道路交通對北京平原區沉降的影響

鄭佳兵，鄭佳榮，張麗麗，司典浩，張 超，陳蓓蓓

（1.中國礦業大學（北京），北京 100083；2.北京工業技術學院，北京 100042；3.北京市政建設集團有限公司試驗中心，北京 100097；4.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048）

0 引言

地面沉降是引起地質災害的因素之一。地面沉降對北京城市建設和基礎設施已經造成一定程度的危害。在部分沉降區曾發現工廠、居民區樓房墻壁開裂、地基下沉、地下管道工程損壞等險情，一些建筑物的抗震能力和使用壽命也受到影響。此外，地面沉降可能引發地裂縫和測量水準點失準，對城市建設的布局和規劃都造成了隱患。研究道路交通對北京平原區沉降的影響，可為北京平原區沉降災害提供預警。

目前國內外學者針對地面沉降監測、成因機理等方面進行了諸多的研究與討論。Ferretti 等[1]提出PS-InSAR 技術并將其應用于城市的地表形變監測，精度達到厘米級。陳強[2]和Liu 等[3]將PS-InSAR 技術應用于上海的城市地面監測。宮輝力等[4-6]采用InSAR 技術監測北京地面沉降。Yan 等[7]采用InSAR 技術監測墨西哥城市地表形變。賈洪果等[8]采用PS-InSAR 技術提取天津市西青道以及京滬高鐵的部分路段沉降信息。目前，InSAR 技術廣泛應用于大面積沉降監測。Chen等[9]指出由于北京長年對地下水資源進行大量開采，導致局部地區出現地面沉降現象。鄭佳榮等[10-12]采用三維地質建模分析了北京沉降影響因素，提出北京平原區第四系沉積物巖性與厚度差異（沖積扇的扇緣、扇中和扇根）是引起地面沉降差異的內因。周玉營等[13]采用PS-InSAR技術監測京津高鐵北京段沿線地面沉降，獲取京津高鐵北京段沿線地面沉降的分布信息。周超凡等[14]利用北京東部地區沉降數據反推道路交通狀況，認為北京東部的道路交通及其流量和載荷影響地面沉降。劉凱斯等[15]對北京地鐵6 號線進行沉降監測，發現自西向東沉降逐漸增大，分析其原因是6 號線自西向東是從永定河沖積扇頂部到扇緣，證實北京平原區地質沉積環境影響地面沉降。盡管國內外學者對地表監測方法和成因機理進行諸多研究，并取得很大進展，但由于沉降成因機理的復雜性及沉降數據的時效性，目前有關道路交通引起沉降的深入研究較少。本文主要研究作為外因之一的道路交通疊加在第四系沉積構造上對北京平原區沉降的影響，以期更好地實現對北京平原區沉降災害預警。

1 北京平原區沉降分析

1.1 研究區及數據

本文以北京平原區為研究區，對2003—2009年覆蓋北京平原地區的7景Envisat衛星降軌InSAR數據進行處理，獲取北京平原區大范圍583 129個點的沉降數據。一方面，對7個時間序列583 129個點沉降速率，采用ArcGIS 進行空間內插值，得到北京平原區7個時間序列沉降數據；另一方面，選取研究區內道路交通主干道進行空間緩沖分析，獲取主干道路1 000m 緩沖區，該區域即為道路交通影響區。

1.2 研究思路

如圖1 所示，采用PSI 分析具有穩定散射特征的永久散射點，提取北京平原區大范圍583 129個點的沉降速率，通過克里金法對北京平原區地面點沉降速率進行插值，生成2003—2009 年7 個時間序列沉降速率的柵格數據。然后，通過對比北京平原區沉降趨勢和沉降漏斗位置確定沉降數據的可靠性。采用ArcGIS 對相鄰年份的柵格數據進行計算，生成每個年份沉降量柵格數據。

圖1 研究思路

劃分沉降區間，采用ArcGIS 對各個時間序列沉降柵格數據進行空間柵格計算，統計各個沉降區間面積，定量分析研究區沉降規律。同時，采用ArcGIS 對研究區道路交通進行空間緩沖分析獲取500m 和1 000m 緩沖區，即道路交通影響沉降區域。把道路緩沖區和7 個時序沉降柵格數據分別進行空間疊加分析，提取各個年份道路交通影響區柵格沉降數據。然后，統計道路緩沖區內沉降面積大小。最后，對比道路交通影響區內沉降面積分布和整個研究區沉降面積分布，定量分析道路交通對北京平原區沉降的影響，確定道路交通和北京平原區沉降之間的關系規律。

