南水进京对北京地面沉降的影响及趋势分析

程凌鹏 王新惠 张琦伟 张弢 武增宽

摘要：根据北京平原区地面沉降监测数据，重点分析了南水进京后各主要沉降区域地面沉降的发展变化，并结合一定时期内北京市地下水与南水的水资源配置方式和地区经济发展状况，预测了各主要沉降区地面沉降的发展趋势：城六区的朝阳区、海淀区西小营一带沉降速率持续减小，并渐至稳定；通州新城区地面沉降向东扩张和较高速发展的势头近期内难以控制；南部大兴区榆垡—礼贤和北部顺义区天竺—后沙峪—南法信一带的沉降区进入相对稳定发展期，沉降速率缓慢减小，沉降的空间扩张趋于稳定；昌平区沙河—八仙庄沉降区地面沉降速率难以控制在较低水平。

关键词：沉降速率；沉降区；南水北调；北京

中图分类号：P642.26 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.020

北京平原区自20世纪50年代发现地面沉降以来，地面沉降已发展成为南北两大片区、7个沉降中心、影响范围超平原区总面积三分之二的广阔区域[1]。截至2016年年底，北京平原区最大累计沉降量达1864mm，最大沉降速度达150mm/a，是我国华北平原地面沉降发育较为严重的区域之一。

地下水连续多年超采和天然补给量不足是北京地区地面沉降发生和发展的主要诱因[2-5]。多年来人们努力探索科学合理的地下水资源开发利用和管理方式，以及地面沉降地质灾害有效控制和预防的方法，以实现资源开发利用与地质环境保护的和谐平衡与可持续发展[6-9]。南水北调中线工程引长江水入北京，置换部分当地地下水和地表水水源，在保障城市供水保证率的条件下，在地质条件适宜的地区采用人工回灌的方式补给当地地下水，这些均为北京地区地下水环境的休养生息提供了条件，对缓解和控制地面沉降的进一步发展是利好因素。本文根据近年来北京平原区地面沉降监测数据，对区域地面沉降发展的时空规律进行了总结，重点分析了南水进京后各主要沉降区域地面沉降的发展变化，并结合一定时期内北京市地下水与南水的水资源配置方式和地区经济发展状况，预测了各主要沉降区地面沉降的发展趋势。

1 南水北调新水情

2014年11月底，南水北调中线一期工程全面通水，标志着江水正式进京，同时拉开了北京供水水源结构调整、地下水开发与管理方式转变以及水资源保护等用水、管水和节水新政实施的序幕。根据《北京市水资源公报》，2015年、2016年南水北调中线工程向北京年均输水总量8.5亿m3，约占全年总供水量的23%，明显改变了其供水水源结构，见图1。南水进京后，北京当地地表水的供水量显著减少，由2014年的8.5亿m3减少到2016年的2.9亿m3，减少了5.6亿m3，地表水供水量占年供水总量的比例由2014年的23%减少到7%；当地地下水的开采利用量逐年小幅减少，由2014年的19.6亿m3减少到2016年的17.5亿m3，减少了2.1亿m3，地下水供水量占年供水总量的比例由2014年的52%减少到2016年的45%。

南水进京后，北京市适时调整了当地地下水资源开发利用与管理的方式。一是将南水作为北京市城六区（东城区、西城区、朝阳区、海淀区、丰台区、石景山区）的主要供水水源，逐步实现城区地下水超采区的禁采，以有效控制主城区地面沉降的快速发展；二是缩小怀柔应急水源地区地下水的开采规模，以缓解该地区地下水水位持续下降的趋势，恢复与涵养地下水生态环境；三是选择条件适宜的地区和时机，用南水回灌补给当地地下水，最大限度地用好、存好外调水资源。

2 地面沉降现状

北京平原区（不含延庆）地面沉降主要发生在北部昌平—海淀—顺义、东部朝阳—通州以及南部大兴，目前在平面上基本形成了以昌平沙河—八仙庄、朝阳金盏—楼梓庄、东郊八里庄—大郊亭、大兴榆垡—礼贤、海淀西小营—上庄为沉降中心的沉降区，其中北部与东部沉降区已连接成片，见图2。截至2016年年底，累计沉降量最大的为东部朝阳金盏地区，累计沉降量为1864mm；沉降最快的为东部朝阳—通州一带，年沉降量大于110mm。

2.1 沉降速率发展规律

总体上，北京平原区地面沉降的时空发展与地下水超采具有宏观上的一致性。1999年后，当地地下水开采进入大规模超采期，地面沉降也进入快速发展时期，沉降中心的沉降速率增大，沉降区的空间扩张速度加快。1999-2005年，北部昌平八仙庄、朝阳来广营一顺义天竺、东部朝阳大郊亭一三间房、通州梨园一台湖以及南部大兴榆垡—礼贤一带的年平均沉降速率超过30mm/a。该时期地面沉降的影响区域在平面上迅速扩张，6a间，累计沉降量≥300mm的区域扩张速度接近80km2/a，是1955-1999年平均扩张速度（11km2/a）的7倍多，而累計沉降量≥50mm的区域扩张速度为216km2/a。1999-2005年主要沉降区监测数据见表1。

