華北平原地下水位驅(qū)動(dòng)下的地面沉降現(xiàn)狀與研究展望

郭海朋，李文鵬，王麗亞，陳 曄，臧西勝，王云龍，朱菊艷，卞躍躍

（1.京津冀平原地下水與地面沉降野外科學(xué)觀測研究站，北京 100081；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京100081；3.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；4.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；5.中國地質(zhì)博物館，北京 100034）

地面沉降是世界各地普遍發(fā)生的環(huán)境地質(zhì)問題，而地下水動(dòng)力與土層變形的互饋關(guān)系研究是地面沉降區(qū)地下水資源量評價(jià)的前提，是區(qū)域地面沉降預(yù)測預(yù)警的基礎(chǔ)，也是環(huán)境地質(zhì)學(xué)科發(fā)展的需求。目前國際上關(guān)于地下水動(dòng)力與土層變形互饋機(jī)制的研究，主要集中在地下水位驅(qū)動(dòng)下黏性土和砂土變形規(guī)律研究，時(shí)序沉降數(shù)據(jù)用于計(jì)算區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)和校正模型參數(shù)，以及土-水耦合模型研究三個(gè)方面。華北平原是我國地面沉降影響面積最大的區(qū)域，地面沉降對京津冀協(xié)同發(fā)展、雄安新區(qū)、北京城市副中心等國家重大戰(zhàn)略區(qū)規(guī)劃建設(shè)和南水北調(diào)、高速鐵路等國家重大工程區(qū)安全運(yùn)營存在重要影響。地下水位變化與土層變形互饋關(guān)系研究，對華北平原地面沉降監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化、監(jiān)測數(shù)據(jù)的定量化分析、地面沉降模型仿真性和預(yù)測預(yù)警準(zhǔn)確性的提高等方面具有科學(xué)意義，可為有效緩解該地區(qū)地下水利用引起的地面沉降災(zāi)害提供技術(shù)支撐。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 地下水位驅(qū)動(dòng)下黏土和砂土變形規(guī)律研究

近幾十年來，含水層系統(tǒng)中地下水位變化影響下的土層變形規(guī)律受到國內(nèi)外許多學(xué)者的高度關(guān)注。例如，He等[1]實(shí)施了物理模型試驗(yàn)，研究地下水補(bǔ)給和排泄引起的砂層和黏土層變形特征及孔隙水壓力變化規(guī)律，提出了三種有利于減緩地面沉降發(fā)展的地下水開發(fā)模式。郭海朋等[2]初步總結(jié)了天津平原地下水水位變化模式，分析了不同地下水位變化模式下的土層變形特征。總體而言，該領(lǐng)域研究成果主要集中在土層尤其是黏性土層的流變變形特征研究和土層變形應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系定量化研究等方面。

1.1.1 地下水位驅(qū)動(dòng)下土層變形流變特征研究

隨著地面沉降問題研究的深入，國內(nèi)外越來越多研究者逐漸認(rèn)識到抽水誘發(fā)下土層的壓縮量中包含了一定比例的流變變形量，不僅黏性土可能發(fā)生蠕變[3-5]，砂礫含水層也可能發(fā)生蠕變[6-7]。過去在研究地面沉降時(shí)，通常將含水砂土層作為線彈性體處理，或者認(rèn)為砂土層的變形對地面總沉降的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)[8]。試驗(yàn)結(jié)果表明在單調(diào)荷載下，砂土的蠕變變形可以達(dá)到總變形的10%[9]。分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明，含水砂層的變形不僅包括彈性變形，而且包括塑性變形和蠕變變形[2,10]。研究人員根據(jù)長三角地區(qū)大量地面沉降和水位觀測資料，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)，揭示了砂土層在不同的應(yīng)力條件下，有的表現(xiàn)為彈性變形，有的則表現(xiàn)為以塑性變形為主并包含有蠕變的非線性變形特征[10-12]。李玉岐等[13]利用自行設(shè)計(jì)的砂土排灌水試驗(yàn)裝置，分析地下水排灌引起的砂樣宏觀豎向變形及細(xì)觀移動(dòng)，結(jié)果表明：在砂樣排灌水的初期階段，砂樣的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯重組，砂樣沉降不僅發(fā)生在排水時(shí)，而且在回灌時(shí)繼續(xù)增加，砂樣產(chǎn)生了較大的、不可恢復(fù)的塑性和黏性變形；砂樣結(jié)構(gòu)達(dá)到相對穩(wěn)定后，排水時(shí)產(chǎn)生的豎向變形變小，而回灌時(shí)砂樣發(fā)生較大的回彈。郭海朋等[2]通過土體高壓固結(jié)試驗(yàn)表明冀中坳陷內(nèi)武清凹陷地區(qū)及滄縣隆起地區(qū)中晚更新世地層黏性土體在不同荷載條件下，蠕變特征明顯。

