廊坊城区地面沉降与地下水漏斗响应关系

侯军亮, 李 辉

(1.河北省地质环境监测院，石家庄 050011；2.河北省地质资源环境监测与保护重点实验室，石家庄 050011)

廊坊市享有“京津走廊明珠”之称，也是京津冀一体化中部核心功能区，但从20世纪八九十年代起，廊坊市城区地面沉降问题逐年严重，制约了城市可持续发展。因此，开展廊坊市城区地面沉降发育特征研究势在必行。

目前，许多学者开展了地面沉降相关研究。陈崇希[1]、薛禹群等[2]就地面沉降问题开展系统探讨。Sun等[3]、Ovando-Shelleg等[4]、Tosi等[5]、刘勇等[6]针对抽采地下水引发的地面沉降进行研究。李海君等[7]、刘峰川等[8]、周毅等[9]分析了平原区地面沉降机理机制。胡卸文等[10]、李文运等[11]、金玮泽等[12]、熊小锋等[13]、周浩等[14]通过建立数值模型，分析地下水与地面沉降相关关系。Carbognin等[15]、张铁勤等[16]、雷坤超等[17]、杜钊锋等[18]基于InSAR等监测技术手段，研究多种影响因素与地面沉降之间的关系。基于上述研究，分析研究区多年水文地质资料，研究地下水漏斗区长序列地下水位变化数据，根据近年国民经济发展数据和城市建设发展情况，探讨地面沉降发育特征，并分析地下水位变化与地面沉降吻合性。

1 研究区概况

1.1 气象水文

研究区属北温带大陆性季风气候，多年平均降水量为554.9 mm，降水量年内分布不均匀，6—9月降水量占全年总降水量的80%以上。

研究区地表水属海河流域系统的永定河水系，主要河流有永定河、龙河、凤河等，均为季节性河流。

1.2 地形地貌

研究区系华北平原的一部分，形成于渤海凹陷，大陆下沉，逐渐为海河河系冲积物填充形成的冲积平原，地貌比较平缓单调，平均海拔13 m，地面倾斜平缓，地势自西南向渤海湾倾斜，大部坡降1/6 000～1/10 000。

1.3 地质构造及地层

研究区大地构造处于中朝准地台华北断拗的冀中台陷构造单元之上，次一级构造单元为武清、廊坊断凹，大兴断凸、基底地层主要为寒武系、奥陶系、石炭系及二迭系。第三系及第四系覆盖于基底之上，第四系松散沉积层厚500 m左右。

1.4 水文地质条件

1.4.1 含水组划分

项目区属永定河冲洪积平原水文地质区，根据第四系沉积物岩性及水文地质特征，将第四系含水系统从上至下划分为Ⅰ～Ⅳ含水组，其中Ⅰ、Ⅱ含水组为浅层地下水，Ⅲ、Ⅳ含水组为深层地下水。

Ⅰ+Ⅱ含水组底板埋深140～167 m，含水层厚度为30～50 m，岩性主要为中砂细砂，单位涌水量以5～10 m3/h·m为主, 水化学类型为HCO3-NaMg型水。有咸水分布，位于研究区中东部，咸水体主要赋存于Ⅰ含水组下部，Ⅱ含水组上部，咸水体顶板埋深10～20 m，底板埋深60～110 m。

Ⅲ+Ⅳ含水组为承压水类型。西部以中细砂为主，有粗砂卵砾石层，中部以中砂为主，东部以细砂为主，含水层厚度为42～73 m。单位涌水量以10～15 m3/h·m为主，矿化度一般<0.5 g/L。

1.4.2 地下水补给、径流排泄条件

浅层地下水埋藏浅，主要接受大气降水补给，其次为侧向径流补给、河渠渗流补给、地表水灌溉和井灌回归补给。以人工开采消耗为主，其次为蒸发及侧向排泄。

深层地下水主要为侧向径流补给和少量越流补给，消耗于人工开采。

2 地下水位下降与地面沉降关系分析

2.1 地下水位变化分析

2.1.1 城区地下水开采量分析

廊坊市城区供水来自地下水，供水方式主要是自来水公司集中供水和部分单位自备水源井分散供水，其中自备井自2006年逐步关停。图1所示为2001—2015年城区供水总量曲线，整体呈上升趋势，供水总量最大增加了约1 766×104m3，有2次供水总量明显上升时期，分别是2004—2009年和2009—2014年。供水量的变化与生产、生活息息相关，需要具体分析两个阶段的主要影响因素。

图1 2001—2015年廊坊市城区供水总量曲线Fig.1 The curve chart of total water supply in Langfang urban area for 2001—2015

