道路交通對北京平原區(qū)沉降的影響

鄭佳兵，鄭佳榮，張麗麗，司典浩，張 超，陳蓓蓓

（1.中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083；2.北京工業(yè)技術(shù)學院，北京 100042；3.北京市政建設(shè)集團有限公司試驗中心，北京 100097；4.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048）

0 引言

地面沉降是引起地質(zhì)災(zāi)害的因素之一。地面沉降對北京城市建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)造成一定程度的危害。在部分沉降區(qū)曾發(fā)現(xiàn)工廠、居民區(qū)樓房墻壁開裂、地基下沉、地下管道工程損壞等險情，一些建筑物的抗震能力和使用壽命也受到影響。此外，地面沉降可能引發(fā)地裂縫和測量水準點失準，對城市建設(shè)的布局和規(guī)劃都造成了隱患。研究道路交通對北京平原區(qū)沉降的影響，可為北京平原區(qū)沉降災(zāi)害提供預(yù)警。

目前國內(nèi)外學者針對地面沉降監(jiān)測、成因機理等方面進行了諸多的研究與討論。Ferretti 等[1]提出PS-InSAR 技術(shù)并將其應(yīng)用于城市的地表形變監(jiān)測，精度達到厘米級。陳強[2]和Liu 等[3]將PS-InSAR 技術(shù)應(yīng)用于上海的城市地面監(jiān)測。宮輝力等[4-6]采用InSAR 技術(shù)監(jiān)測北京地面沉降。Yan 等[7]采用InSAR 技術(shù)監(jiān)測墨西哥城市地表形變。賈洪果等[8]采用PS-InSAR 技術(shù)提取天津市西青道以及京滬高鐵的部分路段沉降信息。目前，InSAR 技術(shù)廣泛應(yīng)用于大面積沉降監(jiān)測。Chen等[9]指出由于北京長年對地下水資源進行大量開采，導致局部地區(qū)出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象。鄭佳榮等[10-12]采用三維地質(zhì)建模分析了北京沉降影響因素，提出北京平原區(qū)第四系沉積物巖性與厚度差異（沖積扇的扇緣、扇中和扇根）是引起地面沉降差異的內(nèi)因。周玉營等[13]采用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測京津高鐵北京段沿線地面沉降，獲取京津高鐵北京段沿線地面沉降的分布信息。周超凡等[14]利用北京東部地區(qū)沉降數(shù)據(jù)反推道路交通狀況，認為北京東部的道路交通及其流量和載荷影響地面沉降。劉凱斯等[15]對北京地鐵6 號線進行沉降監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)自西向東沉降逐漸增大，分析其原因是6 號線自西向東是從永定河沖積扇頂部到扇緣，證實北京平原區(qū)地質(zhì)沉積環(huán)境影響地面沉降。盡管國內(nèi)外學者對地表監(jiān)測方法和成因機理進行諸多研究，并取得很大進展，但由于沉降成因機理的復雜性及沉降數(shù)據(jù)的時效性，目前有關(guān)道路交通引起沉降的深入研究較少。本文主要研究作為外因之一的道路交通疊加在第四系沉積構(gòu)造上對北京平原區(qū)沉降的影響，以期更好地實現(xiàn)對北京平原區(qū)沉降災(zāi)害預(yù)警。

1 北京平原區(qū)沉降分析

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

本文以北京平原區(qū)為研究區(qū)，對2003—2009年覆蓋北京平原地區(qū)的7景Envisat衛(wèi)星降軌InSAR數(shù)據(jù)進行處理，獲取北京平原區(qū)大范圍583 129個點的沉降數(shù)據(jù)。一方面，對7個時間序列583 129個點沉降速率，采用ArcGIS 進行空間內(nèi)插值，得到北京平原區(qū)7個時間序列沉降數(shù)據(jù)；另一方面，選取研究區(qū)內(nèi)道路交通主干道進行空間緩沖分析，獲取主干道路1 000m 緩沖區(qū)，該區(qū)域即為道路交通影響區(qū)。

1.2 研究思路

如圖1 所示，采用PSI 分析具有穩(wěn)定散射特征的永久散射點，提取北京平原區(qū)大范圍583 129個點的沉降速率，通過克里金法對北京平原區(qū)地面點沉降速率進行插值，生成2003—2009 年7 個時間序列沉降速率的柵格數(shù)據(jù)。然后，通過對比北京平原區(qū)沉降趨勢和沉降漏斗位置確定沉降數(shù)據(jù)的可靠性。采用ArcGIS 對相鄰年份的柵格數(shù)據(jù)進行計算，生成每個年份沉降量柵格數(shù)據(jù)。