1.1.2 地下水位驅(qū)動(dòng)下土層變形本構(gòu)關(guān)系研究

Terzaghi固結(jié)理論是簡單的彈性變形模型，由于機(jī)理簡單和控制方程的線性特征，被廣泛應(yīng)用于土層壓縮分析?？紤]到過于復(fù)雜的黏彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變模型很難直接用于區(qū)域地面沉降模型中，Corapcioglu等[14]基于劃分主、次固結(jié)的黏土固結(jié)理論，提出了一維線性黏彈本構(gòu)關(guān)系（Merchant模型）。吳林高等[15]在分析抽灌水引起地面沉降的力學(xué)機(jī)制基礎(chǔ)上，得出了廣義Kelvin本構(gòu)模型。以上兩個(gè)模型的適用性都缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。Ye等[16]通過分析長三角地區(qū)土層變形特征，采用修正的Merchant模型刻畫土層的變形規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立了三維變參數(shù)水流和垂向一維沉降組成的部分耦合模型，對長三角區(qū)域的地面沉降進(jìn)行了模擬。如果能獲取土層變形的野外監(jiān)測和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可能會建立更加貼近實(shí)際的土層變形本構(gòu)模型并用于地面沉降模擬和預(yù)測[17]。Tsai等[18]研究提出了一種黏彈塑性模型，該模型由一個(gè)黏彈性模型和一個(gè)黏塑性模型組成，并由單刀雙擲開關(guān)控制黏塑性模型的使用，經(jīng)驗(yàn)證，該模型計(jì)算結(jié)果具有較小的相對誤差。

1.2 時(shí)序沉降數(shù)據(jù)用于計(jì)算區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)和校正模型參數(shù)

利用分層標(biāo)時(shí)序土層變形和地下水位數(shù)據(jù)反演計(jì)算區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)已經(jīng)為大家所熟悉，應(yīng)力-應(yīng)變圖解法是常用的手段之一。該方法最早由Riley[19]提出，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可求出彈性貯水率和非彈性貯水率，Cleveland等[20]提出的圖解法可進(jìn)一步確定垂向滲透系數(shù)。葉淑君等[21]結(jié)合上海沉降和水位觀測資料，求出了上海地區(qū)弱透水層的彈性貯水率、非彈性貯水率和垂向滲透系數(shù)，為上海地面沉降的數(shù)值模擬提供了較好的初始參數(shù)值。Zhang等[22]利用北京平原某分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算了彈性貯水率和非彈性貯水率，并與美國加利福尼亞州圣荷昆谷（San Joaquin Valley）的對應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行了相互比較和評價(jià)。

