北京市地面沉降中心区综合防控体系构建研究

崔文君

摘要：从地面沉降综合防控角度出发，借鉴国内外地面沉降综合防控实践经验，分析了目前北京市地面沉降防控遭遇的困境。在此基础上，阐述了构建北京市地面沉降中心区综合防控体系的重大意义、原则以及思路，并结合北京市地面沉降发育特点，给出了综合防控体系的具体范围。最后，从制定性措施（管长远）、管理性措施（管近期）和技术性措施（管创新）等三个维度进行具体防控工作部署，共同形成了地面沉降中心区综合防控体系。该体系以期为地面沉降差异性防控和水资源管理，提供决策依据和技术支持，有效缓解地面沉降快速发展的态势，为首都北京提供地质环境安全保障。

关键词：地面沉降;中心区;综合防控;体系构建

中图分类号：P642.26 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2019）01-0001-07

1国内外地面沉降综合防控体系构建实践

地面沉降形成原因复杂，作为一种环境地质现象，在全世界60多个国家都不同程度的存在着。从地质灾害角度讲，地面沉降危害主要包括地面标高损失、城市内涝、建筑物受损、市政基础设施破坏等，其显著特点是持续时间长、影响范围广和防控难度大。美国于1922年最早在加州萨克拉门托SanJoaquin流域发现沉降，至今50个州均有地面沉降发生（崔振东等，2007）。我国于20世纪20年代初最早在上海市区发现地面沉降。从发现地面沉降到应对地面沉降将近百年间的长期实践过程中，上述地区在制度、技术和管理层面形成了相对比较成熟的地面沉降防控体系，并且取得了显著的防控成效。

1.1美国经验

在地面沉降防控管理方面，美国注重责任主体的构建和制度的约束机制。德克萨斯州于1975年成立美国第一个地面沉降管理机构——“哈里斯·加尔维斯顿沿岸地面沉降管理区”。之后，加州圣克拉拉山谷成立了一个专门的水资源管理机构，管理该区的用水。这些机构的目的是将地下水资源进行最合理的分配，使地表水和地下水得到了长期有效的综合利用，发展新的水资源供应，推进地区由开采地下水向充分利用地表水转变，阻止地面的进一步沉降（Devin et al，1999）。此外，亚历桑那州1980年通过了《地下水管理法案）），用法制措施来约束地下水开发利用，从而防控地面沉降进一步发展。

在地面沉降防控监测方面，美国构建了以钻孔伸长计、水准测量、GPS测量和InSAR测量构成的监测网。钻孔伸长计用于精确测量单点上的土层连续变形，与我国地面沉降监测中常用的基岩标和分层标测量相似。水准测量在调查范围小且所希望的空间密度高的时候普遍应用。GPS测量和InSAR测量应用在大区域范围的地面沉降填图。地面沉降专门监测的GPS网络于1992年在加利福尼亚州莫哈韦沙漠的安蒂洛普谷建成。其他用于地面沉降监测的大型GPS大地测量网络已在新墨西哥州的阿尔伯克基、内华达州的拉斯维加斯、加利福尼亚州的下科切拉谷、加利福尼亚的萨克拉门托一圣华金三角洲以及亚利桑那州的图森盆地建成。InSAR已被用来对加利福尼亚州的地热田和油气田有关的局部地壳变形和地面沉降进行填图，同时也对加利福尼亚州和内华达州由于含水层系统压缩引起的区域范围的地面沉降进行了填图（Teatini et al，2006）。