1.3 北京平原區沉降數據分析

圖2所示北京平原區沉降柵格數據和路網圖，是通過對Envisat 衛星降軌InSAR 數據處理獲取北京平原區大范圍583 129 個點的沉降數據，進一步插值生成2003 年12 月—2004 年12 月的沉降數據，橢圓圈出的紅色區域是北京平原區沉降量大于60mm以及沉降量在50～60mm的區域。

北京平原區沉降漏斗如圖3 所示，紅色橢圓區域分別是北京4 個沉降漏斗區，東郊八里莊—大郊亭、東北郊—來廣營、昌平沙河—八仙莊和順義平各莊。對比圖2 和圖3 可以看出，北京平原區沉降數據顯示，沉降較大區域和北京平原區4 個沉降漏斗區域一致，因此，研究獲取的北京平原區沉降數據和北京平原區沉降趨勢一致。把7個時間序列沉降數據與圖3對比，盡管各個時間序列沉降量不同，但沉降趨勢和圖3一致，因此，研究區沉降數據可靠。

圖2 2004年北京平原區沉降柵格數據和路網圖

1.4 北京平原區沉降分布及趨勢分析

（1）從時間角度看，北京平原區沉降趨勢

采用ArcGIS 對7 個時間序列相鄰年份的沉降速率柵格數據進行計算，生成每個年份沉降量柵格數據（見圖4）。圖4（a）～圖4（d）是按時間順序選取4 個時序沉降數據。沉降量柵格數據顏色從深綠、淺綠、黃色、淺紅色到深紅色代表沉降量從小到大逐漸增加。從圖4 可以看出，隨著時間推移，北京平原區沉降整體趨勢加大，2008 年出現劇烈沉降。

（2）從空間角度看，北京平原區沉降分布

圖3 北京平原區沉降漏斗

圖4 北京平原區沉降數據

從空間角度分析2004—2009年沉降，發現沉降空間分布趨勢一致。圖4 展示了4 個時間序列沉降量分布，可以看出沉降空間分布趨勢，其中紅色沉降區位于東北部和東南部，即東郊八里莊—大郊亭、東北郊—來廣營、昌平沙河—八仙莊和順義平各莊。從北京平原區地質構造角度看（見圖5～圖6），疊加永定河沖擊扇和潮白河沖積扇的2004年和2008年沉降數據，藍色框區是沖積扇結構，顏色由淺到深分別是扇頂部、扇中部和扇緣。圖5中，2004年沉降量大于50mm的紅色區域幾乎位于沖積扇扇緣部位；圖6中，2008年沉降量大于60mm 的紅色區域大部分被沖積扇扇緣包圍。疊加沖積扇的2004—2009年沉降數據，發現7個時序的沉降區都位于永定河和潮白河沖積扇扇緣。

圖5 2004年沉降分布及沖積扇

圖6 2008年沉降分布及沖積扇

（3）北京平原區沉降定量分析

在了解北京平原區沉降空間分布及變化趨勢的基礎上，對北京平原區7 個時間序列沉降數據進行重分類，實現沉降量區間劃分，生成對應屬性數據。選擇沉降區間，基于柵格大小和柵格數量計算各個沉降區間面積大小，進一步統計各個沉降區間面積。表1 和表2 分別列出2004 年和2008 年北京平原區沉降量和沉降面積統計數據。2004—2008 年北京平原區沉降量的最大值逐年遞增，從2004 年的76.44mm 遞增到2008 年的231.02mm。沉降量大于60mm 的區域從2004 年的12.84km2遞增至2008 年的982.83km2。2004 年和2008 年沉降量在21～40mm 區間的沉降面積最大，分別是3 614.32km2和1 439.84km2。并且，其他沉降量區間的沉降面積變化趨勢一致。

表1 2004年北京平原區沉降量統計

表2 2008年北京平原區沉降量統計

（4）影響北京平原區沉降因素分析

根據以上分析得出沉降分布及變化趨勢為：①隨著時間變化，沉降面積和沉降量逐漸增加，2008 年出現大區域沉降及劇烈沉降；②沉降區域位于永定河沖擊扇和潮白河沖積扇扇緣。

永定河和潮白河沖積扇由山前到平原區分布分別為山麓坡積群地帶、沖洪積扇頂部、扇中部、扇緣。地質構造的壓縮層從沖積扇頂部、中部到扇緣逐漸增厚。在沖積扇的扇緣部位，在地下水位及外在因素作用下更易導致沉降，因此，沉降區域分布于扇緣。2008 年奧運會北京市區日供水達300萬m3，遠遠超過歷年日供水量242.5萬m3。2008年在沖積扇扇緣出現大范圍劇烈沉降。

