太原市地面沉降的時空演變分布特征研究

□□ ，

(1.山西職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原 030006；2.中國能源建設(shè)集團 山西省電力勘測設(shè)計院，山西 太原 030001)

引言

地面沉降是指在一定范圍內(nèi)的地表因受到來自自然界或人類社會生產(chǎn)生活的影響，在豎直方向上發(fā)生的位移現(xiàn)象，也可以理解為在一定范圍內(nèi)的地面下沉，是一種廣泛存在的地質(zhì)災(zāi)害。隨著人類社會文明的不斷發(fā)展，世界各地出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象越來越多，沉降所涉及到的面積越來越大，地面沉降所造成的不良后果也越來越明顯。因此，在當今社會，伴隨著城市建設(shè)而來的地面沉降問題受到了政府及學術(shù)界越來越多的關(guān)注。目前，我國的華北平原、長江三角洲、汾渭盆地的眾多區(qū)域等先后出現(xiàn)了大范圍的沉降區(qū)域，在一定程度上對我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展造成了制約，成為城市地質(zhì)災(zāi)害方面所面臨的重要災(zāi)害之一。

造成局部區(qū)域的地面下沉的原因復雜而多樣，其主要原因有4個：①地下水的過度開采；②礦井開采，特別是違章開采現(xiàn)象嚴重的區(qū)域，會產(chǎn)生大范圍的危房，造成整個區(qū)域的整體搬遷，在影響居民生活的同時也帶來了許多本來可以避免的巨大經(jīng)濟損失；③大型工程建筑物對地基的巨大靜載荷；④一定條件下的動載荷(振動)的持續(xù)作用。

地面的區(qū)域沉降現(xiàn)象給當今的城市建設(shè)帶來了極大的危害，特別是在很多大城市的開發(fā)區(qū)尤為明顯。具體表現(xiàn)可歸納為以下幾個方面：

(1)地面的標高降低，會造成雨季時節(jié)地面短時間內(nèi)大量積水，引起嚴重的內(nèi)澇，從而降低了排水系統(tǒng)的防泄洪能力。這種危害不僅影響城市交通和環(huán)境，而且會使地下室和低層建筑物在汛期被水淹沒，危及市民的人身和財產(chǎn)安全。

(2)城市已建成的管網(wǎng)系統(tǒng)遭到破壞。若城市管網(wǎng)系統(tǒng)所涉及的地面區(qū)域出現(xiàn)地面下沉，輕則會使給水供氣管道隨著地面的不均勻沉降而產(chǎn)生彎曲變形，重則導致管道的漏氣漏水，更嚴重時會導致管道直接折斷，直接影響城市居民的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的正常運行，帶來嚴重的安全隱患。

(3)對鐵路系統(tǒng)的安全運營構(gòu)成威脅。地面沉降會造成下沉區(qū)域的鐵路路基的不均勻沉降，對鐵路系統(tǒng)的安全運營會造成嚴重威脅，同時還會給國家重點建設(shè)高速鐵路和許多城市正在運行中的以及正在建設(shè)中的地鐵帶來不利影響。

(4)河床的局部下降。這種現(xiàn)象會導致沿河兩岸的河道防洪排澇能力大幅度降低，給沿岸地區(qū)的城市建設(shè)和人們的生產(chǎn)生活帶來巨大的安全隱患。

(5)地面水準點資料失效。如果地面高程資料大范圍失效，會造成規(guī)劃部門的城市規(guī)劃成果失效以及市政部門建設(shè)所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錯誤，從而帶來巨大的經(jīng)濟損失和不可預見的安全隱患，嚴重制約著城市長期健康有效地發(fā)展。

(6)農(nóng)業(yè)漬害。地面下沉會造成農(nóng)田的區(qū)域性低洼現(xiàn)象，低洼區(qū)域常年大量積水會逐漸改變土壤的墑情，造成農(nóng)田土質(zhì)的惡化，使得原有漬害的治理難度加大，農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量都會有所下降，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重的威脅，給農(nóng)村經(jīng)濟造成巨大損失。此外，地面沉降引起的地裂縫也影響了農(nóng)田耕作。近幾年來人們關(guān)注的越來越多的突然出現(xiàn)在農(nóng)田里的塌陷坑，很多也與區(qū)域性的地面下沉有關(guān)。

