地下水人工回灌和停采對(duì)地面沉降控制的影響分析

羅 勇， 田 芳， 秦歡歡， 崔文君， 歐志亮， 孫愛(ài)華, 田苗壯

(1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)， 北京 100195； 2.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330013)

1 研究背景

作為目前世界各大城市的主要工程地質(zhì)災(zāi)害之一[1-2]，地面沉降嚴(yán)重影響城市基礎(chǔ)設(shè)施，限制經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]，帶來(lái)的負(fù)面影響包括洪水[6]、對(duì)地下和地面基礎(chǔ)設(shè)施(如管道和建筑物)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的損壞[7]、地表形態(tài)的變化[8]及地裂縫的產(chǎn)生[9,10]。在最近的40年里，世界各地記錄了200多起地面沉降事件，研究人員在數(shù)量和質(zhì)量上進(jìn)行了廣泛的調(diào)查[3,7,11-13]。中國(guó)的地面沉降主要發(fā)生在大中型城市，正在成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。中國(guó)最早的地面沉降發(fā)生在1921年的上海，迄今為止，全國(guó)共有96個(gè)地區(qū)和城市發(fā)生了面積總計(jì)6.4×104km2的不同程度的地面沉降問(wèn)題[14-16]，上海、蘇州、西安等城市的最大沉降量甚至大于2 m。正是由于地面沉降可能對(duì)地質(zhì)、環(huán)境、水文地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)等造成影響[17]，因此，世界范圍內(nèi)發(fā)生的地面沉降問(wèn)題引起了廣泛和重點(diǎn)關(guān)注。

造成地面沉降的原因有很多，包括自然因素(如地震、氣候變化等)和人為因素(如地下流體資源的開(kāi)發(fā)利用等)，其中地下水的過(guò)度開(kāi)采和地質(zhì)活動(dòng)是造成地面沉降的兩個(gè)主要原因[4-5,7]。許多研究表明，由于易受影響的含水層系統(tǒng)的壓實(shí)，過(guò)度的地下水開(kāi)采在地面沉降中起著直接而重要的作用[3-5,7,12,17-18]。長(zhǎng)期、大規(guī)模地過(guò)度開(kāi)采地下水導(dǎo)致弱透水層和含水層中地下水水位的顯著下降是全球范圍內(nèi)150多個(gè)國(guó)家和地區(qū)內(nèi)發(fā)生地面沉降的主要原因。由于地下水超采，世界范圍內(nèi)有許多地區(qū)存在嚴(yán)重的地面沉降問(wèn)題，如泰國(guó)曼谷[19]、墨西哥城[20]、中國(guó)東部和中部地區(qū)[17,21-22]及美國(guó)的休斯敦-加爾維斯頓地區(qū)[23]。目前，中國(guó)有17個(gè)省市出現(xiàn)了顯著的地面沉降，包括北京、天津、上海、江蘇、河北等[24]。因此，十分有必要對(duì)中國(guó)的地面沉降現(xiàn)象進(jìn)行定量化的模擬和研究。

