北京顯著沉降區(qū)地面沉降發(fā)育特征及成因分析

沙 特，羅 勇,2，趙 龍，齊鳴歡，田苗壯，王新惠，孔祥如

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

北京顯著沉降區(qū)地面沉降發(fā)育特征及成因分析

沙 特1，羅 勇1,2，趙 龍1，齊鳴歡1，田苗壯1，王新惠1，孔祥如1

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

北京局部地區(qū)地面沉降發(fā)育迅速，成為城市發(fā)展的重要隱患。本文對(duì)北京市平原區(qū)東部沉降發(fā)育顯著區(qū)域的地面沉降特征進(jìn)行了歸納總結(jié)，主要描述了研究區(qū)內(nèi)地面沉降的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀。結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地面沉降監(jiān)測站監(jiān)測資料，對(duì)研究區(qū)內(nèi)地面沉降的成因進(jìn)行了分析，提出了防治建議，對(duì)北京地區(qū)城市地質(zhì)安全的保障具有重要意義。

地面沉降；發(fā)育特征；原因分析

地面沉降作為北京平原區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害之一，對(duì)北京地區(qū)城市建設(shè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的負(fù)面影響日益顯著。目前，國內(nèi)眾多學(xué)者在北京地面沉降的發(fā)育現(xiàn)狀、成因機(jī)理、監(jiān)測方法、發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行了大量研究，研究結(jié)果表明，隨著城市建設(shè)及地下水持續(xù)超采，北京平原區(qū)地面沉降仍處于持續(xù)快速發(fā)展階段，地面沉降顯著區(qū)域面積不斷擴(kuò)大[1,2]。

東部沉降區(qū)是北京地面沉降較為嚴(yán)重的沉降區(qū)之一，由于多年來地下水過量開采，該地區(qū)的沉降速率和范圍顯著增加，已逐漸發(fā)展成為北京平原區(qū)地面沉降最顯著的區(qū)域[3～15]。隨著通州城市副中心及新機(jī)場的規(guī)劃建設(shè)，該區(qū)域的發(fā)展將持續(xù)升溫，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展將對(duì)城市地質(zhì)安全保障提出更高的要求。因此，本文結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及資料，對(duì)區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)育特征及成因進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的防治建議，對(duì)該地區(qū)的城市建設(shè)及地質(zhì)安全保障具有重要意義。

1 研究區(qū)基本概況

研究區(qū)主要涉及通州區(qū)，位于北京市東部（圖1），地處北京長安街延長線東端，西臨朝陽區(qū)、大興區(qū)，北與順義區(qū)接壤，東隔潮白河與河北省三河市、大廠回族自治縣、香河縣相連，南和天津市武清區(qū)、河北省廊坊市交界，緊鄰北京中央商務(wù)區(qū)（CBD），區(qū)域面積約400km2。地形西北高、東南低，地面高程16～29m，坡降為0.6%左右，地勢相對(duì)平坦。

本區(qū)多年來平均氣溫為11.4℃，屬暖溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，一年四季分明。多年平均降水量600mm左右，最大降雨量為1114.2mm(1959年)，最小降雨量為227mm(1999年)，全年降水量80%以上集中在6～9四個(gè)月，7月份降水量最多，12月份降水量最少。區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，屬海河流域潮白河、北運(yùn)河兩大水系，主要發(fā)育北運(yùn)河、溫榆河、涼水河、通惠河、小中河、運(yùn)潮減河及玉帶河等。

圖1 研究區(qū)位置與范圍Fig.1 Location map of the study area

2 研究區(qū)地面沉降發(fā)育特征

2.1 地面沉降發(fā)展歷史

北京地面沉降由來已久，據(jù)歷史資料記載，早在1935年北京西單至東單一帶就已經(jīng)發(fā)生了地面沉降，1935～1952年的17年間，局部地面累計(jì)最大沉降量為58mm。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及地面沉降監(jiān)測資料，北京東部地區(qū)地面沉降的發(fā)展過程包括形成階段、發(fā)展階段、緩慢發(fā)展階段和擴(kuò)展階段，地面沉降中心隨著時(shí)間不斷地變化，總體呈現(xiàn)自西向東，由少到多的趨勢[14]。

