南水北調(diào)對北京市地面沉降影響分析

穆晨波

河北地質(zhì)大學(xué) 研究生學(xué)院，河北 石家莊 050031

南水北調(diào)工程是實施我國水資源優(yōu)化配置，改變南澇北旱和北方地區(qū)水資源嚴重短缺局面的戰(zhàn)略工程，可有效緩解京津冀地區(qū)的水資源危機，對于提高城市供水保證率、改善城市水環(huán)境、保證經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，中線北京段水質(zhì)更是關(guān)系到北京市生活用水安全和社會穩(wěn)定[1]。北京是以地下水作為主要供水水源地的特大型城市之一，其中三分之二以上的用水取自地下，第四系孔隙水開采量占到全市地下水開采總量的90%以上，地下水資源長期處于超量開采狀態(tài)。全世界有150多個城市出現(xiàn)了因地下水過量開采而引發(fā)的嚴重的地面沉降問題，地面沉降成為一種全球性的災(zāi)害[2-7]。而地下水水位動態(tài)變化與地面沉降變化趨勢具有良好的一致性，地下水位在反復(fù)升降中呈持續(xù)下降狀態(tài)，地面沉降量呈持續(xù)增加狀態(tài)[8]。北京平原區(qū)地面沉降災(zāi)害比較嚴重，主要發(fā)生在朝陽、海淀、順義、通州、昌平、大興等多個區(qū)，超過平原區(qū)三分之二的面積受到地面沉降的影響[9]。前人針對北京平原區(qū)地面沉降問題的研究工作主要放在研究地下水時空動態(tài)情況和水資源總量變化情況、地面沉降的相關(guān)性及運用遙感或干涉雷達等科學(xué)方法研究地面沉降變化規(guī)律等。本文從南水北調(diào)工程對地下水水位變化的影響角度出發(fā)，研究南水北調(diào)工程對北京平原區(qū)地面沉降的影響。

一、南水北調(diào)工程概況

（一） 南水北調(diào)工程簡況

工程自陜鄂豫交界處的丹江口水庫引水，經(jīng)河南、河北進入北京[10]。按北京市政府要求設(shè)計南水北調(diào)北京段施工，北京段總干渠工程布置是南水北調(diào)中線工程在北京房山區(qū)北拒馬河中支南進入北京房山區(qū)境內(nèi)，終點至頤和園的團城湖，全長約80 km。規(guī)劃調(diào)水干渠入北京后，經(jīng)房山城區(qū)西、北關(guān)過大石河、小清河、永定河（均為立交），穿豐臺西鐵路編組站北端進入市區(qū)，然后沿京石高速公路南側(cè)東行，在大井村西穿京石高速公路于岳各莊環(huán)島處沿西四環(huán)路北上，穿過西長鐵路、五棵松地鐵、永定河引水渠（均為立交）至團城湖，全線為局部加壓管道引水。此外，南水北調(diào)進京后，為解決市內(nèi)供水的需要，規(guī)劃修建自來水廠14座，修建南干渠，自總干渠老莊子附近的南干渠分水口至亦莊調(diào)節(jié)池全長25.36 km，設(shè)計流量為40 m3/s，向豐臺水廠、黃村水廠、亦莊水廠、通州水廠和自來水十廠供水以及規(guī)劃水廠配套的輸水管工程和連通水源九廠、田村山水廠、田村燕化凈水廠的管線工程[11]。按水利部門研究確定南水北調(diào)工程為北京平原區(qū)供水12億 m3，其中凈供水量約10億m3，總干渠設(shè)計流量約為60 m3/s。據(jù)北京市水資源公報數(shù)據(jù)，受降雨量等氣候變化影響，南水北調(diào)工程2015年入京凈水量約9億 m3，基本達到政府要求。

