南水北调前后北京平原区地下水和地面沉降演变特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为制约北京区域社会经济可持续发展的重要因素之一。2014年12月,南水北调中线工程正式通水,每年向北京输水超过10×10^(8)m^(3),改变了北京供水格局,也为地下水压采、涵养及控制地面沉降创造了条件。本文利用多种监测数据,分析南水进京前后,北京平原区地下水和地面沉降的变化;研究不同水位变化模式下不同岩性及深度土层的变形特征;计算土层不同变形阶段的弹性和非弹性储水率;并对黏性土层产生较大残余变形和滞后变形的原因进行了探讨。结果表明:①2015~2020年,平原区大部分地区第一至第四含水层组地下水位逐渐上升,地面沉降呈减缓的趋势。②第二和第三压缩层组是沉降主要贡献层,除平各庄和榆垡站外,其余各站第三压缩层组沉降占比逐渐增大,沉降主控层有向深部转移的规律。③平原区北部和东部,第二和第三压缩层组对应的地下水位由降转升。在水位下降阶段,土层呈塑性和蠕变变形;水位上升阶段,土层以塑性变形为主,部分时间出现弹性变形,具有黏弹塑性。平原区南部,地下水位始终持续下降,土层变形始终呈塑性和蠕变变形。含水砂层则主要呈弹性变形。④土层变形的不同阶段,弹性和非弹性储水率并不是恒定的,随着地下水位下降,储水率呈减小的趋势。⑤黏性土层存在较大残余变形和变形滞后的原因,一是非弹性储水率大于弹性储水率,二是黏性土层的弱渗透性。

人类活动影响下北京市平原区地下水资源变化研究

地下水开采是为人类的工农业发展和居民生活服务的,是人类利用、影响地下水资源最直接、最重要的方式。为研究地下水压采和远程回灌等人类活动对北京市平原区地下水利用的影响,在校准的三维非稳定流GMS模型的基础上设计了4种情景(保持现状的情景S1、沉降中心地下水压采50%的情景S2、沉降中心地下水采用不同压采比例的情景S3和潮白河冲洪积扇顶部远程回灌的情景S4)进行预测与分析。结果表明:(1)对于区域地下水水位,情景S1和S4下分别平均下降0.223 m/年和0.048 m/年,而情景S2和S3下分别平均恢复0.310 m/年和0.658 m/年;(2)平均来看,在情景S1和S4下每年分别消耗1.04×10^(8)m^(3)和0.25×10^(8)m^(3)的含水层储量,而在情景S2和S3下则每年分别恢复1.30×10^(8)m^(3)和2.95×10^(8)m^(3)的含水层储量;(3)地下水压采和远程回灌等人类活动可以有效恢复地下水水位与含水层现状储量,是北京市解决地下水超采及地面沉降等问题的有效方法。地下水压采量越多,对于地下水水位和含水层现状储量的恢复效果越好。

基于Landsat 8遥感影像的北京市平原区不透水层盖度估算

随着城市化趋势愈发明显,大量的自然地表转化为不透水表面.本文应用最新发射的Landsat 8卫星影像中陆地成像仪(OLI)和热红外传感器(TIRS)中波段,通过归一化差值不透水面指数(NDISI)估算北京市平原区不透水面盖度.北京市平原区平均不透水盖度为52%,二环内不透水盖度为70%,比2007年提高了5%.西城区不透水盖度最高(71%),门头沟区最小(34%).不透水面积的变化是城市化进程的一个重要表征,准确估算城市不透水面盖度对分析城市化进程有重要意义.

北京平原区南部PGZ01孔第四纪地层划分及其环境意义

对北京平原区南部大兴榆垡镇420 m深的PGZ01孔岩心进行了岩石地层、磁性地层、14C测年、介形类组合和孢粉组合研究。结果表明:(1)Matuyama(松山)/Gauss(高斯)和Brunhes(布容)/Matuyama(松山)极性界线分别位于280 m和78.35 m处,钻孔底部已经进入Gauss正极性带;取280 m处Matuyama/Gauss极性界线作为第四系下限,显示可能的永定河泥石流—冲积扇在第四纪之前即到达了北京平原南部,但是华北平原上新统标志岩石地层单元——厚层棕红色黏土在Olduvai(奥尔都维)极性亚带之上即已出现。(2)结合AMS14C测年,尝试将约60 m以上地层的氧化—还原状况,与对古季风影响反映灵敏的沿海平原钻孔同样深度地层进行对比,继而确定上更新统和全新统的底界深度分别位于56.60 m和18.95 m。(3)MIS5(海洋同位素阶段)以来的特征沉积物,与沿海平原钻孔地层有很好的可比性,同时也有8~4 ka期间史前大洪水的影响。本研究为廊(坊)固(安)凹陷西北边缘区第四纪地层划分对比、古地理环境演化、活动断裂以及区域差异构造沉降研究,提供了重要的年代地层格架,对理解晚更新世以来古季风变化的环境效应有重要的启迪。

