京津冀平原地下水与地面沉降野外科学观测研究站建设概述

李 慧

(中国地质环境监测院(自然资源部地质灾害技术指导中心)，北京 100081)

为进一步创新体制机制，加强野外科学观测研究站创新人才队伍和基础设施建设，强化科学数据共享，促进原创性重大科技成果产出，积极推进国家野外科学观测研究站的申请建设，2019年10月，自然资源部将15个通过评估优化的野外科学观测研究站纳入了自然资源部野外科学观测研究站管理序列。由中国地质环境监测院、中国地质科学院水文地质环境地质研究所等7家单位为依托单位的京津冀平原地下水与地面沉降野外科学观测研究站便是其中之一。

近年来，随着北京城市副中心的规划实施、河北雄安新区的建设、大兴国际机场的投入使用等，京津冀地区作为一个共同体越来越多地受到了关注。京津冀地区在不断推动社会发展进步的同时，自身也面临着一些地质环境难题。

京津冀平原地理地貌条件独特，是人类活动最强烈的地区之一。为了更好地服务京津冀发展，对京津冀地区地下水降落漏斗和地面沉降问题进行科学观测和研究，中国地质环境监测院联合中国地质科学院水文地质环境地质研究所、首都师范大学、北京市地质环境监测总站、天津市地质环境监测总站、河北省地质环境监测院、河北省地矿局第四水文工程地质大队等单位在京津冀平原原有的观测站点基础上，于2019年正式建立了京津冀平原地下水与地面沉降野外科学观测研究站。该研究站通过提供坚实可靠的长期观测数据，研究地下水系统的结构变异及其对地下水演变规律和地面沉降灾变过程的影响机制，探讨地下水调控、地面沉降防治的理论和方法，为京津冀平原水平衡分析、地面沉降防控、生态红线划定、国土空间规划管控等提供理论基础，为京津冀平原的地下水可持续利用和社会经济可持续发展提供科技支撑。据中国地质环境监测院专家介绍，构建京津冀平原地下水与地面沉降野外科学观测研究站是满足京津冀发展战略需求、提升我国地质环境科学研究水平、培养地质环境科技人才的重要举措。经过多年努力，分布在沧州、雄安、正定等地的野外科学观测研究站已经初具规模，该研究站拥有基岩标、分层标、地下水位观测孔、孔隙水压力观测孔、蒸渗仪等主要观测设备，目前已经取得了大量的科学观测数据，支撑了国家重大战略需求，为解决地下水超采和地面沉降防控及国家重大工程安全运行等提供了基础数据。

1 七站点构建立体监测网络

在京津冀平原上，为监测防治京津冀平原地下水漏斗与地面沉降，京津冀三省市构建了地面沉降立体监测网络，空中监测采用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)全覆盖监测，地面监测采用以水准测量和全球定位系统(GPS)监测为主，地下监测采用以基岩标、分层标、地下水位监测井为主。截至2018年底，该网络共建有水准监测点3 412个，全球定位系统(GPS)监测点271个，基岩标监测点13个，分层标观测站29处，地下水观测站2处，地下水位监测井3 941眼。其中，沧州站、通州站、大兴站、雄安新区站、滨海新区站、衡水站和正定站等7个观测站点是该网络中最核心和最具代表性的骨干观测站。

7个观测站点在野外科学观测站成立以前便已经开始进行观测工作，最早可追溯到2008年6月，最长观测时间为12年。观测站的主要观测数据采用自动化监测，截至目前共采集数据600余万条。7个观测站围绕地下水漏斗、地面沉降、活动断裂、地裂缝、软土等地质环境问题开展长期系统观测研究，主要观测地下水动态、水分通量、沉降量、孔隙水压力等4大类指标，包括地下水位、地下水温、土层压缩变化量、地表沉降量、孔隙水压力、土壤含水率、土壤水势等主要观测内容，所得观测数据为地下水超采综合治理与地面沉降防控、重大战略区规划建设、重大工程安全运行、复杂含水层系统地下水动力场与地面沉降互馈关系研究提供科学支撑。

7个野外观测站是一个统一的整体，观测内容既相互独立，又相辅相成，不可分割。7个野外观测站中，每个观测站研究的地面沉降问题都与地下水超采有关，观测数据可为地下水超采综合治理、地面沉降防治以及重大工程安全进行提供科学支撑；同时每个站研究的地面沉降问题又是由不同原因造成的，具有各自典型特点，这样可为解决地面沉降问题提出更高更精准化的防治对策。

原河北省地矿局第四水文工程地质大队技术人员田小伟在谈起沧州站的情况时感慨良多，“沧州站历经从无到有、从单一到全面，逐步走向了成熟和规范，沧州站推进了沧州市的地面沉降防治工作，取得了很多具有实质性的进展和成果，为沧州市的地面沉降防治工作奠定了良好的基础。”

