天津市地面沉降監測技術應用及發展建議

呂瀟文，宋 利，邵 興，羅建忠

（1. 天津市地質環境監測總站，天津 300191；2. 天津市國土資源和房屋管理局，天津 300042）

天津市地面沉降監測技術應用及發展建議

呂瀟文1，宋 利2，邵 興1，羅建忠1

（1. 天津市地質環境監測總站，天津 300191；2. 天津市國土資源和房屋管理局，天津 300042）

地面沉降監測是防治研究工作的基礎，適當的監測方案可以及時準確反映地面沉降地質災害發育情況。本文介紹了天津市地面沉降監測三十多年發展歷程及應用現狀，對水準測量、GPS監測、InSAR監測和分層標等監測手段進行對比論述，分析其適用性，并對地面沉降監測工作未來發展提出建議，為其他地面沉降災害發育地區選取合理的地面沉降監測方案提供參考。

地面沉降；監測技術；適用性分析；發展建議

天津市是我國地面沉降災害發育最嚴重的地區之一，最早發現于1923年，發展至今最大累計沉降量超過3.4m。經歷了三十多年控沉治理，天津地面沉降得到有效遏制，由年均沉降量100mm下降到年均沉降量20mm。但目前隨著區域經濟發展，沉降中心發生了轉移，有一些區域沉降形勢仍然嚴峻，最大年沉降量超過100mm，不均勻沉降顯著，沉降原因也呈現新特點。

天津市自上世紀70年代開始建設地面沉降監測網，結合沉降漏斗分布和原因建立了包括水準、GPS、InSAR和分層標等立體監測網絡，對地面沉降發育形勢的掌握、沉降原因及機理的研究、沉降防控措施的制定發揮了重要作用[1～4]。

1 天津市地面沉降監測工作歷程

天津市地面沉降監測工作是伴隨著研究防治工作逐步建設和完善的，在中央和地方財政資金支持下，已發展為全覆蓋、多手段的地面沉降監測網，其工作歷程主要分為五個階段：1959～1975年發現階段：天津市1959年在大地測量中發現地面沉降問題，引起地質和測繪人員的注意，自上世紀六七十年代開始了調查研究工作，對地面沉降情況和原因有了初步認識。

1976～1985年初期階段：為了解天津地面沉降的原因，開展了專項地面沉降勘查研究。自1978年在區域沉降中心，針對主要地下水開采層位，陸續在二七公園、陳塘莊、大直沽、塘沽、軍糧城建設五組分層標，最大深度300米，針對主要的地下水開采層位，監測不同深度地層的變形。

1986～1994年發展階段：1985年在天津市政府的支持下，全面控沉工作開始。天津市開始布設了地面沉降監測水準一等控制網，并對天津市區、塘沽、漢沽、大港及海河下游區布設二、三等地面沉降水準監測網；為掌握沉降發育層位和軟土變形情況，在濱海新區塘沽、漢沽、大港和開發區建設了四組分層標；為了解決長距離引測誤差問題，于1988年在市區建設了李七莊基巖標，深度1088m,為當時國內首座超千米的基巖標，在選址、建標工藝、施工技術上都積累了寶貴的經驗。

1995～2002年完善階段：開始應用GPS監測區域地面沉降的試驗，其結果表明該技術在天津地區可行。此外天津濱海新區發展建設飛速發展的時期，為了研究濱海新區軟土對地面沉降影響，在開發區先后建設磁環淺標，監測淺部地層特別是軟土欠固結和次固結變形特點，為濱海新區城市建設安全提供技術支持。

2003年以后新時期：天津市經濟建設加速，地面沉降影響因素隨之增加，沉降中心也發生轉移；首先隨著郊縣經濟的快速發展，局部地區地下水開采量增加，開采深度加大；其次隨著濱海新區的大規模建設，填海造陸、建筑基坑降水、密集高層建筑等工程對地面沉降影響日益突出，為了全方位、及時掌握天津市地面沉降情況，監測方法和重點也在調整更新。平面上，天津市地面沉降水準范圍已覆蓋全市，此外對重點工程如線性工程和填海造陸區開展了專項監測；建成以CORS站和GPS監測點組成的高精度GPS監測網；InSAR技術也逐步應用于地面沉降區域及重點工程監測。垂向上，天津市在近年來新形成了沉降中心，針對逐年加深的地下水開采層位，建設西青分層標，監測深度566m；在濱海地區開采相對集中的地區，針對地下水和地熱資源開采現狀，建立漢沽分層標，監測深度800m；為了監測濱海新區大規模建設對地面沉降的影響，針對濱海地區海相沉積層由于欠固結和次固結產生的變形特點，先后在開發區、臨港工業區建設了四組分層標。

