基于PS-InSAR的2003—2009年北京平原区沉降控制因素分析

2014-07-02郑佳荣宫辉力李青元崔有祯陈蓓蓓

测绘通报 2014年12期

郑佳荣，宫辉力，李青元，崔有祯，陈蓓蓓

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048；2.北京工业职业技术学院，北京 100042；3.首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京 100048；4.首都师范大学城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地，北京 100048；5.中国测绘科学研究院，北京 100830)

郑佳荣1，2，宫辉力1，3，4，李青元5，崔有祯2，陈蓓蓓1，3，4

对融合PS与小基线InSAR技术提取的北京市583129个观测点2003—2009年28个时序的实际数据进行了分析，结合北京市的第四系沉积物岩性与厚度分布情况、北京市地下水抽采地点与取水量等实际数据，分析了北京市平原地区2003—2009年的地面沉降的控制因素，得出了第四系沉积物岩性与厚度是控制地面沉降的地质内因，而人工抽采地下水是导致地面沉降的主要的人为外因的结论。

PS-InSAR；北京平原区；沉降；地下水

一、引言

城区地面沉降给城市生活带来一系列的负面影响，近年来受到社会各界的广泛关注。一个地区的地面沉降受多种因素控制，这些因素的作用机理对预测与控制区域地面沉降具有指导作用。笔者对北京平原地区2003—2009年沉降结果进行分析，进一步反演北京平原区沉降机理，对控制北京平原区沉降具有实际意义。

二、北京平原区沉降数据分析

1.研究区及数据

本文选取2003—2009年覆盖北京平原地区的29景Envisat卫星降轨ASAR数据(图1框线标出影像覆盖区，即研究区域)，采取融合PS与小基线InSAR技术，提取了研究区2003—2009年583 129个点的28个时间序列沉降结果，该沉降结果是相对2003年12月的沉降量。笔者在ArcGIS平台上对这28个时间序列的沉降进行空间插值，生成28幅研究区沉降分布图(图2是28幅中沉降变化的17幅)，分析28幅沉降分布，找到23个沉降趋势变化特征时序，进行最大值、最小值和平均值的定量分析(如图3所示)；同时，对2004—2008年沉降量最大值、最小值和平均值进行定量分析。

图1 研究区域

2.研究区沉降分布分析

1)从图2可以看出，整个研究区是沉降趋势，沉降较大地区是朝阳区、顺义区西南、通州区西北和海淀区东北。通过对583 129个点的沉降量分析，最大沉降量达到－224.68 mm。

图2 研究区沉降分布图

2)从图3可以看出，2004年、2005年、2006年和2008年的趋势是沉降，2007年是逆沉降。其中2005年沉降速率较小。对沉降量进行定量分析，2004—2008年年均沉降量分别为－30.76 mm、－12.99 mm、－1.35 mm、26.77 mm和－70.87 mm。

图3 研究区2004—2008年沉降量

3)4个年份9月份出现逆沉降，4个时间序列出现逆沉降，共8个时间点出现逆沉降。从图2可以看出，除2005年和2009年缺少8月份和9月份数据外，在2004—2008年每年9月份均出现不同程度逆沉降，2007年12月、2008年5月和2009年1月出现逆沉降。

三、北京市平原区沉降机理分析

1.北京市平原区第四系沉积物岩性与厚度对地面沉降的影响分析

北京市平原区主要由永定河和潮白河冲积扇组成，两扇相邻互相交汇，几乎控制了整个平原地区[1]。第四系沉积由山前到平原区一般依次为：山麓坡积群地带、冲洪积扇顶部、扇中部、扇缘及冲洪积平原区。含水层扇顶部为单一的卵砾石含水层，扇中部为2～3层结构的砂卵砾石含水层，扇缘及冲洪积平原区逐渐过渡到多层结构的粗、中砂及细砂、粉细砂。由上游至下游随着平均沉积粒径逐渐减小，黏土层(或黏土类地层)层数增多，总厚度增加[2-3]，含水层的富水性也逐渐变差。不同成因类型的第四系松散沉淀物构成了平原区的地质特性。笔者绘制了冲积扇边界分别覆盖到图2中28幅沉降量分布图上，可以看到，由扇顶部到扇边缘，沉降量逐渐增大。图4(a)是2009年1月份沉降量分析。因此，在疏松的多层含水体系中有一定厚度的正常固结或弱固结的可压缩黏性土层是发生地面沉降所的地质环境条件。

图4 北京市地下水源分布及其沉降分布

沉降量由可压缩厚度决定，刘予[4]将北京沉降区含水岩组中的黏性图层划分为3个可压缩层组。其中第三压缩层组压缩性极低，由图5、图6第一和第二层组压缩层厚度分区可以看出，第一层压缩厚度在50～80 m和第二压缩层厚度50 m以上重合区域是朝阳区、顺义区西南、通州区西北和海淀区东北，该结果和采取融合PS与小基线InSAR技术提取的研究区2003～2009年研究区沉降分析成果一致。这说明第四纪地四系沉积物岩性与厚度是地面发生沉降的内在主控影响因素。