區(qū)域地面沉降監(jiān)測技術(shù)在過去的幾十年經(jīng)歷了較快的發(fā)展，其主要監(jiān)測手段從經(jīng)典的水準(zhǔn)測量發(fā)展至日趨成熟的GPS技術(shù)與合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR），獲取了大量的區(qū)域地表形變數(shù)據(jù)[23-25]。水文地質(zhì)參數(shù)是地面沉降數(shù)值模擬過程中必不可少的信息，但由于含水層的非均質(zhì)等復(fù)雜性質(zhì)，許多水文地質(zhì)參數(shù)的空間分布在現(xiàn)有技術(shù)條件下無法快速準(zhǔn)確獲取，因而利用一些易獲取且精度較好的監(jiān)測數(shù)據(jù)（如地下水位等）推估難以獲取的水文地質(zhì)參數(shù)分布成為了地下水領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[26]。當(dāng)含水層系統(tǒng)相對簡單，不存在地下水位變化和地面沉降之間明顯滯后的情況下，區(qū)域地面沉降和地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)可以用來直接反演計(jì)算彈性貯水率、非彈性貯水率等參數(shù)，進(jìn)而可以補(bǔ)齊時(shí)間或空間上地下水位觀測數(shù)據(jù)的缺失[27-29]。Zhuang等[30]探索了利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法反演求取弱透水層滲透系數(shù)、彈性和非彈性貯水率的方法，并成功用于常州某地弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算。Zhuang等[31]基于歐拉公式，獲得了地下水位變化驅(qū)動(dòng)下超固結(jié)弱透水層彈性變形的解析解，并用來評估上海某35.54 m厚弱透水層的垂向滲透系數(shù)和彈性儲（釋）水率，結(jié)果表明該解析方法可以定量解釋地面沉降滯后特征并有效評估超固結(jié)弱透水層的水力參數(shù)。

高分辨率水文地質(zhì)參數(shù)是地面沉降模型實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測的基礎(chǔ)，而InSAR、水準(zhǔn)、GPS等多種手段獲取的高時(shí)空分辨率地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)使有效校正模型的水文地質(zhì)參數(shù)成為可能。UCODE[32]是一種基于梯度的自動(dòng)反演算法，研究人員已經(jīng)開展了利用InSAR解譯計(jì)算的地面沉降數(shù)據(jù)和地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)并基于UCODE進(jìn)行模型水文地質(zhì)參數(shù)校正的研究[27,33-34]。Zhang等[34]基于UCODE并利用InSAR獲取的高時(shí)空分辨率地面沉降數(shù)據(jù)和地下水位數(shù)據(jù)校正了含水層導(dǎo)水系數(shù)、彈性和非彈性貯水率、斷層導(dǎo)水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)果表明聯(lián)合利用地面沉降和地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)校正的模型比僅用地下水位數(shù)據(jù)校正的模型更符合實(shí)際。但是，基于梯度的反演方法主要缺點(diǎn)是計(jì)算量大，不能快捷地評估參數(shù)，而且預(yù)測具有不確定性。