圖1 研究思路

劃分沉降區(qū)間，采用ArcGIS 對各個時間序列沉降柵格數(shù)據(jù)進行空間柵格計算，統(tǒng)計各個沉降區(qū)間面積，定量分析研究區(qū)沉降規(guī)律。同時，采用ArcGIS 對研究區(qū)道路交通進行空間緩沖分析獲取500m 和1 000m 緩沖區(qū)，即道路交通影響沉降區(qū)域。把道路緩沖區(qū)和7 個時序沉降柵格數(shù)據(jù)分別進行空間疊加分析，提取各個年份道路交通影響區(qū)柵格沉降數(shù)據(jù)。然后，統(tǒng)計道路緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積大小。最后，對比道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降面積分布和整個研究區(qū)沉降面積分布，定量分析道路交通對北京平原區(qū)沉降的影響，確定道路交通和北京平原區(qū)沉降之間的關(guān)系規(guī)律。

1.3 北京平原區(qū)沉降數(shù)據(jù)分析

圖2所示北京平原區(qū)沉降柵格數(shù)據(jù)和路網(wǎng)圖，是通過對Envisat 衛(wèi)星降軌InSAR 數(shù)據(jù)處理獲取北京平原區(qū)大范圍583 129 個點的沉降數(shù)據(jù)，進一步插值生成2003 年12 月—2004 年12 月的沉降數(shù)據(jù)，橢圓圈出的紅色區(qū)域是北京平原區(qū)沉降量大于60mm以及沉降量在50～60mm的區(qū)域。

北京平原區(qū)沉降漏斗如圖3 所示，紅色橢圓區(qū)域分別是北京4 個沉降漏斗區(qū)，東郊八里莊—大郊亭、東北郊—來廣營、昌平沙河—八仙莊和順義平各莊。對比圖2 和圖3 可以看出，北京平原區(qū)沉降數(shù)據(jù)顯示，沉降較大區(qū)域和北京平原區(qū)4 個沉降漏斗區(qū)域一致，因此，研究獲取的北京平原區(qū)沉降數(shù)據(jù)和北京平原區(qū)沉降趨勢一致。把7個時間序列沉降數(shù)據(jù)與圖3對比，盡管各個時間序列沉降量不同，但沉降趨勢和圖3一致，因此，研究區(qū)沉降數(shù)據(jù)可靠。

圖2 2004年北京平原區(qū)沉降柵格數(shù)據(jù)和路網(wǎng)圖

1.4 北京平原區(qū)沉降分布及趨勢分析

（1）從時間角度看，北京平原區(qū)沉降趨勢

采用ArcGIS 對7 個時間序列相鄰年份的沉降速率柵格數(shù)據(jù)進行計算，生成每個年份沉降量柵格數(shù)據(jù)（見圖4）。圖4（a）～圖4（d）是按時間順序選取4 個時序沉降數(shù)據(jù)。沉降量柵格數(shù)據(jù)顏色從深綠、淺綠、黃色、淺紅色到深紅色代表沉降量從小到大逐漸增加。從圖4 可以看出，隨著時間推移，北京平原區(qū)沉降整體趨勢加大，2008 年出現(xiàn)劇烈沉降。

（2）從空間角度看，北京平原區(qū)沉降分布

圖3 北京平原區(qū)沉降漏斗

圖4 北京平原區(qū)沉降數(shù)據(jù)

從空間角度分析2004—2009年沉降，發(fā)現(xiàn)沉降空間分布趨勢一致。圖4 展示了4 個時間序列沉降量分布，可以看出沉降空間分布趨勢，其中紅色沉降區(qū)位于東北部和東南部，即東郊八里莊—大郊亭、東北郊—來廣營、昌平沙河—八仙莊和順義平各莊。從北京平原區(qū)地質(zhì)構(gòu)造角度看（見圖5～圖6），疊加永定河沖擊扇和潮白河沖積扇的2004年和2008年沉降數(shù)據(jù)，藍色框區(qū)是沖積扇結(jié)構(gòu)，顏色由淺到深分別是扇頂部、扇中部和扇緣。圖5中，2004年沉降量大于50mm的紅色區(qū)域幾乎位于沖積扇扇緣部位；圖6中，2008年沉降量大于60mm 的紅色區(qū)域大部分被沖積扇扇緣包圍。疊加沖積扇的2004—2009年沉降數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)7個時序的沉降區(qū)都位于永定河和潮白河沖積扇扇緣。

