利用水準(zhǔn)資料研究天津地區(qū)沉降動(dòng)態(tài)特征*

塔 拉 陳阜超 韓月萍

1)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180

2)武漢大學(xué)，武漢 430070

利用水準(zhǔn)資料研究天津地區(qū)沉降動(dòng)態(tài)特征*

塔 拉1)陳阜超1，2)韓月萍1)

1)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180

2)武漢大學(xué)，武漢 430070

利用1998—2006年天津地區(qū)水準(zhǔn)觀測(cè)資料，對(duì)該區(qū)地面沉降運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明:天津地區(qū)沉降特征表現(xiàn)為北弱南強(qiáng)，以39.3°N為界，以北地區(qū)沉降幅度非常小，以南地區(qū)沉降幅度較大;1998—2002年，中部偏東地區(qū)為沉降速率的高值區(qū)，2002—2004年該區(qū)沉降速率明顯減緩;2004—2006年沉降速度加大。

天津地區(qū);水準(zhǔn)資料;誤差分析;地面沉降;動(dòng)態(tài)特征

1 引言

天津市位于華北平原東北部，北靠燕山山脈，東臨渤海，地勢(shì)為北高南底。大地構(gòu)造上位于華北地臺(tái)東北部的冀渤斷塊坳陷(渤海灣裂谷盆地)的中北部和燕山斷塊隆起的南部［1］。

由于天津地區(qū)多年來地下水的過量開采，引起地面沉降［2］。為了監(jiān)測(cè)地面沉降，于1985年開始實(shí)施的水準(zhǔn)測(cè)量項(xiàng)目已取得了一批珍貴的觀測(cè)資料。利用這些觀測(cè)資料，多位學(xué)者開展了深入研究并取得了豐碩成果［3－5］。但上述研究主要基于一些點(diǎn)位的時(shí)間序列分析，對(duì)全區(qū)域的地面沉降動(dòng)態(tài)特征研究尚顯不足。為此 ，本文利用1998—2006年天津地區(qū)水準(zhǔn)測(cè)量資料，構(gòu)建地面沉降的連續(xù)分布模型，研究該區(qū)平均沉降特征及分段變化結(jié)果。

2 資料處理

圖1為公共測(cè)點(diǎn)分布情況，表明研究區(qū)測(cè)點(diǎn)分布不均勻，北部測(cè)點(diǎn)較稀疏，南部較密集。

資料處理以寶坻原點(diǎn)為起算點(diǎn)，采用經(jīng)典自由網(wǎng)平差方法進(jìn)行平差計(jì)算，再經(jīng)過水準(zhǔn)網(wǎng)整體平差計(jì)算，得到統(tǒng)一起算基準(zhǔn)下的各期水準(zhǔn)數(shù)據(jù)［6－8］。根據(jù)1992—2007年華北北部地區(qū)和天津市地面沉降水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)，采用擬穩(wěn)平差方法計(jì)算得到的寶坻原點(diǎn)垂直運(yùn)動(dòng)速率為－0.13±0.48 mm/a。

圖1 1998年以來天津地區(qū)水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of leveling points in Tianjin region from 1998

3 1998—2006年天津地區(qū)整體沉降特征分析

圖2為研究區(qū)1998—2006年垂直運(yùn)動(dòng)矢量圖和等值線分布圖(420個(gè)測(cè)點(diǎn)速率的平均誤差為1.3 mm/a)。

從圖2(a)可以看到，天津南部地區(qū)水準(zhǔn)點(diǎn)年沉降量明顯大于北部地區(qū)，天津市中部地區(qū)的水準(zhǔn)點(diǎn)年沉降量明顯小于東西兩側(cè)地區(qū)。

從圖2(b)可以看出，以39.3°N為界，以北地區(qū)沉降幅度非常小，以南地區(qū)存在較大幅度的沉降，其中津南區(qū)南部的北義新莊地區(qū)最為明顯，最大量值可達(dá)－60 mm/a;武清至寧河間也存在一定幅度的沉降，表現(xiàn)為該區(qū)東西兩側(cè)沉降速率明顯大于中部，量值在 －20 mm/a左右。39.0～39.3°N 之間的沉降特征同樣表現(xiàn)為中部沉降量值小于東西兩側(cè)，比如(117.5°E，39.2°N)附近測(cè)點(diǎn)的垂直運(yùn)動(dòng)速率明顯弱于東西兩側(cè)。

