北京南部地區(qū)地面沉降發(fā)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(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京100195；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京100195）

北京南部地區(qū)地面沉降發(fā)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(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京100195；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京100195）

本文總結(jié)了北京市南部地區(qū)地面沉降的發(fā)育特征，主要對(duì)區(qū)內(nèi)地面沉降的歷史、現(xiàn)狀和垂向發(fā)育特征,進(jìn)行了總體描述，分析了地面沉降成因，對(duì)區(qū)內(nèi)今后的工程建設(shè)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(qū)的高速發(fā)展，為南部地區(qū)的發(fā)展預(yù)留了巨大空間。隨著大興新城的規(guī)劃建設(shè)，南部發(fā)展逐漸升溫。據(jù)悉，即將開工的首都第二機(jī)場將落戶大興區(qū)南部。機(jī)場的建設(shè)和運(yùn)營將進(jìn)一步促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)?？梢灶A(yù)計(jì)：北京南部將迎來加速發(fā)展的大好時(shí)機(jī)，可能成為首都經(jīng)濟(jì)發(fā)展的又一個(gè)重要引擎。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，將對(duì)地質(zhì)環(huán)境的承載能力提出更高的要求。為減少地質(zhì)災(zāi)害對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的危害，提前開展災(zāi)害研究是非常重要的。地面沉降作為北京平原區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害之一，在南部地區(qū)廣泛分布。多年的地面沉降監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：北京市平原區(qū)地面沉降分布呈南北兩個(gè)大區(qū)，南區(qū)主要分布在東南召 葫蘆垡 黃村 孫村 青云店 采育 小務(wù)一線以南至北京市邊界。從成因上看，地面沉降的成因是復(fù)雜的，不同的地質(zhì)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(jié)壓密、地面建筑物大量堆積和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等。對(duì)于北京市平原區(qū)地面沉降的成因，眾多的研究成果均認(rèn)為：地層巖性及結(jié)構(gòu)特征是產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)背景，地下水過量開采是地面沉降產(chǎn)生的直接誘因[1~5]。但同時(shí)，對(duì)于北京南部的榆垡等地區(qū)，許多專家也提出了疑問：北京南部地區(qū)城市化進(jìn)程相對(duì)緩慢，地下水開采量可能并不大，如此快速發(fā)展的地面沉降災(zāi)害可能與之不匹配，會(huì)不會(huì)是其它原因主導(dǎo)了該區(qū)域地面沉降呢？

1 區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)育特征

1.1 發(fā)育歷史

北京地區(qū)地面沉降專門測(cè)量始于2004年，之前的沉降數(shù)據(jù)主要是測(cè)繪部門建立的市 高程基準(zhǔn)網(wǎng) 定期測(cè)量獲得的。由于歷史上高程基準(zhǔn)測(cè)量的復(fù)測(cè)周期較長，所得數(shù)據(jù)為多年沉降數(shù)據(jù)的累積變化量，再平均得到各年沉降量。根據(jù)這類數(shù)據(jù)可以得知：該區(qū)地面沉降形成于上世紀(jì)70年代后期；1983 1987年，區(qū)內(nèi)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(jì)沉降量達(dá)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(cè)量網(wǎng)的監(jiān)測(cè)資料獲得了區(qū)內(nèi)各年地面沉降量。2006年區(qū)內(nèi)最大沉降量達(dá)到58mm, 最大累計(jì)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(dá)到78.70mm/a,見圖1。