1935年，地面沉降現(xiàn)象首先在北京被發(fā)現(xiàn)，其后逐步形成了多個(gè)沉降中心。由于水資源量的不足，北京市平原區(qū)經(jīng)歷了30多年的地下水超采，帶來(lái)了一系列諸如地面沉降等環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)成為北京市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要制約因素之一[25-26]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，北京市地面沉降的分布呈現(xiàn)兩個(gè)大區(qū)(北區(qū)和南區(qū))、多個(gè)沉降中心的格局[7,27-28]，成為亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，為了控制地面沉降的發(fā)展，包括限制地下水開(kāi)采、調(diào)整地下水開(kāi)采的含水層分布和開(kāi)采量以及對(duì)含水層進(jìn)行人工回灌[4]等在內(nèi)的3項(xiàng)措施在世界范圍內(nèi)被廣泛采用。在過(guò)去幾十年里，作為管理水資源的技術(shù)方法，人工回灌已經(jīng)在許多地方被成功采用[29-30]，該方法可以使地下水水位恢復(fù)，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)地面沉降控制有顯著的影響。目前，針對(duì)北京平原地面沉降問(wèn)題進(jìn)行的研究[21-22,27-28]主要采用觀測(cè)數(shù)據(jù)法和數(shù)值模擬法，較少有學(xué)者針對(duì)地下水人工回灌和停采對(duì)北京平原地下水水位恢復(fù)和地面沉降控制的影響進(jìn)行研究。考慮到地下水超采是造成地面沉降問(wèn)題的主要因素之一，本文在文獻(xiàn)[7]的地下水流模型基礎(chǔ)上，采用情景分析的方法，研究地下水人工回灌和停采對(duì)北京平原地面沉降的影響，在此基礎(chǔ)上為北京市控制地面沉降的進(jìn)一步發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為北京市平原地區(qū)，總面積約為6.4×103km2，位于華北平原西北端。北京市包含16區(qū)，2013年常住人口2 114.8×104人(密度為1 289人/km2)，GDP為19 500.6×108元(人均93 213元)，是中國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心。北京市屬于嚴(yán)重缺水的特大型城市，人均水資源占有量小于300 m3，遠(yuǎn)低于人均1 000 m3的國(guó)際缺水標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)[26,31-32]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與1999年相比，2008年底北京平原地下水平均埋深為23 m，下降了11 m，地下水儲(chǔ)存量減少了56×108m3。隨著人口和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，北京市不斷加大地下水的開(kāi)采量，導(dǎo)致地下水降深的不斷加大，形成了約998 km2的地下水降落漏斗，主要分布在朝陽(yáng)區(qū)將臺(tái)至順義區(qū)米各莊一線(xiàn)，在第四系較薄的地方，含水層瀕臨疏干或半疏干狀態(tài)。

2.2 研究方法

根據(jù)《北京地面沉降防治規(guī)劃(2013-2020年)》，北京市地面沉降防治的目標(biāo)為：區(qū)域地面沉降速率在2015年和2020年分別不超過(guò)25和15 mm/a，沉降中心地面沉降速率在2015年和2020年分別不超過(guò)45和30 mm/a。

研究區(qū)共分為7個(gè)計(jì)算分區(qū)，分別是弱發(fā)育區(qū)、榆垈、禮賢、望京、八仙莊、天竺和王四營(yíng)[33]，其中后3個(gè)計(jì)算分區(qū)(八仙莊、天竺和王四營(yíng))采用監(jiān)測(cè)站分層標(biāo)與含水層水位擬合公式進(jìn)行計(jì)算，其余4個(gè)計(jì)算分區(qū)(弱發(fā)育區(qū)、榆垈、禮賢、望京)采用經(jīng)驗(yàn)估算法進(jìn)行計(jì)算[33]。計(jì)算分區(qū)和計(jì)算方法的具體細(xì)節(jié)可參閱文獻(xiàn)[33]。

本研究在已建立并校準(zhǔn)的1995-2014年北京平原三維非穩(wěn)態(tài)地下水模型[7, 33]基礎(chǔ)上進(jìn)行，該模型利用MODFLOW軟件將北京平原劃分為9層(5個(gè)含水層和4個(gè)弱透水層)、138列和116行的網(wǎng)格(大小為1km× 1km)，采用有限差分法求解地下水流的控制方程。選擇了150口觀測(cè)井的地下水水位數(shù)據(jù)，采用“試錯(cuò)法”對(duì)非穩(wěn)態(tài)地下水模型進(jìn)行校準(zhǔn)(1995-2005年)和驗(yàn)證(2006- 2014年)，結(jié)果表明研究區(qū)的地下水流模型不存在系統(tǒng)誤差，計(jì)算水位與觀測(cè)水位擬合較好，非穩(wěn)態(tài)地下水模型可用于下一步的情景分析。

本文中地面沉降計(jì)算的時(shí)間為2015-2030年，共設(shè)計(jì)了保持現(xiàn)狀(BAU)、人工回灌(AR)和地下水停采(TE)3個(gè)情景(表1)。人工回灌情景中地下水人工回灌的位置在潮白河沖洪積扇頂部，回灌時(shí)間為2015-2020年，年回灌量為1.5×108m3，期間將懷柔應(yīng)急水源地的地下水開(kāi)采量減少至目前開(kāi)采量的20%(約0.2×108m3)，其他地區(qū)的地下水開(kāi)采量與保持現(xiàn)狀情景相同。在地下水停采情景中，針對(duì)地面沉降中心，只減少用于工業(yè)和生活目的的地下水開(kāi)采量，而用于農(nóng)業(yè)目的的地下水開(kāi)采量則不作改變。