目前天津市已建成覆蓋范圍廣、手段多樣、精確度高的立體地面沉降監測網絡，三十多年來運行穩定，能夠及時準確地反映地面沉降發育情況，在實踐中培養了專業人員隊伍，長期從事此項工作，積累了大量的數據資料和技術儲備，為地面沉降防治工作發揮積極作用。

表1 天津市地面沉降網絡監測情況Table 1 Land subsidence monitoring network in Tianjin______

2 地面沉降監測技術應用現狀

2.1 地面沉降水準監測

水準測量是地面沉降監測的傳統手段。天津市每年開展全市水準聯測，掌握地面沉降發展情況和變化趨勢。水準測量是目前天津市地面沉降速率圖繪制的主要依據。

天津地面沉降水準監測網是1985年在原天津市水準監測網點基礎上建立的，水準監測面積已由1985年的1310km2增至2014年的10000km2，監測范圍由初期僅天津市區和塘沽區逐步擴展如今已覆蓋天津市全境，監測等級由原來的一、二、三等逐步過渡到一等為骨干、二等為基本目標；以寶坻基巖標為起算點，一、二等水準測量線路達到6885.9km，監測頻率每年一次，于每年地下水開采高峰期結束后進行。截至2014年天津市地面沉降共有水準點1434個，重點沉降控制區（包括中心城區、濱海新區、高速鐵路沿線兩側一公里范圍區域、武清城區、靜海城區和環城四區）水準點平均間隔為1個/2～3km，一般沉降控制區（除重點控制區以外的地面沉降區）水準點平均間隔1個/3～4km。

水準測量優勢：水準測量是目前應用廣泛的地面沉降監測方法，具有測量精度高、成果可靠的特點，是地面沉降發育比較嚴重且監測精度要求較高的地區首選監測方法。水準網建設前期投入小，儀器價格便宜，測量儀器操作及施工過程相對簡單。隨著近年電子水準儀的普及，降低勞動強度，人為操作誤差也得到減小。

水準測量劣勢：水準測量工作量大，耗費人力物力成本較高，觀測周期長，易受到天氣狀況、人員條件、不確定因素等外界條件影響，時效性較難保證。水準網由離散的監測點組成，其穩定性受其埋設環境制約，且測量標志由于無人看守易遭受破壞，對測量數據的連續性產生影響。由于基準點距市區遠，為了保證精度必須布設長距離的一等骨干水準網，高程基準傳遞的投入大。從成果表達來看，受布設的沉降監測點數量限制，水準測量從宏觀上可以掌握區域沉降的特征，但局部精細分布特征難以精確描繪。

2.2 地面沉降GPS監測

天津市地面沉降GPS監測已開展近十余年，在總結先進地區區域控制GPS沉降監測的基礎上，逐步形成了適用于本地情況地面沉降觀測與數據處理方案。

天津市區域控制GPS監測網布設采用參照《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T 18314-2009）B級GPS網相關技術要求，基于衛星連續運行基準站網的點觀測模式，監測點共分兩類：一是均勻分布于天津市各區縣的11個CORS連續運行基準站，二是分散埋設于全市重點沉降監測區的35個GPS監測點，見圖1。天津GPS地面沉降測量每年一次，于1011月份進行，將35個監測點分批次監測，各批次涉及點同步觀測，投入9臺GPS接收機，連續監測48小時，數據采樣率設定30秒。結合天津市11個全年連續觀測的衛星連續運行基準站，保證各點位間均構成直接邊，站點平均距離在50KM以內。GPS數據處理基線解算采用的軟件是GAMIT10.40，平差處理采用軟件為GLOBK采用專用處理軟件[7]。