可見，區(qū)內(nèi)地面沉降經(jīng)歷了不同的發(fā)育階段。70年代后期至80年代初為地面沉降的發(fā)生階段，這一時(shí)期，區(qū)內(nèi)開始發(fā)生地面沉降，地面沉降量較小，沉降區(qū)面積不大，沉降主要發(fā)生在禮賢、定福莊 趙村和榆垡等個(gè)別地區(qū)。80年代中期，區(qū)內(nèi)地面沉降進(jìn)入發(fā)展時(shí)期，其特點(diǎn)主要為：地面沉降量增大，最大年沉降量大于30mm，累計(jì)沉降量持續(xù)增加，地面沉降發(fā)育地區(qū)不斷擴(kuò)張，沉降區(qū)沿禮賢、定福莊 趙村和榆垡周邊擴(kuò)展，沉降區(qū)面積不斷增加。1988 1998年，區(qū)內(nèi)地面沉降減緩，沉降量減小，沉降區(qū)面積變化較小。1999年以后，區(qū)內(nèi)地面沉降進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，1999年至2005年是地面沉降發(fā)育區(qū)面積快速擴(kuò)展的時(shí)期，這期間，地面沉降幾乎擴(kuò)展至區(qū)內(nèi)具備地面沉降發(fā)育條件的所有地區(qū)，地面沉降平面發(fā)育形狀基本成型；2006年以后，地面沉降向縱深發(fā)展，禮賢、定福莊趙村和榆垡地區(qū)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(jì)地面沉降量迅速增大，地面沉降發(fā)育嚴(yán)重的地區(qū)面積不斷擴(kuò)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(fā)育現(xiàn)狀

從區(qū)內(nèi)布設(shè)的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)資料分析，并參考InSAR監(jiān)測(cè)成果獲得了區(qū)內(nèi)地面沉降水平發(fā)育現(xiàn)狀。目前，南部地面沉降發(fā)育區(qū)面積近1000km ,區(qū)內(nèi)地面沉降與北京市北部地面沉降區(qū)聯(lián)系日趨緊密，自1955年以來累計(jì)地面沉降量大于100mm的區(qū)域已經(jīng)將南北地面沉降區(qū)連成一片，累計(jì)沉降量大于200mm的南部地面沉降區(qū)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(dá)北京市邊界。年沉降量大于50mm的區(qū)域主要分布在禮賢、趙村和榆垡以南，呈現(xiàn)出一種三足鼎立之勢(shì)。3個(gè)沉降區(qū)均直抵北京市界，與河北相鄰地區(qū)聯(lián)系在一起。其中，禮賢地區(qū)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(jì)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)：多年累計(jì)沉降量大于200mm的地區(qū)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(qū)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(jì)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?？梢?，區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)育面積廣、發(fā)育程度高，趙村定福莊和禮賢地區(qū)是沉降的中心區(qū)域，地面沉降主要圍繞沉降中心向外擴(kuò)展，沉降的發(fā)育直達(dá)北京市邊界，與相鄰的河北地區(qū)聯(lián)系緊密。

圖2 北京大興地區(qū)2010年地面沉降量等值線

圖3 北京大興區(qū)1955-2010年累計(jì)地面沉降量等值線

1.3 垂向發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)榆垡地面沉降監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)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(qū)榆垡（位置見圖2），由于其獨(dú)特的地理位置，在該沉降區(qū)內(nèi)具有很好的代表性。站內(nèi)埋設(shè)基巖標(biāo)一座，分層標(biāo)7座[6]，假定基巖標(biāo)不動(dòng)，分層標(biāo)與基巖標(biāo)監(jiān)測(cè)值比較后獲得各目標(biāo)層沉降值[7]。見圖4。自2008年6月底開始有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以來，截止到2010年9月底，累計(jì)沉降量約為81mm。其中，116m以上埋設(shè)5個(gè)分層標(biāo)（F1~F5），分為4個(gè)監(jiān)測(cè)層，四層沉降量之和約為62mm，占總沉降量的77%；53m以上的2個(gè)監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)站資料統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為不同時(shí)代地層的地面沉降貢獻(xiàn)率是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的指標(biāo)，但該站近年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均顯示出100m以淺，尤其是50m以淺地層沉降量大，沉降貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于深部地層。

