北京市地面沉降控沉目标分析

郭 萌，田 芳，王 荣，姜 媛，贾三满

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)

北京市地面沉降控沉目标分析

郭 萌1，田 芳2，王 荣2，姜 媛2，贾三满2

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)

《全国地面沉降防治规划（2011－2020年）》明确提出了北京市的控沉目标。本文介绍了控沉指标的计算方法，对如何界定区域地面沉降速率的计算范围进行了探讨，提出了基于控沉目标的地面沉降分区标准，最后提出了用好南水北调来水等地面沉降的防控措施，以为北京市切实有效进行地面沉降防治工作提供参考。

地面沉降；控沉指标；分区评价

0 引言

地面沉降属于一种缓变性的地质现象，严重时会成为灾害，其诱发因素有多种。但在我国，过量抽取地下水是最主要的原因，因此形成的地面沉降已遍及17个省市[1]，其中以华北平原（北京、天津、河北沧州、山东德州等）、长江三角洲（上海、苏锡常、杭嘉湖等）和汾渭盆地（西安、太原）这3个区域性的地面沉降区最为突出。为了应对地面沉降发展的严峻形势，国土资源部和水利部于2012年3月2日印发了《全国地面沉降防治规划（2011—2020年）》（以下简称《规划》），全面部署和推进地面沉降防治工作。《规划》中将北京市的控沉目标定为：2015年区域地面沉降速率控制在每年25mm以内，沉降中心控制在每年45mm以内；2020年区域地面沉降速率控制在每年15mm以内，沉降中心控制在每年30mm以内。北京市能否实现《规划》中的控沉目标？地面沉降的现状距此目标的差距有多少？怎样做才能控制地面沉降的发展实现控沉目标？本文将就这些问题进行探讨。

1 地面沉降现状

北京市开展由地面沉降监测站、地面沉降专门测量网（一等水准测量）、GPS测量网、InSAR监测网和外围地下水动态监测网构成的立体监测始于2004年。截止到2010年，北京市累计地面沉降量超过200mm的面积为2474.70km2，分布呈现两个大区（北区和南区），多个沉降中心的格局。北区主要包括：海淀区东北部、昌平区东南部的沙河—八仙庄、顺义区西南部、平谷城区、朝阳区的全部和通州区西部和中部；南区主要分布于大兴区的中南部（图1）。

沉降中心的位置和面积随时间而变。最早形成的是朝阳区来广营沉降中心和东八里庄—大郊亭沉降中心，形成时间是上世纪50—60年代。昌平沙河—八仙庄沉降中心、大兴榆垡—礼贤沉降中心和顺义平各庄沉降中心形成于上世纪70 ～80年代。从上世纪90年代以后，东郊地区沉降中心出现东移的趋势，自北向南依次出现了金盏—楼梓庄、三间房、通州城区和台湖—黑庄户4个沉降中心。到2010年底，北部沉降区中400mm累计沉降量等值线将其内的沙河—八仙庄、平各庄、金盏—楼梓庄、三间房、通州城区和台湖—黑庄户共6个沉降中心全部包裹，面积超过800km2。昌平沙河—八仙庄沉降中心累计沉降量达到1.23m，是北京市沉降量最大的地方。礼贤沉降中心累计沉降量也达到1.03m。朝阳金盏—楼梓庄地区近年来沉降速度非常快，2008—2010年的年沉降速率分别为134.5mm、137.5mm和135.8mm。如果不加以控制，照这个速度发展下去，10年后金盏地区的最大累计沉降量将超过2m。

图1 北京平原区累计地面沉降量等值线图（1955—2010年）

北京市近几年的区域地面沉降速率和沉降中心最大沉降速率见表1。由表1可见：2015年区域地面沉降速率控制在每年25mm以内的目标实现难度不大，但沉降中心沉降速率控制在每年45mm以内的目标实现难度相当大。这对实现《规划》目 标是一个严峻的考验。

表1 北京市平原区地面沉降现状主要特征值[2]（2005—2010年）

2 控沉指标分析

2.1 控沉指标的计算

《规划》中提出了两项控沉技术指标：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）和沉降中心沉降速率（即沉降中心年沉降量，用区域内每年最大沉降数据表示）。由定义可以看出，区域地面沉降速率属于一个计算指标，它是在依据测量数据绘制的年沉降速率等值线图的基础上计算得到的。而沉降中心沉降速率属于测量指标，一般由测量结果直接得到或者在年沉降速率等值线图上读取。

计算区域地面沉降速率用数学公式可表达为：

某一年度地面沉降量等值线图的一般做法为：以水准测量数据为基础，辅以InSAR和GPS数据，先在区域地理底图上手动绘制年沉降量等值线，经过专家校核后，进行数字化，最终形成由点、线、面文件构成的MapGIS图形文件。以这一成果图为基础来计算区域地面沉降速率。利用MapGIS软件，可统计获得不同沉降量等值线包裹的各个分区的面积，详见表2。

