關中地表沉降三維顯示與分析

王 超,李天文,劉詠梅 ,袁勘省

(西北大學 城市與環境學院,陜西西安 710127)

地表沉降是一種普遍的地質現象,尤其在人口稠密的三角洲地區,地表沉降會給生產和生活帶來巨大影響。目前,世界 150個以上的地區,包括墨西哥、中國、意大利、日本和美國,都出現了地表沉降。影響地表沉降的原因有自然因素,但最為重要的因素是人類活動,如過度的開采地下水、石油、天然氣、地熱資源以及大型工程施工等。根據統計資料(Johnon 1991)估計全世界由于地表沉降造成的破壞和修復費用為每年數十億美元,如美國休斯頓每年用于地表沉降的費用為3 170萬美元(Jensen 1995)。

1 引起關中地表沉降的因素

1.1 自然因素

地表沉降是一個長期的持續的不斷運動變化的一個過程。各塊體內部物質在空間分布的不均勻性導致軟的巖層塌陷或者由于降水、風力等自然因素對有腐蝕特性的巖石的化學和物理作用;不同年份的降水與蒸發量的不盡相同,導致有些年份降水量大有些年份蒸發量大,引起地下水的補給短期不足或者過多,從而導致承壓能力的失衡進而引起地表沉降。

關中地處陜西位于鄂爾多斯塊體南緣,是我國重要的地震活動和構造變形區之一。根據統計顯示關中發生了多次輕微的地震,汶川地震對地表沉降都有一定的程度影響。此外引起沉降的還包括一些其他地質災害帶來的次生危害,如泥石流在山前洪積扇表現的尤為突出;地裂縫由于雨水的灌注引起再次坍塌和加重等都可能對地表沉降帶來影響。

1.2 人為因素

伴隨著城市現代化的發展建設、眾多衛星城市的雨后春筍以及新農村建設等一系列城市發展,加上能源不合理的開發與利用等等,小區域、小范圍的地表沉降已經給人們的生產和生活造成了嚴重的影響,引起了人們的高度關注和重視。概括起來,引起關中地區尤其是西安地區地表沉降人為因素的主要原因如下:

(1)關中平原地處半干旱地區,尤其是每年的 7到 8月份,為滿足農業用水需求開采地下水資源,由于不合理開采和過度開采,致使很多地區形成水漏斗區。不止農業用水,隨著城市化的發展人們對生活用水需求量的增大,地下水也得到不同程度的不合理開采,此事雖然由于政府的強制措施得到緩解,但已造成的影響或者潛在的影響已經不可避免了。

(2)大型工程建設過程中雖說不開采地下水,但在其過程中為了保證施工的順利進行,進行了一定程度的降水,致使巖層承壓能力失衡,為了形成一個新的平衡點,在這個過程中勢必會引起地表沉降。

(3)大型工程建設,如高層建筑、地鐵修建、橋梁架設、道路修建、大型廠房的建設等,在其建設過程中引起的或大或小的震動建成之后新的壓力,這些都可能破壞原有的承壓平衡,為了達到新的承壓平衡,此過程中可能發生地表沉降作用。

(4)頻繁的交通運輸造成的震動長期對其附近一定范圍之內造成的影響也是引起地表沉降的一個重要原因。尤其是關中環線及各種高速鐵路、公路的建設及投入運行。

(5)人類不合理的土地規劃利用,也是形成地表沉降的原因之一。

2 地表沉降的危害及預防必要性

2.1 地表沉降的危害

地表沉降造成的危害主要表現在[1]:

(1)破壞城市設施、妨礙城市建設,地表不均勻引起的地表裂縫、不均衡下陷錯動,從而造成建筑物、道路、井管等市政設施受到破壞。引起河道縱坡降變形,城市排水管道功能降低。主要表現在造成房屋和橋梁的開裂、傾斜或倒塌;道路凹凸不平或開裂;地下管道錯裂失效;抽水井管上升,設備需不斷更新等。