1.3 土-水耦合模型研究

抽排水引起的地面沉降問題實(shí)際上就是一個(gè)滲流場與應(yīng)力場耦合的問題，土-水耦合模型按滲流場與應(yīng)力場結(jié)合方式分為不耦合的兩步計(jì)算模型、部分耦合模型和完全耦合模型。不耦合的兩步計(jì)算模型分為完全獨(dú)立的兩步，先計(jì)算孔隙水壓力，再計(jì)算變形，水流及沉降方程中各參數(shù)不隨時(shí)間變化。兩步計(jì)算模型最初在研究威尼斯的由多層含水層與弱透水層組成的地下水系統(tǒng)因抽水引起的地面沉降問題時(shí)提出[35]。Shearer[8]以太沙基一維固結(jié)理論為基礎(chǔ)，在Modflow程序的基礎(chǔ)上開發(fā)了考慮黏性土層孔隙水壓力變化滯后于含水層水位變化的夾層排水模塊（IDP），通過沉降計(jì)算獲取弱透水層的釋水，實(shí)現(xiàn)了大厚度含水層釋水壓縮的模擬。部分耦合模型中孔隙水壓力和變形分步計(jì)算，但兩者之間相互影響。含水層水頭下降會導(dǎo)致相鄰弱透水層中的地下水產(chǎn)生滲流，弱透水層的變形具有明顯的非線性特征；同時(shí)，土層的孔隙比、壓縮性和透水性等參數(shù)也隨著土體變形量的變化而變化。國內(nèi)外地面沉降模型大多基于土-水部分耦合模型[36-39]。完全耦合模型基于Biot固結(jié)理論，孔隙水壓力和土層變形同時(shí)計(jì)算，在理論上這種模型最符合沉降物理機(jī)制，但是物理場控制方程更為復(fù)雜、計(jì)算量大、需要參數(shù)多，很難在實(shí)際問題中應(yīng)用。近年來研究人員在完全耦合模型的數(shù)值計(jì)算方法方面進(jìn)行了探索[40-41]，并將完全耦合模型成功應(yīng)用于意大利威尼斯、美國拉斯維加斯和中國上海、滄州、德州等地的地面沉降機(jī)理研究及模擬預(yù)測[42-46]。駱勇等[47]分別采用基于滲流-沉降分步計(jì)算的土力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式、滲流-沉降部分耦合的GMS軟件中SUB模型和基于滲流-沉降完全耦合的COMSOL Multiphysics模型，對疏排水引起的地面沉降進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究結(jié)果表明，完全耦合模型計(jì)算結(jié)果更為合理、更符合實(shí)際沉降特征。Wang等[48]探索研究了隨機(jī)非均質(zhì)多孔介質(zhì)中地下水流動(dòng)和土層變形的動(dòng)態(tài)相互作用。Pham等[49]基于多孔介質(zhì)彈性力學(xué)理論，開發(fā)了程序模塊SUB+，可以實(shí)現(xiàn)水-應(yīng)力的完全耦合模擬。TOUGH2是一套功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的模擬孔隙或裂隙介質(zhì)中多相流的系列程序，在水氣兩相流數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用[50-51]。研究人員以TOUGH2為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)[52]或者將其與其它地質(zhì)力學(xué)模擬程序結(jié)合[53]，實(shí)現(xiàn)了地下水流與地質(zhì)力學(xué)的耦合模擬，顯示出該程序在土-水耦合模擬方面有廣泛的應(yīng)用前景。

2 華北平原地面沉降現(xiàn)狀

我國地面沉降主要發(fā)生在華北平原、長江三角洲、汾渭盆地、淮河平原、珠江三角洲、東北平原以及山區(qū)斷陷盆地等地區(qū)，共有22個(gè)省（區(qū)、市）超過100個(gè)地級以上城市發(fā)生地面沉降。其中，華北平原是目前我國地面沉降影響面積最大、沉降速率最快的區(qū)域[54]。華北平原人均水資源量296 m3，為全國人均水資源的1/8，與干旱缺水國家以色列的人均水資源量相當(dāng)，屬于水資源極度短缺地區(qū)。因地表水嚴(yán)重短缺，生產(chǎn)生活供水主要依賴地下水[55]，2000年以來，地下水占總供水量的比例達(dá)到64%。南水北調(diào)工程一定程度上緩解了供水緊張局面，但依然不能滿足社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需求。地下水長期超采形成多個(gè)地下水降落漏斗，并引發(fā)嚴(yán)重的地面沉降，累計(jì)沉降量較大地區(qū)與深層地下水漏斗區(qū)的分布基本吻合，天津、滄州、衡水、德州地面沉降已經(jīng)連成一片（圖1）。依據(jù)累計(jì)地面沉降量和地面沉降速率兩個(gè)指標(biāo)（表1），對京津冀平原地面沉降現(xiàn)狀發(fā)育程度進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明地面沉降發(fā)育程度強(qiáng)的區(qū)域主要分布在北京平原東部、天津平原中南部、河北平原滄州、衡水、廊坊、邢臺、邯鄲等地，總面積達(dá)1.4×104km2（圖2）。

圖1 京津冀平原主要淺層和深層地下水漏斗以及累計(jì)沉降量較大地區(qū)（大于50 cm）分布圖Fig.1 Distribution of shallow and deep groundwater cones and the area with the cumulative subsidence greater than 50 cm in Beijing—Tianjin—Hebei Plain

