李 慧

(中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院(自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心)，北京 100081)

為進(jìn)一步創(chuàng)新體制機(jī)制，加強(qiáng)野外科學(xué)觀測研究站創(chuàng)新人才隊伍和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，強(qiáng)化科學(xué)數(shù)據(jù)共享，促進(jìn)原創(chuàng)性重大科技成果產(chǎn)出，積極推進(jìn)國家野外科學(xué)觀測研究站的申請建設(shè)，2019年10月，自然資源部將15個通過評估優(yōu)化的野外科學(xué)觀測研究站納入了自然資源部野外科學(xué)觀測研究站管理序列。由中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所等7家單位為依托單位的京津冀平原地下水與地面沉降野外科學(xué)觀測研究站便是其中之一。

近年來，隨著北京城市副中心的規(guī)劃實施、河北雄安新區(qū)的建設(shè)、大興國際機(jī)場的投入使用等，京津冀地區(qū)作為一個共同體越來越多地受到了關(guān)注。京津冀地區(qū)在不斷推動社會發(fā)展進(jìn)步的同時，自身也面臨著一些地質(zhì)環(huán)境難題。

京津冀平原地理地貌條件獨特，是人類活動最強(qiáng)烈的地區(qū)之一。為了更好地服務(wù)京津冀發(fā)展，對京津冀地區(qū)地下水降落漏斗和地面沉降問題進(jìn)行科學(xué)觀測和研究，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院聯(lián)合中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所、首都師范大學(xué)、北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站、天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站、河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊等單位在京津冀平原原有的觀測站點基礎(chǔ)上，于2019年正式建立了京津冀平原地下水與地面沉降野外科學(xué)觀測研究站。該研究站通過提供堅實可靠的長期觀測數(shù)據(jù)，研究地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變異及其對地下水演變規(guī)律和地面沉降災(zāi)變過程的影響機(jī)制，探討地下水調(diào)控、地面沉降防治的理論和方法，為京津冀平原水平衡分析、地面沉降防控、生態(tài)紅線劃定、國土空間規(guī)劃管控等提供理論基礎(chǔ)，為京津冀平原的地下水可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。據(jù)中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院專家介紹，構(gòu)建京津冀平原地下水與地面沉降野外科學(xué)觀測研究站是滿足京津冀發(fā)展戰(zhàn)略需求、提升我國地質(zhì)環(huán)境科學(xué)研究水平、培養(yǎng)地質(zhì)環(huán)境科技人才的重要舉措。經(jīng)過多年努力，分布在滄州、雄安、正定等地的野外科學(xué)觀測研究站已經(jīng)初具規(guī)模，該研究站擁有基巖標(biāo)、分層標(biāo)、地下水位觀測孔、孔隙水壓力觀測孔、蒸滲儀等主要觀測設(shè)備，目前已經(jīng)取得了大量的科學(xué)觀測數(shù)據(jù)，支撐了國家重大戰(zhàn)略需求，為解決地下水超采和地面沉降防控及國家重大工程安全運行等提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 七站點構(gòu)建立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

在京津冀平原上，為監(jiān)測防治京津冀平原地下水漏斗與地面沉降，京津冀三省市構(gòu)建了地面沉降立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，空中監(jiān)測采用合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)全覆蓋監(jiān)測，地面監(jiān)測采用以水準(zhǔn)測量和全球定位系統(tǒng)(GPS)監(jiān)測為主，地下監(jiān)測采用以基巖標(biāo)、分層標(biāo)、地下水位監(jiān)測井為主。截至2018年底，該網(wǎng)絡(luò)共建有水準(zhǔn)監(jiān)測點3 412個，全球定位系統(tǒng)(GPS)監(jiān)測點271個，基巖標(biāo)監(jiān)測點13個，分層標(biāo)觀測站29處，地下水觀測站2處，地下水位監(jiān)測井3 941眼。其中，滄州站、通州站、大興站、雄安新區(qū)站、濱海新區(qū)站、衡水站和正定站等7個觀測站點是該網(wǎng)絡(luò)中最核心和最具代表性的骨干觀測站。

7個觀測站點在野外科學(xué)觀測站成立以前便已經(jīng)開始進(jìn)行觀測工作，最早可追溯到2008年6月，最長觀測時間為12年。觀測站的主要觀測數(shù)據(jù)采用自動化監(jiān)測，截至目前共采集數(shù)據(jù)600余萬條。7個觀測站圍繞地下水漏斗、地面沉降、活動斷裂、地裂縫、軟土等地質(zhì)環(huán)境問題開展長期系統(tǒng)觀測研究，主要觀測地下水動態(tài)、水分通量、沉降量、孔隙水壓力等4大類指標(biāo)，包括地下水位、地下水溫、土層壓縮變化量、地表沉降量、孔隙水壓力、土壤含水率、土壤水勢等主要觀測內(nèi)容，所得觀測數(shù)據(jù)為地下水超采綜合治理與地面沉降防控、重大戰(zhàn)略區(qū)規(guī)劃建設(shè)、重大工程安全運行、復(fù)雜含水層系統(tǒng)地下水動力場與地面沉降互饋關(guān)系研究提供科學(xué)支撐。

