福州盆地多源地面沉降監測體系的建立

莊立賢

（福建省地質測繪院，福建 福州 350011）

0 引言

隨著城市建設的發展和擴張，尤其是地鐵、房地產開發等民生工程的日益增多，因工程建設引發的地面沉降災害時有發生。根據《地質災害防治條例》（國務院令第394號）、《國務院關于加強地質災害防治工作的決定》（國發〔2011〕20號）等文件要求，加強城市地面沉降監測工作，最大限度地消除地質災害隱患，保障人民群眾生命財產安全，維護社會安定穩定，福州盆地地面沉降監測體系的進一步完善已成為一項極為重要和緊迫的工作。

1 福州盆地地面沉降研究現狀

據觀測資料，1967—1986年，福州盆地溫泉區內地面累計沉降量為56～414mm，而1987—1988年，地面高程下降了13～74mm。對福州地熱田北部不同時期監測、調查資料進行分析，可以得到漏斗中心地帶不同時期地面沉降速率經歷了以下階段：20世紀60年代為20mm/年；70年代為25～33mm/年；20世紀80年代后期至20世紀90年代初期為40mm/年。1991年6月—1992年6月的觀測顯示，五四路北區沉降量達到74.5mm。

在近6年的時間采用高精度雷達對福州市區地面沉降狀況進行了監測，結果顯示福州市地面沉降總體情況較好，大部分地區地面穩定性較好，但存在明顯的區域性沉降差異特點，有多個沉降漏斗存在，并有加劇的趨勢。數據分析表明，在6年的監測期間，年均沉降率約為-15mm，最大沉降率均出現在倉山區域。最大沉降點位于倉山區建新南路的紅江小區，年均沉降率達到-55.43mm；次大沉降量點位于倉山區南三環飛鳳水岸小區，年均沉降率達到-55.36mm。通過福州盆地InSAR監測結果統計和對比分析表明，不同區域的地面沉降受地下水抽取、河流水系以及各類工程及人類活動擾動綜合影響，尤其是在溫泉分布區，沉降速率與時間呈顯著的非線性特征。

2 存在問題

2.1 監測手段單一

為了解福州城區地面沉降規律，從20世紀60年代至20世紀90年代的監測資料顯示，福州市區主要采用水準測量與實地查證的方式進行，研究范圍主要位于福州盆地地熱田分布區。

2008年7月—2014年6月，采用DS-InSAR技術（永久散射體合成孔經雷達干涉測量）對福州地面沉降狀況進行監測，缺乏地面實測形變數據，PS-InSAR技術監測到的沉降量級只與實地考察形變量進行了比對，而沒有與其他監測數據進行對比。

2.2 先進監測技術的應用推廣不足

上海在世界上率先建立了健全的地面沉降監測網絡，采用28座綜合監測站和1 150個水準點覆蓋全市范圍，同時引進GPS衛星定位系統、建立計算機自動監測站，實現監測網絡觀測、數據采集和傳輸的信息化管理。福州盆地地面沉降監測技術手段較為原始且缺乏連續性，全區未構建統一的監測體系，不易即時捕獲福州盆地地面沉降發展的態勢。

隨著福州市城市建設規模的擴大，福州地鐵1號線、2號線的開通運營及規劃的幾條地鐵線路陸續開工建設，建設工程對福州盆地地表形變的影響缺乏足夠的監測數據。

3 福州盆地多源地面沉降監測體系的構建

3.1 總體技術路線

采用GNSS、INSAR、地質調查、物探勘查、鉆探、精密水準、土體分層沉降標組、傳感器、自動化監測采集、地下水監測網和地理信息系統、5G等技術，形成空間三維、多種技術優勢互補的、多功能綜合性監測網，從而構建天-地協同的多源地面沉降監測體系。及時查明福州盆地地面沉降范圍、規模、成因及其發展趨勢；加強地面沉降災害的防治技術研究，提高監測區域大型工程建設地面沉降預測與防治的能力。總體技術路線如圖1所示。

