開封市地面沉降監測網絡優化研究

徐郅杰　董偉　王寶紅

摘要：分析開封市地面沉降監測網絡連續監測數據，開展地面沉降發育規律及影響因素研究，優化地面沉降監測網，提升地面沉降的監測預警能力，為開封市自然資源開發及生態文明建設提供基礎資料和科學依據，為類似地區及我省其他城市開展地面沉降監測提供了參考資料和經驗。

關鍵詞：地面沉降;監測網絡優化;開封市

中圖分類號：X141 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）09-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.133

Research on optimization of land subsidence monitoring network in Kaifeng

Xu Zhijie1，2，Dong Wei1，2，Wang Baohong1，2

（1.Geological Environment Monitoring Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016，China;

2.Key Laboratory of Geological Environment Protection of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016，China）

Abstract：Continuous monitoring data of land subsidence monitoring network in Kaifeng is analyzed，research on the development rule and influencing factors of the land subsidence is conducted， the accuracy of land subsidence monitoring network is optimized，and the monitoring and early warning capabilities of the land subsidence is improved.This comprehensive research into land subsidence of Kaifeng is undertaken to provide the basis for the natural resource development and ecological civilization construction of Kaifeng，and to offer reference and experience in land subsidence monitoring research to similar areas and other cities in our province.

Key words：Land subsidence;Monitoring network optimization;Kaifeng City

開封市是河南省18個省轄市之一，是中國歷史文化名城，國際文化旅游城市，中原城市群紡織、食品、化工和醫藥工業基地，鄭州都市圈重要功能區。鄭汴新區為現代產業集聚區、城鄉一體發展的現代復合型新城區、綜合改革核心試驗區、對外開放示范區、環境優美宜居區和為全省乃至中西部地區服務的區域中心。2013年，開封市建成了地面沉降監測網和綜合監測站，是河南省首個開展專業地面沉降監測的城市。

1 開封自然地理

1.1 交通位置

開封市位于河南省中部，西距省會鄭州70km，北臨黃河，西接中牟，南、東被通許、杞縣包圍。市境內公路四通八達，連霍高速公路、鄭徐高鐵自市區北部穿過，隴海鐵路、310國道呈東西向橫貫市區南部，鄭汴快速公路、鄭汴輕軌使兩個城市聯系更加緊密，交通便利。

1.2 氣象水文

開封市屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，冬季寒冷雨雪少，夏季炎熱雨集中;春短干旱風日多，秋季晴和日照長。多年平均氣溫在14℃左右，極端最低氣溫-16℃，極端最高氣溫為42.9℃;多年平均降水量634.2mm，最大年降水量948.3mm，最小降水量310.5mm，多年平均蒸發量1 995.7mm。

開封市主水系主要為黃河流域和淮河流域，其中黃河為地上懸河，河床高出堤外地面7～10m，自西向東流經北部邊界。淮河流域主要為渦河水系的惠濟河、運糧河、馬家河。區內地表水體較多，主要有包公湖、潘家湖、楊家湖、鐵塔湖、陽光湖等。

1.3 地形地貌

開封市地形西北高，東南低，西北地面高程80m左右，東南70m左右，相對高差10m。由西北向東南傾斜，地面坡降1/2000～1/4000。

開封市地貌類型以堆積地形為主，大部分地區屬黃河下游沖積平原，地面開闊平坦，按其形態特征和物質組成可分為泛流平原和黃河河道，按微地貌形態特征可分為河床、漫灘、背河洼地、微傾斜平地、沙丘分布微起伏平地5種類型。

2 開封地沉降歷史

20世紀80年代以來，隨著地下水開采量的增大、地下水水位的下降和地下水水位降落漏斗的形成，地層巖土力學平衡被破壞，在開封市的西部和東南部產生了4個地面沉降漏斗區。據《開封市地面沉降研究報告》（1990年），開封市區1954～1989年總沉降量大于30mm的區域面積達182km2。

