石家莊市區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)與分析

李杰,段金增,侯樹(shù)慧,李慧(．石家莊市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,河北石家莊 05009; ．河北省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站,河北石家莊 05003)

石家莊市區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)與分析

李杰1?,段金增2,侯樹(shù)慧1,李慧1
(1．石家莊市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,河北石家莊 050019; 2．河北省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站,河北石家莊 050031)

摘 要:地面沉降監(jiān)測(cè)與分析工作對(duì)于促進(jìn)區(qū)域和諧發(fā)展具有重要作用,受到城市管理者越來(lái)越多的重視。本文結(jié)合石家莊市區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)與分析項(xiàng)目,重點(diǎn)介紹資料搜集、水準(zhǔn)施測(cè)和數(shù)據(jù)分析等方面的內(nèi)容及具體做法,并總結(jié)了項(xiàng)目特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn),以期對(duì)同行有所借鑒。

關(guān)鍵詞:地面沉降；監(jiān)測(cè)；分析

1　引 言

地面沉降是在自然和人為因素作用下,由于地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象[1]。

地面沉降具有生成緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、成因機(jī)制復(fù)雜和防治難度大等特點(diǎn),是平原地區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害,成為制約社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要災(zāi)種之一。

為監(jiān)測(cè)地面沉降,石家莊市城建管理部門(mén)曾于1988年在主城區(qū)范圍內(nèi),布設(shè)了市區(qū)首級(jí)高程控制暨地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng),并先后于1988年、1999年、2001年、2011年和2014年完成5期觀測(cè)[2]。

2012年3月,國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)《2011年～2020年全國(guó)地面沉降防治規(guī)劃》;2014年6月,河北省政府批準(zhǔn)《河北省地面沉降防治規(guī)劃(2012～2020年)》,規(guī)定了河北省地面沉降防治規(guī)劃目標(biāo):2015年,沉降速率控制在每年30 mm以?xún)?nèi),沉降中心沉降速率控制在每年50 mm以?xún)?nèi);2020年沉降速率控制在每年20 mm以?xún)?nèi),沉降中心沉降速率控制在每年30 mm以?xún)?nèi)。

2014年9月23日,石家莊市部分行政區(qū)劃調(diào)整,市區(qū)面積擴(kuò)大,迫切需要掌握新市區(qū)地面沉降情況。

基于維護(hù)石家莊城市高程控制網(wǎng)現(xiàn)勢(shì)性以及對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)評(píng)估的需要,經(jīng)石家莊市人民政府批準(zhǔn),開(kāi)展了石家莊市區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)與分析項(xiàng)目。

2　完成的主要工作

項(xiàng)目前后歷時(shí)7個(gè)月,主要完成了以下工作:

(1)多數(shù)據(jù)源資料的梳理與整合

搜集了石家莊市區(qū)的地質(zhì)、水文以及測(cè)繪等多方面資料,對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位埋設(shè)的地質(zhì)條件進(jìn)行了普查。

對(duì)歷次水準(zhǔn)成果進(jìn)行統(tǒng)一處理,如點(diǎn)號(hào)統(tǒng)一(新舊點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng))、高程基準(zhǔn)統(tǒng)一(部分點(diǎn)高程具有大沽高程系成果,均統(tǒng)一到1985國(guó)家高程基準(zhǔn))、水準(zhǔn)等級(jí)統(tǒng)一(部分點(diǎn)同時(shí)具有不同年代多個(gè)等級(jí)的成果)和點(diǎn)之記樣式統(tǒng)一等,便于今后統(tǒng)籌使用。

(2)開(kāi)展了新一期地面沉降監(jiān)測(cè)工作

結(jié)合新市區(qū)范圍,對(duì)原有高程控制網(wǎng)進(jìn)行了擴(kuò)測(cè),采用數(shù)字水準(zhǔn)儀完成新一期地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè),取得石家莊市區(qū)最新的高程控制成果,滿(mǎn)足了《石家莊市測(cè)繪地理信息管理辦法》的有關(guān)規(guī)定。

(3)完成地面沉降分析與對(duì)策研究

對(duì)新市區(qū)范圍地面沉降進(jìn)行了定性與定量分析,通過(guò)構(gòu)造TIN完成地面沉降模擬,建立了數(shù)字沉降地面模型,基本摸清新市區(qū)全域地面沉降情況,為市政府地面沉降災(zāi)害防治統(tǒng)一部署和決策奠定基礎(chǔ)。

完成了中心城區(qū)和組團(tuán)區(qū)縣的分政區(qū)地面沉降分析,為各區(qū)應(yīng)對(duì)地面沉降提供數(shù)據(jù)支撐。

3　工作實(shí)施

地面沉降監(jiān)測(cè)與分析工作涉及多個(gè)學(xué)科和多種技術(shù),在實(shí)施過(guò)程中需要融合地質(zhì)、巖土、氣象、測(cè)繪、計(jì)算機(jī)以及地理信息等方面的知識(shí)。

