北京地下水系统演化与地面沉降过程_陈蓓蓓

第42卷增刊12012年03月吉林大学学报（地球科学版）

Journal of Jilin University （Earth Science Edition ）Vol.42Sup.1Mar.2012

北京地下水系统演化与地面沉降过程

陈蓓蓓1，宫辉力1，李小娟1，雷坤超2，顾兆芹1，党亚南1，杜钊锋

1

1．首都师范大学城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地/三维信息获取与应用教育部重点实验室/资源环境与旅游学院，北京100048

2．北京市水文地质工程地质大队，北京100195

摘要：采用地下水动态监测网、GPS 监测网数据、气象监测数据与SAR 数据、GIS 等技术相结合，建立地下水系统演化与地面沉降过程模型，

系统分析了北京地区地下水降落漏斗区地面沉降的形成过程。研究表明：降雨量呈逐年下降趋势，地下水开采量随之增大；平原区地下水位呈下降趋势，间接导致了地下水降落漏斗和地面沉降的形成演化。地面沉降对地下水降落漏斗的响应模式存在着季节与年际差异性，时空分布上存在不均匀性，最大地面沉降速率约为41.43mm /a ；揭示了地下水降落漏斗与地面沉降漏斗空间展布特性存在一致性，但并非完全吻合。

关键词：降雨入渗；地下水；地面沉降；永久散射体干涉测量；地理信息系统中图分类号：P642.26

文献标志码：A

文章编号：1671-

5888（2012）Sup.1-373-07收稿日期：2011-

09-30基金项目：国家自然科学基金项目（41130744，

41171335）；北京市重点基金项目（8101002）作者简介：陈蓓蓓（1985－），女，博士研究生，主要从事区域地面沉降应用方面的研究，

E-mail ：chenbeibeicnu@gmail．com 。

Groundwater System Evolution and Land Subsidence Process in Beijing

Chen Bei-bei 1，Gong Hui-li 1，Li Xiao-juan 1，

Lei Kun-chao 2，Gu Zhao-qin 1，Dang Ya-nan 1，Du Zhao-feng 1

1．Base of the State Key Laboratory of Urban Environmental Process and Digital Modeling ，Key Laboratory of 3D Information Acquisition and Application ，Ministry of Education ，College of Resources Environment and Tourism ，Capital Normal University ，Beijing 100048，China

2．Beijing Group of Hydrogeology and Engineering Geology ，Beijing 100195，China

Abstract ：The model of land subsidence and groundwater evolution process was created though the combi-ning of groundwater monitoring network ，GPS monitoring network data ，radar satellite SAR data ，GIS and other new technologies gave a systematical analysis of land subsidence formation in groundwater funnel zones of Beijing area．The authors show that groundwater extraction increases along with precipitation declination year and year as the impact of global warming ；the trend of groundwater table drawdown leads to the funnel shape of groundwater and land subsidence evolution in the plain area．Temporal and spatial non －uniformity was found in this study．Seasonal and interannual differences exists in the response model of land subsidence to groundwater funnel ，and the maximum land subsidence rate was about 41.43mm /a．A consistency exists between the spatial distribution of groundwater funnel and land subsidence funnel ，but not entirely．