(2)水患和潮災加劇地表沉降是地面高程降低,積水滯洪,引起河水、湖水或者海水倒灌,河流泄洪能力降低,城市抗洪能力相應降低。嚴重的滯洪積水問題,不僅影響城市交通和環境,而且可能造成地下室和低層建筑物在汛期被水淹沒,造成比較嚴重的經濟損失。

(3)影響城市規劃與建設等,地表沉降還導致觀測和測量標志失效。隨著城市生態環境的變遷,環境整治費用會劇增,經濟、環境、社會綜合效益將有所降低,直接或間接影響城市擁有的發展水平和發展規模。

(4)可導致或加重地下水的污染,地表沉降可導致汛期城區積水,洪水、污水不能及時排走,灌入地下,可能導致或加重地下水的污染,影響地下水的水質、開發與利用,影響人民群眾的身體健康,影響經濟發展以及建筑等公共設施的安全、使用、壽命和性能等。

2.2 沉降預防的必要性

目前,地表沉降的災害如仍在繼續發展,不采取積極有效的措施,未來更嚴重的災害是難以避免的。地表沉降涉及到生活中的很多方面,例如:古建筑的維護、城市規劃等等。2006年花巨資擬建的西安城市地鐵工程就面臨地表沉降的潛在的地質災害問題。因此有必要對地表沉降進行有效的長期的監測工作,獲取有關這些緩變性地質災害變形信息,特別是通過長期觀測資料的積累,掌握變形規律,達到了解地表沉降的變化規律,為城市減災防災提供可靠依據。

3 地表沉降監測與監測數據

3.1 地表沉降研究方法

傳統地表沉降研究方法一般分為兩類:①特定點調查。主要是根據地質鉆孔資料、水位變化和地表沉降量進行;不考慮地表沉降的空間分布,以此來獲取詳細的信息(Helm,1975;Leak,1991等);②區域調查。模擬區域地下水流動和地表沉降,并提供控制地表沉降的地下水抽取方案(Esaki等,1995,1996;Teatini,1995)。傳統方法對沉降數據處理都是手工進行的,工作效率低下,建立模型的可靠性與精確性存有疑問。近年來,3S技術發展,特別是 GIS強大的處理、管理和分析空間數據的功能發展,已引起人們的高度重視;GPS測量作為空間數據采集的重要手段,其良好的空間定位精度以及全天時全天候的特點,為地表沉降監測數據的獲取提供了有效的技術保障;而 RS通過認識地質環境要素為沉降分析提供補充。

3.2 地表沉降的監測

沉降監測方法采用傳統的水準測量,其觀測周期長,需要大量的人力物力,而且隨著距離的增大誤差也隨著增大。GPS定位技術具有觀測站之間無需通視,觀測時間短,操作簡便,不受距離限制等特點。近年來隨著測繪人員的不斷努力,GPS高程分量的精度也在不斷的提高,在長期監測方面已經可以代替常規的精密水準測量。在變形監測中有許多GPS高程成功應用的例子,這是因為在垂直位移監測中,只需要高程的相對變化量,所以直接可以采用 GPS大地高差,這樣就可以消除 GPS大地高向水準高轉化時產生的誤差,并通過同一站點 GPS高程變化進行求差可以消除許多系統性誤差,可使相對精度大大提高。GPS定位技術以其效率高、精度高、實時性強等諸多優勢彌補了傳統精密水準測量進行變形監測周期長、誤差隨線路增長而增大的不足,從而在變形監測上發揮了更大的優勢[2]。

3.3 監測數據分析整理

陜西省 GPS網共有 37個點組成(圖 1),其中地殼運動觀測網絡工程站 24個,陜西省地震局建點 13個,主要分布在渭河盆地一帶。

數據來源于國家測繪局,已經將 WGS-84地心直角坐標系轉換為北京 54大地坐標后的數據和六度帶高斯平面投影坐標數據。包括 2001～2003到 2005、2008年五年的實測數據,其中 2001～2003坐標數據是定值,后兩期數據還提供了不同時段測得的坐標數據。

