北京大兴规划新城地面沉降研究

郭 萌，陈 刚，黄 骁,3，王文霞，郑小燕

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195; 2.北京市地质工程勘察院，北京 100037; 3.中国地质大学工程技术学院，北京 100083）

北京大兴规划新城地面沉降研究

郭 萌1，陈 刚2，黄 骁2,3，王文霞2，郑小燕2

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195; 2.北京市地质工程勘察院，北京 100037; 3.中国地质大学工程技术学院，北京 100083）

本文分析研究了大兴规划新城地面沉降发育特点、成因机理及影响因素，建立模型预测了地面沉降发展趋势，为未来新城建设规划以及地质灾害防治，提供了科学依据。

地面沉降；含水层；压缩层；沉降模型

北京市的地面沉降主要发生在平原地区，目前仍处于快速发展阶段，沉降速率和范围比较大[1]，已经形成了多个沉降区[2]。地面沉降对北京城市建设的影响在一些地区已有显现，对北京城市建设未来发展规划存在着潜在影响，是地区经济可持续发展的重要制约因素之一[1]。

北京大兴规划新城位于榆垡 礼贤沉降区的西北部，目前的沉降量大于50mm的地区占到规划区的65%以上，最大累计沉降量达400mm[3]，地面沉降已经成为影响大兴新城规划与经济建设的主要地质灾害之一。本次研究以规划的大兴新城（面积约163.03 km2）为中心向四周扩展，研究区面积达445km2。对研究区地面沉降发育特点、成因机理及影响因素进行了分析，预测了地面沉降发展趋势，为未来新城规划建设以及地质灾害防治具有实际意义。

1 地面沉降现状分析

（1）地面沉降状况

大兴规划新城位于榆垡 礼贤沉降中心西北部。本次研究区南部庞各庄距该沉降中心约2.3km，截止2009年，研究区累计地面沉降量为40～560mm（见图1）。其中西北部狼垡、芦城一带沉降量较小，为40～50 mm；向南沉降量逐步增大，在北臧村、庞各庄一带沉降量达400～550 mm。研究区往南靠近大兴礼贤 榆垡沉降中心，地面沉降量较大，北部地面沉降量较小。榆垡 礼贤沉降中心对研究区南部区域的影响是明显的。

（2）地面沉降发展趋势

大兴榆垡 礼贤沉降中心形成于上世纪70年代后期；1987～1999年，榆垡 礼贤沉降区面积迅速扩大，以20～35mm/a的沉降速率快速发展。1999～2005年为地面沉降快速发展阶段，以37mm/a的沉降速率快速发展[1]。研究区近几年地面沉降以每年10～20mm的速率往东北扩展（见图2），地面沉降速率大致呈逐渐减缓的态势（见图3）。

图2 研究区近4年地面沉降量等值线图

图3 研究区部分地段地面沉降速率曲线图

2 地面沉降成因分析

地面沉降产生的原因是多方面的，一般情况下可分为自然因素和人为因素。自然因素包括地质构造运动和土的次固结沉降等；人为因素包括超量开采地下水、工程建设等。研究区地面沉降主要与开采地下水和岩土体结构特征有关[2]、[4]、[5]。

（1）过量开采地下水和连续多年降水偏少导致地面沉降

据水务部门资料，大兴区多年平均地下水可开采量26230.8万m3；丰水年可开采量32323.1万m3；平水年可开采量25221.9万m3；枯水年可开采量20325.5万m3；特枯水年可开采量15370.7万m3。按多年平均（29144.2 万m3）的开采水平，大兴区地下水超采量平均年近3000万m3，要使地下水达到平衡的降水量为591.2 mm；在丰水年份地下水略有富余，而平水年份超采地下水3500万m3，枯水年份超采近8500万m3，特枯水年份超采超过13500万m3，使得地下水水位不断下降。

北京地区枯水年份已经连续了12年。为了满足大兴区不断增加的供水需求，在地下水富水性较好的中北部地区建立了两座水厂，每年大量开采地下水，供水能力7.7万m3/d，供水人口18万人。从20 世纪80 年代起，随着降水量的逐年减少，地下水开采规模不断扩大，导致地下水位逐年下降，在黄村、庞各庄、榆垡、礼贤等地形成地下水 降落漏斗 。根据1980～2008年地下水年平均埋深值（见图4），研究区地下水位总体呈现持续下降态势，地下水埋藏深度从3.07m下降到16.78m。从1984年以来，该区潜水水位下降了约17m，承压水水位下降了约10.0～15.0m左右。其中1991～2000年全区地下水开采量由24900万m3/a增加到35800万m3/a，地下水位下降了3m，呈区域性下降。

