廊坊城區地面沉降與地下水漏斗響應關系

侯軍亮, 李 輝

(1.河北省地質環境監測院，石家莊 050011；2.河北省地質資源環境監測與保護重點實驗室，石家莊 050011)

廊坊市享有“京津走廊明珠”之稱，也是京津冀一體化中部核心功能區，但從20世紀八九十年代起，廊坊市城區地面沉降問題逐年嚴重，制約了城市可持續發展。因此，開展廊坊市城區地面沉降發育特征研究勢在必行。

目前，許多學者開展了地面沉降相關研究。陳崇希[1]、薛禹群等[2]就地面沉降問題開展系統探討。Sun等[3]、Ovando-Shelleg等[4]、Tosi等[5]、劉勇等[6]針對抽采地下水引發的地面沉降進行研究。李海君等[7]、劉峰川等[8]、周毅等[9]分析了平原區地面沉降機理機制。胡卸文等[10]、李文運等[11]、金瑋澤等[12]、熊小鋒等[13]、周浩等[14]通過建立數值模型，分析地下水與地面沉降相關關系。Carbognin等[15]、張鐵勤等[16]、雷坤超等[17]、杜釗鋒等[18]基于InSAR等監測技術手段，研究多種影響因素與地面沉降之間的關系。基于上述研究，分析研究區多年水文地質資料，研究地下水漏斗區長序列地下水位變化數據，根據近年國民經濟發展數據和城市建設發展情況，探討地面沉降發育特征，并分析地下水位變化與地面沉降吻合性。

1 研究區概況

1.1 氣象水文

研究區屬北溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量為554.9 mm，降水量年內分布不均勻，6—9月降水量占全年總降水量的80%以上。

研究區地表水屬海河流域系統的永定河水系，主要河流有永定河、龍河、鳳河等，均為季節性河流。

1.2 地形地貌

研究區系華北平原的一部分，形成于渤海凹陷，大陸下沉，逐漸為海河河系沖積物填充形成的沖積平原，地貌比較平緩單調，平均海拔13 m，地面傾斜平緩，地勢自西南向渤海灣傾斜，大部坡降1/6 000～1/10 000。

1.3 地質構造及地層

研究區大地構造處于中朝準地臺華北斷拗的冀中臺陷構造單元之上，次一級構造單元為武清、廊坊斷凹，大興斷凸、基底地層主要為寒武系、奧陶系、石炭系及二迭系。第三系及第四系覆蓋于基底之上，第四系松散沉積層厚500 m左右。

1.4 水文地質條件

1.4.1 含水組劃分

項目區屬永定河沖洪積平原水文地質區，根據第四系沉積物巖性及水文地質特征，將第四系含水系統從上至下劃分為Ⅰ～Ⅳ含水組，其中Ⅰ、Ⅱ含水組為淺層地下水，Ⅲ、Ⅳ含水組為深層地下水。

Ⅰ+Ⅱ含水組底板埋深140～167 m，含水層厚度為30～50 m，巖性主要為中砂細砂，單位涌水量以5～10 m3/h·m為主, 水化學類型為HCO3-NaMg型水。有咸水分布，位于研究區中東部，咸水體主要賦存于Ⅰ含水組下部，Ⅱ含水組上部，咸水體頂板埋深10～20 m，底板埋深60～110 m。

Ⅲ+Ⅳ含水組為承壓水類型。西部以中細砂為主，有粗砂卵礫石層，中部以中砂為主，東部以細砂為主，含水層厚度為42～73 m。單位涌水量以10～15 m3/h·m為主，礦化度一般<0.5 g/L。

1.4.2 地下水補給、徑流排泄條件

淺層地下水埋藏淺，主要接受大氣降水補給，其次為側向徑流補給、河渠滲流補給、地表水灌溉和井灌回歸補給。以人工開采消耗為主，其次為蒸發及側向排泄。

深層地下水主要為側向徑流補給和少量越流補給，消耗于人工開采。

2 地下水位下降與地面沉降關系分析

2.1 地下水位變化分析

2.1.1 城區地下水開采量分析

廊坊市城區供水來自地下水，供水方式主要是自來水公司集中供水和部分單位自備水源井分散供水，其中自備井自2006年逐步關停。圖1所示為2001—2015年城區供水總量曲線，整體呈上升趨勢，供水總量最大增加了約1 766×104m3，有2次供水總量明顯上升時期，分別是2004—2009年和2009—2014年。供水量的變化與生產、生活息息相關，需要具體分析兩個階段的主要影響因素。

圖1 2001—2015年廊坊市城區供水總量曲線Fig.1 The curve chart of total water supply in Langfang urban area for 2001—2015

