北京南部地區地面沉降發育特征及成因分析

羅 勇 ，賈三滿，趙 波，田 芳

（1.北京市水文地質工程地質大隊，北京100195；2.北京市地質礦產勘查開發局，北京100195）

北京南部地區地面沉降發育特征及成因分析

羅 勇 ，賈三滿1，趙 波2，田 芳1

（1.北京市水文地質工程地質大隊，北京100195；2.北京市地質礦產勘查開發局，北京100195）

本文總結了北京市南部地區地面沉降的發育特征，主要對區內地面沉降的歷史、現狀和垂向發育特征,進行了總體描述，分析了地面沉降成因，對區內今后的工程建設提出了合理化建議。

北京南部；地面沉降；特征；成因

0 前言

北京市中心和北部城區的高速發展，為南部地區的發展預留了巨大空間。隨著大興新城的規劃建設，南部發展逐漸升溫。據悉，即將開工的首都第二機場將落戶大興區南部。機場的建設和運營將進一步促進地區經濟建設。可以預計：北京南部將迎來加速發展的大好時機，可能成為首都經濟發展的又一個重要引擎。經濟的發展，將對地質環境的承載能力提出更高的要求。為減少地質災害對經濟建設的危害，提前開展災害研究是非常重要的。地面沉降作為北京平原區主要地質災害之一，在南部地區廣泛分布。多年的地面沉降監測發現：北京市平原區地面沉降分布呈南北兩個大區，南區主要分布在東南召 葫蘆垡 黃村 孫村 青云店 采育 小務一線以南至北京市邊界。從成因上看，地面沉降的成因是復雜的，不同的地質條件下可能存在較大的差異。總體上說，可能的成因有地下水開采過度、地層自身固結壓密、地面建筑物大量堆積和地質構造運動等。對于北京市平原區地面沉降的成因，眾多的研究成果均認為：地層巖性及結構特征是產生地面沉降的重要地質背景，地下水過量開采是地面沉降產生的直接誘因[1~5]。但同時，對于北京南部的榆垡等地區，許多專家也提出了疑問：北京南部地區城市化進程相對緩慢，地下水開采量可能并不大，如此快速發展的地面沉降災害可能與之不匹配，會不會是其它原因主導了該區域地面沉降呢？

1 區內地面沉降發育特征

1.1 發育歷史

北京地區地面沉降專門測量始于2004年，之前的沉降數據主要是測繪部門建立的市 高程基準網 定期測量獲得的。由于歷史上高程基準測量的復測周期較長，所得數據為多年沉降數據的累積變化量，再平均得到各年沉降量。根據這類數據可以得知：該區地面沉降形成于上世紀70年代后期；1983 1987年，區內沉降速率為34.5mm/a；1988 1998年，沉降速率為24.2mm/a；到1999年，沉降幅度大于200mm的面積為486km2，最大累計沉降量達到661mm；1999 2005年，沉降速率平均為37mm/a。2006年以后，地面沉降專門測量網的監測資料獲得了區內各年地面沉降量。2006年區內最大沉降量達到58mm, 最大累計沉降量為845mm；2007年沉降量與2006年基本持平，為58.28mm；2008年最大沉降量減小至42.51mm, 2009年沉降量增大至53.82mm, 2010年沉降量達到78.70mm/a,見圖1。

可見，區內地面沉降經歷了不同的發育階段。70年代后期至80年代初為地面沉降的發生階段，這一時期，區內開始發生地面沉降，地面沉降量較小，沉降區面積不大，沉降主要發生在禮賢、定福莊 趙村和榆垡等個別地區。80年代中期，區內地面沉降進入發展時期，其特點主要為：地面沉降量增大，最大年沉降量大于30mm，累計沉降量持續增加，地面沉降發育地區不斷擴張，沉降區沿禮賢、定福莊 趙村和榆垡周邊擴展，沉降區面積不斷增加。1988 1998年，區內地面沉降減緩，沉降量減小，沉降區面積變化較小。1999年以后，區內地面沉降進入快速發展時期，1999年至2005年是地面沉降發育區面積快速擴展的時期，這期間，地面沉降幾乎擴展至區內具備地面沉降發育條件的所有地區，地面沉降平面發育形狀基本成型；2006年以后，地面沉降向縱深發展，禮賢、定福莊趙村和榆垡地區地面沉降量大幅度增加，除2008年以外，最大年沉降量均超過50mm，累計地面沉降量迅速增大，地面沉降發育嚴重的地區面積不斷擴大。

