石家莊市區地面沉降監測與分析

李杰,段金增,侯樹慧,李慧(．石家莊市勘察測繪設計研究院,河北石家莊 05009; ．河北省測繪產品質量監督檢驗站,河北石家莊 05003)

石家莊市區地面沉降監測與分析

李杰1?,段金增2,侯樹慧1,李慧1
(1．石家莊市勘察測繪設計研究院,河北石家莊 050019; 2．河北省測繪產品質量監督檢驗站,河北石家莊 050031)

摘 要:地面沉降監測與分析工作對于促進區域和諧發展具有重要作用,受到城市管理者越來越多的重視。本文結合石家莊市區地面沉降監測與分析項目,重點介紹資料搜集、水準施測和數據分析等方面的內容及具體做法,并總結了項目特點與經驗,以期對同行有所借鑒。

關鍵詞:地面沉降；監測；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致區域性地面標高降低的一種環境地質現象[1]。

地面沉降具有生成緩慢、持續時間長、影響范圍廣、成因機制復雜和防治難度大等特點,是平原地區主要的地質災害,成為制約社會、經濟可持續發展的重要災種之一。

為監測地面沉降,石家莊市城建管理部門曾于1988年在主城區范圍內,布設了市區首級高程控制暨地面沉降監測網,并先后于1988年、1999年、2001年、2011年和2014年完成5期觀測[2]。

2012年3月,國務院批準《2011年～2020年全國地面沉降防治規劃》;2014年6月,河北省政府批準《河北省地面沉降防治規劃(2012～2020年)》,規定了河北省地面沉降防治規劃目標:2015年,沉降速率控制在每年30 mm以內,沉降中心沉降速率控制在每年50 mm以內;2020年沉降速率控制在每年20 mm以內,沉降中心沉降速率控制在每年30 mm以內。

2014年9月23日,石家莊市部分行政區劃調整,市區面積擴大,迫切需要掌握新市區地面沉降情況。

基于維護石家莊城市高程控制網現勢性以及對地面沉降監測評估的需要,經石家莊市人民政府批準,開展了石家莊市區地面沉降監測與分析項目。

2　完成的主要工作

項目前后歷時7個月,主要完成了以下工作:

(1)多數據源資料的梳理與整合

搜集了石家莊市區的地質、水文以及測繪等多方面資料,對各監測點位埋設的地質條件進行了普查。

對歷次水準成果進行統一處理,如點號統一(新舊點號對應)、高程基準統一(部分點高程具有大沽高程系成果,均統一到1985國家高程基準)、水準等級統一(部分點同時具有不同年代多個等級的成果)和點之記樣式統一等,便于今后統籌使用。

(2)開展了新一期地面沉降監測工作

結合新市區范圍,對原有高程控制網進行了擴測,采用數字水準儀完成新一期地面沉降監測網點觀測,取得石家莊市區最新的高程控制成果,滿足了《石家莊市測繪地理信息管理辦法》的有關規定。

(3)完成地面沉降分析與對策研究

對新市區范圍地面沉降進行了定性與定量分析,通過構造TIN完成地面沉降模擬,建立了數字沉降地面模型,基本摸清新市區全域地面沉降情況,為市政府地面沉降災害防治統一部署和決策奠定基礎。

完成了中心城區和組團區縣的分政區地面沉降分析,為各區應對地面沉降提供數據支撐。

3　工作實施

地面沉降監測與分析工作涉及多個學科和多種技術,在實施過程中需要融合地質、巖土、氣象、測繪、計算機以及地理信息等方面的知識。

3．1資料搜集

資料搜集對于地面沉降分析具有重要意義,搜集資料要注意其時效性和權威性,一般遵循“權威部門權威數據”的原則。

本項目搜集的資料有:當前國際國內研究現狀、區域地質概況資料(含地形地貌、區域地質構造、地震和氣象等)、工程地質資料、水文地質資料(含水文地質分區、含水巖組劃分、地下水埋深分布規律、地下水動態數據和地下水下降漏斗資料等)、市區多年城建規模以及歷次高程控制測量數據。

地質資料用于定性分析自然客觀因素對地面沉降的影響,地下水用補量、降水量與城市建設資料可用于定性分析人為因素對沉降的影響,兩者缺一不可。

在定性分析的基礎上,結合多期水準點高程數據,進行定量分析,可以對地面沉降地質災害進行準確量化評估,劃分出可能的地質災害級別。

3．2水準觀測

現勢性強且具有豐富歷史數據的高程資料對于地面沉降定量分析至關重要。

當前技術條件下,確定地面高程的方式有多種,以精密水準測量最為可靠和準確。為此,本次地面監測項目同時布設了一、二等精密水準網,其中一等水準105 km、二等水準1 269 km。