图5 第一组可压缩层等厚分区图

图6 第二组可压缩层等厚分区图

2.地面降雨及地下水抽采影响沉降分析

影响北京市沉降的外因是地下水位。地下水位又受降雨、水径流和人类活动的影响。其中人类活动主要包括地下水开采和施工降水。

(1)降雨及地下水开采分布

在北京地区，2004—2009年均降雨量如图 7 (a)所示，2008年年均降雨量达到638 mm。北京年内降雨主要集中在6—9月之间，其降水量平均达到全年降水量的80%以上。

市区自来水厂包括8座自来水厂开采地下水，分别是第一水厂、第二水厂、第三水厂、第四水厂、第五水厂、第七水厂、第八水厂、丰台水厂；2座水源为地表水水厂，分别是田村山净水厂、第九水厂。三厂、四厂、七厂、八厂开采地处浅层水的水厂，一厂、二厂、五厂开采地处深层水的水厂。图4(b)是北京市地下水开采水源区分布及研究区沉降分布图。

图7 2004—2009年北京市降水及用水结构

(2)沉降分析

从图中可以看出，地下水开采区和融合PS与小基线InSAR技术的提取研究区沉降结果基本一致，在地热水资源集中开采的北京东南城区、小汤山及良乡附近，随开采时间延续和开采量的增加，地热水位呈逐年下降，同时引起地面沉降。从图2可以看出，采集浅层水水源区随着降雨等补给和采集量的控制，较容易出现逆沉降。

供水高峰是地下水开采高峰。北京市自来水集团供水报摘指出供水高峰期为6、7、8三个月。2008年奥运会召开之前，北京市区日供水能力将达300万m3；而2004—2007年最高日供水量242.5万m3，因此2008年用水量远远超过历年用水量。北京夏季降雨对浅层地下水补给滞后和地下水开采高峰导致每年7、8月沉降量达到年内最大，9月份出现逆沉降现象。2008年北京用水高峰，7、8月份用水达到历年最高峰，因此，2008年8月出现大幅沉降(如图2所示)。2008年3月起新开工的工程限制进行施工疏干抽水，2008年5月北京出现逆沉降。因此可以推断施工疏水也在很大程度上影响地下水位。

从图7可以看出[5]，2004—2009年，北京市总用水量变化较小，但用水结构有较大变化。其中环境用水增加3亿m3，生活用水增加1.93亿m3；工业用水减少2.37亿m3，农业用水减少1.19亿m3。用水结构变化决定了供水结构变化，2004—2007年建成并投入运行11座污水处理厂，日处理污水量达到143.73万t，到2009年接近2005年日处理量的3倍。《北京市节约用水办法》规定[6]：自2007年5月1日起，住宅小区、单位内部景观环境用水应当使用雨水和再生水，不得使用自来水。2006年6月23日起，一个多月时间，华新源再生水公司向南护城河补充再生水50万m3，此次向南护城河补充再生水主要是为了进行护城河河道景观用水试验，截止到2006年12月15日，华新源再生水公司已向南护城河补充再生水482万m3，减少京密引水渠500多万m3清洁水源的补水量。在供水总量不变情况下，供水结构变化减少了地下水开采量，同时采取再生水补给等措施对地下水进行补给，可以控制地面沉降，因此，2007年北京市出现逆沉降(如图3所示)，度过2008年奥运会用水高峰。2008年9月28日，南水北调中线的河北应急水源到达团城湖，并陆续进入到集团第三水厂、田村山净水厂、第九水厂，经过水厂净化处理后，进入了市政自来水管网中。初期集团市区水厂实际每天接收“河北水”70万 m3，2008年丰水年对地下水补给。3个因素综合影响，2009年1月和3月出现逆沉降。

3.沉降影响因素

自然环境和人类活动是影响沉降的两个因素。自然环境主要包括地质构造和气象。其中影响地面沉降的地质构造主要是第四纪构造运动造成的第四系沉积物的厚度与岩性的不均一性；气象主要包括降雨及温度。影响沉降的人类活动主要是地下水抽采和载荷增大：地下水抽采主要有作为城市用水的地下水抽采活动和建筑施工中的地下水疏干；载荷主要包括高大建筑静载荷和交通(地面车辆和地铁)产生的载荷增加。

本文着重讨论第四系岩性与厚度和地下水抽采对北京市研究区地面沉降的影响。造成地面沉降的内因是自然环境，人类活动是外因。当外因达到一定程度，就表现为控制因素。目前，北京地区沉降控制因素主要是地下水位降低，而不同区域沉降量的不同，又是第四纪的地质构造运动造成的第四系沉积物的岩性与厚度所决定的。发生地面沉降所必备的地质环境条件是在疏松的多层含水体系中有一定厚度的未固结或弱固结的可压缩砂纸土层。外因是地下水大量、持续的抽取活动使可压缩层水位被动降低，导致有效应力增大，造成持续性应力转移，地面沉降范围不断扩大。