4 1998—2006年天津地區(qū)分段沉降特征分析

為分析天津地區(qū)近年來地面垂直運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征，圖3給出了分期計(jì)算結(jié)果。

圖3(a)顯示，寧河地區(qū)和津南區(qū)南部地區(qū)的沉降速度明顯大于其他地區(qū)，寧河地區(qū)最大沉降速率為－60 mm/a，津南區(qū)南部地區(qū)為－50 mm/a。從圖3(b)可以看出，寧河地區(qū)的沉降幅度至2000年以來繼續(xù)加大，最大沉降速率高達(dá)－80 mm/a，同時(shí)沉降范圍也向西側(cè)的武清地區(qū)擴(kuò)張;津南區(qū)的南部地區(qū)依然是沉降較明顯地區(qū)，沉降速度保持在－40 mm/a。圖3(c)顯示出津南區(qū)的南部地區(qū)具有較為穩(wěn)定的沉降速率和沉降范圍，最大沉降速率仍為－50 mm/a，寧河地區(qū)的沉降幅度有了較大的調(diào)整，最大沉降速率減小到－30 mm/a。圖3(d)顯示，津南區(qū)的南部地區(qū)沉降速度依然大于北部地區(qū)，而天津中部地區(qū)的沉降速率明顯小于寧河和武清地區(qū)。

圖2 1998—2006年天津地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)Fig.2 Vertical movement results in Tianjin region from 1998 to 2006

考慮到研究區(qū)域測(cè)點(diǎn)分布不均勻，采用數(shù)據(jù)擬合推估方法得到的等值線圖可能存在失真成分，圖4給出了與圖3對(duì)應(yīng)的相同時(shí)段的矢量圖。結(jié)果表明，圖4(a)和圖4(b)的天津中部偏東地區(qū)的沉降速度明顯大于圖4(c)和圖4(d)，圖4(b)尤為明顯。仔細(xì)觀察圖4(b)，可以發(fā)現(xiàn)中部偏東地區(qū)的沉降速率為該時(shí)段最大，與圖3(b)分布特征一致。

圖5為利用2004、2005和2006年共1 083個(gè)測(cè)點(diǎn)得到的垂直沉降結(jié)果。通過研究圖5(a)的測(cè)點(diǎn)垂直運(yùn)動(dòng)矢量特征可以發(fā)現(xiàn)，自39.5°N開始測(cè)點(diǎn)沉降速率越往南量值越大。圖5(a)和圖4(d)均為2004—2006年的結(jié)果，前者的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)比后者多2倍有余，但通過對(duì)比圖3(d)和圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)二者差別不大，反映出的沉降分布特征基本一致。

5 結(jié)論

1)天津地區(qū)沉降分布總體表現(xiàn)出北弱南強(qiáng)的特點(diǎn)，以39.3°N為分界線，以北地區(qū)沉降幅度非常小，以南地區(qū)存在較大幅度的沉降，尤其在津南區(qū)南部的北義新莊地區(qū)最為明顯;

圖3 1998—2006年天津地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)分段計(jì)算結(jié)果Fig.3 Segmentation results of vertical movement in Tianjin region from 1998 to 2006

圖4 1998—2006年天津地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)分段速度矢量分布Fig.4 Vector results of vertical movement in Tianjin region from 1998 to 2006

圖5 2004—2006年天津地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)結(jié)果Fig.5 Vertical movement results in Tianjin region from 2004 to 2006

2)分段垂直沉降結(jié)果除表明北弱南強(qiáng)特征外，在寧河地區(qū)存在動(dòng)態(tài)調(diào)整，其中1998—2002年表現(xiàn)為沉降速率的高值區(qū)，2002—2004年結(jié)果表明該區(qū)沉降速率明顯減緩。據(jù)文獻(xiàn)［9］，該區(qū)年開采地下水總量呈減少趨勢(shì)。本文研究得到的的沉降動(dòng)態(tài)演化特征對(duì)此有較好的反映。

