京津冀協同發展視角下的地面沉降工作思考

崔文君，雷坤超

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

0 引言

地面沉降作為一種緩變性地質災害，它的特點是持續時間長、生成緩慢、影響范圍廣、成因機制復雜和防治難度大。目前，地面沉降在世界范圍內分布廣泛，遍布50 余個國家和地區，已經成為一個全球性的環境地質問題（Hu et al，2004；薛禹群等，2006；Shelley et al，2007；Motagh et al，2008；Pacheco- martínez et al，2013）。

近年來，我國由于城市化進程的不斷加快，越來越多的城市正在遭受地面沉降災害影響。其中，我國長江三角洲、華北平原、汾渭盆地等地地面沉降災害日趨嚴重，地面沉降在多個省市之間逐漸連片發展（殷躍平等，2005；何慶成等，2006a；何慶成等，2006b；李善峰等，2006；鄂建等，2007；石建省等，2014）。華北平原已經成為我國地面沉降分布范圍最廣、沉降速率最大、危害最為嚴重的區域（郭海朋等，2017）。

地面沉降造成地面標高損失，城市內澇，建筑物受損，大規模市政基礎設施破壞，威脅高速鐵路、南水北調、西氣東輸等重大工程安全運營。同時，由地面沉降引發的地裂縫、地面塌陷、海水倒灌等一系列次生地質災害，進一步影響地下空間資源利用效率、城市發展規劃以及區域經濟社會發展的可持續性。

京津冀最早于20世紀70年代相繼開始了地面沉降監測工作。經過近50年發展，尤其是近15年快速發展，地面沉降監測歷經了從無到有，由點到面，由部分區域到全區域的發展過程。與此同時，監測技術也經歷了由單一監測發展到水準、GPS、INSAR、基巖標-分層標組等綜合性立體化監測過程。在此期間，雖然京津冀三地在地面沉降監測、研究和應用方面取得了一些成績，但地面沉降監測、研究與應用現狀還面臨著不少的問題與挑戰。隨著黨中央和國家領導人對地面沉降這種緩變型地質災害的關注，國家對生態文明建設日益的重視，京津冀協同區域發展需要，國家、政府和社會對地面沉降認知程度逐步提升，地面沉降相關工作顯得尤為重要。因此，有必要對京津冀三地地面沉降監測、研究與應用工作進行梳理、歸納與總結，共同推動地面沉降工作向前發展。

1 地面沉降形成與發展

北京市于1935年西單至東單一帶發現了地面沉降，天津市于1923年在市區發現水準點高程有下降現象，河北省20世紀70年代初在滄州市發現地面沉降。由此可見，天津市是京津冀三地發現地面沉降最早的城市。

60年代中期至80年代中期，華北平原地面沉降整體上進入快速發展期。北京市隨著深層地下水的大規模開采，出現了大面積深層地下水降落漏斗，在東郊地區形成大郊亭和來廣營兩個沉降中心，且沉降范圍逐步擴展。同一時期，天津市形成了中心城區、塘沽區、漢沽區及海河下游工業區等沉降中心。

80年代中期至90年代，北京市平原區地下水漏斗范圍進一步擴大，地面沉降處于擴展階段，沉降區向北部和南部遷移，初步形成5個主要沉降中心。天津市在政府大力控沉的背景下，地面沉降速率在中心城區、濱海新區呈現出減緩的趨勢。河北省伴隨經濟發展，人口快速增長，地下水開采量也在大幅增加，地面沉降區域不斷擴展，并呈現出區域連片發展的趨勢。

21世紀初至今，北京平原區地面沉降進入快速發展階段，形成“南北”兩大沉降區、沉降中心發展為7個，兩大沉降區范圍不斷擴展。天津市地面沉降在武清楊村、中心城區、塘沽等沉降中心地區呈現緩解趨勢，與此同時市區周邊及城近郊區地面沉降仍然處于發展較快態勢（易長榮，2017）。河北省平原大部分地區地面沉降與北京同處于快速發展階段，形成了14個主要沉降中心。