1 太原市的地面沉降狀況

太原市地處太原盆地的北端，瀕臨汾河，西、北、東三面環(huán)山，于華北地區(qū)黃河流域中部。地形的總趨勢呈現(xiàn)北高南低；東西兩側(cè)高、中間低，地形自山區(qū)開始向盆地延伸呈階梯狀下降的趨勢。邊山洪積扇伸入盆地中心，構(gòu)成寬闊的洪積傾斜平原，盆地中、南部為寬闊平坦的汾河沖積平原，全市整個地形北高南低呈簸箕形。

自20世紀90年代以來，太原市沉降范圍逐漸向盆地的邊緣地區(qū)擴展，與此同時沉降漏斗的面積也出現(xiàn)逐年擴大的現(xiàn)象，在太原的南部也有向晉中盆地延伸的趨勢?，F(xiàn)已形成了北起上蘭鎮(zhèn)，南至劉家堡鄉(xiāng)郝村，南北長約40 km；西起西鎮(zhèn)，東到榆次西河堡村，東西寬約15 km的沉降范圍。涉及范圍約400 km2，形成多個沉降中心。

由于地面區(qū)域性下沉的影響，在吳家堡、武家莊和大馬村這一帶的許多建筑物已經(jīng)出現(xiàn)了裂縫、地表排水困難、耕地被水淹沒以及市區(qū)自來水、煤氣、熱力管道斷裂等現(xiàn)象。近年來一到夏季，太原市就會出現(xiàn)積水現(xiàn)象，除了管道的原因外，還有一個因素就是地面沉降導致排水口相對上升而帶來的積水無法排出。此外，地面沉降使晉陽湖蓄水能力明顯下降，進水困難，不得不通過加壩來改造進水渠、進水口；地面沉降還造成了晉祠圣母殿主體建筑傾斜，危及到千年文物的安全，有關(guān)部門已被迫投巨資對圣母殿進行修復。

2 D-InSAR技術(shù)監(jiān)測太原地面沉降

目前，已有GPS、水準、InSAR等多種方法應(yīng)用于太原城市沉降的監(jiān)測。但是，由于沉降發(fā)展過程中GPS和水準測量歷史資料的缺失，現(xiàn)有數(shù)據(jù)無法全面地反映沉降變形量級和變形范圍的時間演變；同時，GPS和水準測量均為點測量系統(tǒng)，無法滿足高空間分辨率變形監(jiān)測對地面(曲面)的要求，不具備提供整個區(qū)域面上的連續(xù)變形信息的條件，無法全面地反映沉降變形的空間特征。而新興的干涉合成孔徑雷達技術(shù)(D-InSAR技術(shù))可以彌補以上缺點，滿足上述要求。該技術(shù)是通過同一地區(qū)的兩幅雷達影像(SAR影像)的相位差計算來得到地表變形信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個地表進行全面監(jiān)測的要求。目前已在上海、天津、西安等多個城市成功應(yīng)用于地面沉降測量。

本文采用D-InSAR技術(shù)對太原地區(qū)的沉降進行了變形監(jiān)測。根據(jù)歐空局發(fā)布的覆蓋太原地區(qū)地面沉降范圍的數(shù)據(jù)信息，購買表1所示的數(shù)據(jù)進行干涉數(shù)據(jù)處理。

表1 太原地區(qū)地面沉降范圍數(shù)據(jù)

通過對表1數(shù)據(jù)進行InSAR干涉組合，共計算得到了1992-1993年間、2003-2004年間、2006-2007年間共3個時間段的沉降序列，并采用GIS技術(shù)對太原地區(qū)的地面沉降進行了疊加顯示。圖1至圖3所示為上述3個時間段的沉降速度圖。

圖1 1992-1993年沉降速度圖

由圖1至圖3可以看出，1992-1993年太原地區(qū)的沉降范圍和沉降量級都比較大，最大年沉降量達13 cm，形成了以萬柏林、閻家溝和武家莊、吳家堡一帶為中心的沉降中心。

