線性工程地下水開采誘發地面沉降風險研究

賈 超，姚 越，楊 霄，張 曉 偉

(1.山東大學 海洋研究院，山東 青島 266232； 2.青島市水利勘測設計研究院，山東 青島 266100； 3.濟寧新城自來水有限公司，山東 濟寧 272000)

0 引 言

隨著近年來中國高速鐵路建設的迅猛發展，高鐵已日漸融入到現代人民的生活當中。而地面沉降是高速鐵路建設所面臨的一大問題，地面的不均勻沉降會導致高鐵軌道線路不平順，嚴重影響高速列車的安全運營和舒適度，甚至形成災害[1]。隨著中國鐵路網的規劃建設，不少擬建高速鐵路須穿越一些地面沉降發育較強烈的區域，由于高速鐵路對路基的穩定性和軌道的平順性要求較高，為了確保高鐵的安全、舒適，有必要在高鐵線路規劃期間進行地面沉降的準確評估和嚴格控制。地面沉降的危險性評估是鐵路規劃的重要決策因素，在高鐵的選址和建設期間有助于指導進行更好的風險管理和緩解措施。

地面沉降危險性評估是指在各種外界因素影響下，評估研究區地面沉降發生的可能性及程度，其已經成為地面沉降研究的熱點領域。國內外不同的專家學者對此進行了研究，如Rafie等[2]在進行沉降危險性評估時嘗試采取試錯模型以及影響分析法結合進行評估。劉凱斯等[3]采用PS-InSAR技術分析地面沉降的空間分布特征，并結合信息熵-網絡模型開展地面沉降引發的地鐵運營危險性分析。劉德成等[4]利用MAPGIS空間分析法對通州區地面沉降災害危險性進行評價。王寒梅[5]基于上海地面沉降長期監測資料，應用層次分析法對上海市地面沉降進行風險評價及區劃，并提出各分區控制風險的管理對策。以上研究對于地面沉降的防控具有重要的推動作用，但當前國內外有關地面沉降的研究多集中在區域性、大面積范圍內的沉降，對線性工程方面的研究相對較少。層次分析法是地面沉降危險性評價比較常用的方法，但由于建設工程項目風險性的評價具有模糊性，且利用層次分析法分析判斷矩陣是否具有一致性比較困難[6]，因此多采用改進后的模糊層次分析法(FAHP)進行地面沉降危險性評價。FAHP在確定單目標分級上更顯出靈活性，既解決了判斷矩陣的一致性問題，也解決了解的收斂速度和精度問題，以此求得與實際相符的排序向量。

津濰鐵路是一條既承擔山東半島路網中長途旅客運輸，同時又能滿足山東半島各地城際旅客需求的重要客運鐵路。受區域性地下水開采影響，擬建線路兩側發生了較強烈的地面沉降。本次研究以津濰高鐵沿線為例，基于地理信息系統(GIS)，采用災害風險指數評估法和改進的層次分析法(FAHP)綜合評估高鐵沿線的地面沉降危險性，并提出具有針對性的防控措施。研究對擬建津濰鐵路工程的建設和沉降防治規劃提供一定的科學指導和理論依據。

1 研究區概況

研究區位于東營市城區以南、濰坊西北地區，北至支脈河，東到萊州灣，南至壽光市，主要包括東營區、廣饒縣、壽光市、寒亭區部分區域(見圖1)，面積約3 100 km2，其中重點研究區域(擬建鐵路沿線兩側寬度4km)面積約300 km2。全區為第四系覆蓋，由一套疏松的河湖相、濱海相、海相及山前沖洪積相沉積物組成，厚度50～250 m，以發育巨厚的新生界為特征。區域含水層主要包括潛層微承壓含水層、中層鹵水含水層和深層淡水含水層，含水層厚度由南向北逐漸遞減。且北部鹵水資源豐富，鹽田和養殖大棚分布廣泛。地勢是東部高西部低，高程范圍為0～113 m，由陸地向渤海灣傾斜，屬魯北堆積平原。研究區多年平均降水量577.62 mm，年際變化大，最大968.1 mm(1990年)，最小為327.0 mm(2000年)，相差641.1 mm。

圖1 研究區及監測井位置

2 數據來源及分析方法

2.1 數據來源

本文利用歐空局Sentinel-1的高分辨率SAR圖像數據，對津濰高速鐵路的地面沉降進行了監測和分析。Sentinel-1衛星攜帶C波段SAR儀器，每6 d或12 d提供一次地球表面的全天候、晝夜圖像。其使用復雜的數據采集程序，通過逐行掃描的成像模式對地形進行觀測，分辨率為15 m。數字高程模型(DEM)來源于NASA的30 m分辨率SRTM DEM數據，被用于消除衛星干涉圖中地形相位的影響。

