石家莊市區(qū)地面沉降監(jiān)測與分析

李杰,段金增,侯樹慧,李慧(．石家莊市勘察測繪設計研究院,河北石家莊 05009; ．河北省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站,河北石家莊 05003)

石家莊市區(qū)地面沉降監(jiān)測與分析

李杰1?,段金增2,侯樹慧1,李慧1
(1．石家莊市勘察測繪設計研究院,河北石家莊 050019; 2．河北省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站,河北石家莊 050031)

摘 要:地面沉降監(jiān)測與分析工作對于促進區(qū)域和諧發(fā)展具有重要作用,受到城市管理者越來越多的重視。本文結(jié)合石家莊市區(qū)地面沉降監(jiān)測與分析項目,重點介紹資料搜集、水準施測和數(shù)據(jù)分析等方面的內(nèi)容及具體做法,并總結(jié)了項目特點與經(jīng)驗,以期對同行有所借鑒。

關(guān)鍵詞:地面沉降；監(jiān)測；分析

1　引 言

地面沉降是在自然和人為因素作用下,由于地殼表層土體壓縮而導致區(qū)域性地面標高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象[1]。

地面沉降具有生成緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍廣、成因機制復雜和防治難度大等特點,是平原地區(qū)主要的地質(zhì)災害,成為制約社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要災種之一。

為監(jiān)測地面沉降,石家莊市城建管理部門曾于1988年在主城區(qū)范圍內(nèi),布設了市區(qū)首級高程控制暨地面沉降監(jiān)測網(wǎng),并先后于1988年、1999年、2001年、2011年和2014年完成5期觀測[2]。

2012年3月,國務院批準《2011年～2020年全國地面沉降防治規(guī)劃》;2014年6月,河北省政府批準《河北省地面沉降防治規(guī)劃(2012～2020年)》,規(guī)定了河北省地面沉降防治規(guī)劃目標:2015年,沉降速率控制在每年30 mm以內(nèi),沉降中心沉降速率控制在每年50 mm以內(nèi);2020年沉降速率控制在每年20 mm以內(nèi),沉降中心沉降速率控制在每年30 mm以內(nèi)。

2014年9月23日,石家莊市部分行政區(qū)劃調(diào)整,市區(qū)面積擴大,迫切需要掌握新市區(qū)地面沉降情況。

基于維護石家莊城市高程控制網(wǎng)現(xiàn)勢性以及對地面沉降監(jiān)測評估的需要,經(jīng)石家莊市人民政府批準,開展了石家莊市區(qū)地面沉降監(jiān)測與分析項目。

2　完成的主要工作

項目前后歷時7個月,主要完成了以下工作:

(1)多數(shù)據(jù)源資料的梳理與整合

搜集了石家莊市區(qū)的地質(zhì)、水文以及測繪等多方面資料,對各監(jiān)測點位埋設的地質(zhì)條件進行了普查。

對歷次水準成果進行統(tǒng)一處理,如點號統(tǒng)一(新舊點號對應)、高程基準統(tǒng)一(部分點高程具有大沽高程系成果,均統(tǒng)一到1985國家高程基準)、水準等級統(tǒng)一(部分點同時具有不同年代多個等級的成果)和點之記樣式統(tǒng)一等,便于今后統(tǒng)籌使用。

(2)開展了新一期地面沉降監(jiān)測工作

結(jié)合新市區(qū)范圍,對原有高程控制網(wǎng)進行了擴測,采用數(shù)字水準儀完成新一期地面沉降監(jiān)測網(wǎng)點觀測,取得石家莊市區(qū)最新的高程控制成果,滿足了《石家莊市測繪地理信息管理辦法》的有關(guān)規(guī)定。

(3)完成地面沉降分析與對策研究

對新市區(qū)范圍地面沉降進行了定性與定量分析,通過構(gòu)造TIN完成地面沉降模擬,建立了數(shù)字沉降地面模型,基本摸清新市區(qū)全域地面沉降情況,為市政府地面沉降災害防治統(tǒng)一部署和決策奠定基礎(chǔ)。