圖1 陜西GPS網站點分布圖

4 地表沉降分析研究

4.1 數據處理

由于地表沉降為毫米或者厘米級的,故研究過程中采用高程差為研究依據,將 Excel數據導入 Arcgis中,刪除研究區以外高程點,為空間差值做好準備。

4.2 數據插值方法與模型構建

對工作目標和掌握的數據等相關真實地理知識的理解將會影響插值方法的選擇。如果表面中的一些要素超出已知的 Z值,反距離權重法產生的表面不會超過樣本數據集中的最大值和最小值,這時應該選擇樣條函數插值法。而樣條函數插值法在對那些距離較近,并具有極端不同值的樣本點處模擬的效果并不好。當樣條函數插值法建立的表面在邊緣處的要素實際不存在的話,一般應嘗試使用反距離權重法。樣本點的質量同樣會影響插值法的選擇。如果樣本點較少或者在空間分布不好,所產生的表面不能很好的代表真實情況時應當慎重考慮。因此,在樣本點較少的情況下,可以在那些變化比較劇烈或者頻繁的地方增加一些樣本點,這就要使用克里金插值法。

通過分析和比較,結合監測區域過大,GPS數據點較少,而且分布不均勻和理想的實際情況,采用樣條函數插值法后構 Tin效果不佳,且不符合現實情況;克里金插值法較為符合關中平原的三維地形模擬。考慮到數據點少,所以重點在討論與分析各點的沉降變化,而反距離權重插值法插值后各監測點與 Tin表面吻合度較好,所以這里采用反距離權重插值的方法進行分析研究。

4.3 數據顯示與分析

4.3.1 沉降的垂直變化分析

通過 2001～2003三年數據差值制作柱狀圖(圖 2、3、4),首先分析各點各年相對沉降的變化情況。

圖2 2002與 2001年差值柱狀圖

圖3 2003與 2001年差值柱狀圖

圖4 2003與 2002年差值柱狀圖

在 ArcScene加載生成的 TIN數據,顯示結果幾乎是個平面,這是因為地面沉降是毫米級或者厘米級的,Z值表現的并不明顯,為了明顯的顯示與進行沉降變化分析,將基準高程 Z值擴大 40倍然后再顯示,此時凹凸合理,便于觀察和分析。

各年份三維顯示圖如下圖 5-圖 7所示:

圖502 與 01差值后

圖603 與 02差值后

圖703 與 01差值后

4.3.2 沉降的水平變化分析

由以上地面沉降量分布三維圖和統計圖表可以看出2002年較 2001年研究區地面沉降情況呈總體下降趨勢,中部沉降量大,東西兩側較小,36個點中有 34點下降,2個點上升,其中沉降量最大的點在寶雞附近,大約超過了-25 mm。但僅離沉降量最大點的北部20km的監測點卻沉降量很小,寶雞到西安普遍沉降量都在 -15 mm至-20 mm。臨潼地區的沉降量較小,少許點沒有下降反而上升,沉降量從 2mm至-10mm。

2003年相對于 2002年大部分地區都沒有下沉,反而是上升的,少有的沉降區依舊出現在寶雞附近,沉降量最大為-5 mm。西安到臨潼的地面略有抬升,大約為5mm至10mm。36個點中有 3個點發生沉降,其余監測點都是上升的。

比較完 2002年和 2001年,又比較了 2003年和 2002年,一降一升,于是將 2003年和 2001年進行一下比較是很必要的。從上圖中可以看出,2003年相對于 2001年,36個點中33個點發生了沉降,其余 3個點是上升的。總的來說,三年中,絕大多數區域還是以降為主,沉降量最大的區域仍舊在寶雞附近,超過了 -25 mm。北部不遠的監測點沉降量小則是需要關注的地方。寶雞大部分區域沉降都在 -15mm至-20 mm。西安的沉降量在 -10 mm至 -15mm。而臨潼地區的沉降量較小,而且有的地方還有小幅度上升,這同樣也值得人們關注。