圖1 北京市南部地面沉降歷史沉降速率變化直方圖

1.2 水平發育現狀

從區內布設的水準監測網和GPS監測網資料分析，并參考InSAR監測成果獲得了區內地面沉降水平發育現狀。目前，南部地面沉降發育區面積近1000km ,區內地面沉降與北京市北部地面沉降區聯系日趨緊密，自1955年以來累計地面沉降量大于100mm的區域已經將南北地面沉降區連成一片，累計沉降量大于200mm的南部地面沉降區面積超過700 km2。從2010年單年來看：年沉降量為30mm的等值線主要位于龐各莊 魏善莊 安定一線以南，直達北京市邊界。年沉降量大于50mm的區域主要分布在禮賢、趙村和榆垡以南，呈現出一種三足鼎立之勢。3個沉降區均直抵北京市界，與河北相鄰地區聯系在一起。其中，禮賢地區沉降量最大，最大年沉降量超過70mm，沉降范圍也明顯大于其它兩地。見圖2。從1955年 2010年累計數據分析后發現：多年累計沉降量大于200mm的地區主要分布在窯上 葫蘆垡 黃村 孫村 青云店一線以南，大于500mm的區域主要位于龐各莊 半壁店安定一線以南，以趙村 定福莊和禮賢為中心。其中，禮賢附近沉降量最大，累計沉降量超過1000mm。大于200mm和500mm的等值線均與北京市界線封閉。見圖3。可見，區內地面沉降發育面積廣、發育程度高，趙村定福莊和禮賢地區是沉降的中心區域，地面沉降主要圍繞沉降中心向外擴展，沉降的發育直達北京市邊界，與相鄰的河北地區聯系緊密。

圖2 北京大興地區2010年地面沉降量等值線

圖3 北京大興區1955-2010年累計地面沉降量等值線

1.3 垂向發育特征

區內榆垡地面沉降監測站監測資料可以揭示地面沉降在各地層中的具體情況，得到沉降的垂向特征。該站位于大興區榆垡（位置見圖2），由于其獨特的地理位置，在該沉降區內具有很好的代表性。站內埋設基巖標一座，分層標7座[6]，假定基巖標不動，分層標與基巖標監測值比較后獲得各目標層沉降值[7]。見圖4。自2008年6月底開始有監測數據以來，截止到2010年9月底，累計沉降量約為81mm。其中，116m以上埋設5個分層標（F1~F5），分為4個監測層，四層沉降量之和約為62mm，占總沉降量的77%；53m以上的2個監測層，沉降量之和約為46mm，占總沉降量的57%。雖然從其它各地面沉降監測站資料統計分析認為不同時代地層的地面沉降貢獻率是一個動態變化的指標，但該站近年監測數據均顯示出100m以淺，尤其是50m以淺地層沉降量大，沉降貢獻率遠大于深部地層。

圖4 榆垡站基巖標—分層標垂向分布示意圖

2 成因分析

正如前文所述，由于發展的原因，該區內建筑物密度不大，高層建筑相對較少，建筑物荷載對地面沉降影響有限。在構造方面，沉降區位于大興迭隆起和固安 武清新斷陷兩個三級構造單元上。禮賢斷裂帶是其分界斷裂，沿榆垡、禮賢、安定南、長子營方向展布，走向NEE。從位置上看，禮賢斷裂跨過區內地面沉降量最大的禮賢地區，但沉降區并沒有被斷裂明顯分割；在前人資料中，未將該斷裂劃定為活動斷裂，因此從現有資料上基本可以判斷：該區地面沉降受活動構造影響的可能性較小。

