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北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析


SHANGHAI GEOLOGY 上海地质

北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析
杨 艳1,2,贾三满1,王海刚1
(1. 北京市水文地质工程地质大队,北京 100195;2. 北京理工大学管理与经济学院,北京100081)



要:北京平原区已成为国内地面沉降发育严重的区域之一,对北京城市规划

建设的影响日益明显,其潜在危 害倍受各级政府和社会各界关注。本文主要从沉降速率、累计沉降量以及沉降区域扩展等几个方面, 重点描述北京平原区地面沉降现状,分析其特点与规律,对其发展趋势进行预测,并提出防治措施对 策建议。

关 键 词 :北京市;地面沉降;现状;规律分析;发展预测;防治措施 中图分类号:P642.26 文献标识码:A 文章编号:1004-230X(2010)04-0023-06

1.1 沉降发展过程概述

0

引言
北京在经济社会发展和城市建设方面发展迅速,

北京地面沉降最早于1935年在西单到东单一带 被发现,截至1952年的17年间最大累计沉降量仅为 58mm。上世纪五六十年代,随着东郊地区电子工业 区、纺织工业区等迅速发展,地下水大量开采,逐步 形成东郊沉降区。上世纪七十年代是北京市地面沉降 快速发展时期,沉降区集中,沉降量大。东郊沉降 区快速发展的同时,昌平区、顺义区、大兴区等均 出现新的沉降中心,个别监测点的沉降量甚至达到 81mm。80年代初至90年代初,随着顺义区第八水厂 自来水引入市区 [3],并采取了大力开展节约用水和加 强地下水开发管理等措施,城区地面沉降明显减缓, 但在东郊边缘地带及远郊区地下水集中开采区,地面 沉降区面积仍在迅速扩大,并形成了新的通州沉降 区。不同时期地面沉降区域变化情况见图1。

处于全国领先地位。近年来,地面沉降作为北京平原 区主要地质灾害之一,对北京的城市发展造成一定的 负面影响,其潜在的危害和经济损失已越来越受到社 会和政府的关注与重视 [1]。在北京市政府的大力支持 下,经过地面沉降监测网站预警预报系统一期、二期 工程建设,已基本形成了覆盖全市的地面沉降监测网 络 ,监测手段包括高精度水准测量、InSAR测量、 GPS测量以及监测站内基岩标、分层标监测等,每年 北京市政府都投入大量资金用于地面沉降监测。自 2004年至今,各监测系统运行正常,监测数据连续可 靠,所取得的监测成果在城市规划、国土资源管理以 及区域工程地质勘查、地质灾害危险性评估等方面得 以推广应用,社会效益明显。
[2]

1

地面沉降历史与现状

收稿日期:2010-11-01 修订日期:2010-12-05 作者简介: 杨艳(1982-),女,在职硕士生,助 理工程师,主要从事地面沉降监测与研究. 电子邮箱:yangyanhunan1982@126.com 联系电话:010-51560322 基金项目:北京市政府财政项目“北京市地 面沉降监测运行”(国土京环[2004]75);中国地质调查局项目“华 北平原(北京)地面沉降监测与防治综合研究”(121201084044)

图1

不同时期北京沉降区域扩展示意图

Fig.1 The isoline chart of accumulative total volume of land subsidence in Beijing Plain

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上海地质 SHANGHAI GEOLOGY 进入21世纪以来,北京平原区地面沉降仍处于 快速发展阶段,截至2009年底,最大年沉降量达到 137.51mm,最大累计沉降量达到了1163mm。依据历 年累计沉降量和近几年年度沉降情况,将北京平原区 地面沉降区域划分为北部沉降区和南部沉降区。北部 沉降区包括昌平沙河—八仙庄、朝阳来广营、东郊八 里庄—大郊亭(三间房、通州城区、黑庄户—台湖) 沉降区,以及顺义平各庄沉降区。南部沉降区主要分 布在大兴榆垡-礼贤地区。累计沉降量见图2。