图4 研究区地下水多年埋深变化过程线

大兴区长期超量开采地下水，造成地下水位的大幅下降导致含水层上覆土层孔隙水压力降低，使土层固结失水，土层压缩，形成地面沉降。

地面沉降速率和沉降的大小受地下水位下降速率和下降的幅度控制。由地下水位标高与沉降量关系曲线图（图5及图6）可以看出，地面沉降与地下水位变化密切相关。当地下水位下降速率减小时，沉降速率减缓；当地下水位下降速率变大时，沉降速率增大。因此，研究区地面沉降随地下水开采强度而变化，地面沉降量与地下水位下降量呈正相关关系，超量开采和连续多年的降雨量偏少导致地下水位下降是引起大兴新城工作区地面沉降的主要原因。

图5 黄村水位标高与沉降量变化曲线图

图6 庞各庄水位标高与沉降量变化曲线图

（2）地层特性导致南北地面沉降差异

研究区地面沉降南北差异主要是受其地层岩性空间分布特征影响。工作区北部土体以单一结构的砂卵石层为主，夹少量粘性土层，含水层颗粒粗，抗压强度高，可压缩性低，不易产生压缩变形，随着地下水位的升降，其主要表现为弹性变形特征。尽管北部地区超采地下水引起地下水位大幅下降，但砂卵石层释水压缩量很小，且可压缩的第四系松散层厚度相对较薄（50～70m）（见图7），因此地面沉降表现不明显，其1955～2009年地面累计沉降量小于50mm。中部至南部地区土层逐渐过渡为多层中细砂、薄层砂卵石层与多层粘性土，并以压缩性较高的粘性土为主的多层土体结构类型。随着土层粘土含量和厚度的增加，地下水开采引起的土层释水压缩量也逐渐增大，且可压缩的第四系松散层厚度相对较厚（可达250～300m）（见图7），沉降量逐渐增大。故研究区地面沉降在空间分布上呈现出南部大于北部的明显态势。

研究区由北向南整体上土层的压缩模量逐渐减小，而沉降量逐渐增大（见图8）。土层压缩模量越小，表明土层的固结程度低，在荷载作用下更易于压缩变形。因此当超采地下水引起地下水位大幅下降，土层的孔隙水压力减小，有效应力增大，南部土层的压缩变形较大，地面沉降也大。此外研究区由北向南第四系松散层厚度逐渐增大，可供压缩的土层厚度增加，沉降量随之逐渐增大（见图9）。

总之，地层岩性及结构特征是大兴新城区产生地面沉降的重要地质基础条件，地下水开采和连续的枯水年是地面沉降产生的直接诱因。研究区地面沉降发生发展规律与超量抽取地下水、地层岩性及其结构特征密切相关。

图7 研究区第四系厚度等值线图

图8 研究区土层压缩模量与累积沉降量变化曲线图

图9 研究区第四系松散层厚度与累积沉降量变化曲线图

3 地面沉降预测

许多学者致力于地面沉降的研究，提出许多计算模型[6-10]，目前对地面沉降的研究主要集中在以地下水开采为主要原因的地面沉降模拟和预测[11]。本次依据地下水动力场 土应力场耦合机理，在充分考虑地层特性、水文地质条件和沉降特点的基础上，利用Modfow软件，建立起一个概化为三层结构的非均质各向异性、准三维非稳定流地下水系统和地面沉降模型，模拟研究区2014年地面沉降变化趋势。

（1）地层概化

由于第四系地层岩性、成因类型、埋藏条件、地下水开采层位等与地面沉降密切相关，而且地下水开采是形成地面沉降的主要原因，因此必须对研究区的含水层组和压缩层进行结构划分[12]。本次将研究区第四系含水层在垂向上划分为3层，各层特征见表1。

表1 研究区概化含水层特征表

经概化后，模型中的第二含水层、第三含水层分别为研究区的第一、第二压缩层。各压缩层特征见表2。

表2 研究区概化压缩层特征表

（2）沉降模型拟合与预测

本次研究利用地下水流数值模拟软件MODFLOW和IBS软件包进行模拟求解。根据模型范围、含水层结构特征、地下水流动特征以及沉降区特征，将研究区剖分为100 119个单元间距为200m的矩形网格（见图10）。

