北京东部地区地面沉降发育特征分析
北京东部地区地面沉降发育特征分析
杨艳，刘贺，罗勇，雷坤超，王新惠
（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）
摘　要：结合区域地质背景条件，利用水准测量、分层标地层变形、地下水位动态等监测数据，对北京东部地区地面沉降的发育特征与发展变化规律进行了分析研究。该区域的地面沉降与地下水开采具有显著相关性，深部地层仍是沉降的主要贡献层位；沉降中心地下水具有明显的分层变化规律，深层承压水明显的水位降落漏斗，直接导致深部地层沉降压缩最为显著；地面沉降的区域分布、沉降速率变化与地下水降落漏斗具有一定的时空相关性；南水北调的稳定供水，有效缓解了北京地面沉降快速发展的趋势。
关键词：地面沉降；地下水；降落漏斗；发育特征
中图分类号：P642.26              文献标志码：A              文章编号：2095-1329(2021)01-0007-06
北京东部地区自上世纪五六十年代以来，一直是北京主要工业区及城市重点发展区域之一，也是地面沉降发育最早、最严重的地区之一，地面沉降的发展与地下水开采和地层固结直接相关。本文研究区域主要涵盖朝阳区东部、北部及通州区北部，地层以交互沉积的黏性土、砂性土为主，多年来因地下水开采
量较大，形成了以金盏—楼梓庄—黑庄户为中心的地面沉降漏斗，近年来该地区的沉降速率和沉降区范围仍处于快速发展和扩张阶段[1-2]。
本文从区域地质背景及区域地面沉降发展规律及特征分析入手，重点对研究区内北京首批建设并运行至今的天竺站、望京站和王四营站等地面沉降监测站的分层监测数据进行统计分析，并对东部重点沉降地区在横向和纵向上的地面沉降和地下水变化规律进行分析。同时，充分利用分层监测数据采集密度大、精度高的特点，通过地面沉降监测站内布设的分层标和分层地下水位观测及采集的监测数据分析，获取不同深度土体的变形量、相应含水层的水位和孔隙水压力变化，进一步分析土体的变形特征[3]，以期对北京东部地区地面沉降发育特征进行多尺度、多维度分析。
1 地质背景
研究区为平原区，地质背景条件相对简单。研究区位于永定河冲洪积扇和潮白河冲洪积扇边缘，从该地区典型工程地质剖面（图1）可以看出，地表以下30m深度范围内除表层为人工堆积层外，其下为第四系新近沉积层及一般第四系冲洪积沉积层，其中存在两层较厚的砂类土，且从西到东砂类土增多变厚，埋深相对变浅，地层岩性为多层黏性土与砂层互层，含水层和隔水层相互间隔分布[4]
。
图1    工程地质剖面
Fig.1  Engineering geological section
与此同时，地面沉降的发育与地层结构、岩性及地下水的超量开采密切相关[5]。金盏—楼梓庄—黑庄户地区位于永定河、温榆河联合冲洪积平原的中下部，可压缩层厚度较大，由浅至深可分为三个压缩层组（图2），第四系孔隙含水层层次较多，其中砂砾石层与黏性土层均匀间隔分布。大部分地区可压缩层厚度超过120m，最大厚度出现在金盏—楼梓庄一带，超过210m，地下水过度开采极易诱发地面沉降的发生发展。
基金项目: 北京市财政重点项目
PXM2019_158305_000012)
doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2021.01.002
图2    金盏—楼梓庄—黑庄户一带可压缩层总厚度图Fig.2  Chart of total thickness of compressible strata
in Jinzhan-Louzizhuang-Heizhuanghu area
2 东部沉降中心地面沉降变化规律研究
2.1 沉降速率变化规律
北京东部沉降区是北京市近十几年来年沉降速率最大的地区：北部朝阳金盏—东坝—楼梓庄沉降区[5]，2019年最大年沉降速率为96mm/a；南部包括朝阳黑庄户至通州城区—张家湾—台湖—次渠沉降区，最大年沉降速率为79mm/a；这两片区域又以40mm等值线连成一片，面积达288km2。根据以往年度水准测量监测成果，该区地面沉降影响范围呈现先增大后减小的趋势，在2013年前后影响范围最大，超过490km2（图3）。