根据图2，2004—2009年，家庭用量和生产用量整体呈增加趋势，是该时期供水总量的主要影响因素。2004—2009年城区用水人口数量增加了约15.4万人(图3)，生产用水也不断增加。其中，2008年金融危机对工业生产产生巨大影响，2007—2009年生产用水量增速减缓，家庭用量也未因用水人数增加出现明显上升趋势。

图2 廊坊市城区生产生活用水情况曲线Fig.2 The production and domestic water consumption curve in Langfang urban area

图3 城区用水人数变化曲线Fig.3 The curve chart of water consumption in urban areas

2009—2015年，生活和生产用水量呈先上升后下降趋势，公共服务用水量先是下降再是上升。家庭用量主要受用水人口影响，2009年后用水人口数量增加缓慢，用水人数逐步稳定，家庭用量开始逐步增加；生产用水供水量在2009年出现明显增加，但增加速率逐步放缓，主要原因是2008年经济危机后工业逐渐复苏，用水需求不断加大，2012年以后受一系列地下水管控政策的实施及生产工艺的改进等影响工业用水量逐步降低；京津冀一体化发展加快了廊坊市第三产业发展，公共服务水平不断提升，加大了地下水供水量。

2.1.2 地下水位变化分析

深层地下水是廊坊市城区的主要水源，地下水开采量不断增加，导致地下水位逐渐下降。为了研究近年地下水位变化，选取2001、2006、2011和2015年低水位期地下水位监测数据以及监测井长序列动态监测数据分析城区深层地下水位变化情况。

2.1.2.1 地下水位漏斗变化分析

由图4可知，受常年性城市工业、生活开采深层地下水影响，形成了以廊坊市城区为中心的地下水位漏斗，漏斗断面呈上宽下窄的“V”字形。地下水位漏斗影响范围逐年增加，影响面积约300 km2，主要分布在城区中东部；漏斗中心水位不断下降，2001年水位埋深为74.3 m，2015年水位埋深79.25 m，年均下降速率为0.33 m/a，深层地下水位处于超采状态。但是近年廊坊市陆续出台了地下水限采、禁采管理办法，并关停了城区自备井，深层地下水位开采得到了有效控制，水位下降幅度减缓。

图4 廊坊漏斗多年地下水位对比断面图Fig.4 The contrast sectional map of groundwater level in the Langfang funnel for many years

2.1.2.2 监测井地下水位变化分析

廊坊市开展了多年的地下水监测工作，尤其是近年逐步建立了国家级自动监测井(图5)，长序列的地下水动态监测数据为地面沉降研究提供基础数据。

图5 国家自动监测井Fig.5 National automatic monitoring well

廊坊市城区浅层地下水质量以Ⅳ类水为主，局部为Ⅴ类水，不能满足饮用和灌溉要求，所以生产生活用水以深层地下水为主。尤其是进入21世纪以后，国民经济的发展不断增加地下水的开采量，深层地下水位不断下降。

图6所示为深层地下水监测井廊3、廊13和廊59多年长序列水位动态变化曲线。由6图可知，地下水位变化趋势基本一致，廊3位于漏斗边缘，水位逐渐下降补给漏斗。随着漏斗中心水位逐渐稳定，边缘地下水位亦逐渐平稳。

图6 深层地下水动态监测曲线Fig.6 Dynamic monitoring curve of deep groundwater

图7所示为地下水位漏斗边缘深层地下水监测井廊58和廊59动态水位变化曲线。两井水位埋深较大，与监测井所在位置有关，监测井廊59位于城区郊区，人口密集，有生产用水；廊58位于农村，地下水主要用水饮用和灌溉。由图7可以推测，目前地下水位漏斗发展对该区影响较小。

图7 监测井廊58和廊59地下水动态监测曲线Fig.7 Groundwater dynamic monitoring curve of the monitoring well Lang 58 and Lang 59

2.2 研究区地面沉降演变分析

2.2.1 地面沉降监测

图9 城区深层地下水位漏斗与地面沉降速率关系Fig.9 The relationship between deep groundwater funnel and ground subsidence rate in urban areas

廊坊城区地面沉降监测工作起步较早，20世纪70年代就已开始部署工作，目前已形成较为完善的监测网，包括孔径雷达干涉(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)技术、水准测量等。尤其是水准测量工作，廊坊城区建设了4个分层标和4个对应的地下水监测井(图8)，一等水准点14个，二等水准点178个，为城区地面沉降监测打下夯实基础。

图8 廊坊城区分层标和对应的地下水监测井Fig.8 Layer monitoring well and corresponding groundwater monitoring wells Langfang urban area

