利用GIS技術(shù)研究某區(qū)地面沉降的初步探討

竇海鵬

（天津華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066000）

本文對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地面沉降調(diào)查，基于ArcGIS軟件平臺(tái)，在獲取地表形變信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS技術(shù)多元數(shù)據(jù)空間分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能進(jìn)行定性和定量分析，優(yōu)選出沉降區(qū)域，對(duì)沉降規(guī)模與沉降趨勢也有了更直觀的認(rèn)識(shí)，并對(duì)其成因進(jìn)行初步探討[2]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省西南部，四面環(huán)山，區(qū)內(nèi)交通較為便利。地層出露相對(duì)簡單，主要為新近系(N)和第四系(Q)。區(qū)內(nèi)河流屬黃河水系，有大夏河及其支流紅水河、牛津河。大夏河由南西向北東徑流橫貫研究區(qū)區(qū)，在研究區(qū)境內(nèi)長度22km。依據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的分布、賦存條件和含水介質(zhì)及水動(dòng)力特征，將研究區(qū)地下水類型劃分為碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水兩種類型。

2 資料收集及數(shù)據(jù)庫建設(shè)

2.1 資料收集

本次資料收集工作主要包括以下幾個(gè)方面：

a：基礎(chǔ)地質(zhì)、水文、工程地質(zhì)、地形地貌資料；地面沉降、地下水監(jiān)測、地裂縫資料；重大工程建設(shè)項(xiàng)目資料，國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展規(guī)劃；高程測量資料；地下水開采及利用資料；地裂縫防治成果等資料。

b：影像資料：DEM、高分二號(hào)、ASTER、Landset8、Sentinel-1A等數(shù)據(jù)作為此次調(diào)查的遙感數(shù)據(jù)源。選用數(shù)據(jù)云雪覆蓋小于5%，圖像無條帶、無壞線。

2.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

本次數(shù)據(jù)庫建設(shè)依托ArcGIS軟件平臺(tái)，數(shù)據(jù)類別廣泛，共包含地質(zhì)、遙感、地面沉降、地理四個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集，79個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)類[3]。坐標(biāo)系為高斯克呂格投影坐標(biāo)系，即為“Xian 1980-GK-Zone-18”。

3 工作方法

（1）在充分收集、整理研究區(qū)域已有基礎(chǔ)地質(zhì)、水工環(huán)地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)及人類工程活動(dòng)等資料的基礎(chǔ)上，通過實(shí)地調(diào)查，建立區(qū)域遙感解譯標(biāo)志，并選用GIS技術(shù)調(diào)查研究區(qū)地面沉降及伴生地裂縫發(fā)育現(xiàn)狀。通過對(duì)初步解譯成果進(jìn)行詳細(xì)的野外驗(yàn)證，修改完善后形成最終的地面沉降及伴生地裂縫遙感解譯圖，并在此基礎(chǔ)上圈定地面沉降控制區(qū)范圍，劃分沉降區(qū)。

（2）野外踏勘與驗(yàn)證采用點(diǎn)、線、面相結(jié)合的方式進(jìn)行，通過地面沉降及伴生地裂縫等災(zāi)害現(xiàn)象的實(shí)地調(diào)查與訪問，提高遙感解譯的精確度。遙感數(shù)據(jù)挖掘，即遙感解譯是一項(xiàng)不斷重復(fù)的室內(nèi)解譯-野外驗(yàn)證的過程，所以需要技術(shù)人員進(jìn)行多輪次、多線路的野外驗(yàn)證，室內(nèi)修改。

4 評(píng)價(jià)因子確定及野外調(diào)查

4.1 評(píng)價(jià)因子確定[4]

以Landset-8數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用人機(jī)交互解譯的方法，對(duì)基礎(chǔ)信息進(jìn)行1：50000精度解譯，為圈定地面沉降區(qū)范圍提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

