北京市地面沉降与地下水开采关系分析

刘明坤，寇文杰，罗 勇，王 荣，田 芳，赵晨曦，刘建凯（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京市地面沉降与地下水开采关系分析

刘明坤，寇文杰，罗 勇，王 荣，田 芳，赵晨曦，刘建凯
（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京市地面沉降日趋严重，主要是由长期超量开采地下水引起，目前北京市地下水供水量已占北京市总供水量的2/3以上。本文对地面沉降与地下水资源进行了时间演变分析、空间对比分析、线性回归相关性分析，发现北京地下水开采历史的阶段性变化与地面沉降的形成、发展、扩展和快速发展吻合极好，地面沉降范围、沉降速率与地下水开采强度和储变量及地下水位的变化相关。从区域上建立了地面沉降与地下水位以及地下水储量变化之间的线性回归方程，发现具有良好的相关性，并计算出在目前条件下（一定环境下的线性区间内），地下水位每下降1m，对应的地面沉降将达到10.12mm。

地面沉降；地下水；空间分析；回归分析；北京市

0　引言

地面沉降（ land subsidence）又称为地面下沉或地陷，是指在一定的地表面积内所发生的地表海拔标高降低的现象，地面沉降是一种缓变性的地质灾害，是一种“沉默的土地危机”，具有持续时间长、影响范围大、防治难度大等特点。随着人类社会经济的发展，地面沉降已经演变成全球性的地质问题，地面沉降也是我国平原地区的主要地质灾害，成为制约我国社会、经济可持续发展的重要灾种之一（刘明坤等，2012；贾三满等，2007）。

综观世界各国的地面沉降问题，可将其诱发因素归纳为自然地质因素和人类工程活动因素两大类。前者主要包括地质构造作用、地震、近期沉积的欠固结土层的压密和冻土融化等，后者主要包括开发利用地下流体资源（地下水、石油、天然气等）、开采固体矿产、岩溶塌陷、以及工程建设相关的土体变形等（张阿根等，2005；薛禹群等，2006）。

北京地面沉降最早于上世纪30年代中期发生在西单—东单一带，先后经历形成阶段、发展阶段、扩展阶段和快速发展阶段。至2011年底，北京地面沉降区分布呈南北两个大区，北部沉降区主要包括昌平沙河—八仙庄沉降区、朝阳来广营沉降区和东八里庄—大郊亭沉降区，南部沉降区主要包括大兴榆垡—礼贤沉降区（刘予等，2007；赵守生等，2008）。

根据北京地区的地下水开采历史与地面沉降监测资料，研究区内（北京平原区）的地面沉降主要是由长期超量开采地下水引起的，平原（含山间盆地）第四系松散孔隙水是北京市主要开采利用水源，第四系松散孔隙水系统总体边界西北为第四系沉积边界，接受山前岩溶水和山区基岩裂隙水补给；东南为行政界线，地下水以侧向径流向区外排泄。由于各河流冲洪积作用形成的冲洪积扇和冲洪积平原范围、沉积物的差异，各冲洪积扇交互地带地下水渗透性能相对减弱，构成了各冲洪积扇之间相对独立的边界。从垂向上看，第四系主要含水层深度在400m以内。从山前河流冲洪积扇顶部地区-冲洪积扇中上部地区-冲洪积扇中下部的冲洪积平原区，含水层由单一潜水含水层增加为潜水含水层和由2～3层砂卵石组成的承压含水层共存，再增加为潜水含水层与多层承压含水层共存。因此研究北京地区地下水水位变化、开采量等与地面沉降的关系有着重要的理论与现实意义。

1　时间演变分析

北京地区开采地下水有悠久的历史，从解放后到现在，北京市地下水开发利用可分为4个阶段：初步开发阶段、开采增加阶段、开采控制阶段和严重超采阶段。与前述的北京市地面沉降的形成发展过程的4个阶段基本吻合（表1）。现就地下水的各个开发阶段与地面沉降的形成发展阶段作对比分析（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。

表1　地下水开发利用与地面沉降发展阶段对比表Tab.1 Comparison table of groundwater exploitation and land subsidence development phase

2　空间对比分析

石建省等曾对京津冀德平原区深层水开采与地面沉降关系进行了空间分析（石建省等，2006），根据多年资料的全面整理，本次对北京市平原区地面沉降与地下水开采关系进行了进一步的对比分析。

2.1地面沉降与地下水开采关系

为了进一步确定地面沉降与地下水开采的关系，选取相对准确、齐全的地面沉降的快速发展阶段的数据做进一步分析（于军等，2007；张士锋等，2012；张兆吉等，2009；崔亚莉等，2009；马锋等，2008；范珊珊等，2013；谭荣初，2002）。表2为1999—2011年北京平原地区地面年沉降量与地下水储量及地下水位（混合水位）平均变化统计表。

通过2006—2011年年均地面沉降与地下水位、年均地面沉降与年储量亏损的动态对比（图1、图2），年均地面沉降与地下水位和年储量亏损有着较一致的趋势，说明地面沉降年均沉降速与地下水位动态变化关系密切。考虑到地面沉降对开采地下水的滞后性， 在分析时采用逐年累计量。