2.2.2 地面沉降演变分析

廊坊市地面沉降灾害较严重，随着地下水不断被开采，地下水位下降逐步成为地面沉降主要影响因素。1984—1988年地面沉降速率为24.6 mm/a，1988—1992年地面沉降速率为31.4 mm/a[19]，沉降速率呈增加趋势，2015年局部地面沉降速率大于80 mm/a，制约了廊坊城区社会经济的可持续发展。图9所示为基于InSAR技术，廊坊市2015年地面沉降速率等值线图，由图9可知，廊坊城区地面沉降速率大于60 mm/a面积约140 km2，主要分布在城区中部，城区大部分地区地面沉降速率大于40 mm/a。

2.3 地下水位漏斗与地面沉降响应关系分析

地壳运动和地下水开采是廊坊城区地面沉降的主要影响因素，随着人类工程活动增加、生活品质的提升以及工业用水需求量增加，尤其是城区浅层地下水质不能满足生活和工业用水需求后，深层地下水不断被开采，并逐步形成地下水位漏斗(1978年初见漏斗)。

为了研究廊坊市城区地下水与地面沉降关系，曾在研究区南部30 km开展勘查工作，采用钻探、物探、测量、野外调查等多种技术手段收集地层、地下水等资料，研究发现地下水是该区地面沉降影响的主要因素[20]，地下水位下降引发黏性土地层的不可逆沉降，并引发了地面不均匀沉降，为本文的研究提供了夯实的理论依据。从图9亦可看出，地下水位漏斗与地面沉降发展情况基本吻合，中心分布在城区中部，是人类活动集中区，这说明近年来地下水位下降已成为该区地面沉降的主要因素。因此，深层地下水位变化直接影响了地面沉降的发展，分析两者间的关系势在必行。

廊坊城区第四系厚度大于500 m，根据土的有效应力原理，深层地下水位下降，黏性土失水后孔隙水压力减小，有效应力增大，土层压缩量增加，该压缩呈不可逆过程。因此，自地下水位下降漏斗形成后，城区地面沉降快速发展，随着水位不断下降，沉降速率亦增加。进入21世纪后，廊坊市已陆续关停了市区的自备水源井，增加周边水源地供水量，及采取了诸多限采、禁采措施减少工业用水等，减缓地下水位下降幅度，但是地面沉降仍继续发展，除了其具有延续性，地面荷载的不断增加，亦迫使沉降速率进一步增大。

随着廊坊市经济的快速发展，旧小区改造，新区楼房拔地而起，尤其是城市中心建起多栋高层楼房和住宅楼。据廊坊市国民经济和社会发展统计公报，建筑竣工面积逐年增大(图10)，形成多个建筑群，建筑密度增大，楼层增高，地面荷载增加，对地面沉降的影响也愈大[21]。

图10 廊坊市建筑竣工面积曲线Fig.10 The completed area curve of Langfang City

综上所述，廊坊城区地面沉降速率与地下水位漏斗关系紧密，二者影响范围基本吻合，地下水位下降也成为该区地面沉降主要影响因素，其深层地下水开采量越大，地下水位下降越迅速，地下水位降落漏斗范围越大，地面沉降量、沉降速率和范围亦越大。尽管近年采取多种措施控制地下水位下降，但是由于地面沉降具有延续性和不可逆性，且在地面建筑群等荷载作用下，综合导致研究区地面沉降继续发展，直到黏性土层内总应力达到新的平衡停止压缩变形，才能减缓地面沉降。因此，地面沉降目前仍是廊坊市重点防治的地质灾害之一。

3 结论

通过收集研究区水文地质条件、地面沉降监测等资料，分析了廊坊城区地下水位漏斗演化与地面沉降响应关系，为政府地面沉降防治和国土空间规划提供理论依据。

(1)廊坊市城区水源以深层地下水为主，供水量呈上升趋势，生产用水和家庭用水占主要部分。长期开采地下水形成地下水位下降漏斗，漏斗剖面呈“V”字形，2001—2015年，漏斗中心水位下降了4.95 m，平均下降速率为0.33 m/a。

(2)基于InSAR技术，廊坊市城区中部沉降速率>60 mm/a，较20世纪比，沉降速率增大，局部沉降速率>80 mm/a。

(3)通过对地下水位漏斗和地面沉降响应关系分析，地下水位下降漏斗与地面沉降中心基本吻合，地下水位开采量增加，造成深层水位下降，导致地面沉降速率不断变大，影响范围亦增大，地下水位下降依然成为该区地面沉降的主要影响因素。同时，城区的快速发展，建筑物的拔地而起，地面建筑群荷载增加，亦对地面沉降产生不利影响。因此，限制或禁止深层地下水开采，做好城市整体规划，以缓解地面沉降发展并降低其带来的不良影响，是该区讨论和解决的重要问题之一。