圖4 榆垡站基巖標(biāo)—分層標(biāo)垂向分布示意圖

2 成因分析

正如前文所述，由于發(fā)展的原因，該區(qū)內(nèi)建筑物密度不大，高層建筑相對(duì)較少，建筑物荷載對(duì)地面沉降影響有限。在構(gòu)造方面，沉降區(qū)位于大興迭隆起和固安 武清新斷陷兩個(gè)三級(jí)構(gòu)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(qū)內(nèi)地面沉降量最大的禮賢地區(qū)，但沉降區(qū)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(dòng)斷裂，因此從現(xiàn)有資料上基本可以判斷：該區(qū)地面沉降受活動(dòng)構(gòu)造影響的可能性較小。

2.1 地層因素

從地層上看：本區(qū)位于永定河沖洪積平原的中下部，第四系沉積物顆粒較細(xì)，第四系沉積厚度300~450m。200m以上由粘性土、粉土構(gòu)成的可壓縮層厚度達(dá)到120m以上。榆垡站地層主要為：0~27.5m,粉質(zhì)粘土；27.5~31.4m,粉砂；31.4~46.0m，粉質(zhì)粘土；46.0~50.1m，粉細(xì)砂；50.1~60.2m，粉質(zhì)粘土；60.2~79.8m，中砂；79.8~95.1m，粘土夾粉質(zhì)粘土；95.1~98.9m，中砂；98.9~162.7m，粉質(zhì)粘土；162.7~169.5m，中粗砂；169.5~204.9m，粉質(zhì)粘土。可見，該站上段地層主要以較細(xì)顆粒為主，尤其在50m以上，細(xì)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(xì)的粉砂和粉細(xì)砂組成；200m以上地層中，粘性土占比也高達(dá)83.3%。較厚的細(xì)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(bǔ)給。而該地區(qū)位于沖洪積平原的中下部，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含水層和隔水層交錯(cuò)，含水層間水力聯(lián)系較弱。這些特點(diǎn)，均有利于地面沉降的發(fā)生，并使得區(qū)內(nèi)地面沉降對(duì)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(dǎo)致較大的地面沉降）。

2.2地下水

大氣降水是區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源之一。上世紀(jì)70年代以前，區(qū)內(nèi)降水相對(duì)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(qū)許多小洼地，在降水量集中月份積水成災(zāi)，均形成地下水的補(bǔ)給來源。其次，區(qū)內(nèi)永定河等地表徑流，都不同程度的補(bǔ)給地下水。這期間，由于地下水補(bǔ)給來源較豐富，地下水通常處于平衡狀態(tài)，即便在普通的干旱年后也能恢復(fù)，客觀上形成了旱年取水澇年補(bǔ)，旱季取水雨季補(bǔ)的自然調(diào)節(jié)狀態(tài)。[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(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來源越來越少，逐步形成了主要靠大氣降水的相對(duì)單一模式。針對(duì)地表水的逐步枯竭，區(qū)內(nèi)農(nóng)作物種植相應(yīng)發(fā)生變化，需水量大的水稻種植面積逐漸減少。這一時(shí)期，地下水開采量略大于補(bǔ)給量，由于降水量較穩(wěn)定，需水量小幅穩(wěn)定增加，超采地下水的情況平穩(wěn)持續(xù)的發(fā)展，80年代末至90年代末，由于降水量較大，農(nóng)業(yè)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(bǔ)給過分依賴于大氣降水的情況下，1999年以后，出現(xiàn)了連續(xù)干旱年。降水量持續(xù)低于多年平均降水量，地下水補(bǔ)給量銳減；同時(shí)，由于缺乏其它水源，農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水和生活用水很大程度上依賴地下水，導(dǎo)致地下水開采量增加，補(bǔ)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(tǒng)計(jì)顯示：大興區(qū)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(qū)地下水超采量平均每年近3000萬m 。過量開采導(dǎo)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(qū)地下水位總體呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢(shì)，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(qū)枯水年，而隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(qū)地下水埋深變化圖