图10 模型结构及网格剖分示意图

模型的拟合主要包括水流模型和沉降模型的拟合。水流模型中考虑区域流场以及单点动态变化的拟合，沉降模型中主要考虑区域沉降拟合。单点动态曲线拟合结果表明，各孔水位计算值与观测值的变化趋势一致，浅井的拟合效果略好于深井的拟合效果。区域沉降使用1955～2009年累计沉降曲线进行拟合，能够反映沉降趋势，体现出沉降由南向北逐渐变小的趋势。

通过该模型计算了未来5年的地面沉降（见图11），在未来5年内，研究区地面沉降呈平缓发展的态势，沉降速率大概在8～16mm/a。累计沉降量大的地区主要位于南部的北高各庄、庞各庄一带，累积沉降量将大于500mm，成为地面沉降危害较严重区；在规划新城范围内，南部的罗奇营、北臧村、大臧村一带，累积沉降为300～500mm，为地面沉降危害一般区；其他区域处于轻微区。

图11 研究区2014年预测累计沉降量及危险性分区图

4 结论

（1）大兴规划新城区位于榆垡 礼贤沉降中心西北部。地面沉降将影响新城的规划和建设。

（2）研究区近几年地面沉降以每年10～20mm的速率往东北扩展，地面沉降速率呈逐渐减缓的态势。

（3）地层岩性及结构特征是研究区产生地面沉降的重要地质背景，地下水开采是地面沉降产生的直接诱因。研究区地面沉降发生发展规律与超量抽取地下水及地层岩性及其结构特征密切相关。

（4）通过地面沉降模型对地下水动态以及区域地面沉降测绘数据进行拟合；预测得出至2014年，研究区地面沉降将进一步增大，大兴规划新城遭受地面沉降的威胁将愈发严重。

[1] 贾三满等.北京市地面沉降发展及对城市建设的影响[J].城市地质, 2007.

[2]贾三满等.北京地面沉降机理研究初探[J].城市地质, 2007.

[3]王翊虹等.北京大兴规划新城前期区域工程地质勘查报告.北京市地质工程勘察院,2010.

[4]陈正松.上海地区地面沉降原因分析[J].大地测量与地球动力学, 2009.

[5]董得茂等.北京地面沉降形成现状机理与控制对策.全国地面沉降学术研究讨会论文集,2002.

[6] 董国凤．地面沉降预测模型及其应用研究[D],天津大学, 2006.

[7]李成柱,周志芳.地面沉降的数值计算模型与流固祸合理论综述[J],勘察科学技术, 2006.

[8] 佘文芳．沧州地区地面沉降模型研究[D],中国地质大学, 2007.

[9] 周俊等．基于情景分析的天津市滨海新区地面沉降预测[J],地质灾害与环境保护. 2010.

[10]焉建国等.基于AR模型的上海地区地面沉降预测分析,大地测量与地球动力学, 2009.

[11]Y Yun and D Kim. Integritymonitoring algorithms using filte2 ring app roaches for higher navigation performance: Consider2 ation of the non - Gaussian GNSS Measurements [ R ]. IONGNSS 20 th ITM of the Satellite Division, Sep tember 2007.

[12] 刘予.北京市平原地面沉降区含水岩组和可压缩层划分[J],城市地质, 2007.

Study on the Surface Subsidence in Beijing Metro Planning Daxing

GUO Meng1, CHEN Gang2, HUANG Xiao2,3, WANG Wenxia2, ZHENG Xiaoyan2
(1.Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Beijing Institute of Geological Engineering, Beijing 100037; 3. China University of Geosciences, Beijing 100083)

This paper studies the growth characteristic, the Mechanism and the infuence factor of the surface subsidence in Beijing Metro Planning Daxing， and has established the subsidence model and forecasted the developing trend of the surface subsidence. This study can provide actual guiding signifcance to the construction and the disaster prevention.

Land subsidence；Aquifer; Compression layer；Subsidence model

X43

A

1007-1903(2011)01-0017-05

郭 萌（1958- ），男，北京市地质矿产勘查开发局地环处处长，高级工程师，主要从事地质灾害监测与评估工作。电子信箱：dkjdhc@163.com