北京新航城地區(qū)基于地面沉降防治目標(biāo)的地下水開(kāi)采方案

王 榮,羅 勇,田苗壯, 田 芳,楊 艷,劉歡歡

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2.首都師范大學(xué)，北京 100048)

0 引言

北京新機(jī)場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目已于2012年12月22日獲國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，建設(shè)地址位于北京市大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)、禮賢鎮(zhèn)以及河北廊坊廣陽(yáng)區(qū)之間的地塊。大興新機(jī)場(chǎng)位于北京地面沉降發(fā)育區(qū)[1]，且新機(jī)場(chǎng)的建設(shè)使得大興地區(qū)需水量激增，沉降面臨的形勢(shì)更為嚴(yán)峻[2]，另一方面，地面沉降對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施、軌道交通、管道等線性工程的安全運(yùn)行具有一定的危害和影響[3]。因此如果新航城在當(dāng)?shù)乩^續(xù)大規(guī)模超采地下水，不僅可能造成更大范圍地面沉降，更可能對(duì)新機(jī)場(chǎng)、新航城的建設(shè)發(fā)展帶來(lái)不可估量的破壞性后果。為了保障新機(jī)場(chǎng)、新航城財(cái)產(chǎn)、設(shè)施安全可靠發(fā)展建設(shè)，有必要優(yōu)化全區(qū)地下水開(kāi)采布局和規(guī)模，盡量減少新航城區(qū)域內(nèi)的地下水開(kāi)采，控制地面沉降快速發(fā)展的勢(shì)頭。本文在分析了大興新航城地區(qū)水文地質(zhì)背景及地面沉降特征的基礎(chǔ)上，利用地下水流-地面沉降模型，預(yù)測(cè)了以《北京市地面沉降防治規(guī)劃（2013-2020年）》為目標(biāo)，新航城地區(qū)2020年實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)的地下水開(kāi)采方案。

1 研究區(qū)含水層特征及沉降概況

1.1 含水層結(jié)構(gòu)

研究區(qū)位于大興東南和河北廊坊市交界處（圖1），第四系沉積物受基巖地質(zhì)構(gòu)造、氣候變化和永定河、潮白河為主的河流作用控制。區(qū)內(nèi)松散層為沖積相或沖洪積相的砂石、礫石、卵石和粘土構(gòu)成，巖性和厚度變化體現(xiàn)了沖洪積平原的特征。第四系含水層巖性自西北向東南逐漸變細(xì)，層次變多，含水層厚度隨基底起伏而變化。永定河?xùn)|岸立垡一帶，含水層為單一的砂礫石層；北部地區(qū)含水層為砂礫石層為主，中細(xì)砂次之；往東南顆粒明顯變細(xì)，主要以中細(xì)砂層為主，砂礫石層較薄（圖2）。

考慮到不同開(kāi)采目的對(duì)應(yīng)的深度范圍，選取相對(duì)穩(wěn)定的弱透水層作為含水層組的頂?shù)装暹M(jìn)行劃分。基于實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水水力聯(lián)系，結(jié)合地下水開(kāi)發(fā)利用，對(duì)工作區(qū)第四系地層中的含水層、弱透水層進(jìn)行組合，在垂向上劃分出4個(gè)含水層組[4]。

I 第一含水層組

廣泛分布于永定河沖洪積扇中下部，底板埋深25m左右，屬潛水，巖性組合為中細(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土。該層地下水接受大氣降水、農(nóng)田灌溉入滲和河流入滲等補(bǔ)給，與第二含水層組水力聯(lián)系密切。

II 第二含水層組

含水層組底界深度為80~100m，分布廣泛，巖性組合由多層砂、粉質(zhì)粘土、粘性土組成。該層在開(kāi)采條件下，可得到上部潛水的越流補(bǔ)給，地下水流動(dòng)主要以水平徑流為主，地下水消耗以農(nóng)業(yè)開(kāi)采為主。