2014年，整個華北平原沉降速率大于10mm、30mm、50mm的面積分別為56873km2、24674 km2和10178 km2。其中，京津冀三省的地面沉降區域面積約占90%左右，沉降中心累計沉降量分別超過1.7m、3.4m和2.6m（楊艷，2015）。從華北平原地面沉降整體發展來看，仍然處于快速發展階段，京津冀地區呈現出跨區域連片分布的特征，沉降速率依然較大。其中，北京平原區東部和北部，天津市西青、北辰、津南和靜海，河北省中部平原較為嚴重。

2 地面沉降監測工作

北京市于1990年在東郊八王墳建立了第一個監測站，對當時出現大面積深層地下水降落漏斗的東郊地區進行監測。2004—2008年，北京市完成了地面沉降監測網站預警預報系統（一期、二期）工程建設。通過兩期建設形成了基本覆蓋重點沉降區立體化監測系統，系統包含基巖標7座，分層標7組，水準測量點480個，GPS監測點114個，區域地下水位動態監測井628眼（趙守生等，2008；楊艷等，2010；雷坤超等，2016）。

天津市于20世紀70年代開始進行地面沉降監測網的建設，同樣建成了包含基巖標—分層標組、水準、GPS、InSAR和區域地下水位動態監測井構成的立體監測網絡，其中基巖標2座，分層標16組，水準測量點1460個，GPS監測點45個，區域地下水位動態監測井503眼（呂瀟文等，2017）。不同之處在于，一是天津市已經實現地面沉降水準測量全覆蓋，其中重點沉降控制區點間距離保持在2～3km，二是對重點工程實施專項沉降監測，天津市已經在境內京津城際鐵路沿線和部分填海造陸區的起步區建立了專項監測網，在地面沉降比較嚴重的防潮堤北段35 km建立了專項監測網，后期專項監測網將覆蓋到防潮堤全段（易長榮，2017）。

河北省地面沉降監測工作相比北京、天津起步較晚，主要是自2003年以后開展的，但近年來隨著地方政府資金投入的持續增加，在地面沉降監測設施建設及相關研究方面均取得較大進展。截至目前，河北省已建成基巖標3座，分層標8組，水準測量點870個，GPS監測點124個，區域地下水位動態監測井1000眼（表1），初步實現了地面沉降的自動監測和數據的實時傳輸，其中滄州市地面沉降監測預警中心被評為國家級地面沉降監測預警示范區（張進才等，2014）。

表1 華北平原區（北京、天津、河北）地面沉降監測設施統計表（2014年）Tab.1 Land subsidence monitoring facilities in North China plain (Beijing, Tianjin, Hebei) (2014)

3 地面沉降基礎理論研究

北京市開展地面沉降基礎理論研究與天津比相對較晚。直到1984年才剛剛編制了《北京市地面沉降調研報告》，在1992年完成了《北京市東郊地面沉降與地下水開采量關系研究報告》，首次對北京東郊地區地下水開采與地面沉降之間的關系進行系統研究。到2004年，北京市地面沉降監測網站預警預報系統（一期）建成后，逐步開展了北京平原區地面沉降機理研究工作，首次對平原區含水巖組和壓縮層組進行了劃分。到2008年，北京市地面沉降監測網站預警預報系統（二期）完成后，相繼開展了“北京地面沉降區地質結構及壓縮層組劃分研究”“北京平原區地面沉降與地下水關系研究”“變化水位模式下土體變形特征研究”“基于控沉目標約束下的地下水位控制指標研究”“北京地面沉降防控及地下水資源合理開發”等一系列基礎性研究工作，查明了地面沉降主要貢獻層位，確定了不同深度土體固結狀態及形變模式，對查明北京地面沉降成因機理、提出科學合理的地面沉降防治措施提供基礎依據。