表2 年沉降量面积分区表

按照《规划》对区域地面沉降速率的定义，则：

式中：va——年沉降速率（mm/a）

值得注意的是，由于测量精度和绘图精度的限制，在计算va时，v′ak的选定存在一定的不确定性。在实际工作中，认为每一地面沉降分区内发生的是均匀沉降，因此选取区间中值进行计算。

2.2 控沉指标计算中的区域范围界定

《规划》中提出的区域地面沉降速率其定义为：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。对北京地区而言，在计算区域地面沉降速率中，涉及到区域范围如何界定的问题。之所以产生这个问题，主要有以下两个方面的原因：

（1）地面沉降监测技术手段的监测范围在空间上不一致。一等水准测量精度高，但是需要消耗大量的人力、物力和财力，因此从效益最大化出发，北京地面沉降高精度水准测量的部署原则是控制平原区冲洪积扇中下部的重点沉降区，目前控制面积约为4100km2。InSAR具有精度高、覆盖范围广、面矩阵测量[3]、时效性强、经济性好等优势，目前覆盖了除延庆县的整个平原区，控制面积约为6400km2。

（2）水准测量与InSAR的测量精度不同。将水准测量与地面沉降监测站内的分层标自动化监测进行多年对比，结果发现7个站的测量差值大部分在1mm左右，由此说明水准测量的精度很高。从历年的InSAR与水准测量结果的比较中发现，两者在对地面沉降漏斗区的监测及沉降量的数量级方面都有比较好的一致性，但是在沉降量较小的地区，测量值之间仍然存在一定的差距。

基于以上因素，笔者建议在计算区域地面沉降速率时，分成两部分计算：水准测量控制的地区，基于水准测量成果计算，未控制的地区，则基于InSAR成果计算。最后将两部分计算结果综合起来，得到一个区域地面沉降速率值。

3 地面沉降的分区评价建议

地面沉降是一种“沉默”的地质灾害，确定评价因子和标准是十分复杂的问题。不同地区、不同行业有不同的标准。如，天津市地面沉降灾害灾情评估采用累积沉降量和沉降灾害面积进行灾害程度和灾害规模的评价[4]；北京市地质灾害危险性评估则根据地面沉降发育程度和危害程度进行危险性分区评价[5]，其中发育程度以累计沉降量和沉降速率作为分区指标，划分强、中、弱区 ，危害程度则为定性评价，分轻、中、重区。以往在北京市地面沉降监测年度报告中，依据上述危险性评估标准绘制每年的地面沉降发育程度图。鉴于《规划》中已经明确提出了北京市的控沉目标，为此，笔者建议将控沉指标作为评价标准进行分区，划分严重超标区、超标区和非超标区（表3）。评价的结果既说明了地面沉降的 现状，也可考核落实防治规划的成果，检验地面沉降的防治措施是否到位。这一分区可以更好地指导控沉工作的开展，并为研究工作重点提供依据。

表3 基于控沉目标的北京市地面沉降分区标准表

4 防治措施管理建议

地面沉降作为一种广泛分布的城市环境地质问题，其发生发展过程不易察觉，易被忽视。但长期积累却能诱发或加剧其它地质灾害，给城市的生产和生活带来的影响是深刻和巨大的。地面沉降灾害具有区域性、缓变性、累进性和不可逆性等特点，同时又具有与人类经济、工程活动的互交性，以及对洪涝、潮汛、地裂缝等其他自然灾害的叠加性。

北京市地面沉降区域涉及朝阳、顺义、通州、昌平、大兴等多个区县，覆盖面积超过平原区面积的2/3，已经造成地基下沉、房屋开裂、井管抬升、诱发或加剧地裂缝灾害、增加线性轨道交通工程的安全维护成本等一系列问题。尽管到目前为止，北京市在地面沉降监测研究方面已经投入了上亿资金，建成了现代化的监测网络，比较清楚的掌握了地面沉降的分布情况、发展动态和趋势，但是地面沉降继续恶化的趋势没有得到有效控制。因此，加强地面沉降防控工作的力度势在必行。而有效控沉的工作落脚点、关键点和着力点是严格控制地下水超采，涵养恢复地下含水系统。

北京是国际上为数不多的以地下水作为主要供水水源的大城市之一。从上世纪70年代末到本世纪前5年，地下水开采量一直维持在26×108～28×108m3，占整体供水的2/3左右[6]。2000年以后，北京市政府逐步关闭了城区内所有自备井，并加强对郊区县地下水井的控制 和管理，严格控制工程施工降水及排放，积极开展地下水回灌、雨洪水收集和利用等试验和推广工作，各项措施并举，使得地下水开采量得到有效控制。从2005年到2011年末，地下水开采量从24.9×108m3逐步下降到20.9×108m3，地下水供水量在总供水量中的比例从70%多下降到59%。据有关资料，2014年南水北调进京每年可向本市供水10.5×108m3[7]，约占现阶段本市用水总量的四分之一。尽管北京无法像上海、苏锡常地区那样利用其他水源,大部分甚至完全替代地下水开采[8-9]，但可以预计，南水北调进京可以有效缓解北京市对地下水的严重依赖。