圖1 天津市GPS監測點和分層標分布Fig.1 Distribution of GPS and layering marks in Tianjin

為了比較GPS測量成果與水準測量成果的一致性，對比分析部分GPS監測點水準測量成果，應用兩期GPS測量所獲得大地高變化量dh表示地面沉降，與應用兩期精密水準測量方法所獲得的正常高變化量dH表示地面沉降，二者較差見表2。可知GPS測量成果與水準測量成果二者較差小于±5mm的站點有12個，占比為43%；較差介于5～10mm之間的站點有9個，占比32%；較差介于10～20mm之間的站點有5個，占比18%；較差大于20mm的站點有2個，占比7%。從以上統計可知，75%的站點較差小于10mm，兩種測量方法成果較差占比見圖2，充分說明數據解算的高精度和GPS監測地面沉降的可靠性，能夠快速準確的反映天津市地面沉降發育總體形勢及沉降中心的位置。

表2 GPS測量與水準測量成果較差表Table 2 Comparison of GPS and leveling results

圖2 GPS與水準測量成果較差占比Fig.2 Comparison of GPS and leveling results

GPS監測優勢：GPS監測具有觀測站之間無需通視、定位精度高、觀測時間短、提供三維坐標、操作簡便、全天候作業等特點。由于觀測作業效率高，該方法可以在短時間內完成大跨度平面及高程聯測，節省水準聯測作業。在滿足一定觀測條件和計算條件的基礎上，得到較高精度的空間三維坐標，對局部重點監測點應用連續基準站能實現高度自動化測量。從精度上看CORS站的結果優于GPS監測點，利用連續站取得高精度監測結果，可以更好的解決單一水準基準點由于長距離引側帶來的誤差累計問題，提高水準測量精度。對于未普遍布控水準監測的地區，GPS測量可以捕獲較大的變形量、控制主要沉降漏斗，是把握地面沉降總體發育形勢方面的便捷手段[8～10]。

GPS監測劣勢：在面上監測效果上受監測點位布置網形和點位密度影響，還不能全面反映區域沉降情況。受GPS衛星狀態、接收機誤差、地球潮汐、相對效應等因素影響，在絕對高程測點上還不能達到很高精度，還不能完全代替二等以上水準測量，特別是對于沉降量較小的地區監測精度有限。此外GPS網在運行維護方面投入較大，近年來監測點的破壞也影響測量的連續性。

2.3 地面沉降InSAR監測

合成孔徑雷達干涉（InSAR）技術是以同一地區多景SAR圖像為基本處理數據，求取多幅圖像的相位差，獲取干涉圖像，經過相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數據的空間對地觀測技術，具有區域性、快速、準確的優勢，適合相干性良好地區的微小、緩慢、連續變形監測，因此適用于地面沉降這種緩變性災害監測，可以有效把握區域性地表形變趨勢。隨著處理方法不斷進步及高分影響數據的獲取InSAR可以達到毫米級精度面狀全方位監測。天津市是最早啟動地面沉降InSAR監測的地區之一，十多年來以航遙中心為主的多家單位開展了此項研究[11～14]，積累了大量的數據資料和技術儲備。從長期應用效果來看InSAR監測成果與水準測量總體趨勢一致，能夠更詳細的刻畫區域地面沉降發展情況，已成為沉降監測的成熟且常規手段。目前在重大線性工程的地面沉降監測中，針對其跨地區、走線不一的特點，體現出很強的實用性。

InSAR監測優勢：在時效性上優勢明顯，可在短時間內得到較大范圍內包含詳細空間信息的地面沉降圖，不受天氣制約、自動化程度高和經濟投入少，特別在未開展系統地面沉降監測，資料匱乏的地區，為獲取地面沉降歷史和現狀情況提供依據。以往中等分辨率InSAR重在解決大范圍區域地面沉降全覆蓋監測，近年來高分辨率InSAR技術的應用推動了工程性沉降精細化監測的深入發展。