天津市在地面沉降基礎理論研究方面開展較早。1965—1972年，天津市通過試驗研究，證實了地面沉降與地下水開采有關，指出超采地下水是地面沉降的主要原因。1991—1993年，完成了“天津市地面沉降機理研究及預測預報、綜合治理”，開展了土體基本物理力學性質試驗、高壓固結試驗等多個分項試驗研究，同時結合各類地質資料系統研究了天津抽水作用下地面沉降成因機理，初步建立了地面沉降預測模型。1998年，首次開展了地面沉降“臨界水位”研究工作，確定天津市第二承壓含水層組的臨界水位值為30～40m，并通過分層標十幾年的長期觀測結果證實了結論的正確性，也說明臨界水位是客觀存在的。2000年以后，相繼開展了“深層土體壓縮特性、軟土特性對地面沉降影響研究”“濱海地區次固結變形作用機理及規律研究”“深層土體工程地質特性及沉降機理研究”“地熱、油氣資源開發對地面沉降影響研究”等系列研究工作，在地面沉降成因機理研究方面積累了豐富的經驗和基礎資料（白晉斌，2005）。

河北省地面沉降機理研究工作相比北京、天津較晚。先后開展了“河北平原地面沉降調查與監測”“華北平原（河北）地面沉降監測與防治綜合研究”“河北省地面沉降監測預警”和“滄州地面沉降機理與模型建立”等10余項專題研究。系統分析了地面沉降在不同地形地貌區的分布特點，地面沉降與地下水開采響應關系，地面沉降中心與地層巖性及結構關系等。利用土體基本物理力學性質試驗、高壓固結試驗、反復加卸荷試驗開展了不同深度土體固結特性及粘性土釋水形變作用機理，探討了地面沉降的滯后效應。

4 地面沉降監測成果實踐應用

北京市地面沉降監測成果應用：一是為全市新一輪地面沉降專項調查提供基礎資料；二是指導全市水資源管理，聯合劃定地下水超采區、禁限采區；三是為城區開展自備井置換提供重要靶區，優先置換地面沉降嚴重地區自備井；四是劃定地面沉降分級控制區，提出不同分區內地面沉降防控措施。

天津市地面沉降監測成果應用：一是編制出臺了《天津市控制地面沉降管理辦法》，為沉降的預防、治理、 監測設施及治理工程的保護提供了全面的法律依據；二是建立了地面沉降防治預審制度，對不符合地面沉降控制要求的取水項目申請實行 “一票否決”；三是指導城市各類施工建設及高大密集建筑群地面沉降防治；四是指導自1985年以來四期控沉工程的治理。

河北省地面沉降監測成果應用：一是指導城市水資源管理；二是指導自備井置換；三是劃定河北平原區地面沉降防治分區；四是成立了滄州市地面沉降監測中心，建立監測成果綜合應用防控管理試點。

5 地面沉降監測、研究與應用現狀分析

進入21世紀以來，盡管京津冀三地針對地面沉降監測開展了一系列工作，但距離國家對生態文明建設的要求，對城市資源與環境安全的要求，對京津冀協同發展的要求還存在不匹配、不協調、不平衡的問題。

5.1 基礎設施建設不足與老化及損壞現象并存

京津冀三地區域面積為21.8萬km2，沉降區占整個華北平原沉降區面積的90%左右。盡管近年來加大了對地面沉降的監測，但在一些新發現的沉降漏斗區尚未布設任何沉降監測設施，存在監測空白區域，甚至從INSAR數據看出出現了小型沉降中心，急需全面精細掌握該地區地面沉降具體情況。在一些重點沉降區內，監測設施的建設密度也沒有達到中國地質調查局地面沉降監測技術要求，很難監測出該地區沉降變化細節，直接影響沉降機理研究，間接影響到了控沉措施的制定與實施。目前，京津冀三地監測設施不同程度存在著老化或破損現象，不適應目前監測的質量和技術要求。如北京地區地面沉降監測設施大部分已經超過10年，部分超過15年，政府每年對主體設施進行逐步更新，配套設施更新速度進展緩慢。天津市由于地面沉降監測設施建設時間更為長遠，部分設施老化、破損以及功能退化現象日益突出。河北省地面沉降監測設施建成時間較短，情況相對較好。同時，三地野外監測水準點、GPS點不同程度受到城市施工建設或人為因素的干擾，甚至遭到了嚴重的破壞。