圖1 福州盆地地面沉降監測技術路線

3.2 技術方法

3.2.1 資料收集

收集福州盆地基礎地質資料、水工環地質勘查資料、市政規劃現狀及遠景規劃資料，監測區域范圍及周邊平面與高程控制點、福州盆地地下水監測站點等基礎信息資料。

3.2.2 GNSS+InSAR

采用InSAR調查地面沉降災害發育現狀，繪制測區監測點分布圖、地面沉降等值線圖，為監測網點以及土體沉降標組的布設提供依據。針對福州市地處大氣水汽飽和云量高的濱海城市，可采用多時相時序InSAR技術開展福州盆地全局地面沉降監測。開展差分干涉技術（D-InSAR）、永久散射體（PS）和小基線集技術（SBAS）等多項InSAR監測，實現低相干區域的微小形變信息提取；開展C波段數據的多時相融合處理算法，提高InSAR監測形變的時空分辨率及其精度。

由于福州盆地植被覆蓋率較高，角反射器的埋設作為人工永久散射體，其在SAR影像上的幅度和相位都很穩定，可以用于監測微小而且緩慢的地表形變，即使在空間基線較大、時間基線較長的條件下也可實施；可以精確地測量某一時間段內毫米級的位移，同時，可捕獲植被繁茂地區的地表形變；CR-InSAR僅需2景數據，即可獲取CR點的相對形變，精度達2mm。InSAR形變觀測值對南北向形變極其不敏感，導致該方法只能在忽略南北向形變的前提下得到可靠的垂直向和東西向形變，影響InSAR形變觀測值精度的因素還有大氣延遲和時間分辨率。

普適型實時GNSS可進行實時連續的三維形變監測。實時GNSS監測既不會遺漏重點區域重要的形變信息，還能夠實現連續監測和早期預警。而且，連續觀測的GNSS實時動態監測系統還能夠為InSAR技術進行大氣效應的消除與改正提供重要的資料，保證了InSAR監測結果的可靠性和準確性。普適型GNSS接收機系統包括鋼制觀測墩、接收天線、接收機、無線通信傳輸模塊、遠程視頻監控設備、自主供電設施、避雷針及相關附屬防護設施等。普適型GNSS實時地面沉降監測系統采用“物聯網＋”模式構建，具有高精度GNSS數據采集功能、大幅降低終端功耗和成本的特點，實現對實時GNSS海量數據進行安全集中管理、集中處理、集中分析，充分發揮“萬物互聯”的優勢。

GNSS實時連續監測系統在正常情況下可實時（每秒）發布變形體的動態變形監測結果。測量精度在水平方向優于2cm，高程方向優于5cm；可在1h內給出小時解結果，水平方向精度優于10mm，高程方向精度優于15mm；可在1d內給出單天解結果，水平方向精度優于5mm，高程方向精度優于10mm；每個季度給出季度解結果，水平方向精度優于3mm，高程方向精度優于5mm。GNSS實時數據處理流程如圖2所示。

圖2 GNSS實時數據處理流程

3.2.3 地質背景調查

監測區應開展地形地貌、基礎地質、水文地質、工程地質等調查。主要開展以第四系地質、基巖、地下水補徑排條件、巖土體特性為主的細化調查，為土體沉降標組的埋設、地下空間三維模型建設、地面沉降機理的研究提供參考數據；在收集資料的基礎上，對已有資料進行分析與發掘，摸清福州盆地第四系地層的厚度與巖性、基巖的埋深與巖性、斷裂以及主要構造線的展布方向、地下水基本特征、巖土體特性；根據巖土體分布和地層組合特征，開展工程地質結構分區；資料缺乏區域以及重點區域采用物探勘查、鉆探的方法予以補充。

3.2.4 災害調查

在InSAR調查地面沉降災害發育現狀的基礎上開展災害調查，主要包括建（構）筑物破壞、地面開裂、橋洞凈空及結構、市政設施破壞、洪澇調查等。災害調查為地面沉降機理的研究、地質災害經濟損失評估與防治提供參考數據。