表1 地面沉降現(xiàn)狀發(fā)育程度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard of the development of land subsidence

圖2 京津冀平原地面沉降現(xiàn)狀發(fā)育程度分區(qū)圖Fig.2 Zoning map of land subsidence development in Beijing—Tianjin—Hebei Plain

分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，北京市100 m以下深部地層沉降貢獻(xiàn)率為82%，其中天竺、張家灣等地深部地層貢獻(xiàn)率超過90%，淺部部分地層出現(xiàn)回彈。天津市300 m以下深部地層貢獻(xiàn)率占65%，其中漢沽營城、西青鄭莊子等地深部地層貢獻(xiàn)率超過70%，淺部部分地層出現(xiàn)回彈。河北省實(shí)施深層地下水禁限采的衡水、廊坊等地區(qū)，深部地層對地面沉降的貢獻(xiàn)率逐漸減少，其中衡水市區(qū)150 m以深地層的沉降貢獻(xiàn)率由2009—2015年的66%降至2019年的34%。必須高度重視地下水尤其是深層地下水超采問題，開展地面沉降防控，減少經(jīng)濟(jì)損失。

近年來，南水北調(diào)工程運(yùn)行為地下水超采治理提供了置換水源，減少了地下水開采量，工程沿線大中型城市區(qū)地下水位下降趨勢得到遏制，地面沉降防控取得了初步成效，天津、滄州、衡水等重點(diǎn)城市主城區(qū)地面沉降得到有效控制，北京、天津地面沉降嚴(yán)重區(qū)面積（本文地面沉降嚴(yán)重區(qū)指年沉降量大于50 mm的地區(qū)）總體呈現(xiàn)減少趨勢（圖3）。南水北調(diào)進(jìn)京5年以來，北京地下水位整體處于恢復(fù)上升狀態(tài)，尤其是100 m以淺的含水層，水位回升幅度較大，與2014年相比，平原區(qū)地下水位平均上升了3 m，地下水降落漏斗面積減少了38%（圖4）。地下水位恢復(fù)導(dǎo)致地面沉降減緩，地面沉降嚴(yán)重區(qū)面積減少了71%。滄州市自2005年開始實(shí)施關(guān)停單位自備井的禁采措施，市區(qū)年沉降量已由60～80 mm降至目前的10～15 mm。滄州市區(qū)分層標(biāo)組于2010年6月開始監(jiān)測，共由五座分層標(biāo)組成，分別監(jiān)測第一壓縮層（5～69 m）、第二壓縮層（69～196 m）、第三壓縮層（196～253 m）、第四壓縮層（253～375 m）。2014年第一至四壓縮層的變形量分別為?2.4，?5.4，?4.6，?8.9 mm（負(fù)號表示壓縮，正號表示回彈，下同），2019年地面沉降進(jìn)一步減緩（圖5），四個(gè)壓縮層的變形量分別為+0.6，?2.7，?2.2，+4.2 mm。2013—2018年，河北衡水市主城區(qū)年平均沉降量由15 mm減至10 mm。衡水分層標(biāo)主要監(jiān)測第一壓縮層（41～150 m）、第二壓縮層（150～267 m）、第三壓縮層（267～401 m），其中第一壓縮層對應(yīng)淺層含水層組，第二、三壓縮層對應(yīng)深層含水層組。2009年10月—2015年8月，第一至三壓縮層的平均變形速率為?19.3，?31.3，?6.1 mm/a，對地面沉降量的貢獻(xiàn)率分別為34%、55%、11%。衡水地區(qū)從2014年開始進(jìn)行地下水超采區(qū)綜合治理，大幅壓減地下水開采量，衡水市城區(qū)禁采深層地下水，深層地下水水位下降減緩甚至回升，有效遏制了地面沉降的快速發(fā)展。2019年第一至三壓縮層的變形量減至?10.9，?3.4，?2.1 mm，對地面沉降量的貢獻(xiàn)率為66.2%、20.8%、13%，主要壓縮層位從之前的以第三、四含水層組為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐砸弧⒍畬咏M為主。