InSAR監測劣勢：其精度取決于SAR數據、InSAR技術方法和觀測對象變形特征等因素，需要長期大量的數據積累為保證，數據處理專業技術性強，入門門檻較高。在沉降顯著監測周期較長時能夠取得良好效果，沉降量較小或觀測周期要求較短時還不能達到二等水準監測精度。對于冰雪覆蓋區、草地、林地等植被覆蓋區，由于相干性差，無法獲取需要的相位信息，影響測量效果。

2.4 地面沉降分層標監測

分層標監測是地面沉降監測網的重要組成部分，用于掌握不同深度土層變形情況，是在天津市地面沉降勘察、治理歷史進程中逐步建立起來的，針對地面沉降發展程度、地下水開采條件和不同的沉降影響因素布設。目前分層標組已積累了三十多年的監測數據，對天津市調整地下水開采，地面沉降機理研究發揮了重要作用，為控沉管理工作提供了堅實的技術保障。

天津市建有基巖標2座，基巖標主要是針對地面沉降水準監測的需要而建設；分層組標14座，深層分層標10組，最大控制深度1200m；淺層分層標4組，最大控制深度58m，全部納入地面沉降水準監測控制網進行聯測見圖1，已有部分標組實現自動化實時監測[7]。

地面沉降分層垂向監測方法主要有傳統機械標，測量方法包括人工水準測量和靜力水準儀自動監測、磁環標、光纖等形式，下面分別說明這幾種監測方法的應用情況：從分層標應用來看機械標由于技術成熟、歷史悠久，使用更普遍，天津最早期于80年代建設的分層標組目前仍在監測，且數據穩定，精度可達到0.01毫米，長期能夠客觀反映各層位變形情況，但是分層機械標造價成本高，占地面積大，目前新建分層標選址面臨困難。分層標自動監測系統依據水連通液面平衡原理（靜力水準），節省人力、監測頻率高，但高精度測量設備受溫度、濕度、電子元器件壽命等因素影響較大，使用年限一般為5～6年，需要不斷維護更新。天津2000年開始在濱海地區埋設磁環標，埋設深度一般在50m以淺，精度為毫米級，監測海岸帶地區淺部地層特別是軟土變形特征，施工和監測操作簡便，但由于天津濱海地區地下水腐蝕性較強，長期易對測量儀器造成破壞影響測量。光纖近年來投入地面沉降監測方面研究，其原理被業界普遍認同，優點是投入相對較小，監測頻率高，不受占地影響，國內已開展的光纖沉降監測大多深度在200m以淺，天津近期也做過光纖光柵垂向監測的試驗，深度500m，精度0.1mm，但其監測效果跟光線光柵與地層的耦合程度等因素密切相關，成功率受施工工藝影響較大。受用地和造價限制，傳統分層標組建設難度增加，從應用前景看光纖光柵監測還需在改進施工工藝方面取得突破才能取代傳統監測方法。

長期的分層標監測成果表明，天津市平原區影響沉降的主要層位由80年代Ⅱ、Ⅲ含水組為主，逐漸發展為Ⅲ含水組以下深部地層。濱海地區淺部地層變形量占該地區總沉降量的較大比例。天津市區分層監測標1985年以前，引起地面沉降的層位主要是第Ⅱ含水組地層，占總沉降量的40～50%。1985年以后，隨著中心城區開采量的不斷減少，特別是第Ⅱ含水組減少的幅度更大，第Ⅱ、Ⅲ含水組水位明顯回升，第Ⅱ含水組地層多年呈現為回彈。近年第Ⅱ、Ⅲ含水組地層略有沉降；而第Ⅲ含水組以下沉降占50%以上，是影響沉降的主要層位。

濱海新區塘沽分層監測標1985年以前第Ⅱ、Ⅲ含水組是影響沉降的主要層位，年沉降量為40～60mm/a。1985年控沉措施實施后，第Ⅱ、Ⅲ含水組沉降量逐漸減小，年沉降量由40mm/a減小到10mm/a，第Ⅳ含水組及以下地層年均沉降0～20mm/a。1990年開始第Ⅱ、Ⅲ含水組年均沉降量逐漸減小到10mm/a以下，第Ⅳ含水組及以下地層沉降逐漸增大，年均沉降10～30mm/a。2000年以來，淺部地層受上覆堆土荷載影響，年均沉降4～5mm，占總沉降量比重增大，第Ⅱ含水組年均沉降量小于10mm/a，第Ⅲ含水組出現回彈，第Ⅳ含水組及以下地層沉降減緩，但仍占有主要比重。