图2

北京平原区1955~2009年累计沉降量等值线图

Fig.2 The isoline chart of accumulative total volume of land subsidence in Beijing plain in 1955~2009 year

1.2 沉降现状特点 1.2.1 沉降速度快 高精度水准测量和InSAR测量成果均显示,北京 平原区部分地区近几年地面沉降发展迅速,年沉降 速率超过50m m/a,局部地区连续三年沉降速率超过 100mm/a。具体情况见表1、图3和图4。
表1 北京平原区1999年至今年沉降量统计表
Table 1 The statistics of land subsidence quantity in Beijing Plain since 1999
年度 年均沉降量 (mm) 最大沉降量 (mm)
1999~2005 25.51 65.40 2006 25.77 82.00 2007 23.52 14.84 2008 15.55 134.51 2009

图4

1999~2009年主要沉降中心年沉降速率折线图

Fig.4 The line graph of subsidence rate of subsiding center in main subsidence regions in 1999~2009 year

1.2.2 累计沉降量逐年增加 各沉降区域地面沉降持续发展,最大累计沉降量 逐年增加。截至2009年底,昌平沙河-八仙庄沉降区 最大累计沉降量达1163mm,为历史最大值。朝阳区来
24.77 137.51

广营沉降区和大兴榆垡—礼贤沉降区的最大累计沉降 量均超过900mm。近五年南北典型沉降区域最大累计 沉降量变化情况见表2。

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表2 典型沉降区域最大累计沉降量表(单位:mm)
Table 2 The table of accumulative max volume of land subsidence in typical subsidence regions
年度 北区 南区榆垡
2005 1086 813 2006 1096 845 2007 1106 883 2008 1116 926 2009 1163 965

地面沉降对城市的危害主要体现在三个方面:一 个是地面沉降导致的显性危害,二是地面沉降导致的 隐性危害,三是地面沉降与其它地质灾害共同作用造 成的危害。北京平原区地面沉降对城市的影响与危害 具体表现为: (1)破坏市政设施 [4] :通过对近几年资料分析表 明,北京市自来水管线断裂、燃气管线破损、路面塌 陷等市政设施的破坏事件,多发生在地面沉降危害较 严重的北部和东部地区,地面沉降对市政设施具有一 定的危害性。 (2)威胁轨道交通工程安全:京津、京沈、京唐等 城际枢纽工程均通过地面沉降发育严重区;大兴轻轨 线和亦庄等大量规划地铁线路均靠近或经过地面沉降 发育严重区。 (3)部分规划新城 [5] 存在地面沉降安全隐患:大 兴、昌平、亦庄等规划新城均处于地面沉降发育严重 或较严重区域范围内,具体布局见图7。

1.2.3 严重沉降区域面积不断扩大 1999年至今,北京平原区累计沉降量大于300mm 区域和大于500mm区域面积均不断扩大,截至2009年 底,分别扩展到1999年的3.24倍和8.01倍。各年度累计 地面沉降区域面积详细变化情况见图5、图6。

图6

累计沉降量大于500mm沉降区域面积变化图

Fig.6 Change of subsidence area for more than 500mm

根据北京市地面沉降危害分区参考标准,城市建 设发展相对较缓的郊区县,年沉降速率30~50mm/a或累 计沉降量500~1000mm区域为地面沉降发育较严重区; 大于50mm/a或1000mm区域为严重区。市区内及重点 城镇区,年沉降10~30mm/a或累计沉降量300~500mm 区域为地面沉降发育较严重区;大于30mm/a或500mm 区域为严重区。北京市地面沉降较严重区和严重区面 积不断扩大,由最初发展时期的几十km2扩大到2009年 底的1225.41 km2,覆盖面涉及海淀、朝阳、昌平、顺 义、通州、大兴等区县。 1.2.4 对城市影响日趋明显
图7 地面沉降危险性分区与规划新城布局
Fig.7 The risk zoning of land subsidence and plan of new urban areas