根據沉降點埋設的地質條件,結合觀測點周邊沉降源(如鄰近的高大建筑、水源影響等)評估點位穩定性,為沉降分析奠定基礎。

3．3已有水準數據簡要分析

石家莊市區有過多期精密水準測量資料,但其控制面積差異較大,技術手段也不盡一致。

市區最早的精密水準施測始于1953年,采用光學水準儀觀測,控制面積僅有80 km2;最新的2014年高程控制網采用數字水準儀觀測,控制面積3 200 km2,范圍擴大了40倍;期間穿插了3次控制網擴測與復測。

由于水準點年代跨度久,單純依靠點號信息已無法完成新舊高程匹配。為此,制作了高程控制點Arc-GIS Shapefile數據,通過空間位置匹配完成新舊點號對應。

3．4地面沉降分析

為便于沉降數據分區間統計,根據省政府制定的地面沉降目標制定了石家莊地面沉降預警分析指標。

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

累計沉降量分析時,采用業界常用的200 mm進行統計,根據歷時年代長短分不同區間統計,跨度時間長沉降量大的劃分區間值隨之增大,反之亦然。

地面沉降分析具體步驟:

(1)結合地質條件資料,分析其對沉降的綜合影響;

(2)依次分析相鄰年代的水準點高程變化情況,根據沉降速率值確定研究區沉降與時間階段的關系;

(3)分別以1988和1999年作為不同的首期觀測,分析不同時間起點下,年沉降速率的變化情況,根據各點差異沉降量和累計沉降量判定分析點位穩定性;

(4)根據各監測點的空間位置及其沉降量,以一定的格網密度內插構建模擬沉降地面,并對其進行沉降分析;

(5)結合各區資料,分政區進行模擬沉降地面分析; (6)沉降原因分析,對不同的沉降洼地分析原因; (7)對地面沉降分析進行總結,得出一般性結論。地面沉降分析是整個報告的重點,項目主要采用了點、面沉降分析相結合的方式進行。上文中的步驟(2)和步驟(3)是針對監測點進行的地面沉降分析,步驟(4)和步驟(5)是針對模擬地面進行的面狀沉降分析,兩者互為印證和補充。

特別說明一下模擬沉降地面生成過程:首先根據監測點空間位置構造不規則三角網TIN(分別以累計沉降量和年沉降速率為監測點的Z值構建),然后按照250 m×250 m網格間隔密度,采用雙線性內插計算各點Z值,模擬出沉降地面,最后利用地理信息軟件按照設定的統計區間對其進行可視化統計與分析,同時繪制專題圖件。

3．5沉降分析實例

(1)各點地質穩定性分析

經實地踏勘與調閱地質資料發現:現有的148個沉降點中,有12個點地質條件存在問題。通過各點累計沉降量分析也證實了這一點,其中的5個點存在沉降異常,分析時定性為標石沉降而非地面沉降。

(2)年沉降速率與時間階段的關系

根據復測情況,將沉降分析年度劃分為4區間,形成了如圖1所示的年沉降速率與時間階段的關系圖。結合各階段社會經濟發展、工農業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律。

圖1　年沉降速率與時間階段關系圖

(3)基于沉降點的地面沉降分析

對各期沉降監測重合點沉降量分析,可找出沉降極值點,通過對這些點分析,可以進行沉降地質隱患預警分析。表1是2011年和2014年重合的148個沉降監測點的沉降量分析統計表。

(4)基于模擬地面的沉降分析

基于各沉降點的地面沉降情況,通過構建TIN內插成一定密度的沉降分析網格點,采用GIS技術可直觀看出地面沉降情況,如圖2所示(圖內顏色深的色塊為地面沉降量較大的區域)。

2011～2014期間各點沉降量統計表 表1

圖2　1988～1999年模擬地面沉降量變化圖

4　結 語

項目綜合多種數據源,采用多種技術手段完成,是我院測繪學科與其他學科聯合應用的一次嘗試。

項目緊密聯系民生,為市區和諧發展提供了基礎數據支撐和技術保障,具有重要的社會意義,凸顯了測繪工作在現代社會中的基礎保障作用。

參考文獻

[1] 閻世駿,劉長禮．城市地面沉降研究現狀與展望[J]．地學前緣,1996,3(1～2):93～98．

[2] 李杰．石家莊市區地面沉降分析報告[R]．石家莊: 2014．

[3] 段永侯．我國地面沉降研究現狀與21世紀可持續發展[J]．中國地質災害與防治學報,1998,9(2):1～5．

[4] 陳杰強,凌造．地面沉降研究及其防治[J]．城市建設理論研究·電子版,2012(5)．

[5] 石家莊市規劃院．石家莊市城區暴雨強度公式技術報告[R]．石家莊:2010．

[6] GB/ T 12897-2006．國家一、二等水準測量規范[S]．

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:1672-8262(2015)05-121-03中圖分類號:P642．26

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—06—20

作者簡介:李杰(1974—),男,正高職高級工程師,注冊測繪師,主要從事技術管理與地理信息軟件研發工作。