3．1資料搜集

資料搜集對(duì)于地面沉降分析具有重要意義,搜集資料要注意其時(shí)效性和權(quán)威性,一般遵循“權(quán)威部門(mén)權(quán)威數(shù)據(jù)”的原則。

本項(xiàng)目搜集的資料有:當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀、區(qū)域地質(zhì)概況資料(含地形地貌、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地震和氣象等)、工程地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料(含水文地質(zhì)分區(qū)、含水巖組劃分、地下水埋深分布規(guī)律、地下水動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和地下水下降漏斗資料等)、市區(qū)多年城建規(guī)模以及歷次高程控制測(cè)量數(shù)據(jù)。

地質(zhì)資料用于定性分析自然客觀因素對(duì)地面沉降的影響,地下水用補(bǔ)量、降水量與城市建設(shè)資料可用于定性分析人為因素對(duì)沉降的影響,兩者缺一不可。

在定性分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合多期水準(zhǔn)點(diǎn)高程數(shù)據(jù),進(jìn)行定量分析,可以對(duì)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確量化評(píng)估,劃分出可能的地質(zhì)災(zāi)害級(jí)別。

3．2水準(zhǔn)觀測(cè)

現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)且具有豐富歷史數(shù)據(jù)的高程資料對(duì)于地面沉降定量分析至關(guān)重要。

當(dāng)前技術(shù)條件下,確定地面高程的方式有多種,以精密水準(zhǔn)測(cè)量最為可靠和準(zhǔn)確。為此,本次地面監(jiān)測(cè)項(xiàng)目同時(shí)布設(shè)了一、二等精密水準(zhǔn)網(wǎng),其中一等水準(zhǔn)105 km、二等水準(zhǔn)1 269 km。

根據(jù)沉降點(diǎn)埋設(shè)的地質(zhì)條件,結(jié)合觀測(cè)點(diǎn)周邊沉降源(如鄰近的高大建筑、水源影響等)評(píng)估點(diǎn)位穩(wěn)定性,為沉降分析奠定基礎(chǔ)。

3．3已有水準(zhǔn)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要分析

石家莊市區(qū)有過(guò)多期精密水準(zhǔn)測(cè)量資料,但其控制面積差異較大,技術(shù)手段也不盡一致。

市區(qū)最早的精密水準(zhǔn)施測(cè)始于1953年,采用光學(xué)水準(zhǔn)儀觀測(cè),控制面積僅有80 km2;最新的2014年高程控制網(wǎng)采用數(shù)字水準(zhǔn)儀觀測(cè),控制面積3 200 km2,范圍擴(kuò)大了40倍;期間穿插了3次控制網(wǎng)擴(kuò)測(cè)與復(fù)測(cè)。

由于水準(zhǔn)點(diǎn)年代跨度久,單純依靠點(diǎn)號(hào)信息已無(wú)法完成新舊高程匹配。為此,制作了高程控制點(diǎn)Arc-GIS Shapefile數(shù)據(jù),通過(guò)空間位置匹配完成新舊點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)。

3．4地面沉降分析

為便于沉降數(shù)據(jù)分區(qū)間統(tǒng)計(jì),根據(jù)省政府制定的地面沉降目標(biāo)制定了石家莊地面沉降預(yù)警分析指標(biāo)。

區(qū)域年均沉降速率以15 mm/ a作為警戒指標(biāo),年均沉降速率≤7．5 mm/ a視為穩(wěn)定區(qū)域,＞7．5 mm/ a且≤30 mm/ a視為次穩(wěn)定區(qū)域;＞30 mm/ a且≤50 mm/ a視為不穩(wěn)定區(qū)域;＞50 mm/ a視為極不穩(wěn)定區(qū)域。

累計(jì)沉降量分析時(shí),采用業(yè)界常用的200 mm進(jìn)行統(tǒng)計(jì),根據(jù)歷時(shí)年代長(zhǎng)短分不同區(qū)間統(tǒng)計(jì),跨度時(shí)間長(zhǎng)沉降量大的劃分區(qū)間值隨之增大,反之亦然。

地面沉降分析具體步驟:

(1)結(jié)合地質(zhì)條件資料,分析其對(duì)沉降的綜合影響;

(2)依次分析相鄰年代的水準(zhǔn)點(diǎn)高程變化情況,根據(jù)沉降速率值確定研究區(qū)沉降與時(shí)間階段的關(guān)系;

(3)分別以1988和1999年作為不同的首期觀測(cè),分析不同時(shí)間起點(diǎn)下,年沉降速率的變化情況,根據(jù)各點(diǎn)差異沉降量和累計(jì)沉降量判定分析點(diǎn)位穩(wěn)定性;

(4)根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間位置及其沉降量,以一定的格網(wǎng)密度內(nèi)插構(gòu)建模擬沉降地面,并對(duì)其進(jìn)行沉降分析;

