天津市地面沉降监测技术应用及发展建议

吕潇文，宋 利，邵 兴，罗建忠

（1. 天津市地质环境监测总站，天津 300191；2. 天津市国土资源和房屋管理局，天津 300042）

天津市地面沉降监测技术应用及发展建议

吕潇文1，宋 利2，邵 兴1，罗建忠1

（1. 天津市地质环境监测总站，天津 300191；2. 天津市国土资源和房屋管理局，天津 300042）

地面沉降监测是防治研究工作的基础，适当的监测方案可以及时准确反映地面沉降地质灾害发育情况。本文介绍了天津市地面沉降监测三十多年发展历程及应用现状，对水准测量、GPS监测、InSAR监测和分层标等监测手段进行对比论述，分析其适用性，并对地面沉降监测工作未来发展提出建议，为其他地面沉降灾害发育地区选取合理的地面沉降监测方案提供参考。

地面沉降；监测技术；适用性分析；发展建议

天津市是我国地面沉降灾害发育最严重的地区之一，最早发现于1923年，发展至今最大累计沉降量超过3.4m。经历了三十多年控沉治理，天津地面沉降得到有效遏制，由年均沉降量100mm下降到年均沉降量20mm。但目前随着区域经济发展，沉降中心发生了转移，有一些区域沉降形势仍然严峻，最大年沉降量超过100mm，不均匀沉降显著，沉降原因也呈现新特点。

天津市自上世纪70年代开始建设地面沉降监测网，结合沉降漏斗分布和原因建立了包括水准、GPS、InSAR和分层标等立体监测网络，对地面沉降发育形势的掌握、沉降原因及机理的研究、沉降防控措施的制定发挥了重要作用[1～4]。

1 天津市地面沉降监测工作历程

天津市地面沉降监测工作是伴随着研究防治工作逐步建设和完善的，在中央和地方财政资金支持下，已发展为全覆盖、多手段的地面沉降监测网，其工作历程主要分为五个阶段：1959～1975年发现阶段：天津市1959年在大地测量中发现地面沉降问题，引起地质和测绘人员的注意，自上世纪六七十年代开始了调查研究工作，对地面沉降情况和原因有了初步认识。

1976～1985年初期阶段：为了解天津地面沉降的原因，开展了专项地面沉降勘查研究。自1978年在区域沉降中心，针对主要地下水开采层位，陆续在二七公园、陈塘庄、大直沽、塘沽、军粮城建设五组分层标，最大深度300米，针对主要的地下水开采层位，监测不同深度地层的变形。

1986～1994年发展阶段：1985年在天津市政府的支持下，全面控沉工作开始。天津市开始布设了地面沉降监测水准一等控制网，并对天津市区、塘沽、汉沽、大港及海河下游区布设二、三等地面沉降水准监测网；为掌握沉降发育层位和软土变形情况，在滨海新区塘沽、汉沽、大港和开发区建设了四组分层标；为了解决长距离引测误差问题，于1988年在市区建设了李七庄基岩标，深度1088m,为当时国内首座超千米的基岩标，在选址、建标工艺、施工技术上都积累了宝贵的经验。

1995～2002年完善阶段：开始应用GPS监测区域地面沉降的试验，其结果表明该技术在天津地区可行。此外天津滨海新区发展建设飞速发展的时期，为了研究滨海新区软土对地面沉降影响，在开发区先后建设磁环浅标，监测浅部地层特别是软土欠固结和次固结变形特点，为滨海新区城市建设安全提供技术支持。

2003年以后新时期：天津市经济建设加速，地面沉降影响因素随之增加，沉降中心也发生转移；首先随着郊县经济的快速发展，局部地区地下水开采量增加，开采深度加大；其次随着滨海新区的大规模建设，填海造陆、建筑基坑降水、密集高层建筑等工程对地面沉降影响日益突出，为了全方位、及时掌握天津市地面沉降情况，监测方法和重点也在调整更新。平面上，天津市地面沉降水准范围已覆盖全市，此外对重点工程如线性工程和填海造陆区开展了专项监测；建成以CORS站和GPS监测点组成的高精度GPS监测网；InSAR技术也逐步应用于地面沉降区域及重点工程监测。垂向上，天津市在近年来新形成了沉降中心，针对逐年加深的地下水开采层位，建设西青分层标，监测深度566m；在滨海地区开采相对集中的地区，针对地下水和地热资源开采现状，建立汉沽分层标，监测深度800m；为了监测滨海新区大规模建设对地面沉降的影响，针对滨海地区海相沉积层由于欠固结和次固结产生的变形特点，先后在开发区、临港工业区建设了四组分层标。