多年地面沉降监测情况表明，东部地区形成了三个沉降中心[6]，沉降速率最高的中心位于朝阳金盏、黑庄户、三间房地区，该中心共同构成了东部重点沉降区。由各沉降中心历年沉降速率可以看出（图4），该中心沉降速率在2012年达到峰值，年最大沉降量接近160mm，2012年之前，沉降速率整体呈增大趋势，2012年之后，沉降速率呈现减缓的趋势，但整体沉降量依然较大。2008~2009年的最大年沉降量分别为134mm和137mm，出现在金盏地区；2010~2015年各年度最大年沉降量分别为135mm、128mm、159mm、143mm、144mm和138mm，均出现在黑
庄户地区；2016~2019年各年度最大年沉降量出现在金盏地区，为131mm、129mm、118mm和96mm。自2008年以来，北京地面沉降发展最快的地区在金盏和黑庄户两地交换出现。与此同时，三个沉降中心变化趋势也完全一致，在2012~2013年度沉降速率达到最大值，与北京地区整体地下水开采量较高有明显的相关性。随着2014年南水进京后，地面沉降速率开始呈现减缓的趋势。2.2 地面沉降垂向形变贡献对比分析
东部沉降区研究范围主要涉及朝阳区与通州区，与研究范围相近的地面沉降监测站主要有天竺站、望京站和王四营站。
依据各监测站监测成果进行地面沉降垂向变化特征对比分析：2019年，3个地面沉降监测站沉降量均减小。2019年和2018年的浅部地层（约100m
以浅地层）平均贡图3    金盏—楼梓庄—黑庄户一带沉降速率≥40mm/a的范围及
面积变化
Fig.3  Variations of range and area of sedimentation rate ≥40 mm/a
in Jinzhan-Louzizhuang-Heizhuanghu area
图4    2006~2019年东部沉降中心沉降速率变化曲线
Fig.4  Diagram of subsidence rate of the eastern subsidence center
in 2006~2019
献率分别为1.58%和20.22%，深部地层（约100m以深地层）平均贡献率分别为98.42%和79.78%。各监测站地层的垂向变化特征表现为100m（左右）以深地层贡献量大于浅部地层，王四营站浅部地层出现回弹。其中，3个地面沉降监测站深部地层（约100m以深地层）沉降贡献量分别为：天竺站94.61%、望京站83.73%、王四营站131.32%。与上年（2018年）同期相比，各站深部地层沉降贡献量同比均增大，其中，天竺站由2018年的75.89%增至2019年的94.61%；望京站由77.95%增至83.73%；王四营站由86.11%增至131.32%（表1）。
表1    东部地面沉降监测站2019和2018年度分层标100m（左右）
上下地层贡献量对比
Table 1  Comparison of contribution of strata in every ~100 m from monitoring
天竺站14.27 25.00
102m以下13.50 18.97 94.61 75.89
望京站
0~99m  3.40
20.87
5.19
23.52
16.27 22.05 99m以下17.47 18.33 83.73 77.95
王四营站
0~94m-3.44
10.97
3.08
22.20
-31.32 13.89 94m以下14.40 19.11 131.32 86.11
浅部地层平均值0.24
15.37 4.77
23.57
1.58 20.22
深部地层平均值15.12 18.81 98.42 79.78
通过对站内分层标和地下水位长时间序列数据系统分析发现：北京地区地下水开采层位已经由浅部转向深层承压水，随着开采层位的变化，地面沉降发育层位也发生了明显的变化，地面沉降主要贡献层位从100m以浅逐渐向100m以深地层转移。对比分析东部三个监测站历年深部和浅部地层贡献量可以看出（图5），从2005年监测以来，这三个站地面沉降发育层位与地下水开采层位有着明显的一致性，特别是100m（左右）上下地层，这一规律尤为明显：2005~2007年，100m以深地层的沉降量占总沉降量的比重为50%左右，此后100m以深地层沉降占比呈现出逐渐增大的趋势，从2008年60%左右上升到2019年的90%左右，浅部地层压缩占比则逐年递减。多年监测成果表明：研究区内主要地面沉降层位已向深部地层转移，与地下水开采层位变化相关性明显，其变化特征与调查结果也基本吻合。目前该地区地下水开采主要集中在深部地层，地下水开采井井深大部分都在200~300m，这也导致深部地层及其压缩成为地面沉降的主要贡献层位。