通过表2统计数据，建立累积地面沉降量和累积地下水位变幅的线性回归方程：

式中：s——累积地面沉降量；

H——累积地下水水位变幅。

拟合曲线如图3所示。拟合效果较好，相关系数达到0.996，很好反映水位与沉降之间的关系。

通过表2统计数据，建立累积地面沉降量和累积水资源亏损量的线性回归方程：

式中：s——累积地面沉降量；

ΔQ——累积储量变化。

拟合曲线如图4所示。拟合效果较好，相关系数达到0.994，很好地反映了储量变化与沉降之间的关系。

表2　地面沉降量与地下水储量、地下水位变化关系表Tab.2 Relationship between land subsidence and variable storage， variation of groundwater level

图1　年均地面沉降与水位变幅对比图Fig. 1 Annual average land subsidence compared with water level amplitude

图2　年均地面沉降与年储量亏损对比图Fig. 2 Annual average land subsidence compared with reserves deficit

通过对累计地面沉降量与累计地下水位变幅、累计地下水储量亏损之间的回归分析，得到其线性相关系数分别为0.996和0.994，相关度极高。在今后的工作中可以通过上述两个变量对地面沉降进行相应的预测，并为南水北调进京后对北京市地面沉降的影响及实现控沉目标提供依据。

图3　累计地面沉降与累计地下水位的回归分析Fig. 3 Regression analysis of accumulative land subsidence and accumulative underground water level

2.2地面沉降累积量空间分布特征

利用MAPGIS地理信息系统分析软件，采用空间分析和空间统计方法，分析了北京平原区1955—2011年地面沉降累积量分布特征（表3）。根据研究区最新调查的地面沉降现状做出的空间统计表明，北京市平原区地面沉降累积体积已达15.50×108m3。其中累计沉降量大于1000mm的地区面积为58.06km2，对应沉降体积为0.67×108m3，累计沉降量500～1000mm的地区面积为1036.72km2，对应沉降体积为7.35×108m3，累计沉降量50～500mm的地区面积为3231.04km2，对应沉降体积为7.06×108m3，累计沉降量小于50mm的地区面积为2092.42km2，对应沉降体积为0.42×108m3（图5）。

图5　北京平原区地面沉降累积量分布曲线Fig.5 Distribution curve of accumulative land substance quantity in Beijing plain

表3　北京平原区累计地面沉降量分布空间统计结果Tab. 3. Spatial distribution of accumulative land subsidence quantity in Beijing plain

通过对1955—2011年地面沉降累积量空间分析，那么可以粗略计算出57年间北京平原区每年沉降体积为0.27×108m3，全区等效平均沉降量达0.242m，年均4.25mm。

2.3地面沉降与地下水位空间分析

北京地区地面沉降虽形成于1955年，但形成初期发展缓慢，我们假设地面沉降累积量全部贡献来自1960年以后的开采地下水行为，根据北京市水资源公报（2011年）显示，2011年末地下水平均埋深为24.94m，北京地区1960—2011年间等效平均水位变差为21.75m，52年间年平均水位下降0.42m。

将年均地面沉降量与年均地下水水位变差相比较，可以看出，年均水位变差0.42m，对应年均地面沉降4.25mm，可以认为在目前条件下（一定环境下的线性区间内），地下水位每下降1m，对应的地面沉降将达到10.12mm。

3　结论

（1）从地面沉降与地下水资源时间演变分析、空间对比分析、地下水资源动态对比分析、线性回归相关性分析，可以发现，北京地下水开采历史的阶段性变化与地面沉降的形成、发展、扩展和快速发展吻合极好，地面沉降范围、沉降速率与地下水开采强度和储变量及地下水位的变化相关。

（2）通过对北京地区地面沉降和地下水开采的关系进行分析，建立地面沉降与地下水位及地下水储量变化之间的线性回归方程及相关系数，相关系数分别为0.996和0.994，相关性极好，证明了北京地区地面沉降主要是由长期超量开采地下水引起的，通过上述两者的变化在未来可以对地面沉降量进行预测，为南水北调进京后对北京市地面沉降的影响及实现控沉目标提供依据。

（3）自1955年北京市地面沉降形成以来，平原区6418km2地面沉降累计体积约15.50×108m3，等效平均沉降量达0.242m，年均4.25mm，等效平均水位变差为21.75m，年平均水位下降0.42m，不考虑非线性因素，相当于水位每下降1m，对应地面沉降10.12mm。

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Analysis of the Relationship between Groundwater Exploitation and Land Subsidence in Beijing

LIU Mingkun； KOU Wenjie； LUO Yong； Wang Rong； TIAN Fang； ZHUAO Chenxi； LIU Jiankai
（Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology， Beijing 100195）

Due to long-term over-exploitation of groundwater， the land subsidence is becoming more and more serious in Beijing. At present， the amount of groundwater exploitation has accounted for 2/3 of the total supplying amount. This paper used the method of time， space and linear regression to study the relationship between the land subsidence and groundwater. The results show that the history of groundwater exploitation is in good agreement with the formation， development， expansion and the development of land subsidence in Beijing area. The range and the rate of land subsidence have a good correlation with the groundwater exploitation intensity， reservoir and the change of groundwater level. The linear regression equation of land subsidence and groundwater level， groundwater reserves are established. We found that they have a good correlation. Under the present conditions （under certain circumstances）， the groundwater level decreased by 1m， and the land subsidence decreased by 10.12mm.

Land subsidence； Groundwater； Space analysis； regression analysis； Beijing

P642.26

A

1007-1903（2016）01-0021-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.005

基金课题：北京市科委项目（Z131100005613022）、中国地调局地质调查项目（水［2013］01-032-004）、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）

刘明坤（1982- ），男，高级工程师，主要从事地面沉降及地质灾害研究工作。Email：liumingkun@126.com