（二）南水北調(diào)工程對北京市供水影響

南水北調(diào)工程于2008年9月京石段應(yīng)急供水工程建成通水，京石段工程自2008年9月18日起，從河北省黃壁莊、安格莊、王快以及崗南4個水庫調(diào)水，據(jù)北京市水資源公報數(shù)據(jù)，2009年—2013年京石段將累計14億 m3的水安全輸送至北京，夏季輸水高峰期占北京日供水量的1/3。在中線工程全線貫通之前，先期形成了華北地區(qū)水資源配置的新通道，有利于優(yōu)化配置水資源，抵御嚴重自然災(zāi)害。2014 年末南水北調(diào)工程全線開通后北京將形成外調(diào)水、當(dāng)?shù)氐乇硭偷叵滤嗨绰?lián)合供水的格局，其中外調(diào)水是由南水北調(diào)中線工程整體調(diào)度后確定的，其水量和對北京市供水調(diào)度有重要影響[12]。南水北調(diào)進京后，與現(xiàn)有供水系統(tǒng)形成統(tǒng)一的地表水供水網(wǎng)絡(luò)，使北京市的供水范圍擴大約700 km2，供水范圍包括城區(qū)、大興、通州以及房山、門頭溝的山前平原和昌平南部。目前房山、長辛店等京西南地區(qū)生活用水主要靠密云水庫，通過京密引水渠、團城湖至燕化供水管線長距離送水和超采地下水解決。通縣、大興等京南地區(qū)主要靠超采地下水解決。南水北調(diào)工程開展后利用總干渠上的分水口向該地區(qū)送水，解決該地區(qū)嚴重缺水的問題。南水北調(diào)向北京市調(diào)水有效地控制城市中心地區(qū)地下水的超量開采。城市中心地區(qū)現(xiàn)有10個自來水廠，其中自來水九廠及田村山水廠用的是密云水庫的地表水，自來水六廠用的是再生水，其余6個水廠均開采地下水。南水北調(diào)進京后，充分利用調(diào)水供給城市用水，控制現(xiàn)有地下水廠的開采，并改造現(xiàn)有水廠。工程正式開通后半數(shù)以上的規(guī)劃市區(qū)實現(xiàn)雙水源供水。南水北調(diào)入京和現(xiàn)有地表水供水系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，使規(guī)劃市區(qū)范圍內(nèi)半數(shù)以上地區(qū)實現(xiàn)雙水源供水，供水水源的保證率得到明顯提高。最終可供水資源量增加，規(guī)劃南水北調(diào)工程用于環(huán)境用水量達到8億～10億 m3，使京城河湖水系有比較充裕的水量予以補給[11]。在南水北調(diào)進京之后，正常年能夠保證北京用水[13]。

二、南水北調(diào)供水對北京市地下水水位埋深的影響

（一）地下水水位平均埋深時間演變

北京市地下水降落漏斗最早形成于1971年，當(dāng)時的漏斗中心位于東北郊酒仙橋附近，只是局部的小漏斗。從20世紀70年代開始，東郊地區(qū)出現(xiàn)了較大的地下水降落漏斗。從20世紀80年代后期至90年代中期，地下水位降落漏斗面積呈逐年增加趨勢，漏斗范圍由東郊向著通州、順義和昌平地區(qū)逐漸擴大。從20世紀90年代后期出現(xiàn)了連續(xù)的干旱年份，地下水位普遍下降，很多地方的水位達到歷史最低水平，地下水降落漏斗逐漸擴展，平谷地區(qū)也出現(xiàn)了地下水降落漏斗[14]。2000年以來，北京市地區(qū)發(fā)展迅速，外來人口逐年增加導(dǎo)致生活用水總量逐年升高，同時周邊地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速導(dǎo)致水資源需求量大幅度增加[8]。1999年之后，北京市遭遇到連續(xù)多個枯水年，從1999年到2010年，12年降水量減少19%。連續(xù)的干旱與水資源量需求增加致使近年來北京市地下水持續(xù)超量開采，據(jù)北京市水資源公報提供數(shù)據(jù)，由表1可以看出北京市地下水水位埋深逐年增大。

表1 地下水位平均埋深表

2001年—2008年，連續(xù)多年北京市地下水水位快速下降。地下水水位平均埋深自16.42 m降至22.92 m，與2001 年相比平均水位埋深增大6.5 m。地下水水位快速下降問題得到政府重視，采取提前應(yīng)用南水北調(diào)工程緩解北京地下水水位快速下降的情況，于2008 年9 月南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程建成通水。

2014 年南水北調(diào)工程繼續(xù)施工，同年年12 月分開始全線運行。據(jù)2015 年數(shù)據(jù)，南水北調(diào)對北京市調(diào)水量增加到8.81億m3。據(jù)北京市水資源公報，由圖1可以看出2015 年年末北京市地下水水位平均埋深為25.75 m，與2014 年年末相比地下水水位下降僅0.09 m，2015 年年末地下水水位埋深超過10 m的面積為5 472 km2，較2014年增加2 km2；地下水降落漏斗（最高閉合等水位線）面積為1 056 km2，比2014 年減少2 km2， 主要分布在朝陽區(qū)的黃港、 長店—順義區(qū)的米各莊，趙全營一帶[15]。

圖1 北京平原區(qū)地下水水位等值線圖（2015年）

（二）南水北調(diào)對地下水水位埋深影響分析

21世紀以來，北京市經(jīng)濟文化迅速發(fā)展，外來人口增多，工農(nóng)業(yè)用水與生活用水量明顯增高，地下水水位埋深逐年快速增大。2008 年年末北京市平均地下水水位22.92 m，相比2001 年年末8年來地下水水位平均埋深共增大6.5 m。2008 年9 月份開通南水北調(diào)京石線開通后，截止2015 年地下水水位平均埋深達25.75 m，相比2008 年年末地下水水位平均埋增大2.83 m。根據(jù)北京市氣象局20個觀測站的統(tǒng)計資料，北京平原區(qū)多年平均降水量在580 mm左右，降水量年際變化量較小，多年降水較穩(wěn)定。降水入滲補給地下水量每年變化較小，對地下水位變化影響較小。假定地下水位變化不受氣候影響，將2000年—2014年北京市地下水位變化利用一次函數(shù)表達：

