揭示京津冀地面沉降之谜：主要因过量开采地下水
慧聪净水网经常坐京津城际高铁的人会发现，高铁在经过天津的杨村或北京的亦庄附近时，往往会降速，从将近时速300公里变成时速150公里左右。
让我们将目光从亦庄往北延伸50公里，在北京高丽营地区的田野里，你有可能会看到地面上裂开了一个大口子。
为什么高铁会降速？地面会裂口子？其实这都是地面沉降“惹的祸”。假如你能“透视”大地，你就会发现京津冀地区是世界上最大的地下水降落漏斗，发生地面沉降的面积达到7万平方公里。
“京津冀地区地面沉降主要是由于过量开采地下水引起的。但其他因素如构造运动、地表荷载、土体自然固结和有机质氧化也会导致地面沉降。”首都师范大学资源环境与旅游学院副教授张有全告诉记者，当高铁经过地面沉降区域，尤其是不均匀地面沉降地区，会导致部分地段路基和桥梁变形，威胁着高铁的运行安全。
首都师范大学区域地面沉降研究团队，在课题负责人首都师范大学宫辉力教授带领下，长期开展遥感与水文地质学等多学科交叉研究。近年来，他们综合InSAR（雷达干涉测量）、GRACE重力卫星与传统监测、模型，创造性地提出“多元场耦合”的区域地面沉降理论与方法，系统揭示了京津冀区域地面沉降机理与调控机制，在京津冀地面沉降防控与重大工程防灾减灾中取得良好应用，显著提升了京津冀地面沉降防控能力。在2016年度北京市科学技术奖评选中，“京津冀地面沉降多元场耦合模型与调控机制研究”项目荣获一等奖。
悄无声息的地面沉降
地面沉降严重威胁地表建筑、地下管线、高铁运行和防洪等城市安全，缓慢的地面沉降常常不被大家发现，只有当局部不均匀沉降问题比较突出，并诱发地裂缝等次生灾害、对房屋、道路等造成明显的破坏时，我们才会直接感受到它的存在。
“但这种悄无声息的地质环境问题会对我们的生活造成巨大影响，地下水压采、高铁减速、建筑抗浮等与地面沉降相关的措施可能经常发生在身边。”首都师范大学区域地面沉降研究团队成员潘云教授告诉记者。
比如说，地面沉降会对地表建筑和地下管线等基础设施造成破坏影响，并且会导致河床和河口严重淤积，使河流作用大为降低，降低城市的防洪能力，增加沿海地区海水入侵和风暴潮灾害等风险。
据统计，目前世界上已有150多个国家和地区发生地面沉降，包括美国、日本、墨西哥、荷兰和意大利等。地面沉降已经成为一个全球性的地质环境问题。
自从20世纪60年代以来，随着地下水开采量的不断增加，北京市地面沉降不断加剧，目前已经形成了东郊八里庄—大郊亭、东北郊—来广营、昌平沙河—八仙庄、大兴榆垡—礼贤和顺义平各庄5个沉降区。特别是1999年—2007年连续9年干旱期间，大量开采地下水，进一步加剧了地面沉降的发展。最新的遥感监测显示，北京局部地区的沉降中心速率达到11厘米/年。
因此，在南水北调、京津冀一体化背景下，迫切需要揭示区域地面沉降驱动机理及灾变规律，实现区域地面沉降科学调控和重大工程防灾减灾，促进京津冀地区经济社会可持续发展。
沉降监测不再“盲人摸象”
对于地面沉降的研究，我国多个院所机构先后开展过大量工作，并取得丰硕的成绩。传统测量方法是通过大面积精密水准测量和少量分层标获得的。“这些传统监测手段往往是沿路铺设，虽然精度高，但非常费时费力，而且只知道一个点的情况。”首都师范大学区域地面沉降研究团队成员朱琳教授说。
分析清楚成因机理和灾变模式，再去指导工程防灾与规划，就不再是单一学科视角处理问题，而是有预见性的“对症下药”。
如今遥感技术发展迅速，不同平台、不同模式的卫星可以全天时对地进行观测。能不能将传统监测方法和日新月异的遥感卫星对地观测技术结合起来？能不能将遥感技术、水文地质和土力学等学科整合起来研究，实现学科交叉？