沧州站，又称“沧州市地面沉降监测中心”，是京津冀平原地下水与地面沉降野外科学观测研究站的主站，该站地处京津冀平原东部滨海地区。自上世纪七十年代以来，沧州大幅度开采深层地下水，造成区域地下水位迅速下降，成为京津冀平原地面沉降比较严重的地区之一。沧州站主要通过长期地面沉降和地下水回灌等观测数据记录，获取地下水管控条件变化下地面沉降演变信息，总结地面沉降防控经验，用于京津冀平原地下水超采综合治理与地面沉降防控示范推广。沧州站关于地面沉降的观测数据还为境域内高速铁路与南水北调工程的建设和安全运行分析提供了科学的数据支撑。此外，沧州站还搭建了科学研究和科普宣传平台，实现沧州站观测数据的开放共享，努力提升我国地面沉降研究水平。除去沧州站，其余6个站点也都为京津冀地区地下水和地面沉降防治工作提供了重要的技术支撑。

2 野外科学观测研究工作成果丰硕

为监测并防治京津冀平原地下水漏斗与地面沉降，自20世纪80年代初开始，自然资源系统便在京津冀平原从事着相关的监测工作。2019年，在整合自然资源系统前人工作的基础上成立了京津冀平原地下水与地面沉降野外科学观测研究站，延续并发展以往的工作，从此京津冀平原地下水与地面沉降的监测工作开启了一个新的篇章。回顾京津冀平原地下水与地面沉降监测工作，近40年间，通过实时野外观测，技术人员构建了地下水与地面沉降一体化观测体系，建立了InSAR、水准、分层标、GPS等多手段组成的标准化、高效、高精度的动态观测体系，同时开展大数据整合与共享平台建设，精准刻画地下水降落漏斗对水平衡响应关系，精准刻画重要城市、重点地区和重大工程地面沉降的时空变化规律，提出地下水漏斗修复和地面沉降防控措施。地下水与地面沉降野外科学观测研究工作为京津冀平原地下水和地面防治工作做出了有益的探索和诸多贡献。

首先，野外科学观测研究工作积极服务国家战略需求，以野外观测站点的监测数据为依托，编制了《全国地面沉降调查监测报告(2013—2018年度)》，编制并出台了《全国地面沉降防治规划(2011—2020年)》和北京市、天津市、河北省的地面沉降防治规划，支撑编制了《京津冀平原地面沉降综合防治总体规划(2019—2035年)》等内容。此外，野外科学观测研究站为北京城市副中心、河北雄安新区、通州及北三县的重大规划提供了地面沉降地裂缝专题报告，为国家重大战略区规划建设提供了地学建议。

其次，野外科学观测研究工作推动了相关学术理论的发展。野外科学观测研究站基于地下水长期观测孔、分层标等，建立了高效、高精度的动态监测体系，开展了多学科交叉的地面沉降响应机理研究，为区域地面沉降防控提供了关键技术与科学对策，研究成果两次获北京市科学技术进步一等奖。野外科学观测站首次建立了京津冀多尺度地下水储量时变重力场，精确识别地面沉降动态水文地质体及其水循环模式，突破了GRACE卫星难以识别华北平原内部变化的尺度限制。野外科学观测站首次观测到了京津冀平原区地下水消耗的时空差异、深层地下水过量开采的重力异常，首次利用重力卫星捕捉到了海河流域蒸散过程的双峰特征，识别并量化了强烈地下水开采的影响。同时，野外科学观测站完成了地面沉降减灾技术示范，并成功应用于京津城际、京沈高铁和规划新城建设等重大工程中，野外科学观测站提出了区域尺度地面沉降调控和局部尺度工程治理相结合的综合防灾减灾措施，解决了安全避让距离、轨道基础选型和灾害防治等工程问题。

再次，野外科学观测工作依托衡水站和正定站的生态监测系统、包气带监测系统和含水层监测系统，在地下水循环演变模式、地下水补给理论、弱透水层释水透水理论、地下水补给和可采量以及地下水承载力评价理论研究方面作出了重要贡献。同时，野外科学观测研究站全面系统总结了华北平原近50年来地下水循环要素变化规律，揭示了生态水文与地下水相互作用机理，提出了地下水循环演变模式；阐明了浅层含水系统结构变化规律，揭示了包气带增厚条件下地下水补给变化机理，完善了地下水垂向入渗补给理论；阐明了水位变化引起水动力与土应力的互馈机制，揭示了压缩释水与地面沉降发生机理，实证了粘性土弱透水层的半透膜效应，发展了弱透水层压缩、释水、透水理论；研发和改进了数值模拟技术和方法，建立了华北平原大区域地下水流三维数值模拟模型，重新评价了浅层、深层地下水补给资源量和可开采资源量，结合现状开采状况进行了开采潜力分析；建立了地下水系统危机临界识别指标体系，提出了地下水资源承载力评价的理论方法，构建了地下水调控平台；通过遥感与水文地质学科的交叉研究，首次建立区域地面沉降多元场耦合模型，揭示了多元场互馈作用下，京津冀地面沉降演变模式与调控机制。

此外，野外科学观测研究站的研究成果2010年入选联合国教科文组织新方法红皮书，2011年获联合国教科文组织国际水文计划特殊贡献奖、2009年获俄罗斯工程院金质奖。部分成果被麻省理工大学采用，用于其水资源安全建模，还有部分研究成果在联合国教科文组织国际水文计划中应用示范。野外科学观测研究站支撑了国家基础研究发展计划、基金、地质调查等项目62个，发表相关学术论文200余篇，其中SCI检索40余篇，培养研究生50人，获得省部级奖项16项，项目成果曾获得2013年中国地质科学院十大进展、中国地质学会十大进展。