根據圖2，2004—2009年，家庭用量和生產用量整體呈增加趨勢，是該時期供水總量的主要影響因素。2004—2009年城區用水人口數量增加了約15.4萬人(圖3)，生產用水也不斷增加。其中，2008年金融危機對工業生產產生巨大影響，2007—2009年生產用水量增速減緩，家庭用量也未因用水人數增加出現明顯上升趨勢。

圖2 廊坊市城區生產生活用水情況曲線Fig.2 The production and domestic water consumption curve in Langfang urban area

圖3 城區用水人數變化曲線Fig.3 The curve chart of water consumption in urban areas

2009—2015年，生活和生產用水量呈先上升后下降趨勢，公共服務用水量先是下降再是上升。家庭用量主要受用水人口影響，2009年后用水人口數量增加緩慢，用水人數逐步穩定，家庭用量開始逐步增加；生產用水供水量在2009年出現明顯增加，但增加速率逐步放緩，主要原因是2008年經濟危機后工業逐漸復蘇，用水需求不斷加大，2012年以后受一系列地下水管控政策的實施及生產工藝的改進等影響工業用水量逐步降低；京津冀一體化發展加快了廊坊市第三產業發展，公共服務水平不斷提升，加大了地下水供水量。

2.1.2 地下水位變化分析

深層地下水是廊坊市城區的主要水源，地下水開采量不斷增加，導致地下水位逐漸下降。為了研究近年地下水位變化，選取2001、2006、2011和2015年低水位期地下水位監測數據以及監測井長序列動態監測數據分析城區深層地下水位變化情況。

2.1.2.1 地下水位漏斗變化分析

由圖4可知，受常年性城市工業、生活開采深層地下水影響，形成了以廊坊市城區為中心的地下水位漏斗，漏斗斷面呈上寬下窄的“V”字形。地下水位漏斗影響范圍逐年增加，影響面積約300 km2，主要分布在城區中東部；漏斗中心水位不斷下降，2001年水位埋深為74.3 m，2015年水位埋深79.25 m，年均下降速率為0.33 m/a，深層地下水位處于超采狀態。但是近年廊坊市陸續出臺了地下水限采、禁采管理辦法，并關停了城區自備井，深層地下水位開采得到了有效控制，水位下降幅度減緩。

圖4 廊坊漏斗多年地下水位對比斷面圖Fig.4 The contrast sectional map of groundwater level in the Langfang funnel for many years

2.1.2.2 監測井地下水位變化分析

廊坊市開展了多年的地下水監測工作，尤其是近年逐步建立了國家級自動監測井(圖5)，長序列的地下水動態監測數據為地面沉降研究提供基礎數據。

圖5 國家自動監測井Fig.5 National automatic monitoring well

廊坊市城區淺層地下水質量以Ⅳ類水為主，局部為Ⅴ類水，不能滿足飲用和灌溉要求，所以生產生活用水以深層地下水為主。尤其是進入21世紀以后，國民經濟的發展不斷增加地下水的開采量，深層地下水位不斷下降。

圖6所示為深層地下水監測井廊3、廊13和廊59多年長序列水位動態變化曲線。由6圖可知，地下水位變化趨勢基本一致，廊3位于漏斗邊緣，水位逐漸下降補給漏斗。隨著漏斗中心水位逐漸穩定，邊緣地下水位亦逐漸平穩。

圖6 深層地下水動態監測曲線Fig.6 Dynamic monitoring curve of deep groundwater

圖7所示為地下水位漏斗邊緣深層地下水監測井廊58和廊59動態水位變化曲線。兩井水位埋深較大，與監測井所在位置有關，監測井廊59位于城區郊區，人口密集，有生產用水；廊58位于農村，地下水主要用水飲用和灌溉。由圖7可以推測，目前地下水位漏斗發展對該區影響較小。

圖7 監測井廊58和廊59地下水動態監測曲線Fig.7 Groundwater dynamic monitoring curve of the monitoring well Lang 58 and Lang 59

2.2 研究區地面沉降演變分析

2.2.1 地面沉降監測

圖9 城區深層地下水位漏斗與地面沉降速率關系Fig.9 The relationship between deep groundwater funnel and ground subsidence rate in urban areas

廊坊城區地面沉降監測工作起步較早，20世紀70年代就已開始部署工作，目前已形成較為完善的監測網，包括孔徑雷達干涉(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)技術、水準測量等。尤其是水準測量工作，廊坊城區建設了4個分層標和4個對應的地下水監測井(圖8)，一等水準點14個，二等水準點178個，為城區地面沉降監測打下夯實基礎。

圖8 廊坊城區分層標和對應的地下水監測井Fig.8 Layer monitoring well and corresponding groundwater monitoring wells Langfang urban area