(4)导致地面高程资料失效: 地面高程资料失真, 对城市规划建设、城市土地利用产生不良影响,直接 影响测量结果,需要经常性修测,加大了城市测绘工 作量和资金投入。 (5)引发地裂缝灾害:近年来完成的大量野外调 查、物化探等工作,发现北京平原区顺义地裂缝、北 小营地裂缝、高丽营地裂缝等仍在活动,尽管影响地

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上海地质 SHANGHAI GEOLOGY 裂缝活动的因素有多种,但地面沉降的不断发展是其 重要诱因之一。 地区,尤其是温榆河冲洪积扇、潮白河冲洪积扇及永 定河冲洪积扇的交接部位,该地区已经成为地面沉降 范围最广、沉降量最大、发展最为迅速的主要沉降区 之一。 地面沉降严重区与区域内第四系粘性土可压缩层 总厚度分布也十分吻合(见图9)。北京平原区第四纪 沉积环境复杂,砂层与粘性土层互层,层次多,结构 复杂[6,7]。昌平沙河—八仙庄—东小口、顺义李遂—平 各庄、朝阳金盏—楼梓庄—管庄、通州张家湾—永乐 店、大兴礼贤—安定一带,可压缩层总厚度一般大于 150m,这些地区也是地面沉降最为发育的地区。

2

地面沉降规律分析
根据地面沉降监测站内分层标监测与地下水动态

2.1 地下水位变化与地面沉降变化趋势基本一致 监测成果,尤其是对100m以深地层沉降的变化趋势进 行分析,从区域上长时间序列来看,以天竺地面沉降 监测站为例,如图7所示,北京平原区地下水动态变化 与地面沉降变化趋势基本一致:全市平原区地下水位 基本处于持续下降状态,大部分地区地面沉降以较快 的速度发展,累计沉降量不断增加;地下水位回升地 区,则在一定程度上能够减缓地面沉降发展的速度, 局部地区甚至出现轻微反弹。
(年/月)

图8

天竺站分层标与同层段内水位标高变化曲线图

Fig.8 Subsidence curves and corresponding groundwater table curves

从平面上分析,地面沉降区域随着地下水开采 的变化而变化。在地下水开采井全部关闭、各应急水 源地及南水北调等外部水源引进的中心城区内,地面 沉降发展明显减缓;相反,随着地下水开采漏斗的东 移,受工农业快速发展、施工降水、深层水资源开发 利用等影响,郊区县沉降区域扩展速度远大于城区, 与2005年之前相比,昌平沙河—八仙庄中心、朝阳来 广营沉降区和东八里庄—大郊亭沉降区明显东扩,最 大年沉降点和最大累计沉降点均往东移,金盏—三间 房地区成为北部沉降区内近五年年沉降量最大的地 区,东部的通州城区和东南部的台湖—黑庄户地区近 几年的地面沉降发展速度也比较快;南部沉降区域面 积扩展速度相对较缓,但与邻近河北廊坊地区已经逐 渐连成一片。 2.2 地层岩性及结构特征是产生地面沉降的重要地质 背景 北京地面沉降主要发育在冲洪积扇平原的中下部
图9 地面沉降区粘性土可压缩层总厚度等值线图

Fig.9 The isoline chart of total thickness of compressible layer of clay in subsidence regions

3

地面沉降发展趋势预测
目前北京平原地面沉降预测主要考虑两方面因

素:一是地层结构特征,其决定地面沉降的范围和 分布特征;另一方面是地下水水位情况,其主要影响 地面沉降的速率。由于受地层结构特征的影响,目前 北京市地面沉降的分布特征已经基本上形成一定的格 局,未来几年内不会有太大的变化。因此,影响地面 沉降的主要因素是地下水开采而导致的地下水水位变 动。 依据目前的城市规划建设规模,以及南水北调一 定程度上减缓地下水超量开采的有利情况,在地下水 开采量不发生大变化的前提下:当降水量低于多年平 均水平时,大部分地区的地下水位尤其是深部含水层