圖3 北京、天津和河北平原地面沉降嚴(yán)重區(qū)面積占各省（市）平原區(qū)面積比例（2012—2019年）Fig.3 The ratio between the severe subsidence area and the total area for Beijing,Tianjin and Hebei plain（from 2012 to 2019）

圖4 北京平原地面沉降嚴(yán)重區(qū)、地下水漏斗面積占平原區(qū)總面積比例與平均水位埋深（2012—2019年）Fig.4 The ratio of area of severe subsidence and groundwater depression cones to the total plain area and the average waterlevel depth for Beijing plain（from 2012 to 2019）

圖5 滄州市區(qū)各壓縮層累計(jì)變形隨時(shí)間變化曲線（2019年）Fig.5 The temporal variation of the deformation of different compression layers in the downtown of Cangzhou（2019）

雖然華北平原地面沉降出現(xiàn)減緩態(tài)勢，北京、天津、河北滄州等治理區(qū)地面沉降速率大幅下降，但華北平原尤其是河北平原地面沉降總體上仍然處于較快發(fā)展階段，地面沉降防控形勢依然嚴(yán)峻。為滿足農(nóng)業(yè)用水需求，山前平原超采淺層地下水，中東部平原的衡水、滄州等地超采深層地下水，農(nóng)業(yè)區(qū)超采是當(dāng)前華北平原地面沉降嚴(yán)重的主要影響因素之一。2019年河北全省平均降水量437.6 mm，比2018年減少71.6 mm，為確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，加大了灌溉期地下水開采力度，使農(nóng)灌區(qū)地下水位普遍下降。據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局地下水位統(tǒng)測數(shù)據(jù)，2019—2020年，華北平原淺層和深層地下水位平均分別下降0.6 m和1.0 m，水位下降區(qū)主要分布在農(nóng)業(yè)灌區(qū)，加劇了地面沉降發(fā)展。目前，華北平原地面沉降嚴(yán)重區(qū)面積超過全國沉降嚴(yán)重區(qū)總面積的80%，沉降速率較快地區(qū)主要分布在北京朝陽與通州的交界處，天津武清、靜海、西青、北辰，河北廊坊、滄州、保定、衡水、邯鄲等地。河北雄安新區(qū)、北京城市副中心等地存在地面沉降嚴(yán)重區(qū)，京津城際、京滬高鐵等高速鐵路穿越地面沉降嚴(yán)重區(qū)，應(yīng)予以高度重視。

3 研究展望

地下水位變化驅(qū)動(dòng)下的土層變形特征及其機(jī)制研究仍屬國內(nèi)外地面沉降研究的前沿課題。如前所述，土層變形規(guī)律、水文地質(zhì)參數(shù)反演校正和土水耦合模型應(yīng)用等三個(gè)研究方向聯(lián)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，近年來在基礎(chǔ)理論上有了較大的發(fā)展，在技術(shù)方法上更加注重利用InSAR等新技術(shù)、新方法獲取的數(shù)據(jù)開展研究，為華北平原地面沉降防治研究提供了很好的經(jīng)驗(yàn)借鑒。同時(shí)，華北平原具有獨(dú)特的水文地質(zhì)條件，是我國含水層結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的大型平原，受長期地下水超采等人類活動(dòng)影響，形成了世界上面積最大的地下水降落漏斗和最嚴(yán)重的地面沉降區(qū)。不同地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性和時(shí)空上的差異性導(dǎo)致許多研究結(jié)論可能無法在該地區(qū)適用，需要不斷提高地下水與地面沉降監(jiān)測技術(shù)水平與監(jiān)測精度，因地制宜地開展相關(guān)研究工作。在總結(jié)地下水位變化模式和土層變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究地面沉降差異性特征及變形成因機(jī)理，將大幅提升華北平原地面沉降機(jī)理的認(rèn)識水平，極大促進(jìn)環(huán)境地質(zhì)學(xué)科發(fā)展，為地面沉降防災(zāi)減災(zāi)提供重要技術(shù)支撐。

