南水進京對北京地面沉降的影響及趨勢分析

程凌鵬 王新惠 張琦偉 張弢 武增寬

摘要：根據北京平原區地面沉降監測數據，重點分析了南水進京后各主要沉降區域地面沉降的發展變化，并結合一定時期內北京市地下水與南水的水資源配置方式和地區經濟發展狀況，預測了各主要沉降區地面沉降的發展趨勢：城六區的朝陽區、海淀區西小營一帶沉降速率持續減小，并漸至穩定；通州新城區地面沉降向東擴張和較高速發展的勢頭近期內難以控制；南部大興區榆垡—禮賢和北部順義區天竺—后沙峪—南法信一帶的沉降區進入相對穩定發展期，沉降速率緩慢減小，沉降的空間擴張趨于穩定；昌平區沙河—八仙莊沉降區地面沉降速率難以控制在較低水平。

關鍵詞：沉降速率；沉降區；南水北調；北京

中圖分類號：P642.26 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.020

北京平原區自20世紀50年代發現地面沉降以來，地面沉降已發展成為南北兩大片區、7個沉降中心、影響范圍超平原區總面積三分之二的廣闊區域[1]。截至2016年年底，北京平原區最大累計沉降量達1864mm，最大沉降速度達150mm/a，是我國華北平原地面沉降發育較為嚴重的區域之一。

地下水連續多年超采和天然補給量不足是北京地區地面沉降發生和發展的主要誘因[2-5]。多年來人們努力探索科學合理的地下水資源開發利用和管理方式，以及地面沉降地質災害有效控制和預防的方法，以實現資源開發利用與地質環境保護的和諧平衡與可持續發展[6-9]。南水北調中線工程引長江水入北京，置換部分當地地下水和地表水水源，在保障城市供水保證率的條件下，在地質條件適宜的地區采用人工回灌的方式補給當地地下水，這些均為北京地區地下水環境的休養生息提供了條件，對緩解和控制地面沉降的進一步發展是利好因素。本文根據近年來北京平原區地面沉降監測數據，對區域地面沉降發展的時空規律進行了總結，重點分析了南水進京后各主要沉降區域地面沉降的發展變化，并結合一定時期內北京市地下水與南水的水資源配置方式和地區經濟發展狀況，預測了各主要沉降區地面沉降的發展趨勢。

1 南水北調新水情

2014年11月底，南水北調中線一期工程全面通水，標志著江水正式進京，同時拉開了北京供水水源結構調整、地下水開發與管理方式轉變以及水資源保護等用水、管水和節水新政實施的序幕。根據《北京市水資源公報》，2015年、2016年南水北調中線工程向北京年均輸水總量8.5億m3，約占全年總供水量的23%，明顯改變了其供水水源結構，見圖1。南水進京后，北京當地地表水的供水量顯著減少，由2014年的8.5億m3減少到2016年的2.9億m3，減少了5.6億m3，地表水供水量占年供水總量的比例由2014年的23%減少到7%；當地地下水的開采利用量逐年小幅減少，由2014年的19.6億m3減少到2016年的17.5億m3，減少了2.1億m3，地下水供水量占年供水總量的比例由2014年的52%減少到2016年的45%。

南水進京后，北京市適時調整了當地地下水資源開發利用與管理的方式。一是將南水作為北京市城六區（東城區、西城區、朝陽區、海淀區、豐臺區、石景山區）的主要供水水源，逐步實現城區地下水超采區的禁采，以有效控制主城區地面沉降的快速發展；二是縮小懷柔應急水源地區地下水的開采規模，以緩解該地區地下水水位持續下降的趨勢，恢復與涵養地下水生態環境；三是選擇條件適宜的地區和時機，用南水回灌補給當地地下水，最大限度地用好、存好外調水資源。

2 地面沉降現狀

北京平原區（不含延慶）地面沉降主要發生在北部昌平—海淀—順義、東部朝陽—通州以及南部大興，目前在平面上基本形成了以昌平沙河—八仙莊、朝陽金盞—樓梓莊、東郊八里莊—大郊亭、大興榆垡—禮賢、海淀西小營—上莊為沉降中心的沉降區，其中北部與東部沉降區已連接成片，見圖2。截至2016年年底，累計沉降量最大的為東部朝陽金盞地區，累計沉降量為1864mm；沉降最快的為東部朝陽—通州一帶，年沉降量大于110mm。

2.1 沉降速率發展規律

總體上，北京平原區地面沉降的時空發展與地下水超采具有宏觀上的一致性。1999年后，當地地下水開采進入大規模超采期，地面沉降也進入快速發展時期，沉降中心的沉降速率增大，沉降區的空間擴張速度加快。1999-2005年，北部昌平八仙莊、朝陽來廣營一順義天竺、東部朝陽大郊亭一三間房、通州梨園一臺湖以及南部大興榆垡—禮賢一帶的年平均沉降速率超過30mm/a。該時期地面沉降的影響區域在平面上迅速擴張，6a間，累計沉降量≥300mm的區域擴張速度接近80km2/a，是1955-1999年平均擴張速度（11km2/a）的7倍多，而累計沉降量≥50mm的區域擴張速度為216km2/a。1999-2005年主要沉降區監測數據見表1。