III 第三含水層組

在永定河沖洪積扇含水層組底板埋深150~180m，含水層主要由多層砂、粉砂構(gòu)成，累計(jì)厚度5~20m左右。該層地下水主要以水平徑流為主，接受少量的側(cè)向補(bǔ)給和越流補(bǔ)給，地下水開(kāi)采主要用于生活及工業(yè)用水。

IV 第四含水層組

第四含水層組底界為第四系基巖，含水層組巖性以砂為主。該層與上層含水層水力聯(lián)系相對(duì)較弱，歷史上該層地下水開(kāi)采程度低，近年來(lái)其開(kāi)采程度有所增加，地下水開(kāi)采主要用于生活用水。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 區(qū)域地面沉降概況

大興區(qū)地面沉降區(qū)主要指大興禮賢-榆垡沉降區(qū)，該沉降區(qū)位于大興區(qū)南部，西起永定河沿線，東至青云店、安定，北至大興城區(qū)南部，南與河北省接壤。

圖2 第四系含水層剖面圖A（剖面A-A'）

大興禮賢-榆垡沉降區(qū)形成于上世紀(jì)四五十年代，60年代到90年代初期持續(xù)下降，到上世紀(jì)末本世紀(jì)初期，地面沉降下降速率加快。

大興榆垡-禮賢沉降區(qū)隨著沉降的繼續(xù)沉降中心（趙村、小馬坊、禮賢）累計(jì)沉降量繼續(xù)增加，并且沉降區(qū)往西、往北緩慢擴(kuò)展。在西北部，250mm的累計(jì)沉降量等值線跨越永定河河道，南部局部地區(qū)600mm的累計(jì)沉降量等值線跨過(guò)永定河道，50mm的累計(jì)沉降量等值線接近良鄉(xiāng)-竇店一帶；在北部，200mm的累計(jì)沉降量等值線已經(jīng)接近大興城區(qū)。

大興區(qū)地面沉降形成的主要原因是由于地下水長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采[5]~[6]，導(dǎo)致地下水位大幅下降引起地面沉降及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)共同作用的結(jié)果。上世紀(jì)末到本世紀(jì)初期，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，地下水大量開(kāi)采是造成地面沉降快速發(fā)展的因素之一，近幾年開(kāi)采量減少后地面沉降速率有所緩解。此外，鄰近河北廊坊地區(qū)城市建設(shè)快速發(fā)展、大量開(kāi)采深層地下水，導(dǎo)致下游地下水位急劇下降也是大興區(qū)南部地面沉降以較快速度發(fā)展的一個(gè)潛在影響因素。

1.3 分層壓縮特征

北京市地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的榆垡監(jiān)測(cè)站[7]位于大興新航城范圍內(nèi)。榆垡地面沉降監(jiān)測(cè)站分層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)分層沉降具有3個(gè)顯著特點(diǎn)，一是相較北京其他地區(qū)，其淺部地層（82m以淺）壓縮貢獻(xiàn)量較大；二是不同深度地層的壓縮量差距較??；三是淺部地層壓縮量和壓縮貢獻(xiàn)比例有逐年減小的趨勢(shì)。

分層標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2009~2013年該地區(qū)地面沉降主要壓縮層發(fā)生在27~53m、2~27m埋深范圍內(nèi)，其壓縮量分別占整個(gè)地層總壓縮量的23.97%和16.9%；其余不同深度地層的壓縮量差別不大，53~82m、82~116m、116~170m、170~205m、205m以下地層的壓縮比例分別為8.18%、15.19%、11.95%、10.49%、13.32%?？傮w上看，82m以淺地層壓縮量占整個(gè)地層總壓縮量的49.05%，82m以深地層的壓縮量占到總壓縮量的50.95%[8]（圖3）。