3 东部沉降中心地下水位动态变化规律研究
地面沉降的主要影响因素是深层地下水的开采[7]，而北京地区地下水位动态变化则受气候、水文、含水层空间结构等因素影响较大。北京地区从1999~2010年，处于连续枯水年，导致地下水位普遍下降。2011年至今，降雨量有所增加，部分区域潜水层水位有所回升，但中深部承压水位受超量开采地下水影响，大部分地区承压水位仍表现为下降状态。3.1 监测井地下水位变化规律
金盏—楼梓庄—黑庄户一带地面沉降之所以较其他区域发育严重，一个很重要的因素是该地区地下水开采以深层地下水为主，而深层地下水开采后不易补给，深层承压水水头持续下降。特别是2000年以后，北京地区降水量明显减少，而地下水开采量却逐年增加，造成地下水位持续下降。为了满足生活用水的需求，开采井深度都在200~300m，我们选取区内四口典型深层地下水监测井作为研究对象（图6），由图可知，区内深层承压水水头持续下降，2004年以来最大下降速率超过2~3m/a，近15年来，地下水位下降最大达到25m之多，但近年水位下降呈明显减缓
的趋势。
图6    黑庄户—金盏—楼梓庄沉降区内深层地下水年均水位
变化曲线
Fig.6  Curve of the average annual water level of deep groundwater
in subsidence area of Heizhuanghu-Jinzhan-Louzizhuang
东郊牛场、楼梓庄位于金盏沉降中心，八里桥、大鲁店位于黑庄户沉降中心，由水位变化曲线可知，从2017年开始，水位开始呈现上升趋势，最大升幅达2~3m。这与近年沉降中心区大部分村落实施棚改政策，人口的疏解极大地减少了当地地下水开采量，成为地下水位出现回升的一个主要原因。
与此同时，金盏—楼梓庄—黑庄户附近的天竺、望京和王四营地面沉降监测站的分层监测资料显示，深部地层压缩量占地面沉降总量的90%以上，这与深层承压水的过度开采且不易恢复密切相关。深层承压水水头的大幅下降，
使的深部地层以较快的速度不可逆地持续压缩，且受土层图5    天竺望京王四营站2005~2019年深部地层贡献量对比Fig.5  Comparison diagram of contribution from deep strata in Tianzhu,            Wangjing, and Wangsiying stations (2005~2019)
变形的塑性和蠕变性影响，即使深层承压水水头停止下降，深部土层的压缩还会持续相当长的时间。
区内主要有朝阳金盏—楼梓庄—管庄—朝阳农场沉降区和朝阳三间房—丁家围—黑庄户—通州城区—张家湾—台湖沉降区，目前两个沉降区逐渐扩张，将连成一片。该区目前的主要开采深度均在200~30
0m ，以中深层和深层承压水为主。供水井集中分布在金盏—楼梓庄—东坝—长营—黑庄户—台湖—梨园一带，该地区已经出现明显的水位降落漏斗。
从该地区2006~2019年地下水动态曲线（图7、图8）可以看出，主要沉降层对应的地下水头在2016年之前呈下降趋势，2017年地下水头开始回升，2018年和2019年地下水头上升趋势较为明显。但由于这些地区自来水管网并未完全覆盖，且伴随着东部地区的快速发展及城市副中心的建设，预计在未来一段时期内，深层承压水仍会持续开发利用，该地区仍将是北京平原地面沉降最为迅速的区域之一。随着朝阳、通州等地自备井置换工程以及“棚户区改造和环境整治项目”的开展，对该地区地面沉降的发展会起到一定的缓解作用，预计未来该区域地面沉降速率将会较近年有所减缓。由于该区域内地下水开采深度大，浅部地层中黏性土层多，即使出现降水量增加、地表水源补给量增加的情况，该地区中深层和深层承压水的补给也会相当困难，考虑到地面沉降不可逆性，沉降速率仍会保持