上世紀(jì)70、80年代隨著北京城市建設(shè)和工業(yè)發(fā)展，大量開采地下水，使得地下水位逐年下降，并形成水位降落漏斗，局部地區(qū)開始出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，緊鄰研究區(qū)西部形成了東八里莊–大郊亭兩個(gè)地面沉降較嚴(yán)重的中心；從1989年至2005年間，老的沉降中心沉降速度已經(jīng)減緩，沉降面積和發(fā)展趨勢逐步向東發(fā)育，在垡頭及三間房–管莊一帶形成了新的沉降中心。2005～2010年間，區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)展迅速，沉降區(qū)面積進(jìn)一步擴(kuò)大，形成了朝陽金盞、黑莊戶–三間房兩個(gè)主要沉降中心。

2.2 地面沉降發(fā)育現(xiàn)狀

結(jié)合研究區(qū)內(nèi)水準(zhǔn)測量、GPS測量、InSAR監(jiān)測成果，對(duì)研究區(qū)內(nèi)地面沉降現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合分析。如圖2所示，從2012年度沉降量圖可以看出，研究區(qū)內(nèi)主要存在兩個(gè)沉降區(qū)，一片區(qū)域位于東壩－焦莊－樓梓莊－三岔河－朝陽農(nóng)場一帶，區(qū)內(nèi)最大沉降量130mm；另一片區(qū)域位于王四營－三間房－管莊－通州城區(qū)－張家灣－黑戶莊－豆各莊一帶，區(qū)內(nèi)最大沉降量超過150mm，為區(qū)內(nèi)年度最大沉降量，兩個(gè)主要沉降區(qū)又以40mm的年沉降量等值線連成一片，成為研究區(qū)內(nèi)年度主要沉降區(qū)域，年沉降量大于40mm以上的區(qū)域占整個(gè)研究區(qū)的80%以上。

對(duì)1955～2012年累計(jì)沉降量圖分析后發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)地面沉降主要分為南北兩個(gè)主要沉降區(qū)域，其中，北部累計(jì)沉降區(qū)域以大于1000mm為界連成一片，區(qū)內(nèi)包含東壩－樓梓莊－朝陽農(nóng)場，最大累計(jì)沉降量為1344mm；南部累計(jì)沉降區(qū)域以大于1000mm為界連成一片，區(qū)內(nèi)包含黑莊戶－王四營－三間房－管莊－丁家圍－通州城區(qū)，最大累計(jì)沉降量為1225mm，兩個(gè)沉降區(qū)又以800mm的累計(jì)沉降量等值線連成一片，形成研究區(qū)的主要沉降區(qū)。從圖3中可以看出，累計(jì)地面沉降量大于500mm以上的區(qū)域占工作區(qū)的80%以上，累計(jì)地面沉降量大于1000mm以上的區(qū)域占工作區(qū)的40%以上。

結(jié)合年度、累計(jì)地面沉降量綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)育面積廣，嚴(yán)重沉降區(qū)域面積不斷擴(kuò)大，沉降中心發(fā)育顯著，地面沉降仍處在加速發(fā)展階段，沉降中心的沉降速率還有不斷增大的趨勢。

3 成因分析

地面沉降成因主要包括自然因素和人為因素，自然因素包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等，人為因素包括過量開采地下水、工程建設(shè)等。大量研究表明，控制北京地面沉降發(fā)展的主要影響因素是地層條件及地下水過量開采。

3.1 地層條件

圖2 研究區(qū)2012年度沉降量Fig.2 Land subsidence in the study area in 2012

圖3 研究區(qū)1955～2012年累計(jì)沉降量Fig.3 Cumulative land subsidence in the study area from 1955 to 2012

研究區(qū)地處永定河、潮白河及溫榆河沖洪積平原，具有典型的多層巖土體結(jié)構(gòu)。沖洪積平原中下部的土體類型為第四系上更新統(tǒng)沖洪積、中更新統(tǒng)沖積、沖湖積、下更新統(tǒng)沖湖積的多層砂、多層礫石與多層黏性土，以黏性土為主。其中既有顆粒較粗，富水性好的砂礫石層，也有顆粒較細(xì)，壓縮性較高的黏性土層，且從西到東砂類土增多變厚，埋深相對(duì)變淺，地層巖性為多層黏性土與砂層互層。黏性土壓縮性較高，在地下水超量開采，地下水位下降的情況下，黏性土層孔隙水壓力消散，導(dǎo)致土層壓縮，從而發(fā)生明顯的地面沉降。

