精密水準測量在溫泉區地面沉降監測中的應用分析

趙 舒

（福建省地質測繪院，福建 福州 350011）

地面沉降是一種全球范圍內普遍存在的地質災害，這種現象對人類社會的安全和發展構成了嚴重威脅。尤其在我國及世界各地的溫泉區，這種現象的發生更加頻繁且嚴重。這些區域的地表下陷或沉降現象，常常是由地下水或熱水的過度抽取，以及地殼運動等多種復雜因素共同觸發的：地下水或熱水的抽取會導致地下水位下降，從而引起土壤和巖石的壓縮，地面產生下陷；而地殼運動則會引起地表的升降和傾斜，影響地面穩定。這些因素互相交織，導致溫泉區的地面沉降問題具有較高的復雜性，給監測和研究帶來了許多難度。然而，隨著科技的發展和進步，人們已經掌握了一系列有效的技術手段對這一問題進行監測和研究。其中，精密水準測量技術由于其精度高、操作方便等優點，被廣泛應用于地面沉降的監測中。通過精密水準測量，可以準確地掌握地面沉降的狀況和發展趨勢，為溫泉區地面沉降的防治工作提供重要的科學依據。

1 溫泉區地面沉降現象簡述

溫泉區地面沉降是一個常見的地質現象，尤其會出現在活躍的地熱區域。這種沉降主要是由于地下水或者溫泉水的抽取和利用，導致地下的巖石層缺乏支撐而產生下陷。具體來說，當地下的溫泉水被大量抽取時，原本由水分填充和支撐的空間將會空缺，地下的巖石層就會由于重力的作用而下沉，形成地表的沉陷。這種情況在溫泉水的抽取速度快于其自然補充速度時會更加明顯。

溫泉區地面沉降會對當地的建筑、交通設施、水利設施等產生嚴重影響，甚至可能引發地殼穩定性的問題。因此，對溫泉區地面沉降的監測和預防具有重要的實踐意義。第一，保護人身安全。如果地面沉降嚴重，可能會對人們生活帶來安全風險，例如，嚴重的地面沉降可能導致建筑物倒塌，造成人員傷亡。通過采取有效的監測，可以提前預防和處理這些問題，從而更好地保障人身安全。第二，保護基礎設施。地面沉降可能會對各種基礎設施，如建筑物、道路、橋梁、管線等產生嚴重影響。通過對溫泉區地面沉降的監測，可以提前避免或減少因此造成的財產損失。第三，保護環境。溫泉區的地面沉降可能會影響地下水系統，導致地下水污染和地下水位的變化，這很有可能會對當地的生態環境造成破壞。通過對地面沉降的監測，可以幫助及時發現問題并采取相應的措施來避免環境的破壞。

2 精密水準測量技術的簡介

2.1 精密水準測量的概念

精密水準測量是一種專門用于測量地表上不同點之間高差的技術，這項技術涉及使用精密水準儀以及相關設備和工具，如水準桿和基準點等。精密水準測量的主要目的是獲取精確的地表高程數據，其精度可以達到毫米甚至亞毫米級別。精密水準測量不僅可以用于確定地面的形狀和高度分布，還可以用于監測地表的變化，如地面沉降、地殼運動等。在地質學、地震學、工程建設、水利工程等多個領域，精密水準測量都發揮著重要的作用。

2.2 精密水準測量地面沉降監測的原理

精密水準測量可以提供高精度的垂直位移數據，從而有效監測地面的沉降情況，其基本原理是：通過定期測量并記錄地表面上各測點的高程，然后對比不同時間點上的高程數據，以此來判斷是否發生了地面沉降，如圖1 所示。首先在地表選擇一系列具有代表性的測點，然后使用精密水準儀對這些測點進行高程測量，獲取初始的高程數據。在后續的一段時間內，定期對這些測點進行重新測量，并記錄下每次測量的高程數據。將不同時間點上的高程數據進行對比分析。如果某個測點的高程在一段時間內發生了顯著的下降，那么可以判斷該測點處發生了地面沉降。通過對所有測點的地面沉降情況進行綜合分析，就可以得到整個區域的地面沉降狀況，包括沉降的位置、范圍、深度、速度等信息。通過這種方式，精密水準測量能夠提供準確且可靠的地面沉降監測數據，有助于有關單位及時發現和處理地面沉降問題，以防止可能出現的安全風險。

圖1 地面沉降監測示意圖

3 影響測量精度的因素分析

精密水準測量的精度取決于多種因素，包括水準儀的精度、測量環境、操作人員的技術水平等。在理想的條件下，現代精密水準儀的精度可以達到毫米級甚至亞毫米級。但需要注意的是，即使采用精密水準測量也無法做到完全避免誤差，總結來說，其誤差主要來源于以下幾個方面。

第一，儀器誤差，這是由水準儀自身的精度決定的，例如，儀器的調節誤差、讀數誤差、非線性誤差等都會影響測量結果。這就需要使用高精度的水準儀，并要定期校準和維護，保證其長期穩定的性能。

第二，環境誤差，這是由測量環境的變化引起的。例如，溫度、濕度、氣壓、風速等環境因素的變化都會影響水準儀的讀數。為了最大化避免這個誤差因素，盡可能在穩定和理想的環境條件下進行測量，可以降低這些環境因素對測量結果的影響。

