北京市地下水回升与既有地下空间再接触的时空格局及活化强度

《Natural Hazards Research》：Groundwater rebound and renewed contact with existing underground space in Beijing

　　

背景：地下水回升可使既有地下结构重新接触在城市发展期间被降低的地下水位。研究人员考察了北京这种接触发生的时间与空间变化。方法：研究人员联合长期地下水记录、2000—2020年十个区的年度观测、2019—2025年十六个区的月度观测、历史存量代理变量以及抽样结构深度—面积剖面。遭遇分数（encounter fraction）测度区平均地下水位所达到的抽样地下空间面积占比。研究人员评估了越界、接触持续时间以及对结构深度的敏感性。结果：全市地下水位于2015年达到年末最大值25.8 m，当时存量代理变量为2020年值的91%。到2025年12月，九个初始无接触的区在中心深度情景下至少有六个连续接触月；三个区存在先前接触，一个区仅有短暂接触，三个区未观测到接触。九个新持续区中的首次活化强度介于0.014～2.980个百分点/年，并依赖于参考日期。在1193个有效区—月中，27.2%在不同深度情景下改变了接触分类。回升幅度与终点遭遇分数在区级排序中呈负相关（Spearman ρ = ?0.5871）。在敏感性检验中，接触均再次发生，但程度和时点各异。结论：地下水回升使北京各区与地下空间的接触恢复程度不均。将地下水轨迹、结构深度与接触持续时间结合，可识别需要进一步调查的区。

研究背景

在长期服役的地下结构周围，地下水回升会改变其赋存条件。全球范围内既观测到持续消耗，也观测到因开采减少、调水和人工补给出现的回升；回升可恢复水资源，也可能使原先被降低的地下水位重新接触地下室、隧道和基础。仅凭回升幅度无法判断哪些结构层被触及：一个区回升量大但水位可能仍低于结构层，另一个区回升量小却可能越过承载大量地下空间面积的结构层。短暂越界与持续接触也需区分。已有研究如米兰、那不勒斯等提供了案例，但缺少将地下水位轨迹、结构深度分布和接触持续时间结合起来的城市尺度筛查方法。北京的地下水消耗与地下空间开发重叠数十年，近年地下水位回升，为此类研究提供了典型场景。研究人员由此提出“遗留暴露”概念，用于刻画既有地下空间与回升地下水之间接触的出现或重新分布。

研究内容与总体结论

研究人员将长期地下水记录、历史存量代理、抽样结构深度—面积剖面结合，计算各区分层遭遇分数（encounter fraction，C），判断地下水位越过的结构层和接触持续时间，并用浅层、中心、深层三种深度情景进行敏感性检验。结果发现，到2025年12月，九个初始无接触的区在中心深度和六个月连续性标准下形成持续终点接触；回弹幅度与终点遭遇分数呈负相关；27.2%的区—月在不同深度情景下改变接触分类。研究提出了一种可复制的筛查框架，将地下水位轨迹、结构深度与接触持续时间并列，用于指导局部水力与工程调查。

关键技术与数据来源

研究利用北京市水资源公报整理2000—2020年十个周边区年末地下水位，利用北京平原地下水动态报告获取十六个区2019—2025年（及2026年前9个月）月度/周度观测；以中国多期土地利用遥感监测数据集（CNLUCC）的城镇用地像元构造历史地下空间存量代理；从北京市公共数据开放平台获得联合验收意见通知附件，解析出3215条有效资产记录，面积合计11746267 m²，并形成各区分层面积占比。主要方法包括：设置浅层(3.5,3.5) m、中心(5,4) m、深层(5.5,5.5) m名义深度情景；计算遭遇分数C = Σp(d,l)·I(z(l)≥D)；定义首次活化强度RLEA = 12ΔC_first/T_wait；采用Spearman/Kendall秩相关与多组深度、持续时间敏感性检验。数据均为公开来源，不涉及人体或动物实验。

研究结果

3.1 存量累积与地下水消耗期重叠

城市尺度地下水位在2000年代至2010年代初期持续加深，2015年达到年末最深25.8 m，此后趋浅。存量代理显示，2004年5月水位首次超过20 m时，存量已达2020年值的81%；2015年年末最深水位时达91%。大部分地下空间存量积累先于随后发生的地下水回升。

3.2 历史接触丧失与再度出现

年度中心深度情景将十个周边区分为两条再出现、两条持续接触、两条丧失接触、三条持续无接触和一条间歇轨迹。其中FS最清晰：2000年遭遇分数约0.10，2005年降至零，2012年回弹中首次越过中心B2阈值，2020年达到约0.49。

3.3 回升过程中的阶梯式阈值活化

月度记录包含2019年9月至2025年12月间1193个有效区—月。遭遇分数随地下水位上升呈阶梯式增加：水位在两层阈值之间上升时C不变，越过下一层时加入该层面积占比。中心情景共识别24次首次新区—层越界；FS和YQ的区平均水位最终浅于其全部正面积阈值，C达到1。

3.4 区活化状态与首次活化强度

到2025年12月，九个初始无接触的区在中心深度下至少有六个连续接触月并持续至终点；FS、TZ、YQ为先前已有接触；MY仅短暂接触后回到无接触；CY、SY、PG在观测窗口内始终无接触。九个新持续区的首次活化强度RLEA介于0.014～2.980个百分点/年，最大值出现在XC、FT和DC。

3.5 接触持续时间与结构深度敏感性

在24次首次越界中，7次首次连续接触达到至少六个月，12次短于六个月后退出，5次到2025年12月仍在进行但观测月数不足。1193个有效区—月中，38.5%在所有深度情景下无接触，34.3%在所有情景下有接触，27.2%在不同情景间改变接触分类。包含工程信息的24组敏感性配置和更宽参数网格均显示接触重新出现，但范围和时点随结构深度假设变化。

3.6 回弹与遭遇指标的比较

十六个区的回弹量与2025年12月中心情景遭遇分数呈负秩相关（Spearman ρ = ?0.5871；Kendall τ-b = ?0.4380）。十个有定义强度值的区中，首次活化强度与参考点到终点的遭遇分数增量ΔC_RE相关性弱（ρ = 0.1394）。改变等待时间参考日期会改变强度排序。

讨论

研究人员指出，回升幅度与遭遇分数描述的是恢复序列的不同属性：稀疏分布的深层结构可产生较小首次跳跃，而水位到达含更多面积的浅层时才出现较大增幅。米兰、那不勒斯等案例研究关注局部相互作用，北京分析提供了城市尺度的接触历史筛查，可与设施名录结合，用于优先预防性检查和监测地下商场、公共停车场和公共建筑地下空间。但结构表示是主要不确定来源：部分区有效资产记录少，楼层面积采用平均分配，现代剖面用于历史回代，且缺乏建筑使用信息；观测频率和监测空间范围变化也会影响结论。六个月持续判据尚未有配对渗漏或破坏记录校准。2026年延伸观测显示接触比汇总期更普遍，但该期长度和季节组成不同。

结论

历史存量代理所代表的北京大部分地下空间积累先于地下水回升。随着地下水位恢复，与抽样结构层的接触通过离散越界增加。到2025年12月，九个初始无接触的区在中心深度和六个月标准下具有持续终点接触。这些历史表明，再接触可在短暂情节之后发展为持续状态。回弹最大的区并非终点遭遇分数最高。结构深度假设使27.2%的有效区—月改变接触分类，活化参考日期改变强度排序。在补充检验中，再接触持续存在，几何形状和持续时间决定其局部程度和时点。地下水管理可利用这些接触历史，将设施调查和监测引向水位上升与既有地下空间相交的区。