3.2 地下水開采

隨著城市建設(shè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，區(qū)內(nèi)需水量不斷增加，農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水和生活用水主要通過開采地下水來解決，過量開采地下水導(dǎo)致地下水位下降是誘發(fā)地面沉降的主要因素。目前，研究區(qū)內(nèi)東壩—樓梓莊—管莊—三間房—黑莊戶一帶開采用水以深層地下水為主，導(dǎo)致深層承壓水水位持續(xù)下降。區(qū)內(nèi)深層地下水觀測井水位多年動(dòng)態(tài)變化曲線見圖4，從圖中可以看出區(qū)內(nèi)深層承壓水水頭仍持續(xù)下降。區(qū)內(nèi)地面沉降監(jiān)測站的分層監(jiān)測資料顯示，深部地層壓縮量占地面沉降的比例越來越大，這種現(xiàn)象與深層地下水的過度開采緊密相關(guān)，深層地下水的大幅下降使深部地層以較快的速度持續(xù)壓縮，這種壓縮基本是不可逆的。因此，地層巖性是產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)背景，過量開采地下水，尤其是深層地下水的開采是地面沉降的主要誘因。

圖4 研究區(qū)深層地下水位多年變化圖（2004～2012年）Fig.4 Deep groundwater level changes in the study area (2004～2012)

4 結(jié)語

涉及通州、朝陽部分區(qū)域的北京東部地區(qū)已經(jīng)成為北京地面沉降發(fā)育最顯著的區(qū)域。區(qū)內(nèi)地面沉降仍在持續(xù)快速發(fā)展，主要分為兩個(gè)區(qū)域，位于北部的沉降區(qū)包含東壩－樓梓莊－朝陽農(nóng)場，最大累計(jì)沉降量為1344mm；南部沉降區(qū)以三間房、黑莊戶為沉降中心，包含黑莊戶－王四營－三間房－管莊－丁家圍－通州城區(qū)，最大累計(jì)沉降量為1225mm。地層巖性是產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)背景，過量開采地下水尤其是深層地下水的開采是地面沉降的主要誘因。

結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)展現(xiàn)狀及城市發(fā)展對(duì)于地質(zhì)安全的要求，應(yīng)在已有的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)基礎(chǔ)上，對(duì)嚴(yán)重的地面沉降區(qū)域，加強(qiáng)監(jiān)測設(shè)施的投入，提高監(jiān)測的頻率，并加大對(duì)地下水管理的力度，減少地下水的開采量，盡量減緩地下水位下降速率，從而實(shí)現(xiàn)減緩地面沉降的目的。

References)

[1] 賈三滿,王海剛,羅勇,等.北京市地面沉降發(fā)展及對(duì)城市建設(shè)的影響[J].城市地質(zhì),2006,(2):13-18.

Jia S M, Wang H G, Luo Y, et al.The impacts of land subsidence on city build of Beijing[J].Urban Geology, 2006,(2):13-18.

[2] 賈三滿,王海剛,趙守生,等.北京地面沉降機(jī)理研究初探[J].城市地質(zhì),2007,(1):20-26.

Jia S M, Wang H G, Zhao S S, et al.A tentative study of the mechanism of land subsidence in Beijing[J].Urban Geology, 2007,(1):20-26.

[3] 楊艷,賈三滿,王海剛.北京平原區(qū)地面沉降現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].上海地質(zhì),2010,31(4):23-28.

Yang Y, Jia S M, Wang H G.The status and development of land subsidence in Beijing plain[J].Shanghai Geology, 2010,31(4):23-28.

[4] 羅勇,賈三滿,趙波,等.北京南部地區(qū)地面沉降發(fā)育特征及成因分析[J].城市地質(zhì),2011,(3):1-5,21.

Luo Y, Jia S M, Zhao B, et al.Characteristics and causes of land subsidence in the south of Beijing[J].Urban Geology, 2011,(3):1-5,21.

[5] 陳蓓蓓,宮輝力,李小娟,等.北京地下水系統(tǒng)演化與地面沉降過程[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2012,(S1):373-379.

Chen B B, Gong H L, Li X J, et al.Groundwater system evolution and land subsidence process in Beijing[J].Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2012,(S1):373-379.

[6] 楊勇,鄭凡東,劉立才,等.北京平原區(qū)地下水水位與地面沉降關(guān)系研究[J].工程勘察,2013,(8):44-48.

Yang Y, Zheng F D, Liu L C, et al.Study on the correlation between groundwater level and ground subsidence in Beijng plain areas[J].Geotechnical Investigation & Surveying, 2013,(8):44-48.

[7] 周丙鋒,李小娟,李燕萍.北京平原地區(qū)地面沉降特征和研究途徑的進(jìn)展與思考[J].中國礦業(yè),2014,(12):51-56.