2006-2016年北京地區7個主要沉降中心沉降速率見圖3，由圖3可以看出，2006-2016年，所有沉降中心的沉降速率總體上呈上升趨勢，其中東部朝陽區沉降速率最大，沉降速率由60～80mm/a增至140～160mm/a（2012年），2014-2016年仍維持115～140mm/a的沉降速率；東部通州區沉降速率也較大，年均沉降量均大于60mm，2012年沉降量最大，為130mm，2014-2016年平均沉降速率為100mm/a；北部昌平八仙莊沉降中心在2012年前沉降速率近線性增大，由約20mm/a增至約110mm/a，2014-2016年沉降量為70～90mm/a；海淀西小營自2010年有監測數據以來，一直表現為高速沉降，沉降速率為80～125mm/a；相對而言，南部大興榆垡—禮賢沉降中心多年來沉降速率增長緩慢，除2008年外，11a來沉降速率基本穩定在60～80mm/a。由此可以認為，目前北京平原區東部、北部仍處于地面沉降的快速發展時期，而南部大興沉降區處于沉降的相對穩定期。截至2016年年底，各主要沉降中心沉降監測數據見表2。

結合南水北調進京新水情，從目前地面沉降的發展規律看，2015年、2016年東部朝陽三間房、黑莊戶和通州城區一帶以及北部昌平八仙莊沉降區沉降速率減?。缓５砦餍I地區，2015年沉降速率相比2014年顯著增大，而2016年沉降速率相比2015年顯著減小，減小至與2014年基本持平；南部大興地區，2015年和2016年沉降速率基本穩定在70mm/a左右，相比2014年增大約15mm。

2.2 沉降區域空間擴展規律

自有觀測記錄以來，北京地面沉降影響區域在空間上的擴展趨勢總體表現為：東部沉降區向南、北、東三面擴展；北部沉降區自來廣營—天竺一帶向東西兩側及北部擴展，逐漸形成了以昌平沙河與八仙莊、順義平各莊與天竺、海淀西小營以及朝陽來廣營為中心的串珠狀沉降區，并與東部沉降區相接；南部沉降區以大興榆垡—禮賢為沉降中心，緩慢向北部擴展。2016年北京平原區累計地面沉降量≥500mm的區域面積為1561km2，占平原區面積的25.6%；累計沉降量≥800mm的區域面積為790km2，占平原區面積的13.0%；累計沉降量≥1000mm的區域面積為390km2，占平原區面積的6.4%。

對應于前述沉降中心區的快速發展時期（1999-2005年），地面沉降的空間擴展速度表現為：累計沉降量≥800mm的區域，年均增長面積1km2；累計沉降量500mm的區域，年均增長面積40km2；累計沉降量≥200mm的區域，年均增長面積107km2；累計沉降量≥50mm的區域，年均增長面積216km2[1]。這表明沉降中心區（累計沉降量大、沉降速度快）的空間擴張速度遠小于其外圍沉降影響區的擴張速度，意味著地面沉降在平原區較大范圍內開始顯現，但僅沉降中心區沉降速率較大。

分析近11a來沉降區域空間擴張曲線（見圖4）發現，累計沉降量≥1000mm的區域，年均增長面積39km2；累計沉降量≥800mm的區域，年均增長面積77km2；累計沉降量≥500mm的區域，年均增長面積109km2；累計沉降量≥200mm的區域，年均增長面積120km2。這表明，與1999-2005年的快速發展期相比，近11a來沉降中心區的空間擴張速度明顯加快，即沉降速度較快的區域迅速向外擴展，影響到外圍更大的區域，而總的地面沉降影響區范圍擴張相對穩定，即南水北調新水情對區域地面沉降的空間擴展趨勢未產生明顯影響。

3 地面沉降趨勢分析

從南水進京后的供水空間分配和自備井置換兩方面入手，定性分析未來一段時間北京平原區地面沉降的時空發展趨勢。目前北京市接納南水的水廠共有8座，分別為郭公莊水廠、第三水廠、第九水廠、田村山凈水廠、309水廠、長辛店水廠、門頭溝城子水廠和通州水廠。南水的主要供水范圍為北京市城六區，以及城區南部的豐臺南苑—東高地、大興西紅門—舊宮、西部門頭溝區和東部通州新城的西部地區。結合前述北京平原區地面沉降的空間發展現狀可以看出，南水供水范圍內的地面沉降發育區主要有城區東部的朝陽、北部的海淀西小營一帶和通州新城區，其余地區（門頭溝、豐臺東南部和大興北部）大部分位于地面沉降的弱發育區，最大沉降速率小于10mm/a，累計沉降量不超過50mm，這主要是由這些地區特殊的第四系地層巖性（以粗顆粒的砂礫石為主）及其性質（壓縮性?。Q定的。