北京平原区紫花苜蓿最佳秋季刈割时期研究

研究了秋季刈割时期对北京平原区中苜1号紫花苜蓿Medicago sativa当茬产草量、牧草含水量、茎叶比、越冬前再生高度、越冬率和越冬后头茬产草量的影响。结果表明：杀霜前随着秋季刈割时期延后当茬产草量呈逐渐升高趋势（P〈0.05）,而杀霜后呈降低趋势;初霜前含水量处于恒定状态,初霜后逐渐降低,杀霜后大幅度下降（P〈0.05）;杀霜后茎叶比升高明显（P〈0.05）;杀霜前随着刈割时期延后越冬前再生高度逐渐降低,杀霜后不再变化;增加1次秋季刈割及秋季不同时期刈割对北京平原区中苜1号紫花苜蓿越冬率没有显著影响;杀霜前随着秋季刈割时期延后越冬后头茬产草量呈逐渐升高趋势（P〈0.05）,秋季刈割最早处理组的越冬后头茬产草量显著低于对照组（P〈0.05）,其他各杀霜前刈割处理组均与对照差异不显著。初步结论为：北京平原区可以进行紫花苜蓿秋季刈割;北京平原区紫花苜蓿秋季刈割的最敏感时期大致为与前次刈割间隔〈8周、≥5℃有效积温〈720℃,与杀霜日间隔〉3周,≥5℃有效积温〉90℃;北京平原区紫花苜蓿秋季刈割的最佳时期大致为与前次刈割间隔8-11周、≥5℃有效积温760-800℃,与杀霜日间隔0-3周,≥5℃有效积温0-40℃。

北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究

本文在大量钻孔测温资料的基础上,系统分析了平原区浅层地温场分布特征,对影响浅层地温场的多种因素进行了系统研究。该区20～300 m深度内平均地温梯度为7.2℃/100 m,高于北京深部（基岩）地温梯度2.5~3.0℃/100m,大地热流值为66.35~84.14 mW/m2,较高的热流值显示岩石圈相对较薄且存在隐伏断裂。该区现今浅层地温场与深部地温场联系密切,形态分布与平原区重要隐伏活动断裂走向基本一致,主要受新构造运动控制,地下水、岩土体岩性及结构是浅层地温场分布的重要影响因素。

北京平原区元素的大气干湿沉降通量

从2005年11月到2006年11月,采用被动方式同时采集了北京市平原区10个地点的大气干、湿沉降样品共计39件。分析干、湿沉降样品中K、Na、Ca、Mg、Cd、Hg、Pb、As、B、Mo、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni元素的含量,分别计算出各元素的年沉降通量。其中,有害金属元素Cd、Hg、Pb、As的年沉降通量的平均值分别为2.36、0.24、219.95、29.00(g/hm2·a)。对比后发现,研究区大气中Cd和Hg的年输入通量远远低于四川成都经济区,Cd和Hg的大气污染状况相对南方地区较轻,As和Pb的年输入通量相对成都经济区差异较小。研究区元素的大气沉降通量与同点位的土壤元素的相关分析表明,元素的沉降通量并不是农田生态系统中土壤元素的主要输入途径,大气沉降中的元素主要来自远源。