根據2011年InSAR解譯成果，開封市老城區范圍地面沉降普遍發育，存在兩個比較明顯的沉降中心：一是分布于開封東部，直徑約3.7km的沉降區;二是在開封市西部，南北長6.4km，東西寬3.9km的沉降區。

3 開封地面沉降監測網簡介

開封市地面沉降監測網于2013年初步建成，由地下水監測網、水準監測網、全球衛星定位監測網及綜合監測站組成。地下水監測網由100個監測點組成，水準監測網由一等水準點66個，二等水準點57個組成，一等水準測量路線179km，二等水準路線長度140km。全球衛星定位監測網由24個監測點組成。

綜合監測站位于開封市東南禹王臺區，共施工1個基巖標孔、6個分層標孔、6個地下水位長期觀測孔、4個孔隙水壓力觀測孔。

建立了地面沉降監測站內自動化監測系統，對監測站基巖標、分層標、分層孔隙水壓力、分層地下水水位進行自動監測、自動傳輸和自動處理。

4 監測網絡優化研究

4.1 開封市近3年的地面沉降發育情況

2014年，開封市地面沉降區為4個，沉降面積530.16km2，占監測面積的96.8%;2015年沉降面積縮小為273.38 km2，占監測面積的52.33%;2016年沉降面積縮小為190.41km2，占監測面積的34.41%。三年來地面沉降范圍、平均沉降量繼續減小，沉降速度趨緩，地面沉降呈現變緩的趨勢。

4.2 開封市地面沉降監測方法研究

在開封市采取了水準測量、GPS監測和InSAR監測3種監測方法。其中精密水準測量是精度最高、最可靠的監測方法;InSAR監測雖然精度能達到毫米級，但在處理工程中需要水準測量結果的配準，因此InSAR監測適合與水準測量和GPS結合，多方法應用進行地面沉降監測。GPS監測從近幾年觀測結果來看，在地面沉降結果不是非常理想，在監測數據處理過程中還有很多技術難題有待進一步研究解決，需要加大技術應用性方面研究，提高監測精度與效率。

4.3 開封市地面沉降影響因素研究

引起開封市地面沉降的原因可分為自然因素及人為因素。自然因素包括構造活動、軟弱土層的自重壓密固結等;人為因素包括過量開采地下水、地下熱水引起的地面沉降。綜合已有資料分析，地下水過量開采是開封市地面沉降的主要原因，人類工程活動、區域性構造運動等因素也是地面沉降發生的因素。

由基坑等地下工程施工引發的工程性地面沉降，已成為開封地面沉降的一個因素。基坑圍護結構變形模式、開挖深度、降水方式等均對基坑周圍的工程性地面沉降影響范圍、最大沉降量及其位置等有密切關系[1]。

4.4 分層標組體系監測研究

2014年以來，淺層F1分層標下降貢獻量均超過45%，說明這個監測層位是主要最主要的壓縮層，但對地面沉降的貢獻率有減小的趨勢;F2分層標沉降貢獻率從13%逐年增大到20.57%，說明該地層對地面沉降總量的影響正逐漸強化。2016年深部的F4、F5、F6在抬升的基礎上出現了下降，其貢獻比之和超過了20%，說明2016年在監測站所在位置的地面沉降其中，深部地層壓縮量有增大的趨勢。

不同深度土層變形量的貢獻比例的變化主要受到相應深度含水層水位變化的影響：年均水位穩定，土層變形量也小而穩;年均水位變幅越大，土層變形量也大，在總沉降量中的占比就大;年均水位勻速小幅下降，年沉降速率在一定范圍內波動;年均水位加速大幅下降，年沉降速率會出現顯著增加[2，3]。

5 監測網優化成效

（1）對于地面沉降量變化比較大的西部、北部區域，原水準監測點的分布明顯偏少;鄭徐高鐵從北部穿過，鄭汴新區人類工程活動也在加劇，因此適當增加了這個區域的水準監測點。