圖5 2004年沉降分布及沖積扇

圖6 2008年沉降分布及沖積扇

（3）北京平原區(qū)沉降定量分析

在了解北京平原區(qū)沉降空間分布及變化趨勢的基礎(chǔ)上，對北京平原區(qū)7 個時間序列沉降數(shù)據(jù)進行重分類，實現(xiàn)沉降量區(qū)間劃分，生成對應(yīng)屬性數(shù)據(jù)。選擇沉降區(qū)間，基于柵格大小和柵格數(shù)量計算各個沉降區(qū)間面積大小，進一步統(tǒng)計各個沉降區(qū)間面積。表1 和表2 分別列出2004 年和2008 年北京平原區(qū)沉降量和沉降面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)。2004—2008 年北京平原區(qū)沉降量的最大值逐年遞增，從2004 年的76.44mm 遞增到2008 年的231.02mm。沉降量大于60mm 的區(qū)域從2004 年的12.84km2遞增至2008 年的982.83km2。2004 年和2008 年沉降量在21～40mm 區(qū)間的沉降面積最大，分別是3 614.32km2和1 439.84km2。并且，其他沉降量區(qū)間的沉降面積變化趨勢一致。

表1 2004年北京平原區(qū)沉降量統(tǒng)計

表2 2008年北京平原區(qū)沉降量統(tǒng)計

（4）影響北京平原區(qū)沉降因素分析

根據(jù)以上分析得出沉降分布及變化趨勢為：①隨著時間變化，沉降面積和沉降量逐漸增加，2008 年出現(xiàn)大區(qū)域沉降及劇烈沉降；②沉降區(qū)域位于永定河沖擊扇和潮白河沖積扇扇緣。

永定河和潮白河沖積扇由山前到平原區(qū)分布分別為山麓坡積群地帶、沖洪積扇頂部、扇中部、扇緣。地質(zhì)構(gòu)造的壓縮層從沖積扇頂部、中部到扇緣逐漸增厚。在沖積扇的扇緣部位，在地下水位及外在因素作用下更易導致沉降，因此，沉降區(qū)域分布于扇緣。2008 年奧運會北京市區(qū)日供水達300萬m3，遠遠超過歷年日供水量242.5萬m3。2008年在沖積扇扇緣出現(xiàn)大范圍劇烈沉降。

2 道路交通對北京平原區(qū)沉降的影響分析

根據(jù)北京平原區(qū)沉降影響因素分析結(jié)果，選取2008年奧運會前后兩個典型時段數(shù)據(jù)進行定量分析，從空間、時間、事件3 個維度定量分析道路交通對北京平原區(qū)沉降的影響。

2.1 道路交通影響區(qū)沉降數(shù)據(jù)處理

（1）道路交通選擇及數(shù)據(jù)處理

道路交通選擇地面主干路和次干路、地鐵及鐵路（見圖7）。圖7所示紅色為地鐵1號線、2號線、5 號線（2007 年10 月開通）、13 號線（2003年1月開通）、10號線一期和8號線一期（2008年10 月開通）；鐵路符號表示鐵路線；深黑色為地面主干路，淺灰色是地面道路次干道。

（2）道路交通影響沉降典型時序及研究區(qū)選擇

考慮地質(zhì)構(gòu)造、降雨及地下水抽采等影響地面沉降的因素，選取2003 年12 月—2004 年12 月和2007年12月—2009年3月這兩個典型時段的沉降數(shù)據(jù)進行研究；選擇北京市平原區(qū)道路交通的500m、500～1000m和1 000m緩沖區(qū)內(nèi)的沉降數(shù)據(jù)進行分析。考慮到2009 年3 月之前地鐵主要分布在沖積扇中部，其地質(zhì)構(gòu)造使得地鐵引起的沉降不明顯，鐵路和地面主干道緩沖區(qū)重合，因此不進行分類統(tǒng)計。