(5)結(jié)合各區(qū)資料,分政區(qū)進(jìn)行模擬沉降地面分析; (6)沉降原因分析,對(duì)不同的沉降洼地分析原因; (7)對(duì)地面沉降分析進(jìn)行總結(jié),得出一般性結(jié)論。地面沉降分析是整個(gè)報(bào)告的重點(diǎn),項(xiàng)目主要采用了點(diǎn)、面沉降分析相結(jié)合的方式進(jìn)行。上文中的步驟(2)和步驟(3)是針對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行的地面沉降分析,步驟(4)和步驟(5)是針對(duì)模擬地面進(jìn)行的面狀沉降分析,兩者互為印證和補(bǔ)充。

特別說(shuō)明一下模擬沉降地面生成過(guò)程:首先根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間位置構(gòu)造不規(guī)則三角網(wǎng)TIN(分別以累計(jì)沉降量和年沉降速率為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Z值構(gòu)建),然后按照250 m×250 m網(wǎng)格間隔密度,采用雙線(xiàn)性?xún)?nèi)插計(jì)算各點(diǎn)Z值,模擬出沉降地面,最后利用地理信息軟件按照設(shè)定的統(tǒng)計(jì)區(qū)間對(duì)其進(jìn)行可視化統(tǒng)計(jì)與分析,同時(shí)繪制專(zhuān)題圖件。

3．5沉降分析實(shí)例

(1)各點(diǎn)地質(zhì)穩(wěn)定性分析

經(jīng)實(shí)地踏勘與調(diào)閱地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn):現(xiàn)有的148個(gè)沉降點(diǎn)中,有12個(gè)點(diǎn)地質(zhì)條件存在問(wèn)題。通過(guò)各點(diǎn)累計(jì)沉降量分析也證實(shí)了這一點(diǎn),其中的5個(gè)點(diǎn)存在沉降異常,分析時(shí)定性為標(biāo)石沉降而非地面沉降。

(2)年沉降速率與時(shí)間階段的關(guān)系

根據(jù)復(fù)測(cè)情況,將沉降分析年度劃分為4區(qū)間,形成了如圖1所示的年沉降速率與時(shí)間階段的關(guān)系圖。結(jié)合各階段社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)用水與降水以及地下水漏斗演變等情況找出其中的沉降變化規(guī)律。

圖1　年沉降速率與時(shí)間階段關(guān)系圖

(3)基于沉降點(diǎn)的地面沉降分析

對(duì)各期沉降監(jiān)測(cè)重合點(diǎn)沉降量分析,可找出沉降極值點(diǎn),通過(guò)對(duì)這些點(diǎn)分析,可以進(jìn)行沉降地質(zhì)隱患預(yù)警分析。表1是2011年和2014年重合的148個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量分析統(tǒng)計(jì)表。

(4)基于模擬地面的沉降分析

基于各沉降點(diǎn)的地面沉降情況,通過(guò)構(gòu)建TIN內(nèi)插成一定密度的沉降分析網(wǎng)格點(diǎn),采用GIS技術(shù)可直觀看出地面沉降情況,如圖2所示(圖內(nèi)顏色深的色塊為地面沉降量較大的區(qū)域)。

2011～2014期間各點(diǎn)沉降量統(tǒng)計(jì)表 表1

圖2　1988～1999年模擬地面沉降量變化圖

4　結(jié) 語(yǔ)

項(xiàng)目綜合多種數(shù)據(jù)源,采用多種技術(shù)手段完成,是我院測(cè)繪學(xué)科與其他學(xué)科聯(lián)合應(yīng)用的一次嘗試。

項(xiàng)目緊密聯(lián)系民生,為市區(qū)和諧發(fā)展提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)保障,具有重要的社會(huì)意義,凸顯了測(cè)繪工作在現(xiàn)代社會(huì)中的基礎(chǔ)保障作用。

參考文獻(xiàn)

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Study on the Land Subsidence Monitoring and Analysis of Shijiazhuang City

Li Jie1,Duan Jinzeng2,Hou Shuhui1,Li Hui1
(1．Shijiazhuang Institute of Surveying,Mapping & Geotechnical Investigation,Shijiazhuang 050019,China; 2．Hebei Provincial Surveying and Mapping Product Quality Supervision and Inspection Station,Shijiazhuang 050031,China)

Abstract:Land subsidence monitoring and analysis work plays an important role in promoting regional harmonious development,more and more attention by city managers．In this paper,combining with the Shijiazhuang city land subsidence monitoring and analysis project,focusing on the data collection,levelling work implementation and data analysis, etc．,and summarizes the characteristics and experience of the project,in order to provide references for peers．

Key words:land subsidence;monitoring;analysis

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-121-03中圖分類(lèi)號(hào):P642．26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

收稿日期:?2015—06—20

作者簡(jiǎn)介:李杰(1974—),男,正高職高級(jí)工程師,注冊(cè)測(cè)繪師,主要從事技術(shù)管理與地理信息軟件研發(fā)工作。