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SHANGHAI GEOLOGY 上海地质 水位继续下降,整体的地面沉降量仍会继续增加,一 些重点地区,如朝阳来广营—孙河、金盏-楼梓庄、 东郊三间房-管庄一带的沉降速率仍将保持快速发展 的势头;当降水量高于多年平均值时,一些地区的潜 水和浅层承压水水位会有一定程度的恢复,沉降速率 会有所减缓,但深层地下水位仍然会出现下降态势, 整体地面沉降量仍会继续增加,上述重点沉降区沉降 速率仍然较大。此外,由于受到周边地区城市建设快 速发展以及区域地面沉降影响 ,大兴榆垡、通州宋 庄等地区地面沉降仍将以较快速度发展。
[8]

完成地下水回灌选择调查工作;在此基础上采用 多种地下水回灌方式进行回灌试验;布设100个监测点 对不同地质条件下、不同回灌方式所取得的回灌效果 进行监测与研究;回灌的同时有选择性的关闭部分自 备井,对比地下水回灌,研究其对地面沉降的影响; 提出有效控制地面沉降的地下水回灌可行性方案,在 适宜回灌区内加强地下水回灌。 4.4 加强地面沉降基础研究工作 围绕影响地面沉降产生和发展的各个因素,开展 大量基础研究工作:先后完成《北京市用水调研与需 水预测研究报告》、《首都地区地下水资源和环境调 查评价》等,较为全面地掌握北京市地下水资源及动 态变化情况;开展了大量野外地裂缝调查、物化探等 工作,为研究地面沉降与构造断裂、地裂缝等之间的 关系准备大量基础资料;完成《北京市地质灾害对城 市建设影响调研》以及顺义、通州、昌平等十一个规 划新城前期区域工程地质勘查等项目,不断探求地面 沉降监测成果在城市规划建设过程中的利用途径,使 该项工作的社会效益和经济效益能够有效结合。

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地面沉降防治措施
地面沉降防治管理工作涉及内容广泛,制约因

素众多,长期以来,在北京市政府各管理部门及相关 科研技术单位的共同努力下,采取合理有效的技术措 施,减灾防灾工作取得一定成效。 4.1 建立地面沉降监测预警预报系统 地面沉降防治工作被纳入《北京城市总体规划 (2004~2020年)》城市综合减灾防灾系统,自2004年 至今,北京市地面沉降监测网站预警预报系统建设及 监测运行项目,政府累计投资超过亿元,监测网络基 本覆盖全部中心沉降区、重要城镇以及重点工程,各 监测站全部实现实时监测,监测成果数据连续可靠, 成为城市规划、国土资源管理、区域地质灾害评价等 工作的重要依据。地面沉降监测预警预报系统还被纳 入北京市城市地质安全保障工程信息服务系统,成为 保障首都地质安全工作的重要内容之一。 4.2 控制地下水开采,优化地下水开采布局 郊区县应急水源地输水进京,南水北调工程竣工 并投入使用,尤其是本世纪伊始,政府强制关闭城区 内所有工农业自备井,并逐步加强对郊区县地下水井 的控制和管理,各项措施并举,使得地下水开采量得 到有效控制。 在局部地区强行控制地下水开采的同时,合理调 配全市水资源,优化地下水开采方案。根据地面沉降 的发展变化,调整开采区域、开采层位和开采时间。 地面沉降较严重地区限制开采;采用分散开采的办 法,控制同层位地下水开采量;在开采时间上,避免 常年开采,安排一定的停采间歇期,涵养地下水源。 4.3 加强地下水回灌