5.2 研究基礎不足和研究能力薄弱現象并存

在專業人才隊伍建設方面，京津冀三省地面沉降監測管理工作主要由各省市地調院或總站專門科室負責，相關專業技術人員除開展各省市地面沉降監測外，還需承擔各類監測設施維護管理、基礎理論研究以及地面沉降防治方面相關工作，承擔任務較重，一崗多責現象較為普遍。同時，地面沉降監測涉及到多個學科、多種技術手段的交叉融合，需要具備較強的專業技能，各省市地調院或總站均表現出專業技術人才明顯不足的現象。在地面沉降監測數據方面，京津冀地區地面沉降發現時間較早，二十世紀三地在地面沉降調查監測工作程度相對較低，直到2003年之后，各地政府才逐步重視地面沉降的監測及防控工作。因此，華北地區地面沉降監測數據連續性時間長度僅15年左右，遠低于西方發達國家。在地面沉降基礎研究范圍方面有待進一步拓展。三省市在抽水誘發地面沉降機理研究方面開展較多工作，但在構造性沉降、荷載沉降、施工抽排水引發的局部性沉降、地熱水開發誘發上覆松散土體變形作用機理等研究不足。在地面沉降模型建設方面需要進一步加強。京津冀三地建立了不同地區、不同尺度的地下水-地面沉降耦合模型，開展了地面沉降預測以及地下水優化開采方案研究。但所建立的模型主要基于一維太沙基原理，與實際土體變形特征存在較多的不合理性，如水流方程中視滲透系數、儲水率為常數，沉降模型多采用線彈性模型等。而在地下水-地面沉降三維耦合模型建設方面仍處于探索階段，尚未實現地下水三維流與土體三維形變的完全耦合。

5.3 成果轉化單一與應用不足現象并存

目前，地面沉降監測及相關研究成果主要以成果報告的形式提交國土、水務等政府主管部門，雖然可以為政府開展地面沉降防控提供重要基礎數據和技術支撐。但這種以總結報告為成果形式的轉化方式，距離在城市重大規劃、重大工程建設、重要軌道交通工程建設與安全運營等應用方面差距較大。另一方面，政府投入大量資金用于地面沉降監測主要是想要了解地面沉降的具體原因，開展具有針對性的防控工作。三地地面沉降成果應用于地面沉降防控方面，主要圍繞地下水資源保護和恢復而展開，由于職能定位和信息不對稱等多方面原因，提出的防控工作意見或建議缺乏可操作性。此外，公益性事業單位雖然劃定了地面沉降分級控制區，提出不同分區內地面沉降防控措施，但沒有能夠準確提出預警預報范圍和閾值，地面沉降預警預報系統還需進一步完善。

5.4 區域聯合不足和數據共享困難現象并存

目前，京津冀區域地面沉降日常監測、機理研究主要在各自行政區域內進行，尤其是機理研究范圍受制于行政區劃范圍，不能以水文地質單元為界，嚴重影響沉降機理研究的深度和廣度。同時，區域數據共享難以短期實現。受國家秘密法、測繪管理工作國家秘密范圍等規定約束，三地地面沉降監測相關基礎設施、監測研究成果受本身所潛在的政治安全、經濟價值和社會效益等因素影響，由各自相關主管部門及實施單位獨立保存，缺乏區域監測成果交流溝通機制。