（3）道路交通影響區(qū)沉降數(shù)據(jù)提取

2003 年12 月—2004 年12 月道路緩沖區(qū)沉降如圖8 所示。圖8（a）和8（c）是對2004 年北京市的地面交通道路、地下交通道路及鐵路作500m緩沖區(qū)和500～1000m 緩沖區(qū)。以緩沖區(qū)為界限構(gòu)建道路交通影響區(qū)域，把該區(qū)域和北京平原區(qū)沉降柵格數(shù)據(jù)進行疊加求交集，提取2003 年12 月—2004年12月道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降數(shù)據(jù)，見圖8（b）和8（d）。

圖7 北京平原區(qū)道路交通

2007年12月—2009年3月道路緩沖區(qū)沉降如圖9 所示。如圖9（a）和圖9（c）所示，對2009 年北京市的地面交通道路、地下交通道路及鐵路數(shù)據(jù)作500m 緩沖區(qū)和500m～1000m 緩沖區(qū)，以緩沖區(qū)為界限，提取2007年12月—2009年3月沉降數(shù)據(jù)，如圖9（b）和圖9（d）所示。

基于以上數(shù)據(jù)，劃分沉降量區(qū)間，計算沉降面積，統(tǒng)計道路交通影響500m 緩沖區(qū)和500～1000m緩沖區(qū)內(nèi)的各個沉降區(qū)間的沉降面積。

圖8 2003年12月—2004年12月道路交通緩沖區(qū)及沉降數(shù)據(jù)

圖9 2007年12月—2009年3月道路交通緩沖區(qū)及沉降數(shù)據(jù)

2.2 道路交通對北京平原區(qū)沉降影響定量分析

表3和表4分別是2003年12月—2004年12月和2007年12月—2009年3月兩個時段道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降量統(tǒng)計值。

表3 2003年12月—2004年12月道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降面積

表4 2007年12月—2009年3月道路交通影響區(qū)域內(nèi)沉降面積

（1）從空間角度看，道路交通對北京平原區(qū)沉降影響定量分析

如表3 所示，把2003 年12 月—2004 年12 月道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降量劃分為6 個區(qū)間，對比分析道路交通緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積占總沉降面積百分比，該值最大為62.72%，最小為39.24%，且占比最小的是沉降量0～10mm 區(qū)間。2003 年12 月—2004 年12 月沉降量大于60mm 的總沉降面積為12.84km2，其中道路交通影響500m 范圍內(nèi)沉降面積達到3.25km2，1 000m 范圍內(nèi)沉降面積達到7.36km2且占總沉降面積的57.33%。

如表4 所示，把2007 年12 月—2009 年3 月道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降量劃分為9 個區(qū)間。在9 個區(qū)間中，道路交通緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積占總沉降面積最大為87.81%，最小為51.57%，且占比最小的是沉降量41～60mm 區(qū)間。沉降量大于110mm的區(qū)間，總沉降面積為89.86km2，其中道路交通影響500m范圍內(nèi)沉降面積為44.85km2，1 000m范圍內(nèi)沉降面積為78.90km2且占總沉降面積87.81%。

圖10 是2003 年12 月—2004 年12 月道路交通500m 緩沖區(qū)、500～1000m 緩沖區(qū)和1 000m 緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積占總沉降面積統(tǒng)計圖。道路緩沖區(qū)500m以內(nèi)沉降面積明顯大于500～1000m區(qū)域沉降面積。圖11是2007年12月—2009年3月道路交通500m緩沖區(qū)、500～1000m緩沖區(qū)和1 000m緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積與總沉降面積之比統(tǒng)計圖。對比圖10和圖11可知，兩個時段柱狀圖分布趨勢相同，說明隨著與交通路網(wǎng)距離的增加，沉降面積逐漸減少。

圖10 2003年12月—2004年12月道路交通影響區(qū)沉降面積占比

圖11 2007年12月—2009年3月道路交通影響區(qū)沉降面積占比

分別把2003 年12 月—2004 年12 月和2007 年12 月—2009 年3 月兩個時段道路交通影響區(qū)沉降面積與總沉降面積進行對比。如圖12 和圖13 所示，兩個時段的沉降總面積、道路交通1 000m 緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積、道路交通500m 緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積以及道路交通500～1000m 緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積分別是藍色、橘色、灰色和紫色曲線。可以看出，4 種顏色曲線走向完全一致，即道路交通影響區(qū)域沉降面積和研究區(qū)的總沉降區(qū)間趨勢一致，因此，從空間分布角度看，道路交通是影響北京平原區(qū)沉降的主要因素之一。