研究區內57口地下水監測井的監測數據用于計算水位降深，由山東省地質環境監測總站提供。土地利用數據被用于鐵路沿線的土地分析與規劃，其來源于中科院地理信息云平臺與實地調查的結合，并且與DEM數據具有相同的空間尺度和分辨率。

2.2 分析方法

2.2.1沉降量計算方法

干涉合成孔徑雷達(InSAR)是一種微波遙感方法，可以在空間和時間的基礎上監測地球表面的變形情況[7-8]。津濰高鐵的地面沉降圖基于Sentinel-1雷達影像和DEM數據，采用SBAS-InSAR處理技術獲取鐵路沿線的地面沉降信息。其基本原理為通過分析一對在不同時間從相同的軌道位置獲取的兩幅SAR圖像來生成干涉圖，然后將兩次采集獲得的相位差轉換為沿衛星視線(LOS)的地表位移[9-10]，最后基于GIS系統計算累計沉降量和沉降坡度。其采用的公式如下。

δφi(x，r)=φB(x，r)-φA(x，r)

(1)

式中：φi(x，r)為像元(x，r)處的干涉相位；φA(x，r)，φB(x，r)分別為tA，tB時刻像元(x，r)的干涉相位；λ為雷達波長；d(tA，x，r)，d(tB，x，r)分別為tA，tB時刻相對于參考時刻t0的雷達實線方向的地表形變量。

(2)用兩幅SAR影像之間的平均相位速率來代替相位值，即：

(2)

則第i幅干涉圖的干涉相位可表示為

(3)

式中：Mi，Si分別為第i個干涉圖像對應的主從影像獲取時刻；vk表示k時刻對應像元的形變速率。矩陣形式表示為

Bv=δ

(4)

式中：B為M×N的系數矩陣。若M≥N，則B為滿秩，可用最小二乘法求解形變速率；若M

2.2.2危險性評估方法

本次地面沉降危險性評價選取地面沉降嚴重性、沉降坡度和地下水位降深作為主要評價因子，基于GIS平臺，結合災害風險指數法、模糊層次分析法確定風險因子及其權重系數，進而應用綜合評價法對擬建鐵路兩側一定范圍內的區域按地面沉降危險性做出分區，最后進行方案評估。具體方法如下：

(1)災害風險指數法。地面沉降危險性是指在各種外界因素影響下，某一地區在某段時間內發生地面沉降的可能性及程度，主要用地質地貌條件、人類工程經濟活動、災害防控措施等地面沉降的動力條件指標來表征。對于高速鐵路這種線狀工程來說，地面沉降危險性主要表現在沿線累計沉降量，沉降速率和沉降坡度這幾方面[11-12]，尤其是鐵路沿線沉降坡度不能太大。當初始沉降量為0時，累計沉降量與沉降速率存在確定的數量關系，可將其統稱為地面沉降嚴重性[13]。通常情況下，地面累計沉降量越大，地面沉降速率越大，說明地面沉降活動性越強，危險性越大。其次是沿線地下水水位的變化，地下水開采量大的地方水位降深也比較大，地面沉降發展趨勢也就越大[12]。因此，津濰高鐵沿線地面沉降的風險程度主要取決于3個因素：地面沉降嚴重性、沉降坡度和地下水位降深。根據災害風險指數法，定量化的風險指數可表示如下：

DR=f(S，G，D)

(5)

式中：DR表示風險指數；S為地面沉降嚴重性；G為地面沉降坡度；D為地下水位降深。

(2)模糊層次分析法(FAHP)。模糊層次分析法(FAHP)是將層次分析法(AHP)和模糊綜合評價法結合的一種評價方法，它克服了AHP判斷矩陣一致性的檢驗-調整-再檢驗這一復雜過程[5]。FAHP在確定單目標分級上更顯出靈活性，通過構建各因子對地面沉降災害的隸屬度函數可以使得分級的界線發生模糊。既解決了判斷矩陣的一致性問題，也解決了解的收斂速度和精度問題，以此求得與實際相符的排序向量，因此可用于確定地面沉降危險性評價因子權重，具體流程如下[14-15]。

首先，建立模糊一致判斷矩陣。模糊一致判斷矩陣表示兩兩元素之間的相對重要性，一般采用0.1～0.9數量標度(見表1)賦值進行定量描述。

表1 FAHP標度

有了上面的數字標度之后，對于元素A1，A2，…，An進行兩兩比較，以確定各因子之間的優先次序，可得到如下模糊一致判斷矩陣：

(6)

其次，采用模糊一致判斷矩陣的排序并進行權重計算。

目前，對于模糊一致判斷矩陣的排序主要有方根法、按行求和歸一化法以及根據模糊一致判斷矩陣的元素與權重的關系式給出的排序法3種方法[16]。由于根據模糊一致判斷矩陣的元素與權重的關系式給出的排序分辨率最高，且具備可靠的理論基礎，本文采取此方法來計算權重，有利于提高決策的科學性，避免決策失誤。計算公式為