2 道路交通對北京平原區沉降的影響分析

根據北京平原區沉降影響因素分析結果，選取2008年奧運會前后兩個典型時段數據進行定量分析，從空間、時間、事件3 個維度定量分析道路交通對北京平原區沉降的影響。

2.1 道路交通影響區沉降數據處理

（1）道路交通選擇及數據處理

道路交通選擇地面主干路和次干路、地鐵及鐵路（見圖7）。圖7所示紅色為地鐵1號線、2號線、5 號線（2007 年10 月開通）、13 號線（2003年1月開通）、10號線一期和8號線一期（2008年10 月開通）；鐵路符號表示鐵路線；深黑色為地面主干路，淺灰色是地面道路次干道。

（2）道路交通影響沉降典型時序及研究區選擇

考慮地質構造、降雨及地下水抽采等影響地面沉降的因素，選取2003 年12 月—2004 年12 月和2007年12月—2009年3月這兩個典型時段的沉降數據進行研究；選擇北京市平原區道路交通的500m、500～1000m和1 000m緩沖區內的沉降數據進行分析。考慮到2009 年3 月之前地鐵主要分布在沖積扇中部，其地質構造使得地鐵引起的沉降不明顯，鐵路和地面主干道緩沖區重合，因此不進行分類統計。

（3）道路交通影響區沉降數據提取

2003 年12 月—2004 年12 月道路緩沖區沉降如圖8 所示。圖8（a）和8（c）是對2004 年北京市的地面交通道路、地下交通道路及鐵路作500m緩沖區和500～1000m 緩沖區。以緩沖區為界限構建道路交通影響區域，把該區域和北京平原區沉降柵格數據進行疊加求交集，提取2003 年12 月—2004年12月道路交通影響區內沉降數據，見圖8（b）和8（d）。

圖7 北京平原區道路交通

2007年12月—2009年3月道路緩沖區沉降如圖9 所示。如圖9（a）和圖9（c）所示，對2009 年北京市的地面交通道路、地下交通道路及鐵路數據作500m 緩沖區和500m～1000m 緩沖區，以緩沖區為界限，提取2007年12月—2009年3月沉降數據，如圖9（b）和圖9（d）所示。

基于以上數據，劃分沉降量區間，計算沉降面積，統計道路交通影響500m 緩沖區和500～1000m緩沖區內的各個沉降區間的沉降面積。

圖8 2003年12月—2004年12月道路交通緩沖區及沉降數據

圖9 2007年12月—2009年3月道路交通緩沖區及沉降數據

2.2 道路交通對北京平原區沉降影響定量分析

表3和表4分別是2003年12月—2004年12月和2007年12月—2009年3月兩個時段道路交通影響區內沉降量統計值。

表3 2003年12月—2004年12月道路交通影響區內沉降面積

表4 2007年12月—2009年3月道路交通影響區域內沉降面積

（1）從空間角度看，道路交通對北京平原區沉降影響定量分析

如表3 所示，把2003 年12 月—2004 年12 月道路交通影響區內沉降量劃分為6 個區間，對比分析道路交通緩沖區內沉降面積占總沉降面積百分比，該值最大為62.72%，最小為39.24%，且占比最小的是沉降量0～10mm 區間。2003 年12 月—2004 年12 月沉降量大于60mm 的總沉降面積為12.84km2，其中道路交通影響500m 范圍內沉降面積達到3.25km2，1 000m 范圍內沉降面積達到7.36km2且占總沉降面積的57.33%。

如表4 所示，把2007 年12 月—2009 年3 月道路交通影響區內沉降量劃分為9 個區間。在9 個區間中，道路交通緩沖區內沉降面積占總沉降面積最大為87.81%，最小為51.57%，且占比最小的是沉降量41～60mm 區間。沉降量大于110mm的區間，總沉降面積為89.86km2，其中道路交通影響500m范圍內沉降面積為44.85km2，1 000m范圍內沉降面積為78.90km2且占總沉降面積87.81%。

圖10 是2003 年12 月—2004 年12 月道路交通500m 緩沖區、500～1000m 緩沖區和1 000m 緩沖區內沉降面積占總沉降面積統計圖。道路緩沖區500m以內沉降面積明顯大于500～1000m區域沉降面積。圖11是2007年12月—2009年3月道路交通500m緩沖區、500～1000m緩沖區和1 000m緩沖區內沉降面積與總沉降面積之比統計圖。對比圖10和圖11可知，兩個時段柱狀圖分布趨勢相同，說明隨著與交通路網距離的增加，沉降面積逐漸減少。