圖3 榆垡監(jiān)測(cè)站分層壓縮比例圖

通過(guò)分年度淺部地層和深部地層壓縮貢獻(xiàn)量的對(duì)比可知，淺部地層壓縮比例呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，82m以淺地層2009年壓縮貢獻(xiàn)量為67.62%，2013年貢獻(xiàn)量為25.97%，減少了41.65%，深部地層壓縮比例明顯增加（表1）。

2 基于沉降目標(biāo)的地下水開(kāi)采方案

2.1 地下水-地面沉降模型

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件、鉆孔、地下水水位動(dòng)態(tài)、抽水試驗(yàn)成果，采用GSM軟件及其中的SUB軟件包，建立了地下水-地面沉降模擬模型。模型包含整個(gè)大興區(qū)和河北廊坊的部分地區(qū)。西部以永定河為邊界，北部和東部以大興區(qū)界為邊界，南部包含廊坊市廣陽(yáng)、安次和永清地區(qū)，模擬面積1348.25km2。綜合考慮本次模擬的目的，結(jié)合分層地面沉降形變特征，綜合考慮地下水開(kāi)發(fā)利用層位的特點(diǎn)，將模型在垂向上概化為3層：其中第一含水巖組和第二含水巖組水力聯(lián)系極為緊密，且近年來(lái)地下水位動(dòng)態(tài)變化特征、地面沉降壓縮特征相似，故將第一含水巖組和第二含水巖組合并概化為模型的第一含水層組，將第三含水巖組作為模型的第二含水層組，第四含水巖組作為模型的第三含水層組（圖4）將2009年1月到2013年12月作為模擬識(shí)別驗(yàn)證期，對(duì)模型的參數(shù)、均衡進(jìn)行了驗(yàn)證識(shí)別，并將識(shí)別和驗(yàn)證后的模型參數(shù)用于地下水、地面沉降預(yù)測(cè)和分析中。

圖4 地下水-地面沉降模型范結(jié)構(gòu)圖

2.2 地面沉降規(guī)劃目標(biāo)

表1 2009～2013年榆垡監(jiān)測(cè)站分層壓縮比例統(tǒng)計(jì)表

《北京市地面沉降防治規(guī)劃（2013-2020年）》已于2014年頒布實(shí)施，在《規(guī)劃》中提出了北京市地面沉降防治的總體目標(biāo)、近期目標(biāo)和遠(yuǎn)期目標(biāo)。

總體目標(biāo)：建立健全政府主導(dǎo)、多部門(mén)協(xié)作、區(qū)域聯(lián)動(dòng)的地面沉降防治工作機(jī)制；建立地面沉降防治管理制度及標(biāo)準(zhǔn)體系；完善地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，建立地面沉降預(yù)警預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)；地面沉降快速發(fā)展趨勢(shì)得到有效遏制，防災(zāi)減災(zāi)體系基本建立。

近期目標(biāo)（2013-2015年）：進(jìn)一步完善地面沉降防治管理制度；完成北京市地面沉降調(diào)查工作；完善地面沉降防治基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；初步建立地面沉降預(yù)警預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)；開(kāi)展地面沉降災(zāi)害機(jī)理研究及防治技術(shù)應(yīng)用與研究；開(kāi)展地下水專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查工作；逐步建設(shè)地面沉降重點(diǎn)防治區(qū)和次重點(diǎn)防治區(qū)城市水系治理工程，節(jié)水、雨水利用及再生水利用設(shè)施工程，控制地下水開(kāi)采。

至2015年，地面沉降快速發(fā)展趨勢(shì)有所緩解。區(qū)域地面沉降速率控制在每年25mm以?xún)?nèi)。

遠(yuǎn)期目標(biāo)（2016-2020年）：全面完成防治基礎(chǔ)設(shè)施和預(yù)警預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)建設(shè)工作；形成地面沉降防治管理與技術(shù)體系；完善地面沉降重點(diǎn)防治區(qū)和次重點(diǎn)防治區(qū)城市水系治理工程，節(jié)水、雨水利用及再生水利用設(shè)施工程；基本建成南水北調(diào)配套工程和地下水壓采替代水源工程；完成城區(qū)90%自備井置換工作；減少地下水開(kāi)采，積極開(kāi)展地下水回灌工作，使地面沉降得到有效控制。

