利用GIS技術研究某區地面沉降的初步探討

竇海鵬

（天津華北地質勘查局第四地質大隊，河北 秦皇島 066000）

本文對研究區進行地面沉降調查，基于ArcGIS軟件平臺，在獲取地表形變信息的基礎上，結合GIS技術多元數據空間分析和數據統計功能進行定性和定量分析，優選出沉降區域，對沉降規模與沉降趨勢也有了更直觀的認識，并對其成因進行初步探討[2]。

1 研究區概況

研究區位于甘肅省西南部，四面環山，區內交通較為便利。地層出露相對簡單，主要為新近系(N)和第四系(Q)。區內河流屬黃河水系，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區，在研究區境內長度22km。依據區內地下水的分布、賦存條件和含水介質及水動力特征，將研究區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 資料收集及數據庫建設

2.1 資料收集

本次資料收集工作主要包括以下幾個方面：

a：基礎地質、水文、工程地質、地形地貌資料；地面沉降、地下水監測、地裂縫資料；重大工程建設項目資料，國民經濟與社會發展規劃；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、ASTER、Landset8、Sentinel-1A等數據作為此次調查的遙感數據源。選用數據云雪覆蓋小于5%，圖像無條帶、無壞線。

2.2 數據庫建設

本次數據庫建設依托ArcGIS軟件平臺，數據類別廣泛，共包含地質、遙感、地面沉降、地理四個要素數據集，79個要素數據類[3]。坐標系為高斯克呂格投影坐標系，即為“Xian 1980-GK-Zone-18”。

3 工作方法

（1）在充分收集、整理研究區域已有基礎地質、水工環地質、災害地質及人類工程活動等資料的基礎上，通過實地調查，建立區域遙感解譯標志，并選用GIS技術調查研究區地面沉降及伴生地裂縫發育現狀。通過對初步解譯成果進行詳細的野外驗證，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，并在此基礎上圈定地面沉降控制區范圍，劃分沉降區。

（2）野外踏勘與驗證采用點、線、面相結合的方式進行，通過地面沉降及伴生地裂縫等災害現象的實地調查與訪問，提高遙感解譯的精確度。遙感數據挖掘，即遙感解譯是一項不斷重復的室內解譯-野外驗證的過程，所以需要技術人員進行多輪次、多線路的野外驗證，室內修改。

4 評價因子確定及野外調查

4.1 評價因子確定[4]

以Landset-8數據為基礎，采用人機交互解譯的方法，對基礎信息進行1：50000精度解譯，為圈定地面沉降區范圍提供基礎數據。

選用Sentinel-1A數據，運用ENVI中搭載SARscape工具，D-Insar技術[5]。生成研究區地面沉降速率圖，為圈定地面沉降區范圍提供重要依據。

4.2 野外調查

基于研究區地面沉降調查空間數據庫內地質、地貌、水文、遙感解譯、地形、土地利用類型等信息，依托GIS平臺強大的分析及處理功能，布署并開展野外調查點驗證工作，并依據沉降區特征，將調查點分為一般、次重點、重點三類[6]。

根據對區內地面沉降的統計分析，研究區地面沉降及伴生地裂縫點共33處，其中地面沉降點共計30處，伴生地裂縫共計3處。研究區內有2處規模等級為重點的地面沉降及隱患調查點，11處規模等級為次重點的地面沉降及隱患調查點，17處規模等級為一般的地面沉降及隱患調查點。其中12處呈增強趨勢，17處趨于平穩，1處呈減弱趨勢。

誘發原因以地下水抽取過度[7]、濕陷性黃土、農田漫灌為主。多數分布在侵蝕-堆積河谷平原。伴生地裂縫調查點3處，研究區內地裂縫主要為抽排地下水、構造活動引起，地裂縫性質為拉張、下錯。

5 GIS空間分析

在ArcGIS軟件中，對所選評價因子及野外驗證結果進行綜合分析，分析結果顯示：研究區地面沉降易發生在洪積-沖積砂質粘土及砂礫，風成黃土等第四系發育地區、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、耕地等人類活動密集且用水量大的地區。

6 沉降區劃分

地面沉降遙感解譯利用衛星或航空遙感數據、雷達數據影像進行地面沉降及伴生地裂縫解譯，貫穿地面沉降調查工作的全過程，成為地面沉降及伴生地裂縫調查的重要手段。在調查工作中采用計算機自動提取、人工判讀、野外驗證調查相結合的方法，綜合多種遙感解譯專題圖，如遙感地質解譯圖、遙感水文解譯圖、遙感地形地貌圖等，確定地面沉降發育特征，并依據解譯成果，劃定沉降區域[8]。

研究區地面沉降發育特征為：

（1）一般沉降區：研究區內一般沉降區規模較大，地形地貌特征以侵蝕-堆積河谷平原為主。

（2）次重點沉降區：研究區內次重點沉降區地形地貌特征以侵蝕-堆積河谷平原為主。

（3）重點沉降區：地面沉降重點區2處，地形地貌特征為侵蝕-堆積河谷平原。

研究區內共劃定沉降區20處，重點沉降區面積0.16km2，次重點沉降區面積0.56km2，一般沉降區面積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所發生的地面水平面降低的現象。區域內充盈于土體孔隙中的地下水，與土體共同構成一個力學平衡系統，土體中孔隙水壓力與土體骨架的有效應力之和與總應力（荷載）平衡。抽水過程中雖然總應力不變，但孔隙水壓力的減小必然導致土中有效應力的等量增大，結果就會引起土層的固結壓密，從而引發地面沉降。

研究區沉降形成的原因：侵蝕-堆積河谷平原地區由于抽取地下水過度，在井孔周圍及地勢較低區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、地表墻體發生傾斜、水泥地面產生破裂等[9]。

侵蝕-剝蝕低山、侵蝕-剝蝕中低山的沉降區中地層中風成黃土較為廣泛，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，土孔隙中的毛細作用，使水分逐漸集聚到較粗顆粒的接觸點處[10]。同時，細粉粒、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形成膠結。該土質極易濕陷。土的欠壓密狀態，干旱氣候條件下，風積黃土層，其蒸發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具備，導致土層的壓密欠佳。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。其土質較均勻、結構疏松、孔隙發育。在未受水浸濕時，一般強度較高，壓縮性較小。當在一定壓力下受水浸濕，土結構會迅速破壞，產生較大附加下沉，強度迅速降低，導致地面沉降，所以存在風成黃土層濕陷沉降是本區地面沉降的內因[8]。

結果實地調查結果，沉降嚴重區大部為侵蝕-堆積河谷平原地區耕地，農田漫灌現象嚴重。近年來該區及周邊農田灌溉抽取大量地下水，使得區內地下水位下降，黃土層濕陷，是地面不均勻沉降的重要原因。進而導致房屋向農田處傾斜趨勢明顯，嚴重區房屋開裂傾斜達12cm，井口抬升6cm～7cm，影響沉降區居民生活。

8 結語

此次項目實施，充分發揮GIS技術，以遙感影像數據為基礎，以先進的GIS軟件為處理平臺，實現快速、準確、高效的遙感解譯分類及研究區內地質、地形地貌、水文地質、土地利用類型等多種遙感解譯與空間數據分析，迅速鎖定沉降區域，并將其分類。構成一個強大的技術體系，可實現對各種空間信息和環境信息的快速、機動、準確、可靠的收集、處理與更新。