選用Sentinel-1A數(shù)據(jù)，運(yùn)用ENVI中搭載SARscape工具，D-Insar技術(shù)[5]。生成研究區(qū)地面沉降速率圖，為圈定地面沉降區(qū)范圍提供重要依據(jù)。

4.2 野外調(diào)查

基于研究區(qū)地面沉降調(diào)查空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)地質(zhì)、地貌、水文、遙感解譯、地形、土地利用類型等信息，依托GIS平臺(tái)強(qiáng)大的分析及處理功能，布署并開展野外調(diào)查點(diǎn)驗(yàn)證工作，并依據(jù)沉降區(qū)特征，將調(diào)查點(diǎn)分為一般、次重點(diǎn)、重點(diǎn)三類[6]。

根據(jù)對(duì)區(qū)內(nèi)地面沉降的統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)地面沉降及伴生地裂縫點(diǎn)共33處，其中地面沉降點(diǎn)共計(jì)30處，伴生地裂縫共計(jì)3處。研究區(qū)內(nèi)有2處規(guī)模等級(jí)為重點(diǎn)的地面沉降及隱患調(diào)查點(diǎn)，11處規(guī)模等級(jí)為次重點(diǎn)的地面沉降及隱患調(diào)查點(diǎn)，17處規(guī)模等級(jí)為一般的地面沉降及隱患調(diào)查點(diǎn)。其中12處呈增強(qiáng)趨勢，17處趨于平穩(wěn)，1處呈減弱趨勢。

誘發(fā)原因以地下水抽取過度[7]、濕陷性黃土、農(nóng)田漫灌為主。多數(shù)分布在侵蝕-堆積河谷平原。伴生地裂縫調(diào)查點(diǎn)3處，研究區(qū)內(nèi)地裂縫主要為抽排地下水、構(gòu)造活動(dòng)引起，地裂縫性質(zhì)為拉張、下錯(cuò)。

5 GIS空間分析

在ArcGIS軟件中，對(duì)所選評(píng)價(jià)因子及野外驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行綜合分析，分析結(jié)果顯示：研究區(qū)地面沉降易發(fā)生在洪積-沖積砂質(zhì)粘土及砂礫，風(fēng)成黃土等第四系發(fā)育地區(qū)、海拔1806m～1885m，坡度小于7.5°的侵蝕-堆積河谷平原、松散巖類孔隙水中、住宅用地、耕地等人類活動(dòng)密集且用水量大的地區(qū)。

6 沉降區(qū)劃分

地面沉降遙感解譯利用衛(wèi)星或航空遙感數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)影像進(jìn)行地面沉降及伴生地裂縫解譯，貫穿地面沉降調(diào)查工作的全過程，成為地面沉降及伴生地裂縫調(diào)查的重要手段。在調(diào)查工作中采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取、人工判讀、野外驗(yàn)證調(diào)查相結(jié)合的方法，綜合多種遙感解譯專題圖，如遙感地質(zhì)解譯圖、遙感水文解譯圖、遙感地形地貌圖等，確定地面沉降發(fā)育特征，并依據(jù)解譯成果，劃定沉降區(qū)域[8]。

研究區(qū)地面沉降發(fā)育特征為：

（1）一般沉降區(qū)：研究區(qū)內(nèi)一般沉降區(qū)規(guī)模較大，地形地貌特征以侵蝕-堆積河谷平原為主。

（2）次重點(diǎn)沉降區(qū)：研究區(qū)內(nèi)次重點(diǎn)沉降區(qū)地形地貌特征以侵蝕-堆積河谷平原為主。

（3）重點(diǎn)沉降區(qū)：地面沉降重點(diǎn)區(qū)2處，地形地貌特征為侵蝕-堆積河谷平原。

研究區(qū)內(nèi)共劃定沉降區(qū)20處，重點(diǎn)沉降區(qū)面積0.16km2，次重點(diǎn)沉降區(qū)面積0.56km2，一般沉降區(qū)面積3.18km2，總沉降面積3.90km2。

