉降的恶化，又保证北京平原社会的可持续发展。