北京市地面沉降的成因主要是开采地下水造成的。因此，用好南水北调来水，通过地下水资源开发利用的精细化管理，优化用水格局，地面沉降是完全可以控制的。北京市政府在2011年发布的《进一步加强水务改革发展的意见》中指出：将实行最严格的水资源管理制度，确立水资源开发利用控制红线。建立覆盖全市的区域用水总量控制指标体系。笔者建议将地面沉降控沉指标作为水资源配置方案的重要依据之一，对地面沉降超标区和严重超标区采取最严格的用水总量控制标准。否则，我市的控沉目标将难以实现。

根据地面沉降灾害的特点、北京市水资源的现状以及《规划》的要求，北京市地面沉降防治的具体指导思想是：以保障北京城市建设安全和人民生活环境质量为目的，坚持以防为主、防治结合的方针，立足于防灾减灾，强化监控与减灾对策措施的落实，减灾即增效，最大限度地减少和避免地面沉降对经济发展和人民生活造成大的危害。

根据地面沉降灾害的区域性、缓变性、累进性及与工程活动交互性的特点，针对《规划》的控沉要求，建议：

（1）在南水北调进京前，要对地面沉降超标区，尤其是严重超标区内实施最严格的地下水管理措施，大幅度减少深层承压水开采量。

（2）根据地面沉降防控效果，优化南水北调进京后的配水方案。

（3）对地面沉降区内的重大工程和线性工程，应根据区域的孕灾条件和工程设防要求，在重点地区和典型地段实施重点监测，并应开展地面沉降专项研究与评价，提出防患与保护的科学对策，以保障重要工程的建设和运行安全。

5 结语

北京市已经建成了具有国内外先进水平的地面沉降监测网络，比较清楚的掌握了地面沉降的发育分布情况和发展趋势。但是目前，地面沉降继续恶化的趋势没有得到有效控制，尤其是地面沉降中心区沉降速率的控制与《规划》要求相比具有较大差距。结合水资源和用水现状以及《规划》的要求，北京市的地面沉降防控要强化监控与减灾对策措施的落实，在南水北调进京前后实施最严格水资源管理制度，依据控沉形势，不断优化南水北调配水方案。

[1]薛禹群,吴吉春,张云等.长江三角洲（南部）区域地面沉降模拟研究[J].中国科学D辑：地球科学,2008,38（4）：4 77～492.

[2]贾三满,罗 勇,杨 艳等.北京市地面沉降监测年度报告（2011年）[R].北京：北京市水文地质工程地质大队,2011.

[3]查显杰,傅容珊,戴志阳.DInSAR技术对不同方位形变的敏感性研究[J].测绘学报,2006,35（2）:133～137.

[4]张 梁,张业成,罗元华等.地质灾害灾情评估理论与实践[M].北京：地质出版社,1998:299～304.

[5]北京市地质灾害危险性评估技术规范[R].北京：北京市质量技术监督局.

[6]张安京,叶 超,李 宇等.北京地下水[M].北京:中国大地出版 社,2008.

[7]石维新,杨进新,温明霞等.第二届全国水力学与水利信息学学术大会论文集：北京市南水北调水量调配与供水系统方案设想[C].北京：2005年.

[8]龚士良.上海地面沉降影响因素综合分析与地面沉降系统调控对策研究[D].上海：华东师范大学,2008.

[9]胡建平.苏锡常地区地下水禁采后的地面沉降效应研究[D].江苏：南京大学,2011.

The Analysis of Control Targets for Land Subsidence in Beijing

GUO Meng1, TIAN Fang2, WANG Rong2, JIANG Yuan2, JIA Sanman2

(1. Beijing Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Beijing 100195; 2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

The control targets for land subsidence in Beijing were put forward clearly in National Land Subsidence Control Program (2011-2020). The paper presented the calculation method of control index of land subsidence and discussed how to define the calculation area of regional land subsidence rate. The zoning standards based on the control targets for land subsidence were also described. Finally, some relevant prevention and control measures of land subsidence (such as making good use of water from South-to-North Water Diversion) were proposed in order to provide reference for land subsidence prevention and control work in Beijing.

Land subsidence; Control index of land subsidence; Zoning evaluation

P642.26

A

1007-1903 (2013) 03-0001-05

北京市政府财政项目“北京市地面沉降监测运行”（国土京环[2004]75号）和北京市地质矿产勘查开发局公益性地质科研项目“基于地面沉降控沉目标的地下水位控制指标研究”（京地[2013]22号）联合资助。

郭 萌（1958- ），男，教授级高工，主要从事工程地质、环境地质工作。E-mail：dkjdhc@163.com。