北京平原区晚更新世以来有机碳同位素特征及其古环境意义

沉积物中的有机质稳定碳同位素已经广泛应用于重建古环境。本文通过对北京平原区昌平钻孔δ13Corg数值变化特征的分析,结合格陵兰冰芯和深海氧同位素曲线对比,揭示了北京平原区晚更新世以来古环境变化特征及千年尺度的气候变化事件,初步探讨了其驱动机制。该钻孔δ13Corg值变化范围为-17.10‰至-26.18‰,主要表现为暖期时偏正,冷期时则偏负。据此,北京平原区晚更新世以来的气候变化可划分出4个阶段:末次间冰期(MIS5)气候温暖;末次冰期早冰阶(MIS4)气候温和适度;末次冰期间冰阶(MIS3)气候出现多次急剧的冷暖波动;末次冰期盛冰期(MIS2)气候冷干,δ13Corg值偏负阶段出现了对应格陵兰冰芯记录的H1-H9冷事件,代表了北京平原区晚更新世以来千年尺度的气候波动,但不同地区的变化幅度有所不同,这些变化可能与微地形、气象、水文等区域基本控制因素有关。

基于PS-InSAR的2003—2009年北京平原区沉降控制因素分析

对融合PS与小基线In SAR技术提取的北京市583 129个观测点2003—2009年28个时序的实际数据进行了分析,结合北京市的第四系沉积物岩性与厚度分布情况、北京市地下水抽采地点与取水量等实际数据,分析了北京市平原地区2003—2009年的地面沉降的控制因素,得出了第四系沉积物岩性与厚度是控制地面沉降的地质内因,而人工抽采地下水是导致地面沉降的主要的人为外因的结论。

北京平原区中更新世以来的孢粉组合及其古气候意义

通过对北京平原区3个孔(顺义高丽营GZK1孔、昌平马池口CHZK1孔及大兴DZK1孔)的孢粉资料进行研究和对比,分析了北京平原区中更新世以来的气候变化,并将其划分为8个阶段:第1阶段气候较寒冷干旱,第2阶段气候温暖湿润,第3阶段气候温凉较湿,第4阶段气候温暖较干旱,第5阶段气候较寒冷干旱,第6阶段气候特征为早期暖湿,晚期温凉干旱,第7阶段气候较寒冷干旱,第8阶段气候温和湿润。

北京平原区新近沉积土基本工程地质特性分析

文章通过各种实验,分析了北京市新近沉积土的物质组成、化学成分、矿物成分及其基本的岩土工程特 性。结果表明,新近沉积土在总体上是工程地质性质较差的地层,一般来讲呈欠压密状态,具有较高的压缩性,强 度相对较低。但是对于新近沉积的砂质粉土而言,即当塑性指数Ip<7时,通过比较发现新近沉积土的实验数据则 接近于一般第四纪沉积土,并出现了交错,反映出新近沉积的砂质粉土与一般第四纪沉积的砂质粉土的力学性质 指标接近而不容易被区分。

北京平原区紫花苜蓿建植当年的需水规律

采用小型蒸渗仪法研究了北京平原区中苜1号和WL323紫花苜蓿建植当年的需水量、需水强度及行间蒸发占蒸散量的比例。结果表明:中苜1号和WL323全生长季的需水量分别为909.2mm和928.0mm,两个品种之间差异不显著;不同茬次之间差异显著(P<0.05),第2茬最低,第3茬最高。中苜1号和WL323全生长季的需水强度分别为4.4mm/d和4.5 mm/d,两个品种之间差异不显著;不同茬次之间差异显著(P<0.05),第2茬最高,第1茬最低。中苜1号和WL323全生长季行间蒸发占蒸散量的比例分别为26.0%和25.5%,两个品种之间差异不显著;不同茬次之间差异显著(P<0.05),第2茬最高。

北京平原区粮菜林三地类时空转变特征

该文利用遥感与地理信息系统技术研究北京平原区农用地内部粮田、菜地和林地三大类农地利用类型的变化。结果表明:2004年至2014年这10 a间,粮田转变为林地与菜地是北京平原区农地利用变化主流。粮田转变为林地面积是969.97 km^2,其土地利用变化重要性指数高达72.11%,在各类农地利用变化类型中居首。而粮田转为菜地则主要是粮田转变为设施菜地,10 a间粮田转变为设施菜地面积是163.53 km^2,其土地利用变化重要性指数为12.16%,在各类农地利用变化类型中居次;同时,10 a间北京平原区农地利用变化存在空间分异特征。主城近郊区与远郊平原区农地利用变化主要是粮田转为林地,两大分区中该变化类型土地利用变化重要性指数分别为84.18%、76.21%,明显高于其他农地利用变化类型土地利用变化重要性指数。在城市新区,粮田则分别转为林地与设施菜地;10 a间北京平原区农地利用空间分布均具有圈层特征,由近郊向远郊,农地内部结构都呈现林地为主类型,到粮田、菜地与林地混合利用类型,再到粮田与林地组合利用类型的空间格局。而10 a间随着主城区的外扩,上述农地利用圈层特征出现了由近郊向远郊外移、且林地与蔬菜面积占比增加的现象。研究认为:农地内部粮、菜、林3地类的转变和农地利用圈层外移是农户追求经济效益最大化与政府为改善生态环境所致;而改善生态不应以牺牲粮田为代价,应充分利用粮田的生态系统服务功能以实现生态绿化目的。