1 天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局.天津市地質(zhì)環(huán)境圖集［M］.北京:地質(zhì)出版社，2007.(Tianjin Municipal Bureau of Geology and Mineral Resources.Atlas of geological environment in Tianjin city［M］.Beijing:Geological Publishing House，2007)

2 胡惠民，等.地下水位變化引起的地面形變［J］.地震學(xué)報(bào)，1981，3(3):276 － 282.(Hu Huimin，et al.Ground surface deformation caused by The change of ground water level［J］.Acta Seismologica Sinica，1981，3(3):276 －282)

3 郭良遷，等.天津地區(qū)的垂直形變與構(gòu)造活動(dòng)研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，(5):1 －5.(Guo Liangqian，et al.Vertical deformation and tectonic activity in Tianjin area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(5):1 －5)

4 周海濤，等.天津地區(qū)地殼垂向形變(GPS)與文安地震［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(5):32 －37.(Zhou Haitao，et al.Wenan earthquake and vertical crustal deformation(with GPS)in Tianjin area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(5):32 －37)

5 陳阜超，等.京津水準(zhǔn)復(fù)測(cè)與垂直形變特征［J］.華北地震科學(xué)，2011，29(2)31 － 34(Chen Fuchao，et al.Repetition leveling and vertical deformation characteristic of Beijing-Tianjin region［J］.North China Earthquake Sciences，2011，29(2):31－34)

6 武漢測(cè)繪科技大學(xué)測(cè)量平差教研室.測(cè)量平差基礎(chǔ)［M］.北京:測(cè)繪出版社，1996.(Wuhan University of Science and Technology of Surveying and Mapping，Surveying Adjustment Teaching and Research Section［M］.The foundation of survey adjustment［M］.Beijing:Surveying and Mapping Publisher，1996)

7 於宗儔，魯林成.測(cè)量平差基礎(chǔ)［M］.北京:測(cè)繪出版社，1978.(Yu Zongchou and Lu Lincheng.The foundation of survey adjustment［M］.Beijing:Surveying and Mapping Publisher，1978)

8 武艷強(qiáng)，等.利用最小二乘配置在球面上整體解算GPS應(yīng)變場(chǎng)的方法及應(yīng)用［M］.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(7):1 707 － 1 714.(Wu Yanqing，et al.The application and method of GPS strain calculation in whole mode using leastsquares collocation in sphere surface［J］.Chinese J Geophys.，2009，52(7)，1 707 －1 711)

9 董克剛，等.天津地面沉降區(qū)地下水資源超采和涵養(yǎng)恢復(fù)閾值的討論［J］.地下水，2010，32(1):30 －33.(Dong kegang，et al.Threshold of ground water over-exploitation and conservation-restoration in Tianjin land subsidence area［J］.Ground water，2010，32(1):30 －33)

致謝 衷心感謝武艷強(qiáng)副研究員的大力幫助!

RESEARCH ON DYNAMIC CHARACTERISTICS OF LAND SUBSIDENCE IN TIANJIN USING LEVELING DATA

Ta La1)，Chen Fuchao1，2)and Han Yueping1)
1)First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin300180
2)Wuhan University，Wuhan430070

We use the leveling data from 1998—2006 to analyze the dynamic characteristics of land subsidence in Tianjin.The results show that the land subsidence is larger in south of Tianjin than that of north，which the subsidence rate is very small from north boundary of Tianjian to 39.3°N，and the subsidence rate is large from 39.3°N to the south boundary.The results of multi-section reveal that the subsidence rate is large in the east region of middle Tianjin from 1998—2002，while it decelerates from 2002—2004 and it increases from 2004—2006.

Tianjin region;leveling data;error analysis;land subsidence;dynamic characteristic

P315.72+5

A

1671-5942(2013)05-0011-05

2012-12-19

中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃(XH13037Y);中國(guó)地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)(200908028)

塔拉，男，1976年出生，工程師，主要從事大地形變監(jiān)測(cè)和地震工程工作.E－mail:tala333@163.com