表1 地面沉降計(jì)算情景設(shè)計(jì)對(duì)比表

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域地面沉降量

表2為保持現(xiàn)狀、人工回灌和地下水停采3種情景下北京平原7個(gè)計(jì)算分區(qū)的地面沉降速率，圖1為這3種情景下北京平原的區(qū)域地面沉降速率。從表2可以看出，相比于保持現(xiàn)狀的情景，人工回灌情景和地下水停采情景下所有計(jì)算分區(qū)均控制了地面沉降的增長(zhǎng)(下降或持平)，未造成地面沉降現(xiàn)象惡化，但地下水停采對(duì)地面沉降控制的效果要好于人工回灌的效果。由圖1可看出，2015年3種開(kāi)采情景下研究區(qū)的區(qū)域地面沉降速率在24.3～24.8 mm/a；2020年各情景下研究區(qū)的區(qū)域地面沉降速率在12.7～23.2 mm/a，最大的是保持現(xiàn)狀情景BAU(23.2 mm/a)，最小的為地下水停采情景TE(12.7 mm/a)；而對(duì)于2030年各情景下研究區(qū)的區(qū)域地面沉降速率在12.4～23.7 mm/a，保持現(xiàn)狀情景BAU的區(qū)域沉降速率最大(23.7 mm/a)，地下水停采情景TE的區(qū)域沉降速率最小(12.4 mm/a)。

3.2 沉降中心地面沉降量

研究區(qū)共有7個(gè)地面沉降中心，分布在朝陽(yáng)區(qū)(金盞、三間房及黑莊戶(hù))、海淀區(qū)(西小營(yíng))、昌平區(qū)(八仙莊)、通州區(qū)(通州城區(qū))和大興區(qū)(禮賢)等行政區(qū)，表3列出了模擬期內(nèi)各情景下北京平原沉降中心的地面沉降速率。從表3可以看出，對(duì)于所有地面沉降中心，人工回灌和地下水停采都會(huì)使得地面沉降速率下降或持平。具體來(lái)說(shuō)，在2015年，保持現(xiàn)狀情景下研究區(qū)的地面沉降速率為39.30～158.62 mm/a，人工回灌情景下研究區(qū)的地面沉降速率為39.30～158.62 mm/a，地下水停采情景下研究區(qū)的地面沉降速率為39.30～155.45 mm/a；在2020年，保持現(xiàn)狀情景下研究區(qū)的地面沉降速率為27.50～165.83 mm/a，人工回灌和地下水停采情景下研究區(qū)的地面沉降速率則分別為27.50～165.83 mm/a和21.09～29.34 mm/a；在2030年，保持現(xiàn)狀情景下研究區(qū)的地面沉降速率為16.50～162.95 mm/a，人工回灌和地下水停采情景下研究區(qū)的地面沉降速率則分別為16.50～162.95 mm/a和16.50～24.44 mm/a。

表2 各情景下北京平原計(jì)算分區(qū)的地面沉降速率 mm/a

圖1 不同情景下北京平原區(qū)域地面沉降速率

3.3 人工回灌和地下水停采的影響

人工回灌和地下水停采均對(duì)研究區(qū)的地下水各含水層水位(圖2)和地下水含水層儲(chǔ)存量(圖3)的恢復(fù)有著顯著的影響。相比于保持現(xiàn)狀情景，人工回灌和地下水停采情景下北京平原5個(gè)含水層中觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位均有不同程度的恢復(fù)，同時(shí)也使得地下水儲(chǔ)存量有不同程度的恢復(fù)。地下水停采情景對(duì)地下水水位和含水層儲(chǔ)存量的影響要大于人工回灌情景，這是因?yàn)橐环矫嫒斯せ毓嘀皇窃诰植康貐^(qū)(潮白河沖洪積扇頂部)、部分時(shí)間(2015-2020年)進(jìn)行，另一方面地下水停采情景停采的是沉降中心的工業(yè)和生活開(kāi)采量，停采量比較大，效果比較明顯。值得關(guān)注的是，由于人工回灌的時(shí)間是2015-2020年，圖3中人工回灌情景和保持現(xiàn)狀情景在2021-2030年的曲線(xiàn)是重合的。