在首都师范大学良好的科研平台支撑下，项目团队通过具有遥感、水文和地质等不同专业背景成员之间的密切合作，以及与北京市水文地质大队等单位的产学研用协同创新，开展多学科交叉研究。
其中，通过重力卫星提供区域水文变化，为课题组提供了研究方向。重力卫星以其独特的视角，是目前唯一能够直接观测地下水储量变化的遥感手段。2002年发射的GRACE是首次实现用低低卫卫跟踪模式测量地球重力场的重力卫星，由两颗低轨卫星组成。它就像“一杆秤”，当卫星飞过重力异常区域时，K波段微波测距系统通过测量两颗卫星间的距离和距离变化率来“秤”出地球质量的变化。在华北平原，这种地球质量的变化主要是由于地下水消耗引起的。
“通过这杆秤，可以为水文研究提供与众不同的数据来源，是目前唯一能够直接观测地下水储量变化的遥感手段。”潘云说。
课题组面向京津冀协同发展，首次利用GRACE重力卫星探测到华北平原内部地下水储量变化差异，并首次通过独立手段证实了深层地下水过量开采的现状，为区域地下水资源管理、地面沉降防控提供了重要依据。
“以前就像盲人摸象，关注的只是一个一个的测量点，只是点状的，无法从全局去分析数据。如今，我们通过水文变化，摸清了地面沉降变化规律。”朱琳说。
通过多年研究，课题组据此提出并建立区域地面沉降多元场耦合模式，突破了区域地面沉降影响因素复杂、互馈机制不清的关键难点。解决了遥感现象与沉降机理彼此孤立的关键问题，首次系统揭示京津冀地面沉降演化规律与驱动机理。并且首次通过毫米、厘米和亚米级协同校正，实现了多孔介质区域地面沉降多尺度、变分辨率多场数据高精度同化，突破了区域地面沉降监测要素不足、验证尺度单一等关键难点，形成了京津冀区域标准系统。在京津冀地面沉降防控与重大工程防灾减灾中取得良好应用，显著提升了京津冀地面沉降防控能力。
为京津冀建设保驾护航
课题组提出的多元场耦合模式理论与方法已入选联合国教科文组织（UNESCO）新方法红皮书、重要成果专辑，获UNESCOHELP项目特殊贡献奖，受邀在巴黎气候大会和UNESCOKovacs水科学峰会等国际会议做主题报告。部分关键技术被美国麻省理工学院（MIT）、弗吉尼亚理工大学等国际同行采用。
新技术方法为全国地面沉降防治部际联席会议提供支持，成果在中国地质环境监测院、天津市控制地面沉降工作办公室和河北省地勘局第四水文工程地质大队等单位取得良好应用，为南水北调、国家体育场（鸟巢）、北京未来科学城、京津/京沈高铁、首都新机场和北京城市副中心等重大工程防灾减灾提供重要科学依据。
针对老百姓担心的高铁安全问题，张有全告诉记者，采用课题研究成果，结合京沈客专建设需要，根据高铁沿线地面沉降不同驱动力及土体分层压缩特性差异，提出了有利于防灾减灾的轨道基础类型、和水文调控方案及力学补强措施。
此外，针对地面沉降研究中地下水开采量获取困难，课题组进行了华北平原GRACE卫星重力信号泄露校正，将GRACE监测分辨率从20万平方公里提高到5万平方公里，首次发现了中东部平原区深层地下水消耗的重力异常，并且通过卫星重力水均衡量化了农业灌溉对地下水消耗的影响。
“随着南水北调来水逐渐成为重要供水水源，以及北京市在再生水利用、节约用水方面的努力，北京市的地面沉降情况有可能得到改善。但是，地面沉降对于地下水的变化具有一定的滞后性，且压缩形变很难恢复。所以，北京市地面沉降仍将是未来相当长一段时间内需要重点防控的重大地质环境问题。”潘云说。
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