在地面沉降防控技术方面，美国目前的技术措施主要包含含水层存储和恢复技术（ASR）、人工补给地下水、改变土地利用类型、节水、加固堤防、建立地表水一地下水联合管理模型等。尤其ASR技术在美国各州得以广泛的应用，如德克萨斯、新墨西哥、内华达、亚利桑那、加利福尼亚和佛罗里达等州。在地表水一地下水联合调蓄方面，加州圣克拉拉谷地在治理地面沉降上获得突出成绩。该地区在河流上建立了5个蓄水坝以收集雨水，增加了河水对流经区的地下水的补给。同样的情况还有亚利桑纳州中南部，通过引入科罗拉多河的河水，减少了地下水的需求强度，从而缓解了地面沉降。在人工补给地下水控制地面沉降方面，即借助某些工程设施将地表水自流或用压力注入地下储水层以增加地下水的补给量，稳定地下水水位。最典型的例子是美国的威明顿油田。该油田1936年投产，十几年后出现地面下沉，1959年该地区进行大规模注水，到1966年几乎整个沉陷区已被稳住并得以回升（亓军强，2002;徐曙光，2001）。在地下水一地面沉降模型技术方面，Siade等在2014年对加利福尼亚羚羊谷地区1995--2005年地面沉降和可压缩层变化进行了监测，并详细描述了所建立的区域性的地下水流模型和地面沉降模型，为管理决策提供依据（Siade et al，2014）。

1.2上海经验

在地面沉降防控管理方面，我國上海市制定了多项管理办法或者条例。2006年10月1日开始施行《上海市地面沉降防治管理办法》，后废止，于2013年7月1日开始施行《上海市地面沉降防治管理条例》，地面沉降防治管理工作升级。该条例对地面沉降防控管理的行政主管单位、责任单位，地面沉降防控年度工作计划编制，地下水开采总量控制等均进行了明文规定。

在地面沉降防控监测方面，上海市的地面沉降监测呈现出阶段性、综合性和系统性特征。目前，已建成的综合性地面沉降监测网，包括区域地面沉降监测网（精密水准监测网、GPS地面沉降监测网、InSAR监测）、地面沉降动态监测网（基岩标、分层标组、自动化监测系统）和地下水动态监测网（水位、水质）。该网络基本满足地面沉降研究中各个层次（不同控制区域、不同监测频率、不同精度、不同深度土层、不同深度含水层）的研究需求（许言等，2017）。

在地面沉降防控技术方面，上海市针对地面沉降特点采取了大幅减少地下水开采量并同时进行人工回灌的措施，从而使地面沉降速率得到了有效控制。地下水采灌量动态总体上呈现出年开采量逐年减少和年回灌量逐年增加的态势，年开采量由最高的近2亿m3逐年减少到目前的1000万m3以下，年回灌量由早期的390万m3增加到目前的2000万m3左右。目前，上海市政府形成了“两局两委”协调的地面沉降防控机制，其中市国土局、水务局负责地下水深浅层回灌的规划与实施，市建委、交通委负责管控深基坑工程降排水。地面沉降防控进入了微量沉降控制的新阶段，地面沉降防控管理施行分区管控，主要从区域地面沉降、地下水资源开发利用、深基坑工程减压降水地面沉降、重大市政工程设施沿线地面沉降4个方面人手，深入研究分区管控方法（姜晨光等，2014）。

1.3北京困境

在地面沉降防控管理方面，北京市政府没有针对全市地面沉降而制定专门的管理办法，只是制定了《北京市地面沉降防治规划（2013-2020年）》。该规划提出至2020年，区域地面沉降速率控制在每年15mm以内，沉降中心沉降速率控制在每年30mm以内，其中沉降中心防控速率难以实现。

在地面沉降防控监测方面，北京市政府于2004-2008年完成了地面沉降监测网站预警预报系统（一期、二期）工程建设，形成了基本覆盖重点沉降区立体化监测系统。该系统包含基岩标7座，分层标7组，水准测量点480个，GPS监测点114个，区域地下水位动态监测井628眼。每个季度，向市政府相关部门提交一次季度监测报告，全年提交一次年度报告，动态监测地面沉降发展趋势，截至2015年，北京平原区最大年沉降速率连续5年超过100mm/a。目前，北京市平原区形成南北两个沉降区、7个沉降中心，其中北区面积较大，集中在平原区北部和东部，南区面积较小，集中在大兴（图1）。通过两期工程建设，开展了一系列基础理论研究，基本厘清了地面沉降成因机理，掌握了地面沉降与地下水关系，地面沉降主要贡献层位及其变化趋势。