圖12 2003年12月—2004年12月道路交通影響區(qū)沉降面積和總沉降面積對比

圖13 2007年12月—2009年3月道路交通影響區(qū)沉降面積和總沉降面積對比

（2）從時間角度看，道路交通對北京平原區(qū)沉降影響定量分析

對比表3 和表4 可以看出，2007 年12 月—2009 年3 月，沉降量大于60mm 區(qū)間，道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降面積達到了631.43km2（占總沉降面積87.81%），遠大于2003 年12 月—2004 年12 月的道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降面積7.36km2（占總沉降面積的57.33%）。隨著時間推移，道路交通影響沉降區(qū)域面積及沉降量增大。2003年12月—2004年12 月道路交通影響區(qū)沉降面積最小值39.24m2對應(yīng)的沉降量區(qū)間為0～10mm，在2007 年12 月—2009 年3 月道路交通影響區(qū)沉降面積最小值51.57m2對應(yīng)沉降量區(qū)間為41～60mm。因此，隨著時間變化，道路交通影響區(qū)不均勻沉降呈增大趨勢。

（3）從事件角度看，道路交通對北京平原區(qū)沉降影響定量分析

2007 年12 月—2009 年3 月處于奧運會前后。如表4和圖11所示，一方面，2007年12月—2009年3月研究區(qū)沉降量明顯大于2003年12月—2004年12 月，沉降量劇烈增加；另一方面，2007 年12 月—2009 年3 月時段，沉降量大于60mm 的面積達到329.32km2，沉降量大于110mm 的面積達到89.86km2，沉降范圍劇烈增加。說明由于2008 年奧運會影響，地下水抽采，道路交通的動載荷劇烈增加等因素，導致北京平原區(qū)沉降加劇。

（4）道路交通對北京平原區(qū)沉降影響結(jié)論

從空間角度看，一方面，在永定河沖積扇和潮白河沖積扇扇緣，隨著與道路距離的增加，沉降量逐漸減小，沉降面積逐漸減小，說明道路交通是影響沉降的主要外部因素之一；另一方面，對比圖6、圖8 和圖9，可以看出在永定河沖積扇扇中部和扇頂，即使在道路交通緩沖區(qū)內(nèi)，沉降量也遠遠小于永定河沖積扇和潮白河沖積扇扇緣部分沉降量，因此，北京平原地質(zhì)沉積構(gòu)造差異是引起沉降的內(nèi)因，道路交通產(chǎn)生的動載荷是引起沉降及加劇沉降的外因。從時間角度看，隨著時間推移，沉降量逐漸加大，沉降面積逐漸加大。從事件角度看，2008 年奧運會前后，由于地下水抽采，道路交通壓力增加，北京平原區(qū)沉降加劇。在永定河沖積扇的扇中部和扇頂部，在道路交通緩沖區(qū)內(nèi)沉降較少，因此，地質(zhì)沉積構(gòu)造是地面沉降內(nèi)因；在永定河沖積扇扇緣，隨著與道路距離的增加，沉降量逐漸減小，沉降面積逐漸減小，說明道路交通是引起沉降的主要外因。

3 結(jié)語

本文選擇2008 年奧運會前后兩個典型時段，以北京平原區(qū)道路交通緩沖區(qū)作為研究區(qū)，從時間、空間及事件三方面定量分析了道路交通對北京平原區(qū)沉降的影響，得出以下結(jié)論：隨著時間、事件變化，道路交通影響沉降區(qū)占總沉降區(qū)50%以上，最大達到87.81%；從空間看，隨著與道路交通距離的增大，沉降量減少，因此，道路交通是影響沉降的主要因素之一。在北京平原區(qū)西南區(qū)域，永定河沖積扇扇中部和扇頂部，在動載荷影響區(qū)域內(nèi)，沉降量遠遠小于扇緣區(qū)域，因此，道路交通是引起北京平原區(qū)沉降的外因。

本文重點研究道路交通對北京平原區(qū)沉降的影響，以期對北京市平原區(qū)沉降災(zāi)害進行預(yù)警。但對第四系沉積構(gòu)造與現(xiàn)代斷裂體系分析還不夠詳細，也沒有考慮高大建筑群的影響。下一步，可在詳細分析第四系沉積構(gòu)造與現(xiàn)代斷裂體系及高大建筑群靜載荷的基礎(chǔ)上，進一步研究道路交通對地面沉降的影響。