2.2.2 地面沉降演變分析

廊坊市地面沉降災害較嚴重，隨著地下水不斷被開采，地下水位下降逐步成為地面沉降主要影響因素。1984—1988年地面沉降速率為24.6 mm/a，1988—1992年地面沉降速率為31.4 mm/a[19]，沉降速率呈增加趨勢，2015年局部地面沉降速率大于80 mm/a，制約了廊坊城區社會經濟的可持續發展。圖9所示為基于InSAR技術，廊坊市2015年地面沉降速率等值線圖，由圖9可知，廊坊城區地面沉降速率大于60 mm/a面積約140 km2，主要分布在城區中部，城區大部分地區地面沉降速率大于40 mm/a。

2.3 地下水位漏斗與地面沉降響應關系分析

地殼運動和地下水開采是廊坊城區地面沉降的主要影響因素，隨著人類工程活動增加、生活品質的提升以及工業用水需求量增加，尤其是城區淺層地下水質不能滿足生活和工業用水需求后，深層地下水不斷被開采，并逐步形成地下水位漏斗(1978年初見漏斗)。

為了研究廊坊市城區地下水與地面沉降關系，曾在研究區南部30 km開展勘查工作，采用鉆探、物探、測量、野外調查等多種技術手段收集地層、地下水等資料，研究發現地下水是該區地面沉降影響的主要因素[20]，地下水位下降引發黏性土地層的不可逆沉降，并引發了地面不均勻沉降，為本文的研究提供了夯實的理論依據。從圖9亦可看出，地下水位漏斗與地面沉降發展情況基本吻合，中心分布在城區中部，是人類活動集中區，這說明近年來地下水位下降已成為該區地面沉降的主要因素。因此，深層地下水位變化直接影響了地面沉降的發展，分析兩者間的關系勢在必行。

廊坊城區第四系厚度大于500 m，根據土的有效應力原理，深層地下水位下降，黏性土失水后孔隙水壓力減小，有效應力增大，土層壓縮量增加，該壓縮呈不可逆過程。因此，自地下水位下降漏斗形成后，城區地面沉降快速發展，隨著水位不斷下降，沉降速率亦增加。進入21世紀后，廊坊市已陸續關停了市區的自備水源井，增加周邊水源地供水量，及采取了諸多限采、禁采措施減少工業用水等，減緩地下水位下降幅度，但是地面沉降仍繼續發展，除了其具有延續性，地面荷載的不斷增加，亦迫使沉降速率進一步增大。

隨著廊坊市經濟的快速發展，舊小區改造，新區樓房拔地而起，尤其是城市中心建起多棟高層樓房和住宅樓。據廊坊市國民經濟和社會發展統計公報，建筑竣工面積逐年增大(圖10)，形成多個建筑群，建筑密度增大，樓層增高，地面荷載增加，對地面沉降的影響也愈大[21]。

圖10 廊坊市建筑竣工面積曲線Fig.10 The completed area curve of Langfang City

綜上所述，廊坊城區地面沉降速率與地下水位漏斗關系緊密，二者影響范圍基本吻合，地下水位下降也成為該區地面沉降主要影響因素，其深層地下水開采量越大，地下水位下降越迅速，地下水位降落漏斗范圍越大，地面沉降量、沉降速率和范圍亦越大。盡管近年采取多種措施控制地下水位下降，但是由于地面沉降具有延續性和不可逆性，且在地面建筑群等荷載作用下，綜合導致研究區地面沉降繼續發展，直到黏性土層內總應力達到新的平衡停止壓縮變形，才能減緩地面沉降。因此，地面沉降目前仍是廊坊市重點防治的地質災害之一。

3 結論

通過收集研究區水文地質條件、地面沉降監測等資料，分析了廊坊城區地下水位漏斗演化與地面沉降響應關系，為政府地面沉降防治和國土空間規劃提供理論依據。

(1)廊坊市城區水源以深層地下水為主，供水量呈上升趨勢，生產用水和家庭用水占主要部分。長期開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，平均下降速率為0.33 m/a。

(2)基于InSAR技術，廊坊市城區中部沉降速率>60 mm/a，較20世紀比，沉降速率增大，局部沉降速率>80 mm/a。

(3)通過對地下水位漏斗和地面沉降響應關系分析，地下水位下降漏斗與地面沉降中心基本吻合，地下水位開采量增加，造成深層水位下降，導致地面沉降速率不斷變大，影響范圍亦增大，地下水位下降依然成為該區地面沉降的主要影響因素。同時，城區的快速發展，建筑物的拔地而起，地面建筑群荷載增加，亦對地面沉降產生不利影響。因此，限制或禁止深層地下水開采，做好城市整體規劃，以緩解地面沉降發展并降低其帶來的不良影響，是該區討論和解決的重要問題之一。