（2）根據3年來的監測結果，開封市南部存在一個沉降漏斗，因此在這個區域增加了監測點，擴大了監測面積，提高了監測點密度。

（3）2014年底，開封縣作為祥符區并入開封市，開封市行政面積從547km2增加到了1 838km2，新增的區域，特別是原開封縣城區，沒有監測網覆蓋，本此優化在新增區域有重點地部署了監測網點。

（4）由于開封市地面沉降監測網絡建成運營、監測的時間尚短，不能完全反應開封市地面沉降的發展趨勢，未來的地面沉降研究需要更多的監測數據，因此，對現階段地面沉降變化不大的區域，其已有的各類監測點未予優化刪減，僅適當地減少其監測頻率，以降低監測運營成本（4）。

6 建議

6.1 加快地面沉降防治立法，為地面沉降防控提供法律保障

目前，有關地面沉降防治的法律條文散布在《水法》《地質災害防治條例》《河南省地質環境保護條例》等法規中，迄今還未制定專門的地面沉降防控法規和配套管理辦法。隨著河南省地面沉降監測網逐步建立，相關部門應盡快制定并實施《地面沉降防控條例》等法規和配套管理辦法，確立地面沉降防控工作的法律地位，明確地面沉降防控工作的責任主體和義務。

6.2 持續開展地面沉降監測工作，實時掌握地面沉降動態變化

斷續、短歷時的監測資料難以支撐地面沉降規律研究和科學開展地面沉降防治活動，應當持續開展地面沉降監測工作，實時掌握地面沉降動態變化，為地面沉降發育規律研究以及地面沉降防控措施設計提供科學翔實的依據。

6.3 實施水資源科學調度，優化地下水開采布局

初步研究表明，過量開采地下水導致水位下降是誘發地面沉降主要因素之一，實施水資源科學調度，調控地下水開采布局則為防控地面沉降的主要手段。

一是優化地下水開采層位;二是地下水人工回灌與含水層修復，通過深井、古河道等將地表水灌入地下含水層， 抬高地下水位;三是加大地表水使用效率，減少地下水開采量。

6.4 合理規劃工程布局，強化防沉措施應用

一是合理規劃高層建筑分布區，酌情降低高層建筑的集聚度;二是改變高層建筑的基坑降水措施，不用或少用管井和井點等降水措施;三是采用樁基礎建設，樁基應穿過高壓縮地層，樁尖持力層盡可能選擇低壓縮、堅固穩定的地層。

7 結語

本研究在綜合分析開封市GPS監測、水準監測、分層標體系監測、地下水位變化等數據的基礎上，討論了地面沉降影響因素，結合開封市社會經濟發展現狀，提出了優化建議。根據本研究結果，最終在祥符區城區和所轄鄉鎮重點增設監測點，同時在市區主要沉降區域加密布設監測點，在原有監測網局部點位間距較長區域增設中間點，共計新增了52個監測點，監測網絡更加完備合理。

參考文獻

[1]楊天亮.深基坑減壓降水引發的地面沉降效應分析[J].上海國土資源，2012，33（3）：41-44+70.

[2]姜媛，田芳，羅勇，等.北京典型地區分層地面沉降與地下水位變化關系[J].南水北調與水利科技，2015，13（1）：95-99.

[3]朱菊艷，郭海明，李文鵬，等.華北平原地面沉降與深層地下水開采關系[J].南水北調與水利科技，2014，12（3）：165-169.

[4]董國鳳，張蕾，趙全，等.天津市塘沽區地面沉降監測網絡優化[J].武漢大學學報（信息科學版），2006，31（11）：1015-1017.

收稿日期：2020-07-01

作者簡介：徐郅杰（1982-），男，漢族，碩士，工程師，研究方向為水文地質、工程地質、環境地質。