由于具備上述有利于地面沉降發(fā)生的地層條件，地下水位的下降過程，正是地面沉降發(fā)生和發(fā)展的過程。70年代以前，地下水位基本呈天然狀態(tài)，幾乎不發(fā)生地面沉降。這一階段的地層情況也證實(shí)：在天然地下水位狀態(tài)下，區(qū)內(nèi)地層自身固結(jié)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(bǔ)給量，地下水位開始下降，地面沉降也隨之發(fā)生。當(dāng)永定河斷流后，地下水開采量持續(xù)大于補(bǔ)給量，地下水位持續(xù)下降，地面沉降持續(xù)發(fā)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(xù)干旱年中，地下水位加速下降，地面沉降快速發(fā)展?？梢灶A(yù)計(jì)，未來隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，在持續(xù)干旱和沒有外來水源的情況下，地下水開采量將進(jìn)一步增大，地面沉降將進(jìn)一步加速。

從榆垡站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(shì)一致。水位年內(nèi)出現(xiàn)周期性變化，地面沉降持續(xù)發(fā)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(biāo)與深層承壓水對(duì)比曲線圖

綜上所述，北京南部地區(qū)地面沉降受到地層自身固結(jié)壓密、建筑物荷載和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素的影響較小。區(qū)內(nèi)地面沉降的發(fā)育歷史，正是地下水超采史，地面沉降的發(fā)育與地下水超采向一致，區(qū)內(nèi)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(jié)構(gòu)特征是產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)背景。而區(qū)內(nèi)持續(xù)干旱少雨的天氣和永定河斷流是地下水補(bǔ)給不足而導(dǎo)致超采的重要原因。

3 結(jié)論

北京南部地區(qū)是北京市主要地面沉降區(qū)之一，區(qū)內(nèi)地面沉降經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)生、發(fā)展、減緩和高速發(fā)展的階段。目前，該區(qū)處于高速發(fā)展時(shí)期，沉降速率和累積沉降量均較大。區(qū)內(nèi)地面沉降以趙村 定福莊和禮賢為中心，最大沉降發(fā)生在禮賢地區(qū)，累計(jì)沉降量最大已超過1m。監(jiān)測(cè)資料顯示：近年區(qū)內(nèi)地面沉降主要貢獻(xiàn)層為其淺部地層，尤其是50m以上地層。南部沉降區(qū)地面沉降主要是超采地下水造成的，而區(qū)內(nèi)地層巖性及結(jié)構(gòu)特征是其重要地質(zhì)背景。南部地區(qū)布設(shè)有監(jiān)測(cè)站、GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)、水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)等地面沉降監(jiān)測(cè)設(shè)施，近年開展的InSAR監(jiān)測(cè)也覆蓋該區(qū)域?？梢姡瑓^(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)施比較完善，提供了大量監(jiān)測(cè)資料，能夠完成大范圍地面沉降監(jiān)測(cè)任務(wù)。

4 建議

鑒于北京市南部地區(qū)地面沉降的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，在區(qū)內(nèi)開展工程建設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮到地面沉降對(duì)工程項(xiàng)目的影響和工程本身可能造成的地面沉降。尤其是在區(qū)內(nèi)開展較大規(guī)模的工程建設(shè)時(shí)，盡可能開展地面沉降專門調(diào)查與研究，適當(dāng)加密監(jiān)測(cè)設(shè)施，配合已有的區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)重點(diǎn)地區(qū)地面沉降開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，盡量減少地面沉降帶來的損失。控制沉降區(qū)內(nèi)地下水開采，節(jié)約用水，控制新建工程在建設(shè)和使用中帶來的地面沉降災(zāi)害。由于區(qū)內(nèi)地面沉降與河北相鄰地區(qū)聯(lián)系緊密，在今后的地面沉降研究中，應(yīng)加強(qiáng)與河北相關(guān)地區(qū)的聯(lián)系。

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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(cái)政項(xiàng)目“北京市地面沉降運(yùn)行”（國土京環(huán)[2004]75）；中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“華北平原（北京）地面沉降監(jiān)測(cè)與防治綜合研究”（121201084044）

羅勇（1979-），男，在職碩士，工程師，水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)，主要從事地面沉降、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、評(píng)估與研究工作。Tel：010-51560311，E-mail：luoyonghl@126.com