基于PS-InSAR的2003—2009年北京平原區沉降控制因素分析

鄭佳榮，宮輝力，李青元，崔有禎，陳蓓蓓

(1.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048；2.北京工業職業技術學院，北京 100042；3.首都師范大學三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京 100048；4.首都師范大學城市環境過程與數字模擬國家重點實驗室培育基地，北京 100048；5.中國測繪科學研究院，北京 100830)

基于PS-InSAR的2003—2009年北京平原區沉降控制因素分析

鄭佳榮1，2，宮輝力1，3，4，李青元5，崔有禎2，陳蓓蓓1，3，4

(1.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048；2.北京工業職業技術學院，北京 100042；3.首都師范大學三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京 100048；4.首都師范大學城市環境過程與數字模擬國家重點實驗室培育基地，北京 100048；5.中國測繪科學研究院，北京 100830)

對融合PS與小基線InSAR技術提取的北京市583129個觀測點2003—2009年28個時序的實際數據進行了分析，結合北京市的第四系沉積物巖性與厚度分布情況、北京市地下水抽采地點與取水量等實際數據，分析了北京市平原地區2003—2009年的地面沉降的控制因素，得出了第四系沉積物巖性與厚度是控制地面沉降的地質內因，而人工抽采地下水是導致地面沉降的主要的人為外因的結論。

PS-InSAR；北京平原區；沉降；地下水

一、引 言

城區地面沉降給城市生活帶來一系列的負面影響，近年來受到社會各界的廣泛關注。一個地區的地面沉降受多種因素控制，這些因素的作用機理對預測與控制區域地面沉降具有指導作用。筆者對北京平原地區2003—2009年沉降結果進行分析，進一步反演北京平原區沉降機理，對控制北京平原區沉降具有實際意義。

二、北京平原區沉降數據分析

1.研究區及數據

本文選取2003—2009年覆蓋北京平原地區的29景Envisat衛星降軌ASAR數據(圖1框線標出影像覆蓋區，即研究區域)，采取融合PS與小基線InSAR技術，提取了研究區2003—2009年583 129個點的28個時間序列沉降結果，該沉降結果是相對2003年12月的沉降量。筆者在ArcGIS平臺上對這28個時間序列的沉降進行空間插值，生成28幅研究區沉降分布圖(圖2是28幅中沉降變化的17幅)，分析28幅沉降分布，找到23個沉降趨勢變化特征時序，進行最大值、最小值和平均值的定量分析(如圖3所示)；同時，對2004—2008年沉降量最大值、最小值和平均值進行定量分析。

圖1 研究區域

2.研究區沉降分布分析

1)從圖2可以看出，整個研究區是沉降趨勢，沉降較大地區是朝陽區、順義區西南、通州區西北和海淀區東北。通過對583 129個點的沉降量分析，最大沉降量達到－224.68 mm。

圖2 研究區沉降分布圖

2)從圖3可以看出，2004年、2005年、2006年和2008年的趨勢是沉降，2007年是逆沉降。其中2005年沉降速率較小。對沉降量進行定量分析，2004—2008年年均沉降量分別為－30.76 mm、－12.99 mm、－1.35 mm、26.77 mm和－70.87 mm。

圖3 研究區2004—2008年沉降量

3)4個年份9月份出現逆沉降，4個時間序列出現逆沉降，共8個時間點出現逆沉降。從圖2可以看出，除2005年和2009年缺少8月份和9月份數據外，在2004—2008年每年9月份均出現不同程度逆沉降，2007年12月、2008年5月和2009年1月出現逆沉降。

