北京平原區(qū)不均勻沉降控制因素研究

鄭佳榮，宮輝力，李青元，陳蓓蓓

(1. 北京工業(yè)技術(shù)學院,北京 100042； 2. 首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048； 3. 中國測繪科院研究院，北京 100830)

地面不均勻沉降對于北京城市發(fā)展的影響日益嚴重，破壞自來水管線、燃氣管線等市政設(shè)施,威脅京津、京滬城際鐵路等軌道交通的安全，地面沉降嚴重影響人們生活，威脅制約了首都經(jīng)濟社會發(fā)展建設(shè)[1]。宮輝力等采用InSAR技術(shù)、多源遙感技術(shù)與水文地質(zhì)學交叉研究北京地面沉降問題[2-3]；張勤采用GPS和InSAR相結(jié)合的方法研究西安地面沉降[4-5]；羅小軍采用PS-InSAR技術(shù)研究上海市地面沉降[6]。筆者采用北京平原區(qū)PS-InSAR時序監(jiān)測結(jié)果(2003—2009年)，結(jié)合GIS空間分析，構(gòu)建沉降速率坡度圖，分析北京市不均勻沉降，進一步反演北京平原區(qū)不均勻沉降控制因素。本研究對控制北京平原區(qū)不均勻沉降具有實際意義。

1 北京平原區(qū)不均勻沉降研究分析

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

本文選取2003—2009年覆蓋北京平原地區(qū)的8景Envisat衛(wèi)星降軌InSAR數(shù)據(jù)，使用StaMPS軟件，優(yōu)化PS點，獲取北京平原區(qū)大范圍583 129個點的8個時間序列沉降數(shù)據(jù)(該沉降數(shù)據(jù)是相對2003年12月的沉降量)。

1.2 研究思路

如圖1所示，首先，采用PSI分析具有穩(wěn)定散射特征的永久散射點(PS點)來提取北京平原區(qū)大范圍583 129個點的沉降速率；其次，對北京平原區(qū)地面點沉降速率進行克里金法插值生成沉降速率的柵格數(shù)據(jù)；再次，對8個時間序列的沉降速率柵格數(shù)據(jù)分別進行坡度分析，生成8幅沉降速率坡度圖；然后，采集北京平原區(qū)地質(zhì)資料，調(diào)研北京平原區(qū)地下水抽采水源區(qū)及時空變化特征；最后，在沉降速率坡度圖上疊加地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)、水源數(shù)據(jù)和路網(wǎng)數(shù)據(jù)，從時間、空間、事件3個維度分析根據(jù)沉降速率坡度圖定量分析沉降不均勻時空規(guī)律，分析總結(jié)北京平原區(qū)不均勻沉降控制因素。

圖1 研究思路

1.3 北京平原區(qū)不均勻沉降規(guī)律分析

沉降速率坡度即采用沉降速率作為高程形成“地形”坡度，坡度越大說明沉降不均勻性越大。圖2 所示為基于北京平原區(qū)PS-InSAR時序監(jiān)測結(jié)果進行處理，獲取北京平原區(qū)大范圍、多時序地面沉降精確監(jiān)測信息，構(gòu)建8個時序沉降速率的坡度圖。對沉降速率坡度圖分析獲取沉降速率變化規(guī)律(見表1)。隨著時間變化，一方面沉降速率坡度從0.001 6 逐漸增大到5.6；另一方面沉降速率坡度小于0.5的區(qū)域逐漸減小，而大于1.5的區(qū)域逐漸增大。這說明隨著時間變化，北京平原區(qū)不均勻沉降程度及不均勻沉降區(qū)域正在逐漸增加。從圖2和表1 可以看出，2007年沉降速率減小，沉降速率坡度減小，2008年沉降速率和沉降速率坡度劇烈增加。

圖2 2003—2009年8個時序沉降速率坡度

時間沉降速率坡度(S)變化區(qū)域S<0.50.5

2 北京平原區(qū)不均勻沉降控制因素分析

基于北京平原區(qū)不均勻沉降規(guī)律分析，筆者疊加地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)、水源數(shù)據(jù)和路網(wǎng)數(shù)據(jù)，從時間、空間、事件3個維度分析北京平原區(qū)不均勻沉降控制因素，本文選取2009年3月數(shù)據(jù)，進行典型分析。