在地面沉降防控技术方面，北京市政府进行了大量的实践，主要围绕地下水的减量开采而进行。2010年，《《北京市水污染防治条例》发布，该条例提出了要严控地下水超采。2014年，发布了《2015-2020年城区自备井置换工作方案》，截止到2016年7月底，停用自备井163眼，置换日供水量4.8万m3。2014年底，南水北调水进京，按计划每年来水10.5亿m3，截至2017年12月底，北京累计收水30.2亿m3。2015年，“北京市实行最严格水资源管理制度考核办法》发布，将水资源管理纳入到区县政府绩效考核。针对地面沉降快速发展的现状，北京市水文地质工程地质大队曾从研究的层面探讨过远程回灌问题。通过数值模型模拟，选取潮白河地下水库进行地下水回灌，人渗时段为2015-2020年，每年回灌1.5亿m3，研究远程回灌下的地面沉降响应。结果表明，朝阳和通州两个地面沉降快速发展区仍然无法实现《北京地面沉降防治规划（2013-2020年）》中规定的2015年和2020年的控沉目标，远程回灌对地下水的涵养受限于至回灌区距离的影响，距离越远，影响越弱。同时，该队针对地面沉降中心区进行深层地下水回灌的研究，也在进行过程中。

2北京地面沉降综合防控体系构建的思路

2.1重大意义

一是遏制北京市地面沉降快速发展趋势。北京市于1935年西单至东单一带发现了地面沉降，先后经历了形成、发展、扩展和快速发展（1999年至今）4个阶段（贾三满等，2007;罗勇等，2014）。二是保障国家战略建设区地质环境安全。北京市差异性地面沉降引发地裂缝和地面塌陷等一系列次生地质灾害，严重威胁到城市副中心、大兴新机场的规划建设。同时严重威胁高速铁路、南水北调、西气东输等长距离和大跨度重大线性工程安全，已建或在建的京津城际、京沪高铁、京沈高铁和京张高铁，以及京津冀“一小时交通圈”中的部分规划线路都穿越了地面沉降严重发育区，沿线存在明显的不均匀沉降。三是推动新水情下地面沉降精准防控需求。在2014年南水北调水进京后，北京市用水结构发生了新变化，伴随着北京市自备井置换工程的深入开展，地下水开采量、开采层位发生了显著变化。针对地面沉降与地下水开采复杂对应关系变化以及地面沉降防控管理和地下水资源管理协同性趋势等现状，需要深入研究地面沉降与地下水开采耦合关系，精确刻画地面沉降形成与致灾机理。四是落实京津冀协同联防联控要求。从区域角度讲，京津冀处于华北平原同一个水文地质单元上，北京平原区地面沉降防控工作需要协同，尤其是南部地区地面沉降中心的控沉工作需要与河北省区域联合，从实践角度提出具有可操作性的具体工作方案。

因此，为保障首都地质环境安全，积极响应北京地面沉降防控工作，探索研究构建北京市地面沉降中心区综合防控体系意义重大。

2.2构建原则

北京市地面沉降综合防控体系以平原区地质环境生态恢复为中心，以地面沉降防控系统化为手段，以地面沉降中心区年均沉降速率和区域面积减小为阶段性目标，在地面沉降防控工作中，充分认识地面沉降防控工作的系统性、针对性、长期性和协同性，注重创新性实践，构建综合防控体系。

树立系统化理念。地面沉降防控涉及到政治、经济、文化、社会以及生态等各个方面，涉及政府各部门、企事业单位、科研机构、社会公众等多个主体，因此，需要建立系统化治理思维，发挥政府主导作用，加强顶层制度设计，采取多元化治理措施，注重防控措施之间的协同性，突出综合性防控。

采取针对性措施。地下水开采是地面沉降的主要诱因，地面沉降压缩贡献层位变化与地下水开采层位变化具有高度相关性，地面沉降防控措施要紧紧围绕地下水开采动态变化，减少地下水开采量，甚至人工补充地下水资源，增强地面沉降防控中“控沉”效果。北京市地面沉降防控工作要突出重点，即要针对地面沉降中心区制定综合性防控措施。综合型防控措施要随着沉降中心区变化而变化，也要结合实际工作效果进行动态调整，增强防控措施的针对性。