7個野外觀測站是一個統(tǒng)一的整體，觀測內(nèi)容既相互獨立，又相輔相成，不可分割。7個野外觀測站中，每個觀測站研究的地面沉降問題都與地下水超采有關(guān)，觀測數(shù)據(jù)可為地下水超采綜合治理、地面沉降防治以及重大工程安全進(jìn)行提供科學(xué)支撐；同時每個站研究的地面沉降問題又是由不同原因造成的，具有各自典型特點，這樣可為解決地面沉降問題提出更高更精準(zhǔn)化的防治對策。

原河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊技術(shù)人員田小偉在談起滄州站的情況時感慨良多，“滄州站歷經(jīng)從無到有、從單一到全面，逐步走向了成熟和規(guī)范，滄州站推進(jìn)了滄州市的地面沉降防治工作，取得了很多具有實質(zhì)性的進(jìn)展和成果，為滄州市的地面沉降防治工作奠定了良好的基礎(chǔ)?！?/p>

滄州站，又稱“滄州市地面沉降監(jiān)測中心”，是京津冀平原地下水與地面沉降野外科學(xué)觀測研究站的主站，該站地處京津冀平原東部濱海地區(qū)。自上世紀(jì)七十年代以來，滄州大幅度開采深層地下水，造成區(qū)域地下水位迅速下降，成為京津冀平原地面沉降比較嚴(yán)重的地區(qū)之一。滄州站主要通過長期地面沉降和地下水回灌等觀測數(shù)據(jù)記錄，獲取地下水管控條件變化下地面沉降演變信息，總結(jié)地面沉降防控經(jīng)驗，用于京津冀平原地下水超采綜合治理與地面沉降防控示范推廣。滄州站關(guān)于地面沉降的觀測數(shù)據(jù)還為境域內(nèi)高速鐵路與南水北調(diào)工程的建設(shè)和安全運行分析提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。此外，滄州站還搭建了科學(xué)研究和科普宣傳平臺，實現(xiàn)滄州站觀測數(shù)據(jù)的開放共享，努力提升我國地面沉降研究水平。除去滄州站，其余6個站點也都為京津冀地區(qū)地下水和地面沉降防治工作提供了重要的技術(shù)支撐。

2 野外科學(xué)觀測研究工作成果豐碩

為監(jiān)測并防治京津冀平原地下水漏斗與地面沉降，自20世紀(jì)80年代初開始，自然資源系統(tǒng)便在京津冀平原從事著相關(guān)的監(jiān)測工作。2019年，在整合自然資源系統(tǒng)前人工作的基礎(chǔ)上成立了京津冀平原地下水與地面沉降野外科學(xué)觀測研究站，延續(xù)并發(fā)展以往的工作，從此京津冀平原地下水與地面沉降的監(jiān)測工作開啟了一個新的篇章?；仡櫨┙蚣狡皆叵滤c地面沉降監(jiān)測工作，近40年間，通過實時野外觀測，技術(shù)人員構(gòu)建了地下水與地面沉降一體化觀測體系，建立了InSAR、水準(zhǔn)、分層標(biāo)、GPS等多手段組成的標(biāo)準(zhǔn)化、高效、高精度的動態(tài)觀測體系，同時開展大數(shù)據(jù)整合與共享平臺建設(shè)，精準(zhǔn)刻畫地下水降落漏斗對水平衡響應(yīng)關(guān)系，精準(zhǔn)刻畫重要城市、重點地區(qū)和重大工程地面沉降的時空變化規(guī)律，提出地下水漏斗修復(fù)和地面沉降防控措施。地下水與地面沉降野外科學(xué)觀測研究工作為京津冀平原地下水和地面防治工作做出了有益的探索和諸多貢獻(xiàn)。

首先，野外科學(xué)觀測研究工作積極服務(wù)國家戰(zhàn)略需求，以野外觀測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)為依托，編制了《全國地面沉降調(diào)查監(jiān)測報告(2013—2018年度)》，編制并出臺了《全國地面沉降防治規(guī)劃(2011—2020年)》和北京市、天津市、河北省的地面沉降防治規(guī)劃，支撐編制了《京津冀平原地面沉降綜合防治總體規(guī)劃(2019—2035年)》等內(nèi)容。此外，野外科學(xué)觀測研究站為北京城市副中心、河北雄安新區(qū)、通州及北三縣的重大規(guī)劃提供了地面沉降地裂縫專題報告，為國家重大戰(zhàn)略區(qū)規(guī)劃建設(shè)提供了地學(xué)建議。