2.1 地層因素

從地層上看：本區位于永定河沖洪積平原的中下部，第四系沉積物顆粒較細，第四系沉積厚度300~450m。200m以上由粘性土、粉土構成的可壓縮層厚度達到120m以上。榆垡站地層主要為：0~27.5m,粉質粘土；27.5~31.4m,粉砂；31.4~46.0m，粉質粘土；46.0~50.1m，粉細砂；50.1~60.2m，粉質粘土；60.2~79.8m，中砂；79.8~95.1m，粘土夾粉質粘土；95.1~98.9m，中砂；98.9~162.7m，粉質粘土；162.7~169.5m，中粗砂；169.5~204.9m，粉質粘土。可見，該站上段地層主要以較細顆粒為主，尤其在50m以上，細顆粒的粘性土占比為83.9%，占比僅為16.1%的含水層也為顆粒較細的粉砂和粉細砂組成；200m以上地層中，粘性土占比也高達83.3%。較厚的細顆粒地層分布在淺部，既有利于地層壓縮，也起到了隔水作用，使深部含水層難以受到來自地表的補給。而該地區位于沖洪積平原的中下部，地層結構復雜，含水層和隔水層交錯，含水層間水力聯系較弱。這些特點，均有利于地面沉降的發生，并使得區內地面沉降對地下水的開采較為敏感（即使地下水水位下將幅度不大，也容易導致較大的地面沉降）。

2.2地下水

大氣降水是區內地下水的主要補給來源之一。上世紀70年代以前，區內降水相對充沛，永定河附近，常形成沼澤洼地，積蓄了大量的地表水；而平原區許多小洼地，在降水量集中月份積水成災，均形成地下水的補給來源。其次，區內永定河等地表徑流，都不同程度的補給地下水。這期間，由于地下水補給來源較豐富，地下水通常處于平衡狀態，即便在普通的干旱年后也能恢復，客觀上形成了旱年取水澇年補，旱季取水雨季補的自然調節狀態。[8]七十年代，官廳水庫蓄水量不足，地上給水量逐年減少[9]，直至永定河斷流。永定斷流后，地表沼澤洼地逐漸消失，區內地下水補給來源越來越少，逐步形成了主要靠大氣降水的相對單一模式。針對地表水的逐步枯竭，區內農作物種植相應發生變化，需水量大的水稻種植面積逐漸減少。這一時期，地下水開采量略大于補給量，由于降水量較穩定，需水量小幅穩定增加，超采地下水的情況平穩持續的發展，80年代末至90年代末，由于降水量較大，農業蓄水量得到控制等多種因素，地下水超采減緩。然而，在地下水補給過分依賴于大氣降水的情況下，1999年以后，出現了連續干旱年。降水量持續低于多年平均降水量，地下水補給量銳減；同時，由于缺乏其它水源，農業灌溉、工業用水和生活用水很大程度上依賴地下水，導致地下水開采量增加，補給量的減少和開采量的增加疊加在一起，造成地下水超采情況加劇。隨著地下水的超量開采，地下水水位逐年下降。統計顯示：大興區多年平均地下水可開采量26230.8萬m3；豐水年（20 %）可開采量32323.1萬m3；平水年（50 %）可開采量25221.9萬m3；枯水年（75 %） 可開采量20325.5萬m3；特枯水年（95 %）可開采量15370.7萬m3。按多年平均（29144.2萬m3）的開采水平，大興區地下水超采量平均每年近3000萬m 。過量開采導致地下水位逐年下降，在黃村、龐各莊、榆垡、禮賢等地形成地下水 降落漏斗 。由圖5可以看出： 大興區地下水位總體呈現持續下降態勢，地下水埋藏深度從3.07m下降到16.78m。[10]2009年和2010年仍然是北京市平原區枯水年，而隨著經濟建設的加快，用水量逐年增加，地下水開采量逐年增大，使得地下水水位不斷下降。

圖5 大興區地下水埋深變化圖

由于具備上述有利于地面沉降發生的地層條件，地下水位的下降過程，正是地面沉降發生和發展的過程。70年代以前，地下水位基本呈天然狀態，幾乎不發生地面沉降。這一階段的地層情況也證實：在天然地下水位狀態下，區內地層自身固結壓密量很小，不可能造成大范圍地面沉降。而在永定河等地表水量減少的過程中，地下水開采量大于補給量，地下水位開始下降，地面沉降也隨之發生。當永定河斷流后，地下水開采量持續大于補給量，地下水位持續下降，地面沉降持續發展。在地下水超采減緩的1988 1998年，地面沉降減緩。1999年至今的連續干旱年中，地下水位加速下降，地面沉降快速發展。可以預計，未來隨著區內經濟建設的快速發展，在持續干旱和沒有外來水源的情況下，地下水開采量將進一步增大，地面沉降將進一步加速。

從榆垡站監測數據來看，深層承壓水水位下降更為明顯。自2008年7月至2011年3月，深層承壓水水位下降1.7m，每年下降約0.8m。地面沉降與水位下降總體趨勢一致。水位年內出現周期性變化，地面沉降持續發展，而水位回升，地面沉降趨緩，水位下降，地面沉降加速,見圖6。