建立长期性准备。地面沉降形成、发展、扩展和快速发展与地下水开采利用历史的阶段性变化高度吻合，地下水作为北京主要供水水源之一，未来一定时期内超采状况难以改变，与之伴生的地面沉降还将持续发展。因此，地面沉降防控工作是一項长期性的任务，既要做好长期防控规划目标和实施方案准备，也要制定好近期防控具体措施，达到远近结合、分步实施。

发挥协同性效能。首先，地面沉降要从区域联控角度出发，发挥京津冀政府之间协同作战效能，建立京津冀区域地面沉降灾害预警预报与综合防灾体系。其次，注重公共管理部门之间的协调性，要组建全市统一的领导小组，成立防控项目组、落实防控部门和人员，确定近期、中期工作方案。

2.3构建思路

从地面沉降综合防控体系构建原则看，北京市地面沉降综合防控体系不应该覆盖整个地面沉降区域，而是应着眼于一定的防控范围，这个范围应该是地面沉降发育程度强的地区，也是政府部门重点进行防控的地区。

由此可见，地面沉降防控工作应分为一般区和沉降中心区，其中沉降中心区是地面沉降综合防控体系的构建范围。针对沉降中心区，从顶层设计角度，从制定性措施（管长远）、管理性措施（管近期）和技术性措施（管创新）等3个维度进行防控部署（图2）。在此过程中，重点明确政府各部门的责任，强化相关地面沉降公益性事业单位职能，充分发挥全国科研院所的人才优势，加快提升地面沉降防控工作水平，确保首善之区的地质环境安全。

针对沉降一般区，不用采取特别的防控措施，以深化地下水资源严格管理为抓手，落实《北京市水污染防治条例》《2015-2020年城区自备井置换工作方案》《北京市实行最严格水资源管理制度考核办法》等现有的水资源管理制度。

（1）综合防控体系范围划定

根据地面沉降综合防控体系构建的原则和思路，依据《地质灾害危险性评估技术规范（DB11/T893-2012）》，将平原区地面沉降发育程度强的地区，即近3年平均沉降速率≥50mm/a或累计沉降量≥1500mm，定义为地面沉降中心区。因此，结合北京市2013-2015年的地面沉降监测数据，将此3年的年均沉降速率大于50mm/a或累计沉降量大于1500mm的地区作为综合防控体系构建的范围（图3红色区域）。

此区域主要包括南北两个部分。其中北区包含朝阳、通州、顺义西部、昌平中东部、海淀山后地区，总面积为507.64km2。南区集中在大兴区南部，主要包括礼贤镇的小马坊地区，以及榆垡镇南部，总面积为21.57km2。据InSAR监测资料显示，值得注意的是，北京地面沉降中心区通州东部、大兴南部的地面沉降中心区分別与河北廊坊的三河市、永清县和固安县相连。

（2）综合防控体系制度性措施

研究制定“北京市地面沉降防控管理办法》。该办法在落实《北京市关于实施最严格水资源管理制度的意见》基础上，将农业用水、园林用水、公园用水、施工用水、工业用水纳入监管范围，实行地面沉降防控预审制度，对不符合地面沉降控制要求的取水项目申请实行“一票否决”。此外，对于市政、水利、建筑等工程施工监管空白区域，严格实施施工用水100%回灌措施。此制度将地面沉降防控工作推向法制化、规范化和系统化。

（3）综合防控体系管理性措施

实现地下水开采量规划递减。不断强化“量水发展”理念，充分利用好南水和再生水资源，优化农业、工业、生活、生态用水结构，实现工业用新水零增长、农业用新水负增长、生活用水控制性增长，降低地下水开采在北京市水资源中占比，结合自备井置换工作方案，优先置换地面沉降中心区中最为严重的朝阳、通州、昌平、顺义等地区，置换措施和指标压实到乡镇，实现地面沉降中心区主要压缩层位停采或者地下水开采量逐年规划递减。