完成了中心城區(qū)和組團區(qū)縣的分政區(qū)地面沉降分析,為各區(qū)應對地面沉降提供數(shù)據(jù)支撐。

3　工作實施

地面沉降監(jiān)測與分析工作涉及多個學科和多種技術(shù),在實施過程中需要融合地質(zhì)、巖土、氣象、測繪、計算機以及地理信息等方面的知識。

3．1資料搜集

資料搜集對于地面沉降分析具有重要意義,搜集資料要注意其時效性和權(quán)威性,一般遵循“權(quán)威部門權(quán)威數(shù)據(jù)”的原則。

本項目搜集的資料有:當前國際國內(nèi)研究現(xiàn)狀、區(qū)域地質(zhì)概況資料(含地形地貌、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地震和氣象等)、工程地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料(含水文地質(zhì)分區(qū)、含水巖組劃分、地下水埋深分布規(guī)律、地下水動態(tài)數(shù)據(jù)和地下水下降漏斗資料等)、市區(qū)多年城建規(guī)模以及歷次高程控制測量數(shù)據(jù)。

地質(zhì)資料用于定性分析自然客觀因素對地面沉降的影響,地下水用補量、降水量與城市建設資料可用于定性分析人為因素對沉降的影響,兩者缺一不可。

在定性分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合多期水準點高程數(shù)據(jù),進行定量分析,可以對地面沉降地質(zhì)災害進行準確量化評估,劃分出可能的地質(zhì)災害級別。

3．2水準觀測

現(xiàn)勢性強且具有豐富歷史數(shù)據(jù)的高程資料對于地面沉降定量分析至關(guān)重要。

當前技術(shù)條件下,確定地面高程的方式有多種,以精密水準測量最為可靠和準確。為此,本次地面監(jiān)測項目同時布設了一、二等精密水準網(wǎng),其中一等水準105 km、二等水準1 269 km。

根據(jù)沉降點埋設的地質(zhì)條件,結(jié)合觀測點周邊沉降源(如鄰近的高大建筑、水源影響等)評估點位穩(wěn)定性,為沉降分析奠定基礎(chǔ)。

3．3已有水準數(shù)據(jù)簡要分析

石家莊市區(qū)有過多期精密水準測量資料,但其控制面積差異較大,技術(shù)手段也不盡一致。

市區(qū)最早的精密水準施測始于1953年,采用光學水準儀觀測,控制面積僅有80 km2;最新的2014年高程控制網(wǎng)采用數(shù)字水準儀觀測,控制面積3 200 km2,范圍擴大了40倍;期間穿插了3次控制網(wǎng)擴測與復測。

由于水準點年代跨度久,單純依靠點號信息已無法完成新舊高程匹配。為此,制作了高程控制點Arc-GIS Shapefile數(shù)據(jù),通過空間位置匹配完成新舊點號對應。

3．4地面沉降分析

為便于沉降數(shù)據(jù)分區(qū)間統(tǒng)計,根據(jù)省政府制定的地面沉降目標制定了石家莊地面沉降預警分析指標。

區(qū)域年均沉降速率以15 mm/ a作為警戒指標,年均沉降速率≤7．5 mm/ a視為穩(wěn)定區(qū)域,＞7．5 mm/ a且≤30 mm/ a視為次穩(wěn)定區(qū)域;＞30 mm/ a且≤50 mm/ a視為不穩(wěn)定區(qū)域;＞50 mm/ a視為極不穩(wěn)定區(qū)域。

累計沉降量分析時,采用業(yè)界常用的200 mm進行統(tǒng)計,根據(jù)歷時年代長短分不同區(qū)間統(tǒng)計,跨度時間長沉降量大的劃分區(qū)間值隨之增大,反之亦然。

地面沉降分析具體步驟:

(1)結(jié)合地質(zhì)條件資料,分析其對沉降的綜合影響;

(2)依次分析相鄰年代的水準點高程變化情況,根據(jù)沉降速率值確定研究區(qū)沉降與時間階段的關(guān)系;

(3)分別以1988和1999年作為不同的首期觀測,分析不同時間起點下,年沉降速率的變化情況,根據(jù)各點差異沉降量和累計沉降量判定分析點位穩(wěn)定性;

(4)根據(jù)各監(jiān)測點的空間位置及其沉降量,以一定的格網(wǎng)密度內(nèi)插構(gòu)建模擬沉降地面,并對其進行沉降分析;

(5)結(jié)合各區(qū)資料,分政區(qū)進行模擬沉降地面分析; (6)沉降原因分析,對不同的沉降洼地分析原因; (7)對地面沉降分析進行總結(jié),得出一般性結(jié)論。地面沉降分析是整個報告的重點,項目主要采用了點、面沉降分析相結(jié)合的方式進行。上文中的步驟(2)和步驟(3)是針對監(jiān)測點進行的地面沉降分析,步驟(4)和步驟(5)是針對模擬地面進行的面狀沉降分析,兩者互為印證和補充。