圖6 榆垡站地面標與深層承壓水對比曲線圖

綜上所述，北京南部地區地面沉降受到地層自身固結壓密、建筑物荷載和地質構造運動等因素的影響較小。區內地面沉降的發育歷史，正是地下水超采史，地面沉降的發育與地下水超采向一致，區內地面沉降主要是由于地下水開采過量造成的，地層巖性及結構特征是產生地面沉降的重要地質背景。而區內持續干旱少雨的天氣和永定河斷流是地下水補給不足而導致超采的重要原因。

3 結論

北京南部地區是北京市主要地面沉降區之一，區內地面沉降經歷了一個發生、發展、減緩和高速發展的階段。目前，該區處于高速發展時期，沉降速率和累積沉降量均較大。區內地面沉降以趙村 定福莊和禮賢為中心，最大沉降發生在禮賢地區，累計沉降量最大已超過1m。監測資料顯示：近年區內地面沉降主要貢獻層為其淺部地層，尤其是50m以上地層。南部沉降區地面沉降主要是超采地下水造成的，而區內地層巖性及結構特征是其重要地質背景。南部地區布設有監測站、GPS監測網、水準監測網和地下水動態監測網等地面沉降監測設施，近年開展的InSAR監測也覆蓋該區域。可見，區內監測設施比較完善，提供了大量監測資料，能夠完成大范圍地面沉降監測任務。

4 建議

鑒于北京市南部地區地面沉降的現狀和發展趨勢，在區內開展工程建設時應充分考慮到地面沉降對工程項目的影響和工程本身可能造成的地面沉降。尤其是在區內開展較大規模的工程建設時，盡可能開展地面沉降專門調查與研究，適當加密監測設施，配合已有的區域監測網絡，對重點地區地面沉降開展實時監測，盡量減少地面沉降帶來的損失。控制沉降區內地下水開采，節約用水，控制新建工程在建設和使用中帶來的地面沉降災害。由于區內地面沉降與河北相鄰地區聯系緊密，在今后的地面沉降研究中，應加強與河北相關地區的聯系。

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[2] 沈國平,王 莉.上海城市建設與地面沉降關系初探[J]. 城市規劃匯刊, 2003年 06期 .

S[3] 趙 慧.地面沉降的人為主控因素研究[J].長安大學,2005年. [4] 賈三滿,王海剛,羅勇等.北京市地面沉降發展及對城市建設的影響[J].城市地質2006(02).

[5]賈三滿，羅 勇，田 芳等.北京市地面沉降監測年度報告（2010）[R].北京：北京市水文地質工程地質大隊，2010.

[6]賈三滿 周 毅 劉 予等.北京市地面沉降監測網站預警預報系統（二期）[R].北京：北京市水文地質工程地質大隊，2008.

[7] 羅 勇，賈三滿，趙 波等.北京地面沉降Js型靜力水準自動化監測系統量程調整及修正值添加方法[J].城市地質，2010， 05（4）.

[8] 大興縣農田供水勘探簡報[R].北京市水文一大隊革委會,1971年.

[9] 大興縣農田供水水文地質勘探簡報[R]，北京市水文一大隊革委會，1972年.

[10]韓 輝，大興區地下水資源開發利用分析及合理利用對策[J].北京水務，2009（5）.

Characteristics and Causes of Land Subsidence in the south of Beijing

LUO Yong1JIA Sanman1ZHAO Bo2TIAN Fang1
(1.Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing, 100195 2.Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing, 100195)

This paper summarizes the development characteristics of the land subsidence in southern Beijing, mainly on the local subsidence history, present situation and characteristics of vertical development. Based on the study, this paper analyzes the causes of land subsidence, and provides the reasonalble recommendations for the future construction.

Southern Beijing; Land subsidence; Characteristics; Causes

P642.26

A

1007-1903（2011）03-0001-05

北京市政府財政項目“北京市地面沉降運行”（國土京環[2004]75）；中國地質調查局項目“華北平原（北京）地面沉降監測與防治綜合研究”（121201084044）

羅勇（1979-），男，在職碩士，工程師，水文地質工程地質專業，主要從事地面沉降、地裂縫等地質災害監測、評估與研究工作。Tel：010-51560311，E-mail：luoyonghl@126.com