(7)

(3)綜合評價。綜合評價法是一種處理多指標共同影響某一評價對象的評價方法，將各指標通過加權求和計算出該評價對象的總體分數。計算公式為

(8)

式中：DR為危險性綜合指數值；wi為各評價因子的權重；Bi為各評價因子對應的分值；n為評價因子總數。

3 結果與討論

3.1 研究區地面沉降量

基于SBAS-InSAR方法得到的研究區2016～2020年地面沉降分布如圖2所示。研究區地面沉降發育較為嚴重的地區主要出現在丁莊鎮、大馬頭-牛頭鎮-臥鋪鄉、北洛鎮-寒橋鎮、留呂鄉北部3～4 km等區域，最大沉降量達到270～300 mm，出現在擬建鐵路DK313～DK323沿線2～5 km處。研究區中部主要發育大馬頭-牛頭鎮沉降區和牛頭鎮-臥鋪鄉沉降區，并且具有連成一片的趨勢。研究區北部地面沉降較嚴重的區域位于丁莊鎮周圍，沉降量可達210～240 mm。研究區南部主要為北洛鎮-寒橋鎮沉降區，累積沉降量達240～270 mm。

圖2 研究區地面沉降量

3.2 單目標因子評估

3.2.1危險性因子權重的確定

隸屬度是對地面沉降危險性評價因子去量綱的過程，使評價因子之間具有可比性[17]。本文研究的評價因子為定性因子，主要依據野外調查及前人研究資料，按照0.1～0.9數量標度將隸屬度進行定性賦值，進而構建模糊一致判斷矩陣(見表2)。

表2 模糊一致性矩陣

依據上表可得模糊一致判斷矩陣：

(9)

根據模糊一致判斷矩陣R及公式(7)計算各評價因子的權重(見表3)。由表3可知，地面沉降坡度對研究區地面沉降危險性貢獻度最高，其次是地面沉降嚴重性，地下水位降深的權重值最低。

表3 各評價因子計算權重

3.2.2各評價因子的評估

在對地面沉降危險性應用綜合分析法作出評價之前，首先要對每個影響因子控制下的地面沉降危險性進行分區處理，并為每個分區賦值，賦值越大說明危險性越高。

(1)地面沉降嚴重性評估。依據研究區內監測得到的鐵路沿線累計沉降值和沉降速率的情況，結合GB/T40112-2021《地質災害危險性評估規范》[18]將擬建鐵路沿線約4 km范圍內的區域劃分為地面沉降一般、較嚴重、嚴重3個區域(見表4和圖3)。擬建鐵路主要穿越沉降嚴重性一般區及較嚴重區，年均沉降速率小于50 mm，占研究區總面積的94.96%；擬建鐵路無里程段穿越沉降嚴重區。

表4 地面沉降嚴重性分區

圖3 地面沉降嚴重性分區

(2)地面沉降坡度評估。地面沉降坡度的變化對鐵路建成后的運營影響較大，據TB10621-2014《高速鐵路設計規范》[19]及研究區坡度發展趨勢，采用自然間斷點分級法將研究區劃分為地面沉降坡度大、坡度中、坡度小3個區域(見表5和圖4)。其中，研究區大部分處于地面沉降坡度小的區域，占研究區總面積的67.57%，沉降坡度在0～0.033‰；沉降坡度中等區域占研究區總面積的27.58%，沉降坡度在0.033‰～0.083‰；坡度大的區域占研究區總面積的4.85%，沉降坡度在0.083‰～0.299‰之間。擬建鐵路DK302～DK311、DK315～DK317、DK327～DK329段穿越沉降坡度中等區，其余部分均穿越沉降坡度小的區域。

表5 地面沉降坡度分區

圖4 地面沉降坡度分區

(3)地下水位降深評估。松散地層的存在及豐富的地下水資源是地面沉降的基礎，而地下水的開采利用則會引發地面沉降[20]。研究區內淺層深層地下水均有開采，不同開采區域開采層位差距較大，依據2016～2020年地下水水位變幅和地下水開采強度，分區時為使各個類之間的差異最大化，采用自然間斷點分級法[15]將研究區劃分為水位影響較小、影響中等和影響較大3個區域(見表6和圖5)。結合圖2可知，研究區內地下水位較低處與地面沉降較嚴重區位置基本一致。擬建鐵路DK285～DK311、DK315～DK317、DK319～DK323段穿越水位降深較大區，水位降深在11.05～16.38 m之間，占研究區總面積的37.15%。