2.1 北京市平原區(qū)第四系沉積物巖性與厚度對地面不均勻沉降的影響分析

北京市平原區(qū)主要由永定河和潮白河沖積扇組組成，兩扇相鄰互相交匯,幾乎控制整個平原地區(qū)[7-8]。第四系沉積由山前到平原區(qū)，一般依次為：山麓坡積群地帶、沖洪積扇頂部、扇中部、扇緣及沖洪積平原區(qū)。圖3所示黑色扇形區(qū)域即永定河和潮白河沖積扇，圖4所示4條黑色線條為斷層構(gòu)造。劉予[9]將北京沉降區(qū)含水巖組組中的黏性圖層劃分為3個可壓縮層組，其中第3壓縮層組壓縮性極低。由圖4、圖5可以看出，黑線圈出區(qū)域是第一層和第二層組壓縮層。

圖3 疊加路網(wǎng)和地質(zhì)構(gòu)造(2009年3月)

圖4 疊加斷層和地下水開采區(qū)(2009年3月)

如圖3所示，沉降速率坡度較大區(qū)域是永定河和潮白河沖積扇的扇緣、圖4所示斷層構(gòu)造區(qū)域及圖5和圖6所示壓縮層厚變化區(qū)域。以上因素控制區(qū)域疊加為朝陽區(qū)、順義區(qū)西南、通州區(qū)西北和海淀區(qū)東北。該結(jié)果與圖2所示2003—2009年8個時序沉降速率坡度圖一致。說明第四紀第四系沉積物巖性、厚度與構(gòu)造是地面發(fā)成不均勻沉降的內(nèi)在主控影響因素。

圖5 第一組可壓縮曾等厚分區(qū)圖

圖6 第二組可壓縮曾等厚分區(qū)

2.2 地下水抽采對地面不均勻沉降的影響分析

北京市區(qū)有8座自來水廠開采地下水[10-11]，第九水廠、三廠、四廠、七廠、八廠開采地處淺層水，一廠、二廠、五廠開采地處深層水。圖4是疊加斷層和地下水開采區(qū)的北京平原區(qū)沉降速率坡度圖。

2004—2007年北京最高日供水量242.5萬m3，2008年奧運會召開之前，北京市區(qū)日供水達300萬m3，因此2008年用水量遠遠超過歷年用水量。圖2所示為2008年12月沉降速率坡度圖，沉降不均勻區(qū)域擴展加劇，且沉降速率坡度增大。

從2008年9月28日起，南水北調(diào)中線的河北應(yīng)急水源到達團城湖，并陸續(xù)進入市政自來水管網(wǎng)中；同時，2008年豐水年對地下水補給。對比2007—2008年，2008—2009年兩個時段沉降速率坡度圖(如圖2所示)，2009年3月不均勻沉降速率變化減緩。

綜上分析，地下水抽采導致北京沉降區(qū)含水巖組組中可壓縮層組壓縮，引起相應(yīng)區(qū)域不均勻沉降。

2.3 動載荷對地面不均勻沉降的影響分析

動載荷主要包括地面車輛和地鐵產(chǎn)生的載荷的增加。綜合圖3和圖4，在永定河和潮白河沖積扇的山麓坡積群地帶及沖洪積扇頂部，即使路網(wǎng)密集，沉降速率坡度S小于0.5；在沖洪積扇緣及沖洪積平原區(qū)，出現(xiàn)大面積沉降速率坡度S大于1.5。進一步對比圖3和圖4，可以發(fā)現(xiàn)圖3路網(wǎng)覆蓋黑色區(qū)域，且在同一區(qū)域，沉降坡度黑色區(qū)域靠近路網(wǎng)。

綜上分析，動載荷導致北京沉降區(qū)含水巖組組中可壓縮層組壓縮，引起相應(yīng)區(qū)域不均勻沉降。

3 結(jié) 語

本文從自然環(huán)境和人類活動影響沉降的兩個方面進行分析，得出以下結(jié)論：北京平原區(qū)在疏松的多層含水體系中，有一定厚度的未固結(jié)或弱固結(jié)的可壓縮沙土層是發(fā)生地面沉降所必備的地質(zhì)環(huán)境條件，因此，北京平原區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，尤其是第四系沉積物巖性與厚度的差異是地面發(fā)成不均勻沉降的內(nèi)因；地下水大量、持續(xù)的抽取活動、地面動載荷的增加使可壓縮層水位被動降低，導致持續(xù)性應(yīng)力轉(zhuǎn)移、地面沉降范圍不斷擴大，出現(xiàn)大面積不均勻沉降區(qū)域，當外因達到一定程度，就表現(xiàn)為控制因素。