式中：y表示地下水水位平均埋深深度，x表示年份。

擬合2001年—2008年南水北調(diào)工程北京段開通之前和2009年—2014年南水北調(diào)工程北京段開通之后的北京市地下水水位平均埋深與年份的關(guān)系曲線，顯示地下水水位平均埋深與年份呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。其中a表示水位平均埋深與年份的線性關(guān)系的斜率，即為平均每年地下水水位平均埋深的增大量，a的值越大，代表地下水水位平均埋深逐年增大量越大。擬合由表1中2001年—2008年地下水水位平均埋深的數(shù)據(jù)，得到年份與地下水水位平均埋深的關(guān)系式為：

y=0.995 1x－1 974.9

式中：y表示水位平均埋深，x表示年份。

擬合2009～2015 年地下水水位平均埋深變化趨勢，得到關(guān)系式為：

y=0.217 9x－413.45

式中：y表示水位平均埋深，x表示年份。

圖2 南水北調(diào)前地下水平均水位埋深變化趨勢線

圖3 南水北調(diào)后地下水平均水位埋深變化趨勢線

地下水平均水位埋深變化趨勢如圖2、圖3所示。2008 年之前南水北調(diào)北京段未開通時北京市地下水平均水位埋深每年增加0.995 1 m；開通后地下水平均水位埋深變?yōu)槊磕暝黾?.217 9 m。顯然南水北調(diào)京石線開通后，地下水水位埋深變化趨勢線斜率明顯小于開通前，平均水位埋深增長量明顯變小。

即南水北調(diào)工程北京線正式調(diào)水后北京市開采利用地下水量減少，地下水位下降速率明顯減緩，表征南水北調(diào)工程對北京市地下水位下降問題有較強的良性影響。2014年底南水北調(diào)工程全線開通后，2015年北京市調(diào)入水量從約3億 m3增長到約9億 m3，北京市得到更多可以利用的外調(diào)水，對地下水的開采量將進一步減少，因而在2015年后的未來幾年內(nèi)，北京市地下水位下降問題將得到更好緩解。

三、北京市地面沉降現(xiàn)象與地下水水位

北京地面沉降最早于1935年在西單到東單一帶被發(fā)現(xiàn)，截至1952年的17年間最大累計沉降量僅為58 mm。20世紀五六十年代，隨著東郊地區(qū)電子工業(yè)區(qū)、紡織工業(yè)區(qū)等迅速發(fā)展，地下水大量開采，逐步形成東郊沉降區(qū)。20世紀七十年代是北京市地面沉降快速發(fā)展時期，沉降區(qū)集中，沉降量大。東郊沉降區(qū)快速發(fā)展的同時，昌平區(qū)、順義區(qū)、大興區(qū)等均出現(xiàn)新的沉降中心[16]，個別監(jiān)測點的沉降量甚至達到81 mm。北京市在1990年建成了第一個地面沉降監(jiān)測站—八王墳地面沉降監(jiān)測站，2002年開始了地面沉降監(jiān)測網(wǎng)站預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)（一期）工程建設(shè)，首批建成了3個地面沉降監(jiān)測站，于2004年開始監(jiān)測。二期工程也于2008 年竣工[17]。截止到2010 年底觀測到北京平原區(qū)地面沉降量大于50 mm的面積為4 281 km2，大于100 mm的地面沉降面積為3 901 km2，大于200 mm的面積為2 475 km2，已占到北京平原區(qū)面積的1/3，最大累積沉降量達到1 233 mm，最大年沉降速率達到137.5 mm/a。2004年—2009年間，各大沉降區(qū)的累積沉降量分別為昌平沙河—八仙莊：272.8 mm，朝陽東八里莊—大郊亭：460.0 mm，朝陽—來廣營：434.0 mm，順義—平各莊：281.6 mm，通州西北處：435.8 mm。此后，各大沉降區(qū)的沉降速率較之前稍有增大，截止到2010年，最大沉降量分別達到：449.8 mm、678 mm、545.9 mm、383.1 mm、635.0 mm[18]。

關(guān)于地面沉降與地下水水位的響應(yīng)關(guān)系，在北京地區(qū)，楊勇[19]等選用王四營站地面沉降觀測點2010年的觀測數(shù)據(jù)，利用Logistic方程擬合地面沉降S與地下水位H的響應(yīng)關(guān)系，其中王四營站F1-3（66～94 m）的方程關(guān)系式分別為：