圖10 2003年12月—2004年12月道路交通影響區沉降面積占比

圖11 2007年12月—2009年3月道路交通影響區沉降面積占比

分別把2003 年12 月—2004 年12 月和2007 年12 月—2009 年3 月兩個時段道路交通影響區沉降面積與總沉降面積進行對比。如圖12 和圖13 所示，兩個時段的沉降總面積、道路交通1 000m 緩沖區內沉降面積、道路交通500m 緩沖區內沉降面積以及道路交通500～1000m 緩沖區內沉降面積分別是藍色、橘色、灰色和紫色曲線。可以看出，4 種顏色曲線走向完全一致，即道路交通影響區域沉降面積和研究區的總沉降區間趨勢一致，因此，從空間分布角度看，道路交通是影響北京平原區沉降的主要因素之一。

圖12 2003年12月—2004年12月道路交通影響區沉降面積和總沉降面積對比

圖13 2007年12月—2009年3月道路交通影響區沉降面積和總沉降面積對比

（2）從時間角度看，道路交通對北京平原區沉降影響定量分析

對比表3 和表4 可以看出，2007 年12 月—2009 年3 月，沉降量大于60mm 區間，道路交通影響區內沉降面積達到了631.43km2（占總沉降面積87.81%），遠大于2003 年12 月—2004 年12 月的道路交通影響區內沉降面積7.36km2（占總沉降面積的57.33%）。隨著時間推移，道路交通影響沉降區域面積及沉降量增大。2003年12月—2004年12 月道路交通影響區沉降面積最小值39.24m2對應的沉降量區間為0～10mm，在2007 年12 月—2009 年3 月道路交通影響區沉降面積最小值51.57m2對應沉降量區間為41～60mm。因此，隨著時間變化，道路交通影響區不均勻沉降呈增大趨勢。

（3）從事件角度看，道路交通對北京平原區沉降影響定量分析

2007 年12 月—2009 年3 月處于奧運會前后。如表4和圖11所示，一方面，2007年12月—2009年3月研究區沉降量明顯大于2003年12月—2004年12 月，沉降量劇烈增加；另一方面，2007 年12 月—2009 年3 月時段，沉降量大于60mm 的面積達到329.32km2，沉降量大于110mm 的面積達到89.86km2，沉降范圍劇烈增加。說明由于2008 年奧運會影響，地下水抽采，道路交通的動載荷劇烈增加等因素，導致北京平原區沉降加劇。

（4）道路交通對北京平原區沉降影響結論

從空間角度看，一方面，在永定河沖積扇和潮白河沖積扇扇緣，隨著與道路距離的增加，沉降量逐漸減小，沉降面積逐漸減小，說明道路交通是影響沉降的主要外部因素之一；另一方面，對比圖6、圖8 和圖9，可以看出在永定河沖積扇扇中部和扇頂，即使在道路交通緩沖區內，沉降量也遠遠小于永定河沖積扇和潮白河沖積扇扇緣部分沉降量，因此，北京平原地質沉積構造差異是引起沉降的內因，道路交通產生的動載荷是引起沉降及加劇沉降的外因。從時間角度看，隨著時間推移，沉降量逐漸加大，沉降面積逐漸加大。從事件角度看，2008 年奧運會前后，由于地下水抽采，道路交通壓力增加，北京平原區沉降加劇。在永定河沖積扇的扇中部和扇頂部，在道路交通緩沖區內沉降較少，因此，地質沉積構造是地面沉降內因；在永定河沖積扇扇緣，隨著與道路距離的增加，沉降量逐漸減小，沉降面積逐漸減小，說明道路交通是引起沉降的主要外因。

3 結語

本文選擇2008 年奧運會前后兩個典型時段，以北京平原區道路交通緩沖區作為研究區，從時間、空間及事件三方面定量分析了道路交通對北京平原區沉降的影響，得出以下結論：隨著時間、事件變化，道路交通影響沉降區占總沉降區50%以上，最大達到87.81%；從空間看，隨著與道路交通距離的增大，沉降量減少，因此，道路交通是影響沉降的主要因素之一。在北京平原區西南區域，永定河沖積扇扇中部和扇頂部，在動載荷影響區域內，沉降量遠遠小于扇緣區域，因此，道路交通是引起北京平原區沉降的外因。

本文重點研究道路交通對北京平原區沉降的影響，以期對北京市平原區沉降災害進行預警。但對第四系沉積構造與現代斷裂體系分析還不夠詳細，也沒有考慮高大建筑群的影響。下一步，可在詳細分析第四系沉積構造與現代斷裂體系及高大建筑群靜載荷的基礎上，進一步研究道路交通對地面沉降的影響。