6 未來地面沉降監測、研究與防控思路

6.1 以公益事業單位為主體提升監測服務能力

強化公益性事業單位的社會服務屬性，通過政府搭建服務平臺、自身加強服務能力建設，適應國家重大戰略實施和京津冀協同發展需要。一是要構建以日常監測為基礎、以預警預報為手段、以防災減災為目標的地面沉降工作體系。二是要進一步拓寬地面沉降基礎理論研究范圍，進一步提升地面沉降研究方式方法的水平，進一步查明地面沉降以及地裂縫成因機理以及發展趨勢，為地面沉降預警預報提供高水平、高質量的智能支撐。三是申請政府對于地面沉降基礎設施維護和更新建設的資金支持，不斷優化地面沉降立體化監測網絡，針對重大線性工程開展專項監測，建立服務主體與監測主體定期交流機制。四是圍繞政府防控與預警預報職能，大膽開展新理論、新技術、新方法應用研究，建立面向區域及重點工程的地面沉降分區、分級、分層預警預報信息系統，提出面向具體地點、具體層位、具體方法的防控措施。五是加強地面沉降公益性事業單位人才引進與培養力度，加大培養在基礎研究、日常監測以及成果應用與轉化方面綜合型人才。

6.2 以政府公共管理部門為主體提升防治水平

強化政府在地面沉降防控與預警預報方面的公共治理職能，通過建立以公益性事業單位為支撐、以政府公共管理部門為主導、以水文地質單元區域聯動為背景的地面沉降防治工作體系。一是在積極響應全國地面沉降防治部級聯席會議和華北平原地面沉降監測區域協作聯席會議精神基礎上，積極推進水文地質單元區域聯合管控機制，形成地面沉降監測工作定期會商，地面沉降監測數據區域共享，推動區域地面沉降聯防聯控工作。二是研究制定區域地面沉降聯防聯控考核評估機制，要在兼顧地區經濟持續發展的同時，研究制定地面沉降區域防控規劃和考核制度，將地面沉降控制成效作為考核同一水文地質單元分級防控范圍內區縣政府和公共管理部門工作成效的重要指標。三是推進跨區域生態環境補償機制，將地面沉降防控效果納入涉及地方政府的績效考核，并對完成績效考核的區域實行國家層面的生態補償。四是加強公益性事業單位建設，將公益性事業單位服務水平作為衡量政府履職盡責的重要內容之一，同時將服務水平作為政府監督管理公益性事業單位的重要依據之一。五是提高站位，以“四個全面”戰略布局和“五位一體”總體布局為指引，破除地區之間、部門之間利益藩籬，以保護子孫后代發展空間為出發點，以維護水資源生態為落腳點，強力落實各項防控措施，提高政府在預警和防治方面主導力，提升政府的公信力和防治水平。

6.3 以社會公眾為主體提升減災防災意識

在公共治理領域，不能忽視社會公眾參與的作用。一是加強地面沉降這種緩變型地質災害的宣傳教育，增強全社會對于地面沉降災害的防災減災意識，督促政府部門切實采取切實措施，提升地面沉降監測服務質量和水平，把地面沉降災害防治任務落實到位。二是加強地下水資源保護的政策、法規和科普知識的宣傳教育，進一步提高地下水資源和環境的保護意識，引導社會公眾參與地面沉降預警、防治和地下水保護工作。三是加快地面沉降防治和公眾參與制度建設，建立公眾參與地面沉降防控監督和決策機制。

7 結論

一是梳理了北京、天津、河北三地在地面沉降形成與發展、監測與管理、基礎理論研究與成果應用的特點與經驗。

二是分析了三地地面沉降監測目前存在基礎設施建設不足與老化及損壞現象并存、研究基礎不足和研究能力薄弱現象并存、成果轉化單一與應用不足現象并存、區域聯合不足和數據共享困難現象并存等四個方面的問題。

三是提出了以公益事業單位為主體提升監測服務能力、以政府公共管理部門為主體提升防治水平、以社會公眾為主體提升減災防災意識等多方參與治理的地面沉降監測、研究與防控思路。