式中：S表示累積沉降，H表示水位標(biāo)高。

擬合曲線如圖4所示，初期地下水位下降較緩慢，同時沉降速率較?。恢衅诘叵滤陆邓俾首兛?，地面沉降速率明顯增加，是地面沉降現(xiàn)象較為明顯的階段；后期地下水位下降速率略減小，地面沉降增加量減小，說明此階段地面沉降趨向于穩(wěn)定。

分析王四營F1-2（94 m以上）的觀測數(shù)據(jù)，得到的logistic方程關(guān)系式為：

式中：S表示累積沉降，H表示水位標(biāo)高。

擬合曲線如圖5所示，實測結(jié)果與擬合結(jié)果基本相同。地下水位下降初期地面沉降量增加不明顯；中期地下水位下降速率增大，同期地面沉降量較大，沉降處于快速發(fā)展階段。該結(jié)果顯示地下水位下降速率與地面沉降速率在數(shù)學(xué)模型中基本吻合，地下水位變化與地面沉降量變化有較強的響應(yīng)關(guān)系。

圖4 王四營站 F1-3(66～94 m)地下水位與沉降量相關(guān)關(guān)系

圖5 王四營站 F1-2(94 m以上)地下水位與沉降量相關(guān)關(guān)系

由以上結(jié)果在宏觀尺度上得到相應(yīng)證明，北京市東北部主要河流有溫榆河與潮白河，潮白河水系修建有密云和懷柔兩座大型水庫，多年來對河水過量開采利用使北部順義區(qū)水庫大壩以下的潮白河河水基本干涸。潮白河水系位置地下水總體是由北部向南部運移，現(xiàn)已形成區(qū)域性的地下水降落漏斗。如圖6所示，將地下水降落漏斗區(qū)與地面沉降區(qū)位置在地圖上疊加，漏斗區(qū)與地面沉降區(qū)位置基本一致。在北京順義、朝陽、大興等地水位較低處，地面沉降明顯較為發(fā)育。表明地下水位動態(tài)變化與地面沉降變化關(guān)系密切，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r，地面沉降量即增大，兩者有共同趨勢。

圖6 2010年地下水漏斗區(qū)與地面沉降疊加圖

北京地區(qū)地下水水位下降現(xiàn)象與地面沉降問題的一致性表現(xiàn)在地下水降落漏斗區(qū)域與地面沉降區(qū)域基本吻合，地面沉降的發(fā)展與地下水水位變化相關(guān)。地下水水位較低的區(qū)域地面沉降問題較為嚴重，反之地下水水位較高的區(qū)域地面沉降不明顯[20]，表明地下水水位平均埋深與宏觀尺度上地面沉降嚴重性呈正相關(guān)關(guān)系。地下水位的變換是地面沉降現(xiàn)象的重要誘因，地下水位逐年下降引發(fā)地面沉降?？傃芯繀^(qū)域內(nèi)地下水水位平均埋深年均增長量越大，總體上年均地面沉降量越嚴重。

四、結(jié)論

論文在結(jié)合以往的研究資料和調(diào)查成果，初步討論了南水北調(diào)工程對北京市地下水水位埋深的影響和北京市地面沉降地質(zhì)災(zāi)害與地下水水位埋深的相關(guān)性，得出以下結(jié)論：

1. 南水北調(diào)工程京石線開通后，北京市區(qū)內(nèi)部分用水采用南水北調(diào)的調(diào)入水，地下水開采量相對減少。地下水位平均埋深由平均每年增長0.995 1 m減少到0.217 9 m，水位下降速率總體上明顯減小。地下水過量開采是引發(fā)北京地區(qū)地面沉降問題的重要的因素，水位動態(tài)變化與地面沉降的變化趨勢一致。北京市地下水水位平均埋深增長量下降，地下水位下降過快問題得到一定緩解，則宏觀上地面沉降速率下降。即南水北調(diào)工程對緩解北京市地區(qū)地面沉降問題有一定幫助。

2. 2015 年南水北調(diào)工程全線開通后，北京市調(diào)入水量由2008年起的約3億 m3增長到約9億 m3，北京市地區(qū)得到更多的調(diào)入水量，但總用水量基本維持不變，因而地下水開采量減少，預(yù)測地下水水位下降問題將得到更好控制，同時地面沉降問題受到良性響應(yīng)，2015年后的未來幾年內(nèi)北京市地面沉降速率將繼續(xù)減緩。

3. 論文僅針對南水北調(diào)工程對地下水水位平均埋深變化的影響和地下水水位與地面沉降問題的相關(guān)性進行了討論。對于受氣候等因素與南水北調(diào)工程調(diào)水量共同影響的地下水水位變化機制沒有研究，同時地下水水位變化與地面沉降問題的滯后效應(yīng)尚不明確，有待進一步探討。

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