北京平原區不均勻沉降控制因素研究

鄭佳榮，宮輝力，李青元，陳蓓蓓

(1. 北京工業技術學院,北京 100042； 2. 首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048； 3. 中國測繪科院研究院，北京 100830)

地面不均勻沉降對于北京城市發展的影響日益嚴重，破壞自來水管線、燃氣管線等市政設施,威脅京津、京滬城際鐵路等軌道交通的安全，地面沉降嚴重影響人們生活，威脅制約了首都經濟社會發展建設[1]。宮輝力等采用InSAR技術、多源遙感技術與水文地質學交叉研究北京地面沉降問題[2-3]；張勤采用GPS和InSAR相結合的方法研究西安地面沉降[4-5]；羅小軍采用PS-InSAR技術研究上海市地面沉降[6]。筆者采用北京平原區PS-InSAR時序監測結果(2003—2009年)，結合GIS空間分析，構建沉降速率坡度圖，分析北京市不均勻沉降，進一步反演北京平原區不均勻沉降控制因素。本研究對控制北京平原區不均勻沉降具有實際意義。

1 北京平原區不均勻沉降研究分析

1.1 研究區及數據

本文選取2003—2009年覆蓋北京平原地區的8景Envisat衛星降軌InSAR數據，使用StaMPS軟件，優化PS點，獲取北京平原區大范圍583 129個點的8個時間序列沉降數據(該沉降數據是相對2003年12月的沉降量)。

1.2 研究思路

如圖1所示，首先，采用PSI分析具有穩定散射特征的永久散射點(PS點)來提取北京平原區大范圍583 129個點的沉降速率；其次，對北京平原區地面點沉降速率進行克里金法插值生成沉降速率的柵格數據；再次，對8個時間序列的沉降速率柵格數據分別進行坡度分析，生成8幅沉降速率坡度圖；然后，采集北京平原區地質資料，調研北京平原區地下水抽采水源區及時空變化特征；最后，在沉降速率坡度圖上疊加地質構造數據、水源數據和路網數據，從時間、空間、事件3個維度分析根據沉降速率坡度圖定量分析沉降不均勻時空規律，分析總結北京平原區不均勻沉降控制因素。

圖1 研究思路

1.3 北京平原區不均勻沉降規律分析

沉降速率坡度即采用沉降速率作為高程形成“地形”坡度，坡度越大說明沉降不均勻性越大。圖2 所示為基于北京平原區PS-InSAR時序監測結果進行處理，獲取北京平原區大范圍、多時序地面沉降精確監測信息，構建8個時序沉降速率的坡度圖。對沉降速率坡度圖分析獲取沉降速率變化規律(見表1)。隨著時間變化，一方面沉降速率坡度從0.001 6 逐漸增大到5.6；另一方面沉降速率坡度小于0.5的區域逐漸減小，而大于1.5的區域逐漸增大。這說明隨著時間變化，北京平原區不均勻沉降程度及不均勻沉降區域正在逐漸增加。從圖2和表1 可以看出，2007年沉降速率減小，沉降速率坡度減小，2008年沉降速率和沉降速率坡度劇烈增加。

圖2 2003—2009年8個時序沉降速率坡度

時間沉降速率坡度(S)變化區域S<0.50.5

2 北京平原區不均勻沉降控制因素分析

基于北京平原區不均勻沉降規律分析，筆者疊加地質構造數據、水源數據和路網數據，從時間、空間、事件3個維度分析北京平原區不均勻沉降控制因素，本文選取2009年3月數據，進行典型分析。

2.1 北京市平原區第四系沉積物巖性與厚度對地面不均勻沉降的影響分析

北京市平原區主要由永定河和潮白河沖積扇組組成，兩扇相鄰互相交匯,幾乎控制整個平原地區[7-8]。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。圖3所示黑色扇形區域即永定河和潮白河沖積扇，圖4所示4條黑色線條為斷層構造。劉予[9]將北京沉降區含水巖組組中的黏性圖層劃分為3個可壓縮層組，其中第3壓縮層組壓縮性極低。由圖4、圖5可以看出，黑線圈出區域是第一層和第二層組壓縮層。

圖3 疊加路網和地質構造(2009年3月)

圖4 疊加斷層和地下水開采區(2009年3月)

如圖3所示，沉降速率坡度較大區域是永定河和潮白河沖積扇的扇緣、圖4所示斷層構造區域及圖5和圖6所示壓縮層厚變化區域。以上因素控制區域疊加為朝陽區、順義區西南、通州區西北和海淀區東北。該結果與圖2所示2003—2009年8個時序沉降速率坡度圖一致。說明第四紀第四系沉積物巖性、厚度與構造是地面發成不均勻沉降的內在主控影響因素。

圖5 第一組可壓縮曾等厚分區圖

圖6 第二組可壓縮曾等厚分區

2.2 地下水抽采對地面不均勻沉降的影響分析

北京市區有8座自來水廠開采地下水[10-11]，第九水廠、三廠、四廠、七廠、八廠開采地處淺層水，一廠、二廠、五廠開采地處深層水。圖4是疊加斷層和地下水開采區的北京平原區沉降速率坡度圖。

2004—2007年北京最高日供水量242.5萬m3，2008年奧運會召開之前，北京市區日供水達300萬m3，因此2008年用水量遠遠超過歷年用水量。圖2所示為2008年12月沉降速率坡度圖，沉降不均勻區域擴展加劇，且沉降速率坡度增大。

從2008年9月28日起，南水北調中線的河北應急水源到達團城湖，并陸續進入市政自來水管網中；同時，2008年豐水年對地下水補給。對比2007—2008年，2008—2009年兩個時段沉降速率坡度圖(如圖2所示)，2009年3月不均勻沉降速率變化減緩。

綜上分析，地下水抽采導致北京沉降區含水巖組組中可壓縮層組壓縮，引起相應區域不均勻沉降。

2.3 動載荷對地面不均勻沉降的影響分析

動載荷主要包括地面車輛和地鐵產生的載荷的增加。綜合圖3和圖4，在永定河和潮白河沖積扇的山麓坡積群地帶及沖洪積扇頂部，即使路網密集，沉降速率坡度S小于0.5；在沖洪積扇緣及沖洪積平原區，出現大面積沉降速率坡度S大于1.5。進一步對比圖3和圖4，可以發現圖3路網覆蓋黑色區域，且在同一區域，沉降坡度黑色區域靠近路網。

綜上分析，動載荷導致北京沉降區含水巖組組中可壓縮層組壓縮，引起相應區域不均勻沉降。

3 結 語

本文從自然環境和人類活動影響沉降的兩個方面進行分析，得出以下結論：北京平原區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沙土層是發生地面沉降所必備的地質環境條件，因此，北京平原區地質構造，尤其是第四系沉積物巖性與厚度的差異是地面發成不均勻沉降的內因；地下水大量、持續的抽取活動、地面動載荷的增加使可壓縮層水位被動降低，導致持續性應力轉移、地面沉降范圍不斷擴大，出現大面積不均勻沉降區域，當外因達到一定程度，就表現為控制因素。