在较大值。
图7    朝阳区楼梓庄监测井水位动态曲线（2006~2019年）
Fig.7  Dynamic curve of water level from monitoring well            in Louzizhuang, Chaoyang District (2006~2019)
3.2 东部沉降中心年际地下水降落漏斗变化规律
区域地下水降落漏斗也称区域地下水漏斗，是由于集中开采地下水，导致集中开采区的地下水位下降，从而使周边地下水流场发生改变，周边地下水向集中开采区流动，形成区域性漏斗凹面[8]。
北京地区建有各含水层组的分层监测系统，根据2019年监测数据，绘制出含水层组的地下水头流向，并结合GIS 绘制出北京市平原区2019年地下水降落漏斗分布图（图9），不难发现，东部沉降中心是各层地下水降落漏斗发育最为严重的地区，特别是天竺、金盏、楼梓庄、管庄地区，
是各层地下水降落漏斗都有发育的地区，除此之外，东部通州地区第二、三、四含水层组由于集中开采地下水导致的降落漏斗也比较发育，降落漏斗区也恰是地面沉降最为严重的地区，地面沉降发育的地区与地下水降落漏斗形成的区域基本吻合，进一步说明集中大量开采地下水加剧了
地面沉降的发生。
图9    北京市平原区2019年地下水降落漏斗分布
Fig.9  Distribution map of groundwater depression cone in plain area
of Beijing (2019)
东部沉降中心区第一含水层组降落漏斗主要为顺义天竺漏斗，该漏斗形成于2009年，目前漏斗面积大致200km 2，漏斗中心的水位埋深为28.3m 。东部沉降中心区第二含水层组降落漏斗主要为天竺—通州漏斗，该漏斗形成时间较早，形成于上世纪七十年代中期，目前漏斗区面积大致800km 2，漏斗中心的水位埋深为48.73m 。东部沉降中心区第三含水层组降落漏斗也主要为天竺—通州漏斗，目前漏斗区面积大致860km 2，漏斗中心的水位埋深为58.92m 。东部沉降中心区第四含水层组降落漏斗主要为通州张家湾漏斗，该漏斗区面积大致630km 2，漏斗中心的水位埋深为70.00m
。
图8    通州区通县一中监测井水位动态曲线（2006~2019年）
Fig.8  Dynamic curve of water level from monitoring well in No.      1 middle school of Tongxian, Tongzhou District (2006~2019)
4 东部沉降中心地面沉降与地下水位动态变化时空关系研究
4.1 地下水动态变化与地面沉降形成过程
北京市的地下水开发利用从解放后到现在可分为5个阶段：初步开发阶段、开采增加阶段、开采控制阶段和严重超采阶段[9]。按不同时期地面沉降区的变化范围、面积、沉降量和沉降速率等特征，北京市地面沉降的形成发展过程划分为4个阶段：形成阶段、发展阶段、扩展阶段、快速发展阶段[10-11]（表2）。从两者发展阶段的对应分析可以看出，地面沉降受地下水开采程度的变化影响明显，发展阶段高度对应，但地面沉降由快速发展向逐渐减缓发展的态势较地下水压、减采进度相对滞后[12-13]。
表2    北京市地下水开采与地面沉降的时间演化对比
Table 2  Comparison of temporal evolution between groundwater
20世纪50年代—70年代初初步
开发
采量约为10×108m3/
a。采补基本平衡，
城近郊局部地区出
现超采。
形成
郊地区出现地面沉降，年
沉降速率在几毫米到20多毫
米。累计沉降量大于50mm的
区域面积约为400km2。
20世纪70年代中期—80年代初开采
增加
开采量在25~28×108
m3/a。地下水呈负
均衡，储变量亏损
逐年连续增大。城
近郊区严重超采。
发展
东郊地面沉降区发展扩
大，形成大郊亭和来广营
两个沉降中心。沉降速率
在18~30mm/a，累计沉降量
大于50m m的区域面积约为
600km2。
20世纪80年代初—90年代末开采控制
