石家庄市区地面沉降监测与分析

李杰,段金增,侯树慧,李慧(．石家庄市勘察测绘设计研究院,河北石家庄 05009; ．河北省测绘产品质量监督检验站,河北石家庄 05003)

石家庄市区地面沉降监测与分析

李杰1∗,段金增2,侯树慧1,李慧1
(1．石家庄市勘察测绘设计研究院,河北石家庄 050019; 2．河北省测绘产品质量监督检验站,河北石家庄 050031)

摘 要:地面沉降监测与分析工作对于促进区域和谐发展具有重要作用,受到城市管理者越来越多的重视。本文结合石家庄市区地面沉降监测与分析项目,重点介绍资料搜集、水准施测和数据分析等方面的内容及具体做法,并总结了项目特点与经验,以期对同行有所借鉴。

关键词:地面沉降；监测；分析

1　引 言

地面沉降是在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象[1]。

地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点,是平原地区主要的地质灾害,成为制约社会、经济可持续发展的重要灾种之一。

为监测地面沉降,石家庄市城建管理部门曾于1988年在主城区范围内,布设了市区首级高程控制暨地面沉降监测网,并先后于1988年、1999年、2001年、2011年和2014年完成5期观测[2]。

2012年3月,国务院批准《2011年～2020年全国地面沉降防治规划》;2014年6月,河北省政府批准《河北省地面沉降防治规划(2012～2020年)》,规定了河北省地面沉降防治规划目标:2015年,沉降速率控制在每年30 mm以内,沉降中心沉降速率控制在每年50 mm以内;2020年沉降速率控制在每年20 mm以内,沉降中心沉降速率控制在每年30 mm以内。

2014年9月23日,石家庄市部分行政区划调整,市区面积扩大,迫切需要掌握新市区地面沉降情况。

基于维护石家庄城市高程控制网现势性以及对地面沉降监测评估的需要,经石家庄市人民政府批准,开展了石家庄市区地面沉降监测与分析项目。

2　完成的主要工作

项目前后历时7个月,主要完成了以下工作:

(1)多数据源资料的梳理与整合

搜集了石家庄市区的地质、水文以及测绘等多方面资料,对各监测点位埋设的地质条件进行了普查。

对历次水准成果进行统一处理,如点号统一(新旧点号对应)、高程基准统一(部分点高程具有大沽高程系成果,均统一到1985国家高程基准)、水准等级统一(部分点同时具有不同年代多个等级的成果)和点之记样式统一等,便于今后统筹使用。

(2)开展了新一期地面沉降监测工作

结合新市区范围,对原有高程控制网进行了扩测,采用数字水准仪完成新一期地面沉降监测网点观测,取得石家庄市区最新的高程控制成果,满足了《石家庄市测绘地理信息管理办法》的有关规定。

(3)完成地面沉降分析与对策研究

对新市区范围地面沉降进行了定性与定量分析,通过构造TIN完成地面沉降模拟,建立了数字沉降地面模型,基本摸清新市区全域地面沉降情况,为市政府地面沉降灾害防治统一部署和决策奠定基础。

完成了中心城区和组团区县的分政区地面沉降分析,为各区应对地面沉降提供数据支撑。

3　工作实施

地面沉降监测与分析工作涉及多个学科和多种技术,在实施过程中需要融合地质、岩土、气象、测绘、计算机以及地理信息等方面的知识。

3．1资料搜集

资料搜集对于地面沉降分析具有重要意义,搜集资料要注意其时效性和权威性,一般遵循“权威部门权威数据”的原则。

本项目搜集的资料有:当前国际国内研究现状、区域地质概况资料(含地形地貌、区域地质构造、地震和气象等)、工程地质资料、水文地质资料(含水文地质分区、含水岩组划分、地下水埋深分布规律、地下水动态数据和地下水下降漏斗资料等)、市区多年城建规模以及历次高程控制测量数据。

地质资料用于定性分析自然客观因素对地面沉降的影响,地下水用补量、降水量与城市建设资料可用于定性分析人为因素对沉降的影响,两者缺一不可。

在定性分析的基础上,结合多期水准点高程数据,进行定量分析,可以对地面沉降地质灾害进行准确量化评估,划分出可能的地质灾害级别。

3．2水准观测

现势性强且具有丰富历史数据的高程资料对于地面沉降定量分析至关重要。

当前技术条件下,确定地面高程的方式有多种,以精密水准测量最为可靠和准确。为此,本次地面监测项目同时布设了一、二等精密水准网,其中一等水准105 km、二等水准1 269 km。

根据沉降点埋设的地质条件,结合观测点周边沉降源(如邻近的高大建筑、水源影响等)评估点位稳定性,为沉降分析奠定基础。

3．3已有水准数据简要分析

石家庄市区有过多期精密水准测量资料,但其控制面积差异较大,技术手段也不尽一致。

市区最早的精密水准施测始于1953年,采用光学水准仪观测,控制面积仅有80 km2;最新的2014年高程控制网采用数字水准仪观测,控制面积3 200 km2,范围扩大了40倍;期间穿插了3次控制网扩测与复测。