Zhou B F, Li X J, Li Y P.The advance of characteristics and reach methods of land subsidence in the plain of Beijing and consideration for it[J].China Mining Magazine, 2014,(12):51-56.

[8] 田芳,羅勇,周毅,等.北京地面沉降分層監(jiān)測動(dòng)態(tài)變化特征[J].上海國土資源,2014,35(4):76-80.

Tian F, Luo Y, Zhou Y, et al.Dynamic changes of layered monitored land subsidence in Beijing[J].Shanghai Land & Resources, 2014,35(4):76-80.

[9] 姜媛,楊艷,王海剛,等.北京平原區(qū)地面沉降的控制與影響因素[J].上海國土資源,2014,35(4):130-133.

Jiang Y, Yang Y, Wang H G, et al.Factors controlling land subsidence on the Beijing plain[J].Shanghai Land & Resources, 2014,35(4):130-133.

[10] 王榮,羅勇,楊艷,等.北京溫榆河沖洪積扇地面沉降特征及機(jī)理研究[J].上海國土資源,2014,35(4):44-48.

Wang R, Luo Y, Yang Y, et al.Land subsidence on the Wenyu River alluvial fans, Beijing[J].Shanghai Land & Resources, 2014,35(4):44-48.

[11] 羅勇,賈三滿,楊艷,等.北京市地面沉降防治工作探討[J].上海國土資源,2014,35(4):110-113,141.

Luo Y, Jia S M, Yang Y, et al.Prevention and control of land subsidence in Beijing[J].Shanghai Land & Resources, 2014,35(4):110-113,141.

[12] 張雯,宮輝力,陳蓓蓓,等.北京典型區(qū)地面沉降演化特征與成因分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2015,(8):909-916.

Zhang W, Gong H L, Chen B B, et al.Evolution and Genetic Analysis of Land subsidence in Beijing Typical Area[J].Journal ofGeo-information Science, 2015,(8):909-916.

[13] 周宏磊.北京東部區(qū)域地面沉降現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的初步預(yù)測//第2屆全國工程安全與防護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(上冊(cè))[C].中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)工程安全與防護(hù)分會(huì),2010:6.

Zhou H L.Preliminary Prediction of land subsidence of eastern area of Beijing//The second national engineering safety conference (Vol.1)[C].China Society of Rock Mechanics and Engineering, 2010:6.

[14] 羅文林,侯偉,韓煊,等.北京東部區(qū)域地面沉降現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢預(yù)測[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,(2):52-59.

Luo W L, Hou W, Han X, et al.Status and prediction of land subsidence in the eastern part of Beijing[J].Journal of Hunan University of Science & Technology (Nature Science Edition), 2015,(2):52-59.

[15] 羅文林,韓煊,杜修力,等.北京東部區(qū)域地下水位變化特征及其對(duì)地面沉降的影響研究[J].工業(yè)建筑,2016,(11):127-131.

Luo W L, Han X, Du X L, et al.Groundwater level variation and its impacton land subsidence in the eastern area of Beijing[J].Industrial Construction, 2016,(11):127-131.

Characteristics and causes of the signifcant land subsidence area of Beijing

SHA Te1, LUO Yong1,2, ZHAO Long1, QI Ming-Huan1, TIAN Miao-Zhuang1, WANG Xin-Hui1, KONG Xiang-Ru1
(1.Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China; 2.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China)

The rapid development of land subsidence in some areas of Beijing has become the most important hidden danger of the city.In this paper, the characteristics of land subsidence in the eastern region of the Beijing plain are summarized, and the history of the development of land subsidence in the study area up to the present day is described.Based on the land subsidence monitoring data from the monitoring station of the study area, we analyze the causes of land subsidence and present a proposal.This work is important to the urban geological safety of the Beijing area.

land subsidence; development characteristics; cause analysis

P642.26

A

2095-1329(2017)03-0066-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.015

2017-03-06

修回日期: 2017-05-26

沙特(1991-),男,碩士,助理工程師,主要從事地面沉降監(jiān)測與防治研究.

電子郵箱: t597960549@163.com

聯(lián)系電話: 010-51560195

北京市科技計(jì)劃課題(Z1311000056 1 302 2);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81 6 20 4 3);北京市地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)項(xiàng)目(PXM2015-158305-000011;PXM2016-158305-000004);基于北斗衛(wèi)星的地面沉降監(jiān)測(121211220184);通州城市副中心地區(qū)重大地質(zhì)問題調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目地面沉降專題(PXM2016-158203-000008)