实施地面沉降中心区自来水管网铺设工程。北京市平原地面沉降区形成南北两个大的沉降中心，其中北部地区地面沉降中心区部分区域地下水管网覆盖不全，依靠开采深层地下水维持社会运转。因此，需要从政府职责角度，协调各个方面和各个部门，大力推进地面沉降中心区自来水管网铺设工作。

对人类建设活动进行适度规划管控。结合城市区域精细化管理，适度调减建筑高度和建筑规模，严格控制新增需水量大的建设项目。在地面沉降中心区的严重地区（如多年累积沉降量大于1500mm），将规划的建设用地作为未来战略留白区域。结合区域城乡结合部村庄治理工作和非首都功能疏解，加快腾退疏解进程，适度管控城乡结合部村庄人口规模，进一步压缩人口对水资源的需求，减少地面沉降主要压缩层位的地下水开采。

对在建重点工程项目进行积极干预。针对通州城市副中心、首都新机场、城际线性工程等重点项目建设，在规划设计阶段，要将地下水资源管理和地面沉降防控工作纳入其中，在项目实施阶段，要开展地面沉降监测专网建设，实现对重点工程沉降的实时动态监测，要采取浅层工程降水全部回灌、深层开采严控等工程措施减缓地面沉降快速发展态势，减少地面沉降灾害。

建立地面沉降科普教育基地。加强地面沉降灾害防控和地下水资源保护的政策、法规和科普知识的宣传教育，建立地面沉降与地下水资源科普教育基地，进一步提升公众地面沉降灾害防控和地下水资源保护意识。

夯实京津冀联防联控体制机制。以现有的华北地面沉降防控省级联席会议为支撑，推进防控工作协同会商机制，建立区域之间生态考核与补偿机制，编制京津冀地面沉降防控规划，固化区域地面沉降联防联控常态工作流程。

（4）综合防控体系技术性措施

精细刻画沉降机理。充分挖掘地面沉降与地下水已有调查成果，充分发挥地面沉降站、水准点、GPS监测点、InSAR、地下水位动态等常年积累的海量数据作用，保持开放的心态，欢迎各大高校、科研院所参与地面沉降基础研究积极性和创新性，充分利用国家、北京市自然科学基金平台，提升地下水一地面沉降三维耦合模型建设水平，加快实施地面沉降监测三期建设工程，提升地面沉降成因机理、预警预报、防控措施以及灾害分析等基础课题综合研究能力。

制定差异防控方案。在已有北京市地面沉降防治区划基础上，结合全市地下水管理中禁采区和限采区划定工作，结合分级控制区内乡镇街道不同特点和地面沉降差异性特征，制定差异化控制地下水开采措施，将控制措施进行量化，即停采深层地下水、压采深层地下水与置换深层地下水相结合。

尝试采取应急回灌。为了遏制目前北京市地面沉降快速发展态势，尤其是防止差异性沉降的严重危害，在地面沉降中心区范围最为严重的地区，可以针对地面沉降主要压缩层位，从实践层面开展深层地下水回补试点工程，探索深层地下水回灌措施可行性，并采用光纤技术评估地面沉降防控效果。

优化地下水开采。调整在地面沉降中心区的集中地下水水源地建设，将其布置在地下水恢复能力强、可压缩地层厚度小的北京平原冲洪积扇中上部。针对零散单井深层地下水开采，在不具备关停的情况下，主要是结合全市平原区地下水分层资源量和水质评价成果，优化开采层位和不同层位的开采量。

开展防控效果评价。既要着眼于地面沉降防控正向效果，也要提前谋划地面沉降防控后地下水位回升后对地质环境、已建构筑物以及人类活动的影响，客观准确评价地面沉降防控的程度和效果。

3结论

本文从管理、监测、技术角度介绍了美国和中国上海地面沉降综合防控工作经验，阐述了北京地面沉降防控的困境，结合北京市地面沉降防控面临严峻形势，提出了建立北京市地面沉降中心区防控体系的重要意义、构建原则和构建思路。结合北京市地面沉降发育现状，圈定了北京市地面沉降中心区综合防控体系的范围，并从制度性措施、技术性措施和管理性措施等3个维度，构建了北京市地面沉降中心区综合防控体系的具体措施。