圖3 市區分層標沉降變化曲線Fig.3 Deformation of layerwise mark in Central

圖4 塘沽分層標沉降變化曲線Fig.4 Deformation of layerwise mark in Binhai District

表3 地面沉降監測方法應用對比Table 3 Comparison of monitoring methods for land subsidence

3 地面沉降監測工作發展建議

3.1 動態完善區域地面沉降監測網，建立監測預警機制

落實《全國地面沉降防治規劃（2011～2020年）》、《天津市地面沉降防治規劃（2013～2020年）》等有關要求，開展天津市地面沉降監測防治工作。天津市從實施控沉措施以來，地面沉降發育程度總體上得到控制，但局部地區隨著區域經濟發展，水資源的需求加大，地面沉降沉降漏斗發生轉移，應根據地面沉降發展、城市規劃趨勢和重大工程建設布局不斷調整補充監測設施，實現各重點防治區都具備垂向和平面的立體監測條件。加強對填海造陸地區、新興城市規劃區和重點工程（如防潮堤、高速鐵路、地鐵輕軌、輸水管線、油氣管線等）的地面沉降監測設施的布置，開展地面沉降預測預警指標體系、預警結果綜合評價和發布機制研究，保障重大工程安全運營。

3.2 優化監測手段，提高監測水平

目前天津市已建成了包括水準測量、GPS測量、分層標測量、InSAR監測、地下水動態監測等多手段的地面沉降監測網絡，長期穩定運行，積累了大量的監測數據和應用經驗。下一步要深入梳理不同監測方法的適用性，針對不同的監測目標選取合適的監測方法，探索多種技術融合的方法提高監測精度和效率，降低成本。此外還應適時引進新的技術方法，解決監測防治工作中的難題，提高監測水平。

4 結語

本文梳理了三十多年來天津市地面沉降監測工作的發展，總結了水準、GPS、分層標、InSAR、地下水動態等監測技術的應用情況，并分析其應用特點，每一種監測方法均有其適用條件，選取合適的技術發揮最大效用是需要從業者思考的問題。近年來依托中國地調局地面沉降調查項目，一些空白區也發現了地面沉降災害，地方政府非常重視，投入人力物力開展防治工作，建議這些地區在監測網布設及監測方法的使用過程中，考慮不同監測方法的技術特點，結合當地地面沉降發育形勢、監測目標類型、地形地貌條件等因素統籌規劃，才能有的放矢，快速、準確的掌握區域地面沉降發育情況，及時采取有效控沉手段，降低災害風險。

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The suggestion and application of land subsidence monitoring in Tianjin

Lü Xiao-Wen1, SONG Li2, SHAO Xing1, LUO Jian-Zhong1
(1.Tianjin Central Station of Geo-Environment Monitoring, Tianjin 300191, China 2.Tianjin Municipal Bureau of Land Resources and Housing Administration Portal , Tianjin 300042, China)

Monitoring is the basis of land subsidence research and control. The status of land subsidence can be obtained accurately and on a timely basis by applying an appropriate monitoring scheme. This article presents the course of development and application of land subsidence monitoring in Tianjin over a period of more than 30 years. The applicability of level monitoring, GPS monitoring, InSAR monitoring, and layered benchmark monitoring methods are analyzed and compared. Recommendations for the development of land subsidence monitoring for the future are made, and a reference for the selection of a monitoring scheme for other land subsidence disaster areas is provided.

land subsidence; monitoring technclogy; applicability analysis; development suggestion

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0026-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.007

2017-04-07

修回日期: 2017-06-03

呂瀟文(1983-),女,碩士,工程師,主要從事地面沉降監測研究.

電子郵箱: pauline1983@126.com

聯系電話: 022-23682576

中國地質調查局地質調查項目(水[2014]02-031-011);天津市國土資源和房屋管理局科研項目(國土房任[2015]1號)