表3 各情景下北京平原沉降中心的地面沉降速率 mm/a

圖2 2015-2030年保持現(xiàn)狀、人工回灌和地下水停采情景下北京平原地下水各含水層水位恢復(fù)情況

保持現(xiàn)狀、人工回灌和地下水停采情景下含水層平均儲(chǔ)存量變化分別為-1.16×108、-0.28×108和3.52×108m3(正數(shù)表示增加，負(fù)數(shù)表示減少，下同)，含水層最大儲(chǔ)存量變化分別為-5.84×108、-5.84×108和7.83×108m3。相對(duì)于保持現(xiàn)狀情景，人工回灌和地下水停采情景的含水層平均儲(chǔ)存量變化分別增加0.88×108和4.68×108m3。相對(duì)于模擬期初，人工回灌情景下模擬期末不同含水層地下水水位恢復(fù)量在-0.008～0.027 m，地下水停采情景下模擬期末不同含水層地下水水位恢復(fù)量在8.162～17.548 m。地下水停采情景的效果比人工回灌情景的效果要好，但完全停采工業(yè)和生活地下水開(kāi)采并不可行。

圖3 2015-2030年保持現(xiàn)狀、人工回灌和地下水停采情景下北京平原地下水含水層儲(chǔ)存量變化

與此同時(shí)，人工回灌和地下水停采均能有效地降低區(qū)域地面沉降率和沉降中心地面沉降，但效果不同(表4)。相對(duì)于現(xiàn)狀保持情景，人工回灌情景下區(qū)域地面沉降分別下降0.8%(2015年)、21.6%(2020年)和28.3%(2030年)，地下水停采情景下區(qū)域地面沉降分別下降2.0%(2015年)、45.3%(2020年)和47.7%(2030年)；而人工回灌情景下沉降中心地面沉降分別為持平(2015年)、下降0～50%(2020年)及持平(2030年)，地下水停采情景下沉降中心地面沉降分別下降0～5%(2015年)、0～86%(2020年)和0～85%(2030年)。

表4 相對(duì)于保持現(xiàn)狀情景的地面沉降變幅 %

總體上來(lái)看，對(duì)于地面沉降控制的影響，地下水停采的效果要比人工回灌效果顯著。這是因?yàn)椋?1)地下水停采針對(duì)的是區(qū)域?qū)用?，而人工回灌針?duì)的是局部層面，兩者的作用范圍不同；(2)地下水停采持續(xù)的時(shí)間是整個(gè)模擬周期，而人工回灌則只在2015-2020年起作用。然而，地下水停采對(duì)研究區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的限制較多，容易造成對(duì)社會(huì)發(fā)展的阻礙作用，需謹(jǐn)慎采用。只有綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地面沉降控制，將人工回灌和地下水停采相結(jié)合，才能既防止地面沉降的惡化，同時(shí)又保證北京平原社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1)保持現(xiàn)狀、人工回灌和地下水停采等3個(gè)情景下北京平原區(qū)域地面沉降分別為2015年24 mm/a左右，2020年12.7～23.2 mm/a，2030年12.4～23.7 mm/a；而沉降中心地面沉降分別為2015年39.30～158.62、39.30～158.62和39.30～155.45 mm/a，2020年27.5～165.83、27.5～165.83和21.09～29.34 mm/a，2030年16.5～162.95、16.5～162.95和16.5～24.44 mm/a。

(2)人工回灌和地下水停采均對(duì)研究區(qū)地下水水位和含水層儲(chǔ)存量的恢復(fù)有著顯著的影響，3種情景下含水層平均儲(chǔ)存量變化分別為-1.16×108、-0.28×108和3.52×108m3。相對(duì)于模擬期初，人工回灌情景下模擬期末不同含水層地下水水位恢復(fù)量在-0.008～0.027 m，地下水停采情景下模擬期末不同含水層地下水水位恢復(fù)量在8.162～17.548 m。

(3)總體上來(lái)看，對(duì)于地面沉降控制的影響，地下水停采的效果要比人工回灌效果顯著。只有綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地面沉降控制，將兩者相結(jié)合，才能既防止地面沉降的惡化，又保證北京平原社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。