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结语
(1)北京平原区地面沉降仍处于快速发展时期,累

计沉降量超过1m,最大年沉降速率连续五年创新高。 地面沉降严重区域面积不断扩大,对城市发展建设影 响日益明显。 (2)影响北京平原区地面沉降发展的主要因素是超 量开采地下水,地面沉降发展趋势在长时间序列下与 地下水位变化趋势基本一致。不同地层岩性及结构特 征条件下,地面沉降发育情况不同。 (3)在政府部门的大力支持下,监测网络基本覆盖 全市,监测设备水平及监测精度均具有较高水平,今 后将继续进一步对现有监测资源进行优化管理。 (4)加强地面沉降机理研究,在保证现有减灾防灾 工作的基础上,尽快制定专门的地面沉降防治相关法 令法规,切实保障地面沉降防治措施的有效实施和长 远发展。 (5)随着城市规模的进一步扩大,城市建设快速发 展,建筑施工及荷载对地面沉降的影响程度尚有待进 一步研究。 (6)由于近年来陆续获取地裂缝活动方面的信息,
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上海地质 SHANGHAI GEOLOGY 观测与研究地面沉降与地裂缝发展之间的量化关系也 是今后地面沉降工作的重要工作内容之一。
参考文献: [1] [2] [3] 叶晓宾,何庆成. 华北平原地面沉降经济损失评估[M]. 北京:中国 大地出版社,2006:67-68. 赵守生,刘明坤,周毅. 北京市地面沉降监测网建设[J]. 城市地 质,2008,3(3): 40-44. 北京市地质矿产勘查开发局,北京市水文地质工程地质大队. 北 京地下水[M]. 北京:中国大地出版社,2008:187-232. [4] [5] [6] [7] [8] 卫万顺.未来10~15年北京城市地质工作的战略思考[J]. 城市地 质,2007,2(1):1-5. 北京市人民政府. 北京城市总体规划(2004~2020年)[J]. 北京规 划建设,2006,(2):5-51. 刘予,叶超,贾三满. 北京市平原区地面沉降区含水岩组和可压缩 性划分[J]. 城市地质.2007,2(1):10-16. 贾三满,王海刚,赵守生,等. 北京地面沉降机理研究初探[J]. 城市 地质.2007,2(1):20-27. 张阿根,魏子新. 中国地面沉降[M]. 上海:上海科学技术出版社, 2005.

The Status and Development of Land Subsidence in Beijing Plain
YANG Yan1,2, JIA San-Man1, WANG Hai-Gang1 (1. Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195, China; 2. School of Management and Economics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China )

Abstract: Beijing Plain has become one of the serious land subsidence regions in China. The loses of urban planning
and construction in Beijing caused by land subsidence has been increasing obviously, which attracted society and government attention. This paper describes the status of land subsidence in Beijing Plain from subsidence rate、accumulative total volume of land subsidence and regional extensions of land subsidence, forecasts the development trend and conducts relevant proposals for follow-up work.

Key word: Beijing Plain; land subsidence; status; regularity analysis; development forecast; control measure

(上接第22页)

Evaluation of Groundwater-Environmental Capacity and its Application on Land Subsidence Controlling in Shanghai
LIU Jing-Bao1, ZHANG Yue-Ping2, WU Jian-Zhong1 (1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Hydrology Administration, Shanghai 200232, China )

Abstract: On the basis of analyzing groundwater-environmental capacity and environmental effect by exploiting
groundwater resources, the concept of groundwater-environmental capacity is discussed. The discussion holds that roundwater-environmental capacity is maximum value, which the groundwater system bears the effect of natural and human activity in a certain constraint condition. So as a case study of shanghai, groundwaterenvironmental capacity is analyzed by using evaluation indexes of critical water level, land subsidence and water quality. And its application is used in preventing land subsidence, and the working mechanism of groundwater resources management and land subsidence controlling is analyzed.

Key words:groundwater-environmental capacity; evaluation method; land subsidence controlling

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