由于水准点年代跨度久,单纯依靠点号信息已无法完成新旧高程匹配。为此,制作了高程控制点Arc-GIS Shapefile数据,通过空间位置匹配完成新旧点号对应。

3．4地面沉降分析

为便于沉降数据分区间统计,根据省政府制定的地面沉降目标制定了石家庄地面沉降预警分析指标。

区域年均沉降速率以15 mm/ a作为警戒指标,年均沉降速率≤7．5 mm/ a视为稳定区域,＞7．5 mm/ a且≤30 mm/ a视为次稳定区域;＞30 mm/ a且≤50 mm/ a视为不稳定区域;＞50 mm/ a视为极不稳定区域。

累计沉降量分析时,采用业界常用的200 mm进行统计,根据历时年代长短分不同区间统计,跨度时间长沉降量大的划分区间值随之增大,反之亦然。

地面沉降分析具体步骤:

(1)结合地质条件资料,分析其对沉降的综合影响;

(2)依次分析相邻年代的水准点高程变化情况,根据沉降速率值确定研究区沉降与时间阶段的关系;

(3)分别以1988和1999年作为不同的首期观测,分析不同时间起点下,年沉降速率的变化情况,根据各点差异沉降量和累计沉降量判定分析点位稳定性;

(4)根据各监测点的空间位置及其沉降量,以一定的格网密度内插构建模拟沉降地面,并对其进行沉降分析;

(5)结合各区资料,分政区进行模拟沉降地面分析; (6)沉降原因分析,对不同的沉降洼地分析原因; (7)对地面沉降分析进行总结,得出一般性结论。地面沉降分析是整个报告的重点,项目主要采用了点、面沉降分析相结合的方式进行。上文中的步骤(2)和步骤(3)是针对监测点进行的地面沉降分析,步骤(4)和步骤(5)是针对模拟地面进行的面状沉降分析,两者互为印证和补充。

特别说明一下模拟沉降地面生成过程:首先根据监测点空间位置构造不规则三角网TIN(分别以累计沉降量和年沉降速率为监测点的Z值构建),然后按照250 m×250 m网格间隔密度,采用双线性内插计算各点Z值,模拟出沉降地面,最后利用地理信息软件按照设定的统计区间对其进行可视化统计与分析,同时绘制专题图件。

3．5沉降分析实例

(1)各点地质稳定性分析

经实地踏勘与调阅地质资料发现:现有的148个沉降点中,有12个点地质条件存在问题。通过各点累计沉降量分析也证实了这一点,其中的5个点存在沉降异常,分析时定性为标石沉降而非地面沉降。

(2)年沉降速率与时间阶段的关系

根据复测情况,将沉降分析年度划分为4区间,形成了如图1所示的年沉降速率与时间阶段的关系图。结合各阶段社会经济发展、工农业用水与降水以及地下水漏斗演变等情况找出其中的沉降变化规律。

图1　年沉降速率与时间阶段关系图

(3)基于沉降点的地面沉降分析

对各期沉降监测重合点沉降量分析,可找出沉降极值点,通过对这些点分析,可以进行沉降地质隐患预警分析。表1是2011年和2014年重合的148个沉降监测点的沉降量分析统计表。

(4)基于模拟地面的沉降分析

基于各沉降点的地面沉降情况,通过构建TIN内插成一定密度的沉降分析网格点,采用GIS技术可直观看出地面沉降情况,如图2所示(图内颜色深的色块为地面沉降量较大的区域)。

2011～2014期间各点沉降量统计表 表1

图2　1988～1999年模拟地面沉降量变化图

4　结 语

项目综合多种数据源,采用多种技术手段完成,是我院测绘学科与其他学科联合应用的一次尝试。

项目紧密联系民生,为市区和谐发展提供了基础数据支撑和技术保障,具有重要的社会意义,凸显了测绘工作在现代社会中的基础保障作用。

参考文献

[1] 阎世骏,刘长礼．城市地面沉降研究现状与展望[J]．地学前缘,1996,3(1～2):93～98．

[2] 李杰．石家庄市区地面沉降分析报告[R]．石家庄: 2014．

[3] 段永侯．我国地面沉降研究现状与21世纪可持续发展[J]．中国地质灾害与防治学报,1998,9(2):1～5．

[4] 陈杰强,凌造．地面沉降研究及其防治[J]．城市建设理论研究·电子版,2012(5)．

[5] 石家庄市规划院．石家庄市城区暴雨强度公式技术报告[R]．石家庄:2010．

[6] GB/ T 12897-2006．国家一、二等水准测量规范[S]．

Study on the Land Subsidence Monitoring and Analysis of Shijiazhuang City

Li Jie1,Duan Jinzeng2,Hou Shuhui1,Li Hui1
(1．Shijiazhuang Institute of Surveying,Mapping & Geotechnical Investigation,Shijiazhuang 050019,China; 2．Hebei Provincial Surveying and Mapping Product Quality Supervision and Inspection Station,Shijiazhuang 050031,China)

Abstract:Land subsidence monitoring and analysis work plays an important role in promoting regional harmonious development,more and more attention by city managers．In this paper,combining with the Shijiazhuang city land subsidence monitoring and analysis project,focusing on the data collection,levelling work implementation and data analysis, etc．,and summarizes the characteristics and experience of the project,in order to provide references for peers．

Key words:land subsidence;monitoring;analysis

文章编号:1672-8262(2015)05-121-03中图分类号:P642．26

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—06—20

作者简介:李杰(1974—),男,正高职高级工程师,注册测绘师,主要从事技术管理与地理信息软件研发工作。