2003-2004年，太原地區(qū)的沉降范圍和沉降量級均較1992-1993年有所減小，最大年沉降量為4 cm。

2006-2007年，太原地區(qū)的沉降中心和沉降范圍向東發(fā)展，形成新的小店區(qū)沉降中心，年沉降量達10 cm。

圖2 2003-2004年沉降速度圖

圖3 2006-2007年沉降速度圖

3 沉降時空演變分布特征分析

隨著城市的建設(shè)發(fā)展和用水需求量的不斷增加，太原地面沉降時空演變分布經(jīng)歷了3個階段。

太原市地下水開發(fā)利用，由解放初期以開采潛水為主，開采量為1.09萬m3/d；到90年代地下井數(shù)量發(fā)展到3 000多眼，開采第三承壓含水巖組和盆地區(qū)基巖裂隙水，開采深度在500 m左右，開采量為90萬m3/d左右。由于超采地下水引起地層內(nèi)部的有效應(yīng)力增加，承擔的支持力減弱，黏性土及互層釋水壓密產(chǎn)生塑性變形，導致地面沉降。

面對嚴峻的水資源局面和地面沉降災(zāi)害，太原市于2003年出臺了一系列保護水資源的法律法規(guī)，并實施了引黃入并工程建設(shè)，關(guān)井壓采工作全面展開。地下水位整體上停降轉(zhuǎn)升，地面的下沉現(xiàn)象也逐漸得到了顯著改善。

但是，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，太原市的城市發(fā)展迅速，逐漸又出現(xiàn)了新的沉降中心，并且沉降范圍也出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移。小店區(qū)由于近年來發(fā)展迅速，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)很快，新居住區(qū)成片開發(fā)，大量高層建筑不斷興建，密集高層建筑群之間的地表存在明顯的應(yīng)力疊加效應(yīng)，帶來不穩(wěn)定因素，工程建設(shè)的地面效應(yīng)逐漸凸顯，又引起新的地面沉降。

4 防治措施及建議

太原市地面沉降主要有兩方面的原因：地下水的不合理開采和城市的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)。地面沉降已經(jīng)嚴重影響到人們的生產(chǎn)和生活，除直接經(jīng)濟損失外，間接經(jīng)濟損失更大，潛在的威脅嚴重且難以消除。因此，必須從以下幾個方面對太原地區(qū)的地面沉降進行治理和防治。

(1)制定相關(guān)政策，實現(xiàn)對地表水、地下水資源的聯(lián)合調(diào)度和統(tǒng)一管理，控制地下水的開采量。

(2)避免城市的過度開發(fā)，城市規(guī)劃部門必須對城市的地質(zhì)狀況及其承載能力有總體考量。

(3)對任何高層的建筑工程，必須對局部地面沉降問題進行預估，做到不留任何死角。

(4)充分重視即將建設(shè)的地鐵輕軌系統(tǒng)的動載荷的影響。

參考文獻：

[1] 趙常洲，龔固培，王暉.地面沉降成因與危害[J].西部探礦工程，2006(1)：261-263.

[2] 賀秀全.太原市地面沉降防治新進展[A].第二屆全國地面沉降學術(shù)研討會論文集[C].北京：中國地質(zhì)學會，2006：205-209.

[3] 張文華.太原市地面沉降的現(xiàn)狀及發(fā)展變化趨勢[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2010，21(4)：38-40.

[4] 杜娟.InSAR技術(shù)在西安地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用[D].西安：長安大學，2010.

[5] 撒利偉.基于gis的西安市地面沉降與地裂縫空間分布特征研究[D].西安：西安建筑科技大學，2006.

[6] 李陶.重復軌道星載SAR干涉監(jiān)測地表形變研究[D].武漢：武漢大學，2004.

[7] 單利軍.山西省太原市地面沉降調(diào)查報告[R].太原：山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，2006.

[8] 唐益群，崔振東，王興漢，等.密集高層建筑群的工程環(huán)境效應(yīng)引起地面沉降初步研究[J].西北地震學報，2007，29(2)：105-108.