北京平原区地下水位预警初步研究

借鉴美国地质调查局在宾夕法尼亚的地下水位预警方法,从统计学的角度,探索了北京平原区地下水预警方法。对监测井多年长期监测资料进行百分位统计分析,把同一时间(月平均、旬平均、日平均)地下水水位(头)标高值的最小值至百分位5、百分位5至百分位10、百分位10至百分位25、百分位25至百分位75范围内的地下水位分别定义为红色、橙色、黄色和蓝色预警,形成地下水位预警判据。根据地下水水位实时监测数据,实时判定监测井代表区域的地下水预警等级,同时修正和完善地下水位预警判据,称之为监测井单点预警,监测井代表的同一层位的区域的集合,构成不同含水层的地下水位区域预警。对北京平原区2009年12月的地下水位预警结果为:潮白河冲洪积扇顶部和中部潜水含水层地下水位为红色预警,前缘为黄色预警,冲洪积平原为蓝色预警区;城区以南地区为红色预警,海淀山后的西北部地区为红色预警,永定河冲积扇和冲积平原大部分地区黄色和蓝色预警,大石河冲洪积扇地区均为蓝色预警;承压水含水层在潮白河冲洪积扇的前缘为红色预警,冲洪积平原为蓝色预警,北运河山前地带均为橙色预警,城区东、东南地区为橙色和黄色预警,少数地区为橙色预警,除上述地区以外,承压水均为蓝色预警。北京市平原区主要地下水开采地区地下水位已经处于历史的较低水位处,特别是潮白河冲积扇中上部地区以及平谷盆地,地下水位几乎全部处于红色预警区。该预警方法原理明确,方法简便,有望在地下水主要开采区推广应用。

北京平原区地源热泵换热能力现场测试研究

岩土体不仅决定地温场的展布形态,而且也是浅层地温能资源评价和工程设计的关键因素,掌握区域岩土体的热物性及换热性能,是保障热泵高效稳定运行的关键。根据北京地区在施地源热泵工程对现场换热能力测试结果,系统地研究了地层结构及岩性、水文地质条件、回填材料等因素对综合热导率的影响。研究结果表明:在相同条件下选择适当回填材料有利于提高系统换热性能,膨润土和水泥基作为回填材料,比中细砂作为回填材料的换热性能分别提高了17.6%和19.7%;岩土体和地下水是热能赋存和传播的物质基础,地下水与地层结构决定着地温场分布形态和换热效率,地埋管换热器的换热能力与土壤颗粒、地下水位、地下水渗流存在直接关系,土壤颗粒越大,地下水位埋深越浅,渗流越快,对地埋管换热器换热能力具有明显的强化作用。

北京平原区断裂构造重力异常识别研究

区域重力异常蕴含丰富的断裂构造特征信息.采用小波多尺度分解、归一化总水平导数垂向导数(NVDR_THDR)和剖面2.5D重力异常反演方法对北京平原区高精度区域重力资料进行了处理,获得了主要断裂构造平面位置、长度、规模、汇交关系及深浅延伸特征,分析了利用重力异常识别断裂的效果.结果表明:(1)北京平原区NE向断裂平面延展长度大、连续性强,NW向断裂分段性明显,连续性弱,但NW向断裂对NE向断裂有切割改造迹象.近EW或SN向断裂分布较为局限.(2)主控断裂平面和垂向延伸特征差异明显,顺义断裂、孙河断裂、永定河断裂等为盖层断裂;南口断裂、孙河断裂西段、二十里长山断裂和张喜庄断裂为基底断裂;黄庄—高丽营断裂南段、南苑—通县断裂、礼贤断裂、夏垫断裂和皮各庄断裂东段为地壳断裂.(3)利用NVDR_THDR峰值异常带的连续性、幅值、宽度及错切关系可有效识别断裂的平面展布特征,通过小波变换获得的不同深度等效层异常结合2.5D剖面反演可有效研究断裂在基岩内部的深浅延伸情况,但重力异常的垂向分辨能力弱,断裂在新生界内部延伸特征需结合其他地质资料进一步分析.