經過以上的整體區域分析,可以看出 2003年相對于2002年的沉降非常有趣。通常情況下,地面下沉是符合常理的,而我們之所以研究地面沉降就是為了防治和最大限度的采取措施減少地面沉降,從而減少地面沉降帶來的損失。而2003年相對于 2002年整體關中區域地面的抬升是怎樣發生的呢?很多資料已經表明,地面沉降多數是由于過量開采地下水而引起的,而地下水主要補給來源為大氣降水的入滲和地表水體的滲漏[2]。所以研究當年的降水和地下水是得出結果的正確途徑。根據國家水利部的資料,確實 2003年關中盆地淺層地下水上升區遠遠大于下降區面積,其平均變幅也是 0.28。合計整個關中地區地下水上升了 0.39 m,基于此才發生了地表的相對抬升。

4.3.3 沉降的垂直與水平綜合變化分析

根據插值數據生成的Tin在 ArcScene中進行三維顯示并將各圖層擴大 40倍后顯示(如圖 8、9)。

圖82008 年觀測數據三維顯示

圖92005 年數據與 2008年數據疊加

由圖中可以看出疊加后的顯示幾乎顯示不出地表沉降的橫向變化趨勢,將各圖層再次夸大顯示,從而在三維視覺上挖掘地表沉降變化情況、變化趨勢等方面的信息。

通過上述沉降的垂直與水平綜合變化的三維顯示和分析不能明顯的表現沉降變化及平面相對移動的趨勢,原因在于沉降變化量一般是微小的,而三維顯示即使將其夸大了 40倍還是很好的顯示其變化,如果夸大的倍數過大,整個三維模型的顯示效果顯得不太和諧和美觀,這樣三維模擬顯示就達不到很好的效果,但是作為模擬地表沉降和預測沉降趨勢還是可以借鑒的。所以直接通過數據插值而不對數據進行高程處理這種研究方法對于沉降變形監測不是很適用,但如果分析方法和算法有進一步研究和探索、軟件的顯示與分析性能得到進一步的拓展與改善,此法將開創地表沉降的新篇章。

通過 2005年及地震發生后 2008年的監測數據分析和討論,通過 X、Y坐標相減,X坐標大部分是負值,Y坐標大部分都是正值,說明汶川地震整體上使得板塊向東南方向運行了;高程坐標差負值較多,說明沉降運動整體上以沉為主。

根據對現有降雨、蒸發工程地質以及地震監測數據,引起關中地區地表沉降的原因:繁忙的交通運輸、大型水利水電道路交通等大規模工程建設、地下水的嚴重不合理開采、汶川地震的影響、最近幾年的連續干旱導致地下水位下降等。

5 地表沉降防治與補救措施

需要說明的是,地面沉降在地球自然演化過程中,是一個必然發生的地質現象。滄海桑田,地殼的升降運動,上升作用形成高山,沉降作用而生成堆積盆地或平原。可以說沒有自然界的沉降作用,就不能有盆地和平原,也就沒有人類生存的良好場所。關中地處秦嶺北麓,人口稠密,農業用水量大,地殼運動活躍。地殼活動的結果,必然使一些地帶產生地面沉降,這種沉降是區域性的。但是,人類活動特別集中于平坦的盆地或平原地帶,而這些地帶也是由于自然沉降過程中而形成具有松散第四紀地層沉積的地帶,它們在自然演化過程中,仍發生著松散地層的壓實與固結的過程,因而也存在著沉降現象的發生。人類集中居住在這松散沉積物的平原、三角洲、大盆地上,這種人類活動作用也就會加劇與誘發地面沉降的發生與發展。