2006-2016年北京地区7个主要沉降中心沉降速率见图3，由图3可以看出，2006-2016年，所有沉降中心的沉降速率总体上呈上升趋势，其中东部朝阳区沉降速率最大，沉降速率由60～80mm/a增至140～160mm/a（2012年），2014-2016年仍维持115～140mm/a的沉降速率；东部通州区沉降速率也较大，年均沉降量均大于60mm，2012年沉降量最大，为130mm，2014-2016年平均沉降速率为100mm/a；北部昌平八仙庄沉降中心在2012年前沉降速率近线性增大，由约20mm/a增至约110mm/a，2014-2016年沉降量为70～90mm/a；海淀西小营自2010年有监测数据以来，一直表现为高速沉降，沉降速率为80～125mm/a；相对而言，南部大兴榆垡—礼贤沉降中心多年来沉降速率增长缓慢，除2008年外，11a来沉降速率基本稳定在60～80mm/a。由此可以认为，目前北京平原区东部、北部仍处于地面沉降的快速发展时期，而南部大兴沉降区处于沉降的相对稳定期。截至2016年年底，各主要沉降中心沉降监测数据见表2。

结合南水北调进京新水情，从目前地面沉降的发展规律看，2015年、2016年东部朝阳三间房、黑庄户和通州城区一带以及北部昌平八仙庄沉降区沉降速率减小；海淀西小营地区，2015年沉降速率相比2014年显著增大，而2016年沉降速率相比2015年显著减小，减小至与2014年基本持平；南部大兴地区，2015年和2016年沉降速率基本稳定在70mm/a左右，相比2014年增大约15mm。

2.2 沉降区域空间扩展规律

自有观测记录以来，北京地面沉降影响区域在空间上的扩展趋势总体表现为：东部沉降区向南、北、东三面扩展；北部沉降区自来广营—天竺一带向东西两侧及北部扩展，逐渐形成了以昌平沙河与八仙庄、顺义平各庄与天竺、海淀西小营以及朝阳来广营为中心的串珠状沉降区，并与东部沉降区相接；南部沉降区以大兴榆垡—禮贤为沉降中心，缓慢向北部扩展。2016年北京平原区累计地面沉降量≥500mm的区域面积为1561km2，占平原区面积的25.6%；累计沉降量≥800mm的区域面积为790km2，占平原区面积的13.0%；累计沉降量≥1000mm的区域面积为390km2，占平原区面积的6.4%。

对应于前述沉降中心区的快速发展时期（1999-2005年），地面沉降的空间扩展速度表现为：累计沉降量≥800mm的区域，年均增长面积1km2；累计沉降量500mm的区域，年均增长面积40km2；累计沉降量≥200mm的区域，年均增长面积107km2；累计沉降量≥50mm的区域，年均增长面积216km2[1]。这表明沉降中心区（累计沉降量大、沉降速度快）的空间扩张速度远小于其外围沉降影响区的扩张速度，意味着地面沉降在平原区较大范围内开始显现，但仅沉降中心区沉降速率较大。

分析近11a来沉降区域空间扩张曲线（见图4）发现，累计沉降量≥1000mm的区域，年均增长面积39km2；累计沉降量≥800mm的区域，年均增长面积77km2；累计沉降量≥500mm的区域，年均增长面积109km2；累计沉降量≥200mm的区域，年均增长面积120km2。这表明，与1999-2005年的快速发展期相比，近11a来沉降中心区的空间扩张速度明显加快，即沉降速度较快的区域迅速向外扩展，影响到外围更大的区域，而总的地面沉降影响区范围扩张相对稳定，即南水北调新水情对区域地面沉降的空间扩展趋势未产生明显影响。

3 地面沉降趋势分析

从南水进京后的供水空间分配和自备井置换两方面入手，定性分析未来一段时间北京平原区地面沉降的时空发展趋势。目前北京市接纳南水的水厂共有8座，分别为郭公庄水厂、第三水厂、第九水厂、田村山净水厂、309水厂、长辛店水厂、门头沟城子水厂和通州水厂。南水的主要供水范围为北京市城六区，以及城区南部的丰台南苑—东高地、大兴西红门—旧宫、西部门头沟区和东部通州新城的西部地区。结合前述北京平原区地面沉降的空间发展现状可以看出，南水供水范围内的地面沉降发育区主要有城区东部的朝阳、北部的海淀西小营一带和通州新城区，其余地区（门头沟、丰台东南部和大兴北部）大部分位于地面沉降的弱发育区，最大沉降速率小于10mm/a，累计沉降量不超过50mm，这主要是由这些地区特殊的第四系地层岩性（以粗颗粒的砂砾石为主）及其性质（压缩性小）决定的。