北京市城六區既是南水的主要受水區，又是南水進京后當地地下水水源自備井的主要置換區。據報道，北京市政府批準自2015年開始實施《2015-2020年城區自備井置換工作方案》，計劃用5a時間分3個階段完成城區自備井置換工作：2015—2016年主要置換東部定福莊、東壩、垡頭、溫榆河，南部南苑、郭公莊等地區；2017-2018年主要置換北部海淀后山地區以及西苑、石景山地區；2018-2020年完成城區剩余自備井置換。該工作全部實施完成后，北京市城六區自備井全部關停，按與其原供水量相同考慮，城六區范圍內地下水開采量可望減少2.2億～2.4億m3。對于受水區內的朝陽和海淀西小營一帶的沉降區，近2a來沉降速率總體為減緩趨勢，特別是東部朝陽區，2015年、2016年沉降速率持續下降，由此可以初步判斷，至2020年若自備井置換工作按計劃落實，則城區地下水開采量將在現狀基礎上持續減小，其地面沉降速率有望持續減小，并漸至穩定。

對于通州新城地區，2012年該區地面沉降速率達到近11a來最大，年沉降量約130mm/a，2014年下降至約90mm/a，2015年又上升至110mm/a，總體上沉降速率仍相對較大，減小趨勢不明顯。考慮到通州行政副中心的建設，今后一段時期內通州地區地下水壓減采形勢依然嚴峻。另外，近年來平原區東部地面沉降總體呈現繼續向東擴展的趨勢，且朝陽黑莊戶至通州臺湖、張家灣以及宋莊一帶的沉降速率2012-2016年均維持在較高水平，平均年沉降量超過70mm/a，短期內這一趨勢不能得到有效緩解。因此，今后一段時期內，通州新城及其以東的宋莊、潞城一帶的城市建設區，地面沉降的時空擴展仍可能保持相對較快的勢頭。

南部大興榆垡—禮賢一帶的沉降區，2010年以來地面沉降速率基本穩定在70～80mm/a，南水進京后該沉降區地下水潛水位漏斗中心（10m等水位閉合線）在南各莊—半壁店一線，空間范圍相對南水進京前有所縮小。該區域目前為非南水受水區，在保持現有人口和經濟發展水平的條件下，該區域地下水開發利用處于相對穩定期，其地面沉降的發展也會相應地處于平穩發展期，沉降速率將緩慢減小，沉降的空間擴展將趨于穩定。

自2012年以來，北部昌平沙河—八仙莊沉降中心地面沉降速率總體為減小趨勢。該區域目前不是南水的受水區，供水水源主要為當地地下水，區內建有小湯山水廠、北七家水廠、沙河水廠等中小型水廠，在建的未來科技城（規劃占地10km2，人口總規模為10萬以內）位于該區域內，可以預計其地下水資源的開發利用規模在未來一段時間內處于微增大趨勢，其中心區的地面沉降速率難以控制在較低水平。

順義天竺—后沙峪—南法信沉降區向西與昌平沙河—八仙莊沉降區相接，向南與朝陽區來廣營—金盞沉降帶相接，近11a來平均沉降速率為37mm/a，相對其他沉降中心區沉降速率小得多，表明該區域地面沉降已進入相對緩慢發展期。另外，從水文地質條件分析，該地區處于潮白河沖洪積扇中下部，距離潮白河地下水庫較近，南水進京以及潮白河地下水庫現有集中供水水源地實施的壓采和河道回灌措施均有利于區域內地下水資源量的增加和水位恢復，從而可以緩解該地區地面沉降。

4 結語

南水進京改變了北京市供水水源的結構，北京市城六區為南水的主要受水區，其地下水開采量在今后一段時期將逐步減小，淺層地下水將全面禁采，這有助于減緩東部朝陽區和北部海淀區西小營一帶的地面沉降，但對于東部通州城區來說，未來一段時期地面沉降繼續向東擴展和快速發展的勢頭難以避免。目前非南水受水區的地面沉降區，大興區西南部的榆垡—禮賢、順義區的天竺—后沙峪—南法信一帶地面沉降的空間擴展已趨于穩定，沉降速率將逐漸減?。徊缴澈印讼汕f一帶在今后一段時期仍將保持較快的沉降速率。區域地面沉降的發展過程是相對緩慢的，且空間影響范圍大，南水進京后，局部地區實施地下水資源限采禁采措施在短時期內難以產生對地面沉降的明顯抑制作用，地面沉降防控形勢短期內仍然嚴峻。

目前北京市正處于供水水源結構調整、地下水資源管理方式轉變以及南水北調工程運行的初期階段，應盡快在重點受水區、地下水資源禁采限采區和典型地面沉降區建立地下水、地面沉降以及地質環境等多目標研究的監測站點，將南水北調新水情下城市地質環境的動態監測納入保障城市地質環境安全與防災減災管理體系，為用好南水、管好地下水和有效控制地面沉降提供科學支撐。

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