7 成因探討

地面沉降是指在一定的地表面積內(nèi)所發(fā)生的地面水平面降低的現(xiàn)象。區(qū)域內(nèi)充盈于土體孔隙中的地下水，與土體共同構(gòu)成一個(gè)力學(xué)平衡系統(tǒng)，土體中孔隙水壓力與土體骨架的有效應(yīng)力之和與總應(yīng)力（荷載）平衡。抽水過程中雖然總應(yīng)力不變，但孔隙水壓力的減小必然導(dǎo)致土中有效應(yīng)力的等量增大，結(jié)果就會(huì)引起土層的固結(jié)壓密，從而引發(fā)地面沉降。

研究區(qū)沉降形成的原因：侵蝕-堆積河谷平原地區(qū)由于抽取地下水過度，在井孔周圍及地勢較低區(qū)域形成水位下降漏斗，承壓含水層的水壓力下降，即支撐上覆巖層的孔隙水壓力減小，這部分壓力轉(zhuǎn)移到含水層的顆粒上，使地面不均勻沉降差異性增大，致使井口抬升、地表墻體發(fā)生傾斜、水泥地面產(chǎn)生破裂等[9]。

侵蝕-剝蝕低山、侵蝕-剝蝕中低山的沉降區(qū)中地層中風(fēng)成黃土較為廣泛，黃土是干旱或半干旱氣候條件下的沉積物，在生成初期，土中水分不斷蒸發(fā)，土孔隙中的毛細(xì)作用，使水分逐漸集聚到較粗顆粒的接觸點(diǎn)處[10]。同時(shí)，細(xì)粉粒、粘粒和一些水溶鹽類也不同程度的集聚到粗顆粒的接觸點(diǎn)形成膠結(jié)。該土質(zhì)極易濕陷。土的欠壓密狀態(tài)，干旱氣候條件下，風(fēng)積黃土層，其蒸發(fā)影響深度大于大氣降水的影響深度，在其形成過程中，充分的壓力和適宜的濕度往往不能同時(shí)具備，導(dǎo)致土層的壓密欠佳。接近地表2m～3m的土層，受大氣降水的影響，一般具有適宜壓密的濕度，但此時(shí)上覆土重很小，土層得不到充分的壓密，便形成了低濕度、高孔隙率的濕陷性黃土。其土質(zhì)較均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育。在未受水浸濕時(shí)，一般強(qiáng)度較高，壓縮性較小。當(dāng)在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)會(huì)迅速破壞，產(chǎn)生較大附加下沉，強(qiáng)度迅速降低，導(dǎo)致地面沉降，所以存在風(fēng)成黃土層濕陷沉降是本區(qū)地面沉降的內(nèi)因[8]。

結(jié)果實(shí)地調(diào)查結(jié)果，沉降嚴(yán)重區(qū)大部為侵蝕-堆積河谷平原地區(qū)耕地，農(nóng)田漫灌現(xiàn)象嚴(yán)重。近年來該區(qū)及周邊農(nóng)田灌溉抽取大量地下水，使得區(qū)內(nèi)地下水位下降，黃土層濕陷，是地面不均勻沉降的重要原因。進(jìn)而導(dǎo)致房屋向農(nóng)田處傾斜趨勢明顯，嚴(yán)重區(qū)房屋開裂傾斜達(dá)12cm，井口抬升6cm～7cm，影響沉降區(qū)居民生活。

8 結(jié)語

此次項(xiàng)目實(shí)施，充分發(fā)揮GIS技術(shù)，以遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以先進(jìn)的GIS軟件為處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、高效的遙感解譯分類及研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)、地形地貌、水文地質(zhì)、土地利用類型等多種遙感解譯與空間數(shù)據(jù)分析，迅速鎖定沉降區(qū)域，并將其分類。構(gòu)成一個(gè)強(qiáng)大的技術(shù)體系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種空間信息和環(huán)境信息的快速、機(jī)動(dòng)、準(zhǔn)確、可靠的收集、處理與更新。