3.2.5 人類工程活動調查

通過人類工程活動調查，了解人類工程活動過程中荷載和擾動的時空變化對地面沉降的影響。

3.2.6 地面沉降防治情況調查

對已有地下水監測井、回灌井等地面沉降、地裂縫的監測與防治設施和應用情況開展調查，落實地面沉降監測與防治設施的空間分布，根據相關監測數據、水工環地質調查資料以及補、徑、排條件，研究建立地下水流場模型。

3.2.7 地面沉降觀測點埋設

1）土體分層沉降標組建設 土體沉降標組包含基巖標、分層標。分層標是通過鉆探方法分別埋設在地下不同深度土層中的特殊監測點，標點直通地表，隨土層的壓縮、膨脹而升降變化。以基巖標監測地面的總沉降量或總回彈量，客觀反映土體分層變形的微量變化，從而分析地面沉降與地層結構、地下水開采量和水位的關系。地面沉降自動監測設備（如靜力水準儀）、孔隙水壓力計與互聯網相結合，可實現監測數據實時上傳、存儲、分析、預警等。基巖標、分層標應位于同一工程地質結構分區，分層標所處地層應具土體固結、密實的典型特征。土體沉降標組埋設應兼顧城市規劃，以利于長期觀測，避免遭受破壞。

2）地面沉降點埋設 根據InSAR調查地面沉降漏斗的分布情況與地面沉降的速率，按規范要求布設地面沉降觀測點。CR點、GNSS監測點、水準監測點、地下水監測井應有機結合，考慮多點共用，在節約成本的同時，可起到監測成果間的相互驗證，提高監測成果的精確性。

3.2.8 精密水準測量

根據地面沉降及伴生地裂縫測量目的任務、現場情況，合理選取精密水準測量的方法組織測量。

基巖標、基巖點間以一等水準測量的方式敷設項目首級高程控制網，同時與國家一等水準路線聯測。CR點、GNSS監測點、水準監測點、地下水監測井間以基巖標、基巖點為起算，敷設二等水準路線，建立統一的高程基準。測量頻率根據地面沉降監測的實際情況，按相關規范要求設置。

3.2.9 數據庫建設

地面沉降調查與監測結果所獲得的地形地貌、基礎地質、水文地質、工程地質、物理勘查、災害現象、地面沉降防治、水準測量、分層標（組）測量、GNSS測量、InSAR測量、地面沉降綜合研究等各類數據和圖形資料，應經檢查并按數據庫要求格式進行系統整理，建立地面沉降測量數據庫。

3.2.10 地理信息系統研發

福州盆地地面沉降監測地理信息系統建設應堅持“統一領導、統一規劃，統一標準、整合資源，信息共享、促進協同，開放服務、保障安全”的建設方針，夯實地面沉降信息化基礎，提升地質災害分析預警水平；實現對實時監測數據進行安全集中管理、集中處理、集中分析，充分發揮的優勢；基于高性能數據庫，利用WEB、移動終端、App小程序等應用，實現監測結果的實時發布。推進智能管理，提高地面沉降監測工作信息化、智能化水平，實現數據采集標準化。構建完善的地面沉降評價、決策支撐體系，為城市防災減災、規劃建設和可持續發展提供決策依據。及時提出預警和切實有效的防治措施，使地面沉降得到有效控制，最大限度地減少地面沉降災害對經濟社會造成的損失。

4 結語

1）在充分收集、分析、利用已有資料的基礎上，堅持以野外工作與室內綜合研究相結合的原則，依據相關規范、技術要求完成監測工作目標。

2）本底調查僅解決了“有無”的判斷，動態更新方能體現監測價值。選擇以多源、高精度的地面沉降監測方法為手段，達到進一步研究福州盆地地面沉降機理的目的，最終建立福州盆地地面沉降“天-地”協同監測體系。

3）整合自然資源、測繪、水利、規劃、建設等部門布設的監測網點資源，優化布局，一點多用，實現數據共享、相互補充。

4）以福州市區地熱田作為地面沉降監測工作試點，建立標準體系，開展福州盆地地面沉降監測應用示范及推廣。

5）加強沉降觀測設施保護，建立地面沉降監測展示館，成為地面沉降防治科普宣傳和教育的重要基地，普及地面沉降防治科學知識和增強公眾的防災減災意識。