至2020年，區(qū)域地面沉降速率控制在每年15mm以?xún)?nèi)，沉降中心沉降速率控制在每年30mm以?xún)?nèi)。

2.3 基于規(guī)劃目標(biāo)的地下水開(kāi)采方案

本次研究以《北京市地面沉降防治規(guī)劃（2013-2020年）》為目標(biāo)，預(yù)測(cè)在2020年實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)的地下水開(kāi)采方案。

表2 減采方案信息表

根據(jù)北京新機(jī)場(chǎng)環(huán)評(píng)報(bào)告中的內(nèi)容，白家務(wù)水源地需關(guān)閉并選址另建。為此，本次地下水開(kāi)采方案優(yōu)化中將白家務(wù)水源地實(shí)施停采。此外，鑒于深部地下水可更新能力差，一旦開(kāi)采不易涵養(yǎng)，為此本次預(yù)測(cè)模擬將停采全部第三含水層地下水。

本次預(yù)測(cè)，利用識(shí)別和驗(yàn)證后的地下水-地面沉降模型對(duì)擬定的方案（表2），以不同減采方案輸入模型，計(jì)算和評(píng)價(jià)不同開(kāi)采方案下2020年研究區(qū)地面沉降狀況。

通過(guò)模型計(jì)算，方案一其區(qū)域沉降速率均大于15mm/a，方案二總體上區(qū)域沉降量小于15mm/a，但是禮賢等地的沉降速率仍然大于30mm/a，為此，在方案二基礎(chǔ)上，將禮賢、榆垡的第二、第三含水層開(kāi)采量減少40%，龐各莊減少開(kāi)采量的20%，其余地區(qū)均減少開(kāi)采量的10%，當(dāng)大興地區(qū)地下水開(kāi)采總量為1.73億m3/a（表3），計(jì)算得出，截至到2020年，最大年沉降速率接近30mm/a，區(qū)域沉降速率小于15mm/a（圖5），滿足《北京市地面沉降防治規(guī)劃（2013-2020年）》中2020年的規(guī)劃目標(biāo)。

表3 基于地面沉降規(guī)劃目標(biāo)的地下水減采方案

3 結(jié)論與建議

（1）本文在分析大興新航城地區(qū)地面沉降發(fā)育歷史與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合分層地面沉降形變特征，建立了地下水流-地面沉降模型，在模型參數(shù)識(shí)別的基礎(chǔ)上，利用所建立的模型計(jì)算得出，將禮賢、榆垡、龐各莊的第二、第三含水層開(kāi)采量減少30%，其余地區(qū)均減少開(kāi)采量的10%，第三含水層停止開(kāi)采條件下，將滿足《北京市地面沉降防治規(guī)劃（2013-2020年）》中2020年的規(guī)劃目標(biāo)；

圖5 地面沉降速率預(yù)測(cè)圖（2015-2020年）

（2）建議進(jìn)一步加強(qiáng)跨區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)。新機(jī)場(chǎng)范圍跨越北京和河北兩省市，其基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)工作基礎(chǔ)相差較大，特別是地面沉降監(jiān)測(cè)工作程度有較大的差距。地面沉降監(jiān)測(cè)是地面沉降防控中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作，為準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握地面沉降狀況，必須建立和完善跨區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)。此外，應(yīng)在新機(jī)場(chǎng)和新航城范圍內(nèi)開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的地面沉降監(jiān)測(cè)工作，布置相應(yīng)的基巖標(biāo)和分層監(jiān)測(cè)，為新航城的地面沉降防治和地下水可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

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