（1）深化地面沉降機(jī)理和預(yù)測預(yù)警研究。華北平原構(gòu)建了地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測面積達(dá)9×104km2，覆蓋了京津冀整個(gè)平原區(qū)；其中，建成基巖標(biāo)14個(gè)，分層標(biāo)31組，水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)3 677個(gè)，GPS監(jiān)測點(diǎn)272個(gè)，地下水監(jiān)測井5 000余眼，InSAR實(shí)現(xiàn)了京津冀平原區(qū)全覆蓋連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。由于沉積過程、沉積相、地層巖性及應(yīng)力加載過程條件（地下水位變化模式）等不同，華北平原不同埋深土層在地下水位變化影響下的變形特征存在較大差異。多年積累的地下水位、土層變形等信息對于地面沉降預(yù)測預(yù)警來說無疑十分寶貴，可是迄今對這些數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)化、規(guī)律化的分析和提煉，沒有對不同地下水位變化模式下土層變形規(guī)律這一關(guān)鍵問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究。如何聯(lián)合利用室內(nèi)土工試驗(yàn)和基于現(xiàn)場調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)理分析揭示土層變形應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律？如何量化這一規(guī)律從而形成簡單實(shí)用的土層變形本構(gòu)關(guān)系，甄別誘發(fā)地面沉降快速發(fā)展的地下水位及其下降速率等地面沉降控制指標(biāo)？如何將土層變形本構(gòu)模型與地下水流模型耦合用于地面沉降監(jiān)測預(yù)警？對這些科學(xué)問題的解決，直接關(guān)系到對華北平原地面沉降形成機(jī)理的認(rèn)識，也是區(qū)域地面沉降預(yù)測預(yù)警的迫切需求，有助于因地制宜地提出有針對性的地面沉降防控措施。圖6概括了地下水位變化驅(qū)動(dòng)下土層變形規(guī)律的研究思路。

（3）提升對華北平原地下水資源屬性的認(rèn)識。地下水動(dòng)力與土層變形的互饋關(guān)系研究是地面沉降區(qū)地下水資源量評價(jià)的前提條件。以華北中東部平原為例，深層地下水補(bǔ)給條件較差，可更新能力低，在相同地下水開采強(qiáng)度下，更容易產(chǎn)生地面沉降。近40年以來，深層地下水位最大累計(jì)降幅已經(jīng)超過100 m，目前天津、滄州、衡水、德州深層地下水漏斗已經(jīng)連成一片，面積超過2.0×104km2。華北平原深層地下水開采量中含水層和弱透水土層壓密釋水量所占比例達(dá)40.1%～43.8%，滄州地區(qū)高達(dá)57.6%[56]。正確評價(jià)地面沉降區(qū)地下水資源量，需要充分利用地面沉降觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)確定沉降層位、沉降量與地下水開采量的定量關(guān)系。

圖6 地下水位變化驅(qū)動(dòng)下土層變形規(guī)律研究思路Fig.6 Research ideas on groundwater-derived deformation law of soil layers

（4）加強(qiáng)地?zé)衢_發(fā)與地面沉降關(guān)系研究。京津冀地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)始于20世紀(jì)70年代初，21世紀(jì)以來開發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，目前是我國地?zé)豳Y源開發(fā)利用程度最高的地區(qū)，主要開發(fā)新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組、古近系東營組3個(gè)孔隙熱儲層和寒武-奧陶系、薊縣系2個(gè)巖溶熱儲層。地?zé)崴_發(fā)利用對地面沉降的影響目前尚無定論，主要原因是缺少觀測數(shù)據(jù)和研究成果支持。深入研究地?zé)崴_發(fā)引起的水位變化與土層變形的關(guān)系，提出合理的水位控制指標(biāo)，可以為實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源持續(xù)利用和地面沉降有效控制提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。