Key words ：recharge of precipitation ；groundwater ；land subsidence ；PSInSAR ；GIS

0引言

地面沉降是一种不可补偿的永久性环境和资源

损失，

是地质环境系统破坏所导致的区域地质灾害，它可以诱发一系列其他环境灾害，形成灾害链。众多研究结果表明，地下水的过量开采是区域地面沉

DOI:10.13278/ki.jjuese.2012.s1.052

降发生的主要原因［1－3］

。长期超采，使地下水位大

幅度下降，造成弱透水层和含水层孔隙水位降低，应

力转移使黏性土压密变形，

从而引起地面沉降［4］

。目前，我国有95个城市出现地面沉降，针对不

同区域的地面沉降，

开展了一系列区域地面沉降监测技术与成因机制模型研究，取得了实用性突出的研究成果［5－7］

，并形成了比较完善的监测、分析、预报体系。北京是一个严重缺水的特大型城市，全市

人均水资源占有量为248m 3

，仅相当于全国水平的1/8和全球水平的1/16。北京城市2/3以上的供水来自地下水，开采地下水导致地下水位下降是北京

地面沉降形成与发展的关键因素［8］

。多年来，地下水位呈持续下降趋势，区域沉降中心最大累计沉降量已达1096mm ，部分区域地表还在以30 60

mm /a 的速度下沉。笔者采用地下水动态监测网、GPS 监测网数据、气象监测数据与SAR 数据、GIS 等技术相结合，建立了地下水系统演化与地面沉降过

程模型，旨在系统分析北京地区地下水降落漏斗区地面沉降的形成过程。

1研究区概况

北京市地理坐标为东经115ʎ25'－117ʎ35'、北

图1

研究区地理位置

Fig．1

Location of study area in Beijing

纬39ʎ28'－41ʎ05'（图1），地处华北平原北部，分为西部山区、北部山区和东南平原。研究区降水的季

节分配不均匀，6－8月降水量大而集中，占年降水

量的70%。1999－2006年，

北京已连续8年干旱少雨，年平均降雨量为459.11mm ，仅相当于北京市多

年平均降雨量的84.2%。

2

研究方法

2.1降雨时空变异及对地下水有效补给的影响2.1.1区域降雨时空变异空间数据场提取

采用克里金插值方法，对北京市21个国家级气象站降雨观测数据进行空间插值。其主要优势是利

用半方差函数来反映插值对象的空间相关性，对采样密度高的空间数据完成降雨数据的空间插值估算［9］

。根据试验变异函数的特性，选取适当的理论

变异函数模型［10］。2.1.2地下水有效降雨补给的空间量计算

利用GIS 的空间转换工具，将北京市土地利用矢量图转化为栅格图形。运用GIS 的空间分析和栅

格计算方法，提取出2000－2009年间北京市土地利用变化图，分析城市化导致建城区扩张情况。

采用GIS 的栅格计算工具，对北京平原区降雨分布图和大气降水入渗补给系数分区数据进行叠加计算，得出平原范围浅层地下水有效降雨补给量。计算公式如下：

Q 降=103a ·珔X ·F 。

其中：Q 降表示大气降雨入渗补给量（m 3

）；a 表示大

气降水入渗补给系数；珔X

表示研究区年均降雨量（mm ）；F 表示入渗区面积（km 2）［11］。

2.2地面沉降形变InSAR 监测方法

研究区水系统由于过量开采地下水而导致弱透

水层固结，

进而导致含水层压缩，引发了地面沉降。永久散射体干涉测量技术（persistent scatterers for

SAR interferometry ，PSInSAR ）能够有效降低时间、空间去相干影响以及减弱大气延迟引起的误差组分，通过校正大气、轨道和数字高程模型（DEM ）误差，进而提取精确的形变和速率（相对于地面特定

参考点），获取形变相位组分［12］

。本研究采用Stamps 方法，获取地面沉降形变信息：

φx ，i =φdef ，x ，i +φε，x ，i +φatm ，x ，i +φorb ，x ，i +φn ，x ，i 。（1）其中：φdef ，x ，i 为视线方向上的形变相位；φε为引入外部DEM 的误差所引起的残余地形相位；φatm 为卫星2次过境大气延迟相位差；φorb 为轨道误差引起的相

位；φn 为噪声组分；x 、i 为行列号。2.3

地下水时空变异诱发地面沉降演化过程模型

本研究将降雨时空变异分析方法、地下水系统

常规监测、模拟、预测技术与InSAR 、

GIS 等方法相473吉林大学学报（地球科学版）第42卷