國內外大城市產生地面沉降,都是與過量開采地下水有關。應當說,人類活動特別是開采地下水誘發地面沉降現象在關中地區也是在不斷地發展著。而且其發展趨勢是,將多個城市的沉降相御接起來,從而形成了帶狀區域性的地面沉降。地震活動帶來的板塊擠壓以及地表承壓失衡是另外一種沉降作用。

地面沉降和其他地質災害一樣,如何防治,這就需要從有關成因及發生過程類型上著手進行分析[9][10]。因此,根據關中地區的特點,防治地面沉降可以采取以下幾項措施:

(1)應合理規劃各項建設發展布局,注意工程的地質—生態環境效應。將地下水水源地和集中城鎮分開,地下礦井開發帶與大居民點分隔,從地質環境上考慮交通路線的布局,而不僅從已有街道繁華和當時乘客吞吐量上考慮。

(2)應節制城市地下水資源開采,加強人工回灌措施。完全避免及禁止在都市地帶開發地下水資源,這有時是難以做到的,甚至也不一定具有好的效果。因此,根據當地自然條件,可酌情開發一定數量的地下水資源,但要加強人工回灌補給措施,以使開采量及地下水位處在不誘發不良地質環境效應的情況下。

(3)應建立完善的綜合監測網絡,為合理開發及防治災害提供依據。對于大城市應當建立完善的綜合監測網絡,這方面的監測應包括地下水、巖(土)體形變、地應力、斷層活動性、地震、地表建筑物基礎形變與穩定性、地下建筑物的形變與穩定性等監測。除了充分利用“3S”技術監測之外,重點地進行現場的自動監測顯得更為重要。對于大城市及其他大型工程建設,也需要對危險地段進行專門的地質災害監測。

(4)應進行地質災害的危險度和危害性評估。無論是在城市還是在鄉村,今后都會發生地質環境變化,有的還會進一步惡化,因此需要對今后的環境開發進行地質災害的危險度和危害性評估,作為今后各項建設發展的依據。此外,通過對地質災害變化的情況分析,適時進行有關地質災害的評估才能爭取時間,及早做好地質災害的防治,以防患于未然。

6 結論與存在問題

6.1 結論

地面沉降的是一個長期的持續現象與問題,利用 GPS對地表沉降進行動態的實時監測,并將其觀測數據及時的進行處理和分析,這對人們的生產和生活是非常重要的。利用GPS的觀測數據進行三維動態顯示和分析,不僅形象直觀,而且便于發現問題和解決問題,是一種很好的分析途徑和方法。本文通過 ARCGIS軟件,在關中及西安地區地面沉降的三維動態顯示與分析方面做了一些嘗試和探索,通過分析、顯示,可得出以下幾方面研究結論:

(1)關中地區整體上以沉為主,總趨勢由西向東沉降量逐漸減小。2002年相對于 2001年總體以沉為主;2003年相對于 2002年地面總體以抬升為主;綜合三年數據,2003年相對于 2001年地面總體上仍然以沉為主;2008年相對 2005年在水平方向上向東南方向有一定位移,高程仍然是以沉為主。

(2)關中地區 2003年相對于 2002年的大范圍地面抬升,主要是因為 2003年北方地區出現了歷史上罕見的持續大量降水,不僅減少了農業對地下水的開采,而且較為明顯的補充了地下水的水位,從而使關中地區地下水位有所上升;2008年相對 2005年下沉則主要是由于汶川地震的影響所致。

6.2 存在問題

現有的檢測數據為整個陜西省的 GPS監測數據,在分布上是不均勻且數量,插值及分析部分精度不是特別理想。僅限于對關中地區地表沉降總體趨勢的分析。

ARCGIS的三維分析功能有待進一步加強和完善。在構成 Tin之后單一的顏色不能很好的突出地勢起伏的變化,疊加分析也沒有一個功能可將有變化的部分高亮度或者突出的予以顯示,以利于更好顯示和應用分析。

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