第三，操作誤差，這是由操作人員的技術水平和操作規范性決定的。例如，觀測的角度、讀數的精度、儀器的安裝和調節等都需要操作人員具有高水平的技術和經驗。為了最大化避免操作誤差，一方面要提高操作人員的技術水平和操作規范性，通過培訓和實踐提高其測量技術和測量經驗，使其能夠正確地操作水準儀，準確讀取和記錄測量數據。另一方面，可以采用科學的數據處理和分析方法，例如誤差分析、數據平滑、數據校正等，進一步提高測量結果的準確性和可靠性，從而更準確地反映地面的沉降情況。

總的來說，雖然精密水準測量存在誤差，但通過科學的方法和措施，可以有效控制和降低這些誤差，從而保證測量結果的精度和可靠性。

4 精密水準測量在溫泉區地面沉降監測中的應用方法

4.1 監測網絡的布局與觀察

以東南地區的一個溫泉區為研究對象進行精密水準監測，通過布置離散監測點，得到其地表沉降的數據。在建立水準監測網時，必須充分利用現有的地表沉降數據，選擇合適的點位進行水準監測。本項目在現有資料基礎上，在主要沉降區布置了一組精密水準沉降網。

本項水準測量工作遵循國際二級水準的標準，選用了Leica LS15 水準儀及其相匹配的銦鋼線尺進行測量。在進行多級水準觀測時，統一使用了水平儀和轉點尺，同時，也確保了觀測團隊人員的穩定性。在觀測過程中，嚴格控制觀測點的布設，并按規范對i 角、視高、前后視差數值等進行檢查。

4.2 處理數據信息

（1）核實數據。在啟動平差計算之前，對所有收集到的水準測量數據進行了以下七項檢查：一是，對于進行水準測量所用的儀器設備進行性能檢測，確保其工作狀態良好；二是，驗證所收集的資料是否完整無缺；三是，檢查測量水準點，經緯度等記錄的內容；四是，對各測點、往返線路不一致值及早晚測點不對稱情況進行檢驗，以保證各測點的不對稱程度符合規定；五是，檢驗高差表中各測點間的高差計算結果；六是，基于各觀測點回交高差不符合情況，求取千米水準的偶然誤差，并對其進行檢驗，一級水準不大于0.45 mm，二級水準不大于1.0 mm；七是，對各最小合環的閉合環的閉合差和連線的偏差進行檢驗，并對各千米的全部中誤差進行統計。

（2）校正高差。為確保高程變化量的精確性，在每個測量階段均應施加一致的高差校正。文章在各個階段一律加入了以下校正措施：水準尺長度的校正、重力異常的調整、固體潮的校正以及正常水準面非平行性的修正。

（3）選擇起算點。為了確保測區高程數據的準確性，在數據處理過程中，要選擇穩定性較高的巖石固定點；同時，也要保持不同階段測量的基準點一致性。按照相關標準，地面沉降監測網絡的基準點應以巖石基點或巖石水準基點作為參考。通過對周邊區域內現有的一級水準觀測數據進行篩選之后，確定了一個巖石水準基準點作為該研究區的基準點。具體的統計數據詳見表1。

表1 穩定性監測數據表

（4）算出調整值。在地面沉降監測的水平網平差計算中，采納了“間接平差”技術。此技術基于觀測得到的高度差異，遵循總平差理論進行處理。經過調整，第1 階段的精密水準測量網顯示，每公里水平測量的平均誤差為±0.77 mm，最1 弱點的高度誤差達到±1.1 mm。相較之下，同一階段內，每千米水平測量的偶然誤差標準為±0.50 mm，最弱點高程中誤差則為±2.8 mm。

研究數據顯示，兩期水準網絡的觀測精度都很高，可以在一定程度上實現對研究區毫米級地面沉降進行準確觀測。通過對平差計算結果的分析，可以明顯看到，兩個階段的水準監測網在數據處理上具有很高的精度，滿足了對于研究區域內毫米級別地面沉降監控的精確要求。

（5）對探測結果進行分析。通過對地表沉陷進行精確的測量，可以得到更精確的地表沉陷資料。文章分2011 年5 月和2022 年1 月兩個階段進行地表沉降監測。第2 階段地表沉降監測網絡各個基準點的沉降情況如表2 所示，有些部位的沉降是以第1 階段的觀測數據為初值進行的。

表2 該區域精密水準監測結果 單位：mm

在第2 階段觀測中，在兩次測量中選取相同的重合點來計算地面沉降情況，提取各水準點的高程變動值，再用相應的觀測時間間隔相除，得到各水準點的高程變化速率，從而算出地面沉降速率，并插值繪圖，詳見表2。

結果顯示，該地區最大沉降量為62 mm/年，在觀測期間，地表沉降量大于10 mm/年的沉降區面積為2 000 多km2，超過整個研究區總面積的60%。

5 結語

高精度測量技術在處理復雜、多因素引發的地面沉降問題時，具有獨特的優勢。它提供了一種可靠、準確的方法，讓人們能夠更好地理解溫泉區地面沉降的性質、規模和發展趨勢，從而為防治工作提供重要的依據。但是，在其使用的過程中不免會由于儀器、環境和操作等主要因素而導致誤差，相關單位應予以充分的關注，同時采取科學的辦法來盡量避免這些誤差。在具體的應用中，相關單位也通過對監測網絡的科學布局、嚴謹的觀測以及科學的數據處理，有效地提高測量的精度和可靠性。雖然精密水準測量技術在地面沉降監測中具有獨特的優勢，但有時還需要結合其他的測量技術和方法，以實現更全面、更深入的監測。總體而言，精密水準測量技術為人們提供了一個強大的技術工具，但是，也需清楚地意識到，溫泉區地面沉降是復雜的地質問題，還需要有關單位繼續加強科研工作，積極探索和嘗試新的技術和方法，為人類社會的持續發展提供保障。