北京市城六区既是南水的主要受水区，又是南水进京后当地地下水水源自备井的主要置换区。据报道，北京市政府批准自2015年开始实施《2015-2020年城区自备井置换工作方案》，计划用5a时间分3个阶段完成城区自备井置换工作：2015—2016年主要置换东部定福庄、东坝、垡头、温榆河，南部南苑、郭公庄等地区；2017-2018年主要置换北部海淀后山地区以及西苑、石景山地区；2018-2020年完成城区剩余自备井置换。该工作全部实施完成后，北京市城六区自备井全部关停，按与其原供水量相同考虑，城六区范围内地下水开采量可望减少2.2亿～2.4亿m3。对于受水区内的朝阳和海淀西小营一带的沉降区，近2a来沉降速率总体为减缓趋势，特别是东部朝阳区，2015年、2016年沉降速率持续下降，由此可以初步判断，至2020年若自备井置换工作按计划落实，则城区地下水开采量将在现状基础上持续减小，其地面沉降速率有望持续减小，并渐至稳定。

对于通州新城地区，2012年该区地面沉降速率达到近11a来最大，年沉降量约130mm/a，2014年下降至约90mm/a，2015年又上升至110mm/a，总体上沉降速率仍相对较大，减小趋势不明显。考虑到通州行政副中心的建设，今后一段时期内通州地区地下水压减采形势依然严峻。另外，近年来平原区东部地面沉降总体呈现继续向东扩展的趋势，且朝阳黑庄户至通州台湖、张家湾以及宋庄一带的沉降速率2012-2016年均维持在较高水平，平均年沉降量超过70mm/a，短期内这一趋势不能得到有效缓解。因此，今后一段时期内，通州新城及其以东的宋庄、潞城一带的城市建设区，地面沉降的时空扩展仍可能保持相对较快的势头。

南部大兴榆垡—礼贤一带的沉降区，2010年以来地面沉降速率基本稳定在70～80mm/a，南水进京后该沉降区地下水潜水位漏斗中心（10m等水位闭合线）在南各庄—半壁店一线，空间范围相对南水进京前有所缩小。该区域目前为非南水受水区，在保持现有人口和经济发展水平的条件下，该区域地下水开发利用处于相对稳定期，其地面沉降的发展也会相应地处于平稳发展期，沉降速率将缓慢减小，沉降的空间扩展将趋于稳定。

自2012年以来，北部昌平沙河—八仙庄沉降中心地面沉降速率总体为减小趋势。该区域目前不是南水的受水区，供水水源主要为当地地下水，区内建有小汤山水厂、北七家水厂、沙河水厂等中小型水厂，在建的未来科技城（规划占地10km2，人口总规模为10万以内）位于该区域内，可以预计其地下水资源的开发利用规模在未来一段时间内处于微增大趋势，其中心区的地面沉降速率难以控制在较低水平。

顺义天竺—后沙峪—南法信沉降区向西与昌平沙河—八仙庄沉降区相接，向南与朝阳区来广营—金盏沉降带相接，近11a来平均沉降速率为37mm/a，相对其他沉降中心区沉降速率小得多，表明该区域地面沉降已进入相对缓慢发展期。另外，从水文地质条件分析，该地区处于潮白河冲洪积扇中下部，距离潮白河地下水库较近，南水进京以及潮白河地下水库现有集中供水水源地实施的压采和河道回灌措施均有利于区域内地下水资源量的增加和水位恢復，从而可以缓解该地区地面沉降。

4 结语

南水进京改变了北京市供水水源的结构，北京市城六区为南水的主要受水区，其地下水开采量在今后一段时期将逐步减小，浅层地下水将全面禁采，这有助于减缓东部朝阳区和北部海淀区西小营一带的地面沉降，但对于东部通州城区来说，未来一段时期地面沉降继续向东扩展和快速发展的势头难以避免。目前非南水受水区的地面沉降区，大兴区西南部的榆垡—礼贤、顺义区的天竺—后沙峪—南法信一带地面沉降的空间扩展已趋于稳定，沉降速率将逐渐减小；昌平沙河—八仙庄一带在今后一段时期仍将保持较快的沉降速率。区域地面沉降的发展过程是相对缓慢的，且空间影响范围大，南水进京后，局部地区实施地下水资源限采禁采措施在短时期内难以产生对地面沉降的明显抑制作用，地面沉降防控形势短期内仍然严峻。

目前北京市正处于供水水源结构调整、地下水资源管理方式转变以及南水北调工程运行的初期阶段，应尽快在重点受水区、地下水资源禁采限采区和典型地面沉降区建立地下水、地面沉降以及地质环境等多目标研究的监测站点，将南水北调新水情下城市地质环境的动态监测纳入保障城市地质环境安全与防灾减灾管理体系，为用好南水、管好地下水和有效控制地面沉降提供科学支撑。

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