利用多源數據分析南京市河西地面沉降風險

張 彭，朱邦彥，孫靜雯,王 曉

(1. 泰州市自然資源和規劃局，江蘇 泰州 225300； 2. 南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019； 3. 淮海工學院測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005)

地面沉降是一種地面標高持續下降的地質現象，具有前期不易察覺、形成速度緩慢、影響范圍廣等特點，其破壞程度會隨時間的推移逐漸加劇，一旦成災將會對城市的發展造成難以估計的損失。我國已有50多個城市遭受了不同程度地面沉降災害影響[1-2]。地面沉降風險性分析可有效地管理地面沉降風險，減少災害造成的損失及影響，同時為區域的防災減災規劃提供參考依據，對城市公共安全具有重大意義。近年來，專家學者們在地面沉降風險評價方面作了一些研究[3-7]。但是，存在傳統水準測量數據密度不足以及采用的評價因子不夠全面等問題。合成孔徑雷達干涉測量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)因其高精度、高分辨率、全天候等優點已廣泛應用于城市地面沉降監測領域[8-10]。因此，在獲取高精度沉降信息的基礎上，綜合多源評價因子，可建立合理全面的評價模型，從而系統化、定量化地評估地面沉降風險。

南京市河西地區坐落于長江沿岸，東起秦淮河、寧蕪公路，西至長江，北起鼓樓區三汊河，面積約56 km2，具備漫灘地質條件。近年來，作為南京重點發展區域，其經濟高速發展，地面和地下空間大規模的開發建設導致地面沉降風險日益突出，給該地區帶來了一系列危害，如建筑物形變、傾斜，地下管線開裂，軌道交通結構病害等。

本文以COSMO-SkyMed影像獲取的河西地區2012—2016年高精度、高密度沉降信息，結合土層厚度、土地利用類型、地面高程和軌道交通分布信息，將其作為地面風險評價數據源，利用層次分析法[11]建立地面沉降評估指標和模型，從危險性和易損性因素進行分析，評估河西地區地面沉降災害風險程度，并著重分析軌道交通的沉降風險。

1 數據源與指標體系

本文選取覆蓋研究區2012年6月至2016年7月的46景COSMO-SkyMed高分影像作為地面沉降風險分析數據源之一。SAR影像的時空基線分布如圖1所示。采用PS-InSAR方法獲取河西地區地面形變信息[12-13]，包括地面累計沉降量和沉降速率。此外，收集研究區內軟土層厚度、土地利用類型、地面高程、軌道交通分布信息，綜合作為地面風險評價的數據源。

地面沉降風險主要受兩個因素影響：一是地面沉降的危險性，即評估出地面沉降災害的發生概率和強度；二是地面沉降的易損性，即評估承災區的人類社會及經濟發展程度對地面沉降的應對能力和可恢復能力。本文采用的地面沉降風險計算公式[4]為

R=f(HV)

(1)

式中，R為地面沉降風險；H為危險性；V為易損性。

由于地面沉降具有緩變性、長期性、累計性的特征，因此，將地面累計沉降量及沉降速率作為危險性評價的關鍵因子。軟土層厚度作為地質條件，軟土層越厚，沉降越嚴重，也作為危險性指標。不同土地類型受地面沉降造成的損失程度不同，地面沉降會引起地面高程變化，影響社會經濟活動正常運行。此外，軌道交通的隧道縱向長度大，各區間隧道曲率半徑參數要求嚴格，地面沉降也會對其造成影響。因此，本文將土地利用類型、地面高程、軌道交通分布作為易損性指標。基于上述多源數據的指標因子，采用層次分析法[11]建立地面沉降風險評價指標模型，見表1。

利用空間分析方法計算各網格(5 m×5 m)的危險性值和易損性值[6]，并將研究區地面沉降危險性、易損性指標分別分為低、中、高危險區和低、中、高易損區，依次量化為1、2、3，分別表示地面沉降發生的概率較小、一般、較大和地面沉降災害的可破壞性較輕、一般、嚴重。地面沉降風險評價指標分級和危險性、易損性評價結果如表1和圖2所示。

表1 地面沉降風險評價模型及分級

2 地面沉降風險分析

本文將地面沉降風險分為4個等級，如圖3所示。河西地區地面沉降風險空間特征明顯。地面沉降低風險區，主要分布于沿江地區與河西中部，面積約11.3 km2，占研究區總面積的20.2%，該地區累計沉降量、沉降速率均較小，土地開發利用程度低，危險性與易損性較小；地面沉降中風險區占地面積最大，大都分布于研究區中部和南部，面積約21.9 km2，占研究區總面積的39.2%；地面沉降較高風險區，主要分布于高風險區周圍及軌道交通沿線，面積約16.3 km2，占研究區總面積的29.1%；地面沉降高風險區，主要分布于河西北部的江東街道、鳳凰街道及莫愁湖街道，面積約6.4 km2，占研究區總面積的11.5%，該區域為地面沉降易發區，地面沉降速率較大，最大達到52 mm/a，且該區房屋建筑密集，道路交通發達，一旦發生地面沉降，會造成較嚴重的社會經濟損失。

3 軌道交通沉降風險分析

如圖3和圖4所示，軌道交通2號線、4號線、10號線和S3號線均穿過研究區，且落入不同等級的風險區。其中，地鐵2號線區段最長，遭受的地面沉降風險最大，穿過較高、高風險區的區段分別占整個區段的48.3%、30.7%。地鐵4號線雖然穿過研究區的區段最短，但都位于地面沉降較高風險區和高風險區。地鐵10號線穿過較高、高風險區的區段分別占整個區段的58.9%、11.9%。地鐵S3號線穿過較高、高風險區的區段分別占整個區段的77.0%、13.6%。

地面沉降對地鐵的安全運營存在較大風險，特別是位于地面沉降較高風險區和高風險區的地鐵區段應引起重點關注，開展長期沉降監測。

4 結 語

本文利用InSAR技術獲取的2012—2016年河西地區高密度沉降信息，結合軟土層厚度、土地利用類型、地面高程和軌道交通分布信息，將其作為地面沉降風險評價指標因子，建立地面沉降評估模型，評估了河西地區地面沉降災害風險程度，并著重分析了軌道交通的沉降風險。結果表明，地面沉降低風險區主要分布于沿江地區與河西中部；而中風險區占地面積最大，大都分布于河西中部和南部；較高風險區主要位于高風險區周圍及軌道交通沿線；高風險區主要分布于河西北部的江東街道、鳳凰街道及莫愁湖街道。本文的結果對河西地區沉降災害的防治工作具有參考意義。