表6 地下水位降深分區

圖5 地下水位降深分區

3.3 地面沉降危險性評價及分析

運用ArcGIS空間分析工具，對各個影響因子進行歸一化處理，消除數據之間性質與量綱不同的影響，然后采用綜合評價法對地面沉降嚴重性分區圖、地面沉降坡度分區圖、水位降深分區圖這3個單目標分區矢量圖進行加權疊加并按危險性等級分為4個區，分別為Ⅰ區(輕微區)、Ⅱ區(一般區)、Ⅲ區(較嚴重區)、Ⅳ區(嚴重區)。詳細結果如表7和圖6所示。

表7 地面沉降危險性等級分區

圖6 研究區危險性分區

根據不同分區與擬建鐵路的關系將其特征描述如下：

Ⅰ區(輕微區)，擬建鐵路DK311～DK315、DK323～DK327、DK331～DK353段均穿越Ⅰ區。該區地面沉降累計值保持在70 mm以下，坡度變化不大，區域多處于潛水微承壓含水層開采區，地下水降幅不大，危險性最小，地面沉降一般不會造成破壞影響。

Ⅱ區(一般區)，擬建鐵路DK285～DK295、DK315～DK323、DK327～DK329段穿越Ⅱ區。該區地面沉降累計值在70～130 mm左右，坡度變化一般，北部處于鹵水開采區，中部處于200～300 m農田開采區，承壓含水層水位降幅較大，危險性一般。建議該區合理安排建設地面沉降監測網絡，注意沉降異常加快區域，提前做好相應的防治工作。

Ⅲ區(較嚴重區)，擬建鐵路其余里程段穿越該區，且DK285～DK295距離Ⅲ區較近。該處地面沉降累計值在130～150 mm之間，DK302～DK309跨越零星開采區與農田開采區，沉降坡度變化較大，比較危險。建議開展該區域地面沉降監測及水位觀測，嚴格限制地下水的開采。

Ⅳ區(嚴重區)，擬建鐵路無里程段穿越該區，主要分布在DK285～DK293東側2 km廣北農場附近和DK315～DK325兩側1.5～3.0 km處，研究區南部有零星分布。該區累計沉降值在150～300 mm之間，坡度變化較強，若加劇該區地下水開采可能會引起較嚴重的地質災害問題。

研究區的土地利用類型有草地、林地、水庫、旱地、村莊等，如圖7所示。結合實地調查和地面沉降的危險性評估，分析認為擬建鐵路選址主要分布在旱地上，整體選址較為合理，大部分里程段具有較小的地面沉降危險性。區域內北部DK285～DK295段和DK302～DK309段處在較嚴重危險性500 m范圍內，該區域主要是鹵水資源豐富，同時存在較多的農場及大棚種植活動，因此開采量較大，危險性較高。此外，盡管DK315～DK325附近有一沼澤地，但其兩側1～3 km處仍然具有較高的地下水位降深和較大的地面沉降量，表明了居民地下水開采的不合理。在中部地區沿線經濟的發展使得存在較多建設用地，旱地與建設用地的轉換，以及鐵路工程的建設會使得地面荷載有所增加[21-22]，同時不透水地面阻礙了大氣降水的入滲，影響地下水的補給，地面沉降危險性也會有進一步擴大的趨勢。

圖7 沿線土地利用類型情況

4 結 論

(1)本文基于地理信息系統，將災害風險指數評估法、模糊層次分析法和綜合評價法相結合，構建了重大線性工程沿線的地面沉降危險性評估理論體系。通過實地調查，在充分考慮研究區水文地質和工程地質條件的基礎上，確定了線性工程沿線地面沉降危害性評估的主要因子分別為地面沉降嚴重性、沉降坡度和地下水位降深。在GIS系統中，結合多目標準則決策的疊加分析建立了線性工程沿線地面沉降危害性評估模型。

(2)研究在單目標分析的基礎上，通過多源數據的疊加分析將津濰鐵路沿線的危險等級劃分為4個區域，分別為Ⅰ區(輕微區)、Ⅱ區(一般區)、Ⅲ區(較嚴重區)、Ⅳ區(嚴重區)。各區域對應的占比分別為42.37%(Ⅰ區)、32.27%(Ⅱ區)、17.37%(Ⅲ區)、8.00%(Ⅳ區)。

(3)根據實地調查和區域土地利用類型的分布，擬建鐵路大部分里程分布于Ⅰ區(輕微區)和Ⅱ區(一般區)，表明了鐵路選址具有較好的適宜性和可控性。其中，Ⅰ區處于潛層微承壓含水層，地下水開發利用程度較小；Ⅱ區受大棚和農田用水的影響，地下水開采強度較高。此外，仍有部分里程段如DK285～DK295和DK302～DK309段靠近或處在較嚴重區，其地面沉降量最高值達150 mm，沉降坡度也較大，因此具有較高的危險性。綜合考慮地面沉降危險性及區域社會經濟因素，建議對這兩段鐵路沿線500 m范圍內實施禁采或限制開采地下水。