北京市平原区农田景观及其要素的质量评价研究

农田景观中的防护林、道路和沟渠是土地整治等农田工程项目的重要对象,对于这些要素的评价有利于提高对农田景观要素功能、质量及相互关系的理解。本研究以农田景观要素为评价对象,借鉴层次分析法建立了北京市平原区农田景观评价体系,通过半定量模糊评价法结合实地调研,以北京市平原区的通州、顺义、大兴3区作为案例进行评价研究。结果表明:1)北京市平原区农业景观整体与各要素都处于一般、中等水平,3个调研区之间没有显著差异;2)对4个农田景观要素的评价结果则存在显著差异,道路和沟渠的评分高于中等水平,而防护林和大田低于中等水平;3)4个要素之间的相关系数分析显示,与沟渠相比,防护林和道路对大田整体质量的提升具有更为重要的作用。实地调研显示由于在已有的土地整治工程建设中缺乏对景观生态功能的考虑,北京市平原区农田景观要素存在农田防护林和绿化植被多样性低、大田开阔性不高、道路硬化过度、沟渠污染严重的问题,需在今后的农田工程项目中予以更多重视。

人类活动对北京平原区地下水的影响

从地下水补径排条件变化和环境质量改变两方面,分析了人类活动对北京平原区地下水的影响。结果表明:受超量开采影响,北京地区水资源总量大幅减少;地下径流由原来的北西向南东流动变成现在的受地下水位降落漏斗影响,流向漏斗中心;由于污染物大量排放和对地下水超量开采,因此地下水氧化还原环境发生变化,导致地下水水质恶化,并造成了水位持续下降和地下水资源亏损等水环境问题出现。在此基础上提出:截断污染源和减少地下水超采可以控制地下水水质恶化趋势;抓住南水北调水进京之契机,实行地下水减采和回补涵养以恢复地下水资源及改善区域地下水环境质量。

北京平原区地质剖面的初步建立-太古宙结晶基底和元古宙地层

北京平原目前尚未建立系统的地质剖面。1867年庞培莱将北京西山分为3大系,1871年李希霍芬提出震旦系、划分12层。1922年葛利普将震旦系限定在前寒武系,1923年田奇镌将南口剖面划分为7个岩组,1934年高振西将震旦系3分(南口群、蓟县群、青白口群)。1976年乔秀夫3分青白口群(下马岭组、龙山组和景儿峪组),1980年汪长庆等将十三陵剖面分为4系12组,1991版《北京市区域地质志》将十三陵剖面分为3系12组。本文初步建立平原区地层表,详细描述太古宙结晶基底和元古宙地层剖面,在京南大兴区的榆垡(兴热-1井)和安定(兴热-2井)发现太古宙片麻岩,在京热-70井、京热-59井、京热-71井和京热-75井编录蓟县纪地层,利用亦庄小学钻孔厘定待建系下马岭组、青白口纪龙山组和景儿峪组。

基于矩阵的GM(1,1)模型预测地面沉降——以北京市平原区为例

传统GM(1,1)模型在地面沉降预测中都是基于监测点的单点预测,无法获取研究区地面沉降的变化趋势。文章提出一种基于矩阵的GM(1,1)模型,运用矩阵替代单点进行预测分析,选取北京市平原区作为研究区,用2003~2009年的InSAR监测结果建立模型,并利用实测的水准测量点进行验证。结果表明:模型精度达到"合格"以上的元素占总数的99%以上;最大沉降量相对误差不超过12%;独立样本t检验表明,InSAR处理结果和模拟结果没有显著性差异(P=0.415);利用水准测量数据和预测结果进行回归分析,二者具有明显的线性相关性,相关系数为0.99。因此,基于矩阵的GM(1,1)模型可以有效地进行区域地面沉降预测,并能充分与遥感技术进行结合,该方法可以为地面沉降的区域性预测提供新的思路和方法。