三、北京市平原區沉降機理分析

1.北京市平原區第四系沉積物巖性與厚度對地面沉降的影響分析

北京市平原區主要由永定河和潮白河沖積扇組成，兩扇相鄰互相交匯，幾乎控制了整個平原地區[1]。第四系沉積由山前到平原區一般依次為：山麓坡積群地帶、沖洪積扇頂部、扇中部、扇緣及沖洪積平原區。含水層扇頂部為單一的卵礫石含水層，扇中部為2～3層結構的砂卵礫石含水層，扇緣及沖洪積平原區逐漸過渡到多層結構的粗、中砂及細砂、粉細砂。由上游至下游隨著平均沉積粒徑逐漸減小，黏土層(或黏土類地層)層數增多，總厚度增加[2-3]，含水層的富水性也逐漸變差。不同成因類型的第四系松散沉淀物構成了平原區的地質特性。筆者繪制了沖積扇邊界分別覆蓋到圖2中28幅沉降量分布圖上，可以看到，由扇頂部到扇邊緣，沉降量逐漸增大。圖4(a)是2009年1月份沉降量分析。因此，在疏松的多層含水體系中有一定厚度的正常固結或弱固結的可壓縮黏性土層是發生地面沉降所的地質環境條件。

圖4 北京市地下水源分布及其沉降分布

沉降量由可壓縮厚度決定，劉予[4]將北京沉降區含水巖組中的黏性圖層劃分為3個可壓縮層組。其中第三壓縮層組壓縮性極低，由圖5、圖6第一和第二層組壓縮層厚度分區可以看出，第一層壓縮厚度在50～80 m和第二壓縮層厚度50 m以上重合區域是朝陽區、順義區西南、通州區西北和海淀區東北，該結果和采取融合PS與小基線InSAR技術提取的研究區2003～2009年研究區沉降分析成果一致。這說明第四紀地四系沉積物巖性與厚度是地面發生沉降的內在主控影響因素。

圖5 第一組可壓縮層等厚分區圖

圖6 第二組可壓縮層等厚分區圖

2.地面降雨及地下水抽采影響沉降分析

影響北京市沉降的外因是地下水位。地下水位又受降雨、水徑流和人類活動的影響。其中人類活動主要包括地下水開采和施工降水。

(1)降雨及地下水開采分布

在北京地區，2004—2009年均降雨量如圖 7 (a)所示，2008年年均降雨量達到638 mm。北京年內降雨主要集中在6—9月之間，其降水量平均達到全年降水量的80%以上。

市區自來水廠包括8座自來水廠開采地下水，分別是第一水廠、第二水廠、第三水廠、第四水廠、第五水廠、第七水廠、第八水廠、豐臺水廠；2座水源為地表水水廠，分別是田村山凈水廠、第九水廠。三廠、四廠、七廠、八廠開采地處淺層水的水廠，一廠、二廠、五廠開采地處深層水的水廠。圖4(b)是北京市地下水開采水源區分布及研究區沉降分布圖。

圖7 2004—2009年北京市降水及用水結構

(2)沉降分析

從圖中可以看出，地下水開采區和融合PS與小基線InSAR技術的提取研究區沉降結果基本一致，在地熱水資源集中開采的北京東南城區、小湯山及良鄉附近，隨開采時間延續和開采量的增加，地熱水位呈逐年下降，同時引起地面沉降。從圖2可以看出，采集淺層水水源區隨著降雨等補給和采集量的控制，較容易出現逆沉降。

供水高峰是地下水開采高峰。北京市自來水集團供水報摘指出供水高峰期為6、7、8三個月。2008年奧運會召開之前，北京市區日供水能力將達300萬m3；而2004—2007年最高日供水量242.5萬m3，因此2008年用水量遠遠超過歷年用水量。北京夏季降雨對淺層地下水補給滯后和地下水開采高峰導致每年7、8月沉降量達到年內最大，9月份出現逆沉降現象。2008年北京用水高峰，7、8月份用水達到歷年最高峰，因此，2008年8月出現大幅沉降(如圖2所示)。2008年3月起新開工的工程限制進行施工疏干抽水，2008年5月北京出現逆沉降。因此可以推斷施工疏水也在很大程度上影響地下水位。