特別說明一下模擬沉降地面生成過程:首先根據(jù)監(jiān)測點空間位置構(gòu)造不規(guī)則三角網(wǎng)TIN(分別以累計沉降量和年沉降速率為監(jiān)測點的Z值構(gòu)建),然后按照250 m×250 m網(wǎng)格間隔密度,采用雙線性內(nèi)插計算各點Z值,模擬出沉降地面,最后利用地理信息軟件按照設定的統(tǒng)計區(qū)間對其進行可視化統(tǒng)計與分析,同時繪制專題圖件。

3．5沉降分析實例

(1)各點地質(zhì)穩(wěn)定性分析

經(jīng)實地踏勘與調(diào)閱地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn):現(xiàn)有的148個沉降點中,有12個點地質(zhì)條件存在問題。通過各點累計沉降量分析也證實了這一點,其中的5個點存在沉降異常,分析時定性為標石沉降而非地面沉降。

(2)年沉降速率與時間階段的關(guān)系

根據(jù)復測情況,將沉降分析年度劃分為4區(qū)間,形成了如圖1所示的年沉降速率與時間階段的關(guān)系圖。結(jié)合各階段社會經(jīng)濟發(fā)展、工農(nóng)業(yè)用水與降水以及地下水漏斗演變等情況找出其中的沉降變化規(guī)律。

圖1　年沉降速率與時間階段關(guān)系圖

(3)基于沉降點的地面沉降分析

對各期沉降監(jiān)測重合點沉降量分析,可找出沉降極值點,通過對這些點分析,可以進行沉降地質(zhì)隱患預警分析。表1是2011年和2014年重合的148個沉降監(jiān)測點的沉降量分析統(tǒng)計表。

(4)基于模擬地面的沉降分析

基于各沉降點的地面沉降情況,通過構(gòu)建TIN內(nèi)插成一定密度的沉降分析網(wǎng)格點,采用GIS技術(shù)可直觀看出地面沉降情況,如圖2所示(圖內(nèi)顏色深的色塊為地面沉降量較大的區(qū)域)。

2011～2014期間各點沉降量統(tǒng)計表 表1

圖2　1988～1999年模擬地面沉降量變化圖

4　結(jié) 語

項目綜合多種數(shù)據(jù)源,采用多種技術(shù)手段完成,是我院測繪學科與其他學科聯(lián)合應用的一次嘗試。

項目緊密聯(lián)系民生,為市區(qū)和諧發(fā)展提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)保障,具有重要的社會意義,凸顯了測繪工作在現(xiàn)代社會中的基礎(chǔ)保障作用。

參考文獻

[1] 閻世駿,劉長禮．城市地面沉降研究現(xiàn)狀與展望[J]．地學前緣,1996,3(1～2):93～98．

[2] 李杰．石家莊市區(qū)地面沉降分析報告[R]．石家莊: 2014．

[3] 段永侯．我國地面沉降研究現(xiàn)狀與21世紀可持續(xù)發(fā)展[J]．中國地質(zhì)災害與防治學報,1998,9(2):1～5．

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[5] 石家莊市規(guī)劃院．石家莊市城區(qū)暴雨強度公式技術(shù)報告[R]．石家莊:2010．

[6] GB/ T 12897-2006．國家一、二等水準測量規(guī)范[S]．

Study on the Land Subsidence Monitoring and Analysis of Shijiazhuang City

Li Jie1,Duan Jinzeng2,Hou Shuhui1,Li Hui1
(1．Shijiazhuang Institute of Surveying,Mapping & Geotechnical Investigation,Shijiazhuang 050019,China; 2．Hebei Provincial Surveying and Mapping Product Quality Supervision and Inspection Station,Shijiazhuang 050031,China)

Abstract:Land subsidence monitoring and analysis work plays an important role in promoting regional harmonious development,more and more attention by city managers．In this paper,combining with the Shijiazhuang city land subsidence monitoring and analysis project,focusing on the data collection,levelling work implementation and data analysis, etc．,and summarizes the characteristics and experience of the project,in order to provide references for peers．

Key words:land subsidence;monitoring;analysis

文章編號:1672-8262(2015)05-121-03中圖分類號:P642．26

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—06—20

作者簡介:李杰(1974—),男,正高職高級工程師,注冊測繪師,主要從事技術(shù)管理與地理信息軟件研發(fā)工作。