其次，野外科學(xué)觀測研究工作推動了相關(guān)學(xué)術(shù)理論的發(fā)展。野外科學(xué)觀測研究站基于地下水長期觀測孔、分層標(biāo)等，建立了高效、高精度的動態(tài)監(jiān)測體系，開展了多學(xué)科交叉的地面沉降響應(yīng)機(jī)理研究，為區(qū)域地面沉降防控提供了關(guān)鍵技術(shù)與科學(xué)對策，研究成果兩次獲北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎。野外科學(xué)觀測站首次建立了京津冀多尺度地下水儲量時變重力場，精確識別地面沉降動態(tài)水文地質(zhì)體及其水循環(huán)模式，突破了GRACE衛(wèi)星難以識別華北平原內(nèi)部變化的尺度限制。野外科學(xué)觀測站首次觀測到了京津冀平原區(qū)地下水消耗的時空差異、深層地下水過量開采的重力異常，首次利用重力衛(wèi)星捕捉到了海河流域蒸散過程的雙峰特征，識別并量化了強(qiáng)烈地下水開采的影響。同時，野外科學(xué)觀測站完成了地面沉降減災(zāi)技術(shù)示范，并成功應(yīng)用于京津城際、京沈高鐵和規(guī)劃新城建設(shè)等重大工程中，野外科學(xué)觀測站提出了區(qū)域尺度地面沉降調(diào)控和局部尺度工程治理相結(jié)合的綜合防災(zāi)減災(zāi)措施，解決了安全避讓距離、軌道基礎(chǔ)選型和災(zāi)害防治等工程問題。

再次，野外科學(xué)觀測工作依托衡水站和正定站的生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、包氣帶監(jiān)測系統(tǒng)和含水層監(jiān)測系統(tǒng)，在地下水循環(huán)演變模式、地下水補(bǔ)給理論、弱透水層釋水透水理論、地下水補(bǔ)給和可采量以及地下水承載力評價理論研究方面作出了重要貢獻(xiàn)。同時，野外科學(xué)觀測研究站全面系統(tǒng)總結(jié)了華北平原近50年來地下水循環(huán)要素變化規(guī)律，揭示了生態(tài)水文與地下水相互作用機(jī)理，提出了地下水循環(huán)演變模式；闡明了淺層含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，揭示了包氣帶增厚條件下地下水補(bǔ)給變化機(jī)理，完善了地下水垂向入滲補(bǔ)給理論；闡明了水位變化引起水動力與土應(yīng)力的互饋機(jī)制，揭示了壓縮釋水與地面沉降發(fā)生機(jī)理，實證了粘性土弱透水層的半透膜效應(yīng)，發(fā)展了弱透水層壓縮、釋水、透水理論；研發(fā)和改進(jìn)了數(shù)值模擬技術(shù)和方法，建立了華北平原大區(qū)域地下水流三維數(shù)值模擬模型，重新評價了淺層、深層地下水補(bǔ)給資源量和可開采資源量，結(jié)合現(xiàn)狀開采狀況進(jìn)行了開采潛力分析；建立了地下水系統(tǒng)危機(jī)臨界識別指標(biāo)體系，提出了地下水資源承載力評價的理論方法，構(gòu)建了地下水調(diào)控平臺；通過遙感與水文地質(zhì)學(xué)科的交叉研究，首次建立區(qū)域地面沉降多元場耦合模型，揭示了多元場互饋作用下，京津冀地面沉降演變模式與調(diào)控機(jī)制。

此外，野外科學(xué)觀測研究站的研究成果2010年入選聯(lián)合國教科文組織新方法紅皮書，2011年獲聯(lián)合國教科文組織國際水文計劃特殊貢獻(xiàn)獎、2009年獲俄羅斯工程院金質(zhì)獎。部分成果被麻省理工大學(xué)采用，用于其水資源安全建模，還有部分研究成果在聯(lián)合國教科文組織國際水文計劃中應(yīng)用示范。野外科學(xué)觀測研究站支撐了國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、基金、地質(zhì)調(diào)查等項目62個，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文200余篇，其中SCI檢索40余篇，培養(yǎng)研究生50人，獲得省部級獎項16項，項目成果曾獲得2013年中國地質(zhì)科學(xué)院十大進(jìn)展、中國地質(zhì)學(xué)會十大進(jìn)展。