從圖7可以看出[5]，2004—2009年，北京市總用水量變化較小，但用水結構有較大變化。其中環境用水增加3億m3，生活用水增加1.93億m3；工業用水減少2.37億m3，農業用水減少1.19億m3。用水結構變化決定了供水結構變化，2004—2007年建成并投入運行11座污水處理廠，日處理污水量達到143.73萬t，到2009年接近2005年日處理量的3倍。《北京市節約用水辦法》規定[6]：自2007年5月1日起，住宅小區、單位內部景觀環境用水應當使用雨水和再生水，不得使用自來水。2006年6月23日起，一個多月時間，華新源再生水公司向南護城河補充再生水50萬m3，此次向南護城河補充再生水主要是為了進行護城河河道景觀用水試驗，截止到2006年12月15日，華新源再生水公司已向南護城河補充再生水482萬m3，減少京密引水渠500多萬m3清潔水源的補水量。在供水總量不變情況下，供水結構變化減少了地下水開采量，同時采取再生水補給等措施對地下水進行補給，可以控制地面沉降，因此，2007年北京市出現逆沉降(如圖3所示)，度過2008年奧運會用水高峰。2008年9月28日，南水北調中線的河北應急水源到達團城湖，并陸續進入到集團第三水廠、田村山凈水廠、第九水廠，經過水廠凈化處理后，進入了市政自來水管網中。初期集團市區水廠實際每天接收“河北水”70萬 m3，2008年豐水年對地下水補給。3個因素綜合影響，2009年1月和3月出現逆沉降。

3.沉降影響因素

自然環境和人類活動是影響沉降的兩個因素。自然環境主要包括地質構造和氣象。其中影響地面沉降的地質構造主要是第四紀構造運動造成的第四系沉積物的厚度與巖性的不均一性；氣象主要包括降雨及溫度。影響沉降的人類活動主要是地下水抽采和載荷增大：地下水抽采主要有作為城市用水的地下水抽采活動和建筑施工中的地下水疏干；載荷主要包括高大建筑靜載荷和交通(地面車輛和地鐵)產生的載荷增加。

本文著重討論第四系巖性與厚度和地下水抽采對北京市研究區地面沉降的影響。造成地面沉降的內因是自然環境，人類活動是外因。當外因達到一定程度，就表現為控制因素。目前，北京地區沉降控制因素主要是地下水位降低，而不同區域沉降量的不同，又是第四紀的地質構造運動造成的第四系沉積物的巖性與厚度所決定的。發生地面沉降所必備的地質環境條件是在疏松的多層含水體系中有一定厚度的未固結或弱固結的可壓縮砂紙土層。外因是地下水大量、持續的抽取活動使可壓縮層水位被動降低，導致有效應力增大，造成持續性應力轉移，地面沉降范圍不斷擴大。

四、結 論

1)地質構造尤其是第四紀構造造成的第四系沉積物巖性與厚度的差異是地面發生沉降的內因，地下水超負荷開采是造成地面沉降的外因，當外因達到一定程度，就表現為控制因素。

2)淺層水隨著降雨等補給和采集量的控制，沉降恢復周期較短；承壓水補給較緩慢，因此次沉降恢復期較長。

3)節約用水，采取先進技術生產再生水，改變供水配置，減少地下水開采，可以有效控制地面沉降。

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The Control Factors on Subsidence of Beijing Plain Area in 2003—2009 Based on PS-InSAR Technology

ZHENG Jiarong，GONG Huili，LI Qingyuan，CUI Youzhen，CHEN Beibei

P237

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0494-0911(2014)12-0040-04

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10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0393

2014-03-24

國家基金重點項目(41130744)；國家自然基金(41171335)；973計劃前期研究專項課題(2012CB723403)；國家自然科學基金(41272367)

鄭佳榮(1979—)，女，河北隆堯人，博士，副教授，主要從事測繪相關研究及教學工作。