地下水开采相对稳
定，年均开采量约
为26×108m3/a。地
下水采补出现新一
轮的动态平衡，但
与60年代的天然状
态相比，累计储变
量仍亏损。东郊地
区开采量减少，其
它郊区县开采量增
加。地下水超采区
占平原区面积超过
70%。
扩展
形成了朝阳东八里庄-大郊
亭、朝阳来广营、昌平沙
河—八仙庄、大兴榆垡-礼
贤和顺义平各庄五个大沉降
区。东郊和东北郊地面沉降
区沉降速度减缓，年沉降速
率小于20mm/a。昌平沙河—
八仙庄和大兴礼贤-榆垡沉
降区沉降中心最大沉降速率
在19~24mm/a。累计沉降量
大于50m m的区域面积约为
2815km2。
20世纪90年代末
至今
严重
超采
（2012年
之前）
地下水开采量稳
中有降，从2000
年的27.08×108m3
下降到2014年的
19.6×108m3。但连
续14年干旱，地下
水仍呈负均衡，地
下水超采区占平原
区面积超过90%。快速
发展
进入20世纪以来，由于连年
干旱，水资源短缺，地下
水位连续下降，使地面沉降
快速发展。各沉降中心速率
在2008年有所减小，之后的
2009年和2010年明显增大，
2011年部分减小，2012年大
幅度增大。近年来，随着地
下水压采减采，地下水位快
速下降的趋势有所缓解，
2019年平原区年沉降速率大
于50mm的面积为330km2，相
比2012年，减小了392km2，
区域地面沉降速率由2012年
的25.5mm/a下降至2019年的
13.24mm/a。但最大年沉降速
率仍达到96mm/a，仍出于快
速发展阶段
压采
减采
（2012年
之后）
地下水开采量逐
渐减少，从2010年
的21.2×108m3逐
渐下降到2019年的
15.95×108m3，地
下水供水量占整体
供水比例下降到
42%。
4.2 地下水降落漏斗与地面沉降中心区关系
东部沉降中心地下水降落漏斗与地面沉降漏斗相辅相成，经过多年地下水开采，地下水漏斗呈逐年扩大的趋势，深度也呈现出逐年增加的趋势。我们根据近些年地下水位变化规律和地面沉降发育规律，分别绘制出2017年北京地区地下水漏斗以及1955~2017年的累计地面沉降中心区（图10），从图中可以发现，二者变化趋势和重合程度基本一致，东部沉降中心区恰好位于地下水漏斗分布范围内。东部沉降中心区开采含水层都位于四层（三层承压含水层，底板埋设300m）含水层地下水降落漏斗发育区，说明地下水开采主要集中在深层承压水，进而导致的地面沉降发育也主
要集中在深层地下水漏斗范围内。
图10    深层地下水漏斗（2017年）和地面沉降中心区
（1955~2017年）拟合
Fig.10  Comparison of groundwater depression cone from the
main strata of water exploitation (2017) and land
subsidence center (1955~2017)
4.3 监测井地下水位与沉降中心速率变化关系
对东部沉降中心区域代表性地下水监测井进行分析，东郊牛场、楼梓庄位于金盏沉降中心，八里桥、大鲁店位于黑庄户沉降中心，由水位变化曲线可知（图11），2014年南水进京前，由于地下水的持续开采，地下水位下降明显，4口地下水监测井地下水位呈快速下降趋势，15年间水位降幅达到25m左右，2014年南水进京后水位下降呈明显减缓趋势，与此同时，地面沉降速率也呈减缓趋势。沉降中心区大部分村落从2017年开始实施棚改政策，大部分村落都进行了拆迁安置，人口的疏散极大地减少了当地地下水
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开采量，分析这是地下水位出现回升的一个主要原因。
图11    东部沉降中心水位标高与沉降速率关系
Fig.11  Relationship between water level elevation and subsidence            rate in the eastern subsidence center

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