目前天津市已建成覆盖范围广、手段多样、精确度高的立体地面沉降监测网络，三十多年来运行稳定，能够及时准确地反映地面沉降发育情况，在实践中培养了专业人员队伍，长期从事此项工作，积累了大量的数据资料和技术储备，为地面沉降防治工作发挥积极作用。

表1 天津市地面沉降网络监测情况Table 1 Land subsidence monitoring network in Tianjin______

2 地面沉降监测技术应用现状

2.1 地面沉降水准监测

水准测量是地面沉降监测的传统手段。天津市每年开展全市水准联测，掌握地面沉降发展情况和变化趋势。水准测量是目前天津市地面沉降速率图绘制的主要依据。

天津地面沉降水准监测网是1985年在原天津市水准监测网点基础上建立的，水准监测面积已由1985年的1310km2增至2014年的10000km2，监测范围由初期仅天津市区和塘沽区逐步扩展如今已覆盖天津市全境，监测等级由原来的一、二、三等逐步过渡到一等为骨干、二等为基本目标；以宝坻基岩标为起算点，一、二等水准测量线路达到6885.9km，监测频率每年一次，于每年地下水开采高峰期结束后进行。截至2014年天津市地面沉降共有水准点1434个，重点沉降控制区（包括中心城区、滨海新区、高速铁路沿线两侧一公里范围区域、武清城区、静海城区和环城四区）水准点平均间隔为1个/2～3km，一般沉降控制区（除重点控制区以外的地面沉降区）水准点平均间隔1个/3～4km。

水准测量优势：水准测量是目前应用广泛的地面沉降监测方法，具有测量精度高、成果可靠的特点，是地面沉降发育比较严重且监测精度要求较高的地区首选监测方法。水准网建设前期投入小，仪器价格便宜，测量仪器操作及施工过程相对简单。随着近年电子水准仪的普及，降低劳动强度，人为操作误差也得到减小。

水准测量劣势：水准测量工作量大，耗费人力物力成本较高，观测周期长，易受到天气状况、人员条件、不确定因素等外界条件影响，时效性较难保证。水准网由离散的监测点组成，其稳定性受其埋设环境制约，且测量标志由于无人看守易遭受破坏，对测量数据的连续性产生影响。由于基准点距市区远，为了保证精度必须布设长距离的一等骨干水准网，高程基准传递的投入大。从成果表达来看，受布设的沉降监测点数量限制，水准测量从宏观上可以掌握区域沉降的特征，但局部精细分布特征难以精确描绘。

2.2 地面沉降GPS监测

天津市地面沉降GPS监测已开展近十余年，在总结先进地区区域控制GPS沉降监测的基础上，逐步形成了适用于本地情况地面沉降观测与数据处理方案。

天津市区域控制GPS监测网布设采用参照《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314-2009）B级GPS网相关技术要求，基于卫星连续运行基准站网的点观测模式，监测点共分两类：一是均匀分布于天津市各区县的11个CORS连续运行基准站，二是分散埋设于全市重点沉降监测区的35个GPS监测点，见图1。天津GPS地面沉降测量每年一次，于1011月份进行，将35个监测点分批次监测，各批次涉及点同步观测，投入9台GPS接收机，连续监测48小时，数据采样率设定30秒。结合天津市11个全年连续观测的卫星连续运行基准站，保证各点位间均构成直接边，站点平均距离在50KM以内。GPS数据处理基线解算采用的软件是GAMIT10.40，平差处理采用软件为GLOBK采用专用处理软件[7]。

图1 天津市GPS监测点和分层标分布Fig.1 Distribution of GPS and layering marks in Tianjin

为了比较GPS测量成果与水准测量成果的一致性，对比分析部分GPS监测点水准测量成果，应用两期GPS测量所获得大地高变化量dh表示地面沉降，与应用两期精密水准测量方法所获得的正常高变化量dH表示地面沉降，二者较差见表2。可知GPS测量成果与水准测量成果二者较差小于±5mm的站点有12个，占比为43%；较差介于5～10mm之间的站点有9个，占比32%；较差介于10～20mm之间的站点有5个，占比18%；较差大于20mm的站点有2个，占比7%。从以上统计可知，75%的站点较差小于10mm，两种测量方法成果较差占比见图2，充分说明数据解算的高精度和GPS监测地面沉降的可靠性，能够快速准确的反映天津市地面沉降发育总体形势及沉降中心的位置。

表2 GPS测量与水准测量成果较差表Table 2 Comparison of GPS and leveling results

图2 GPS与水准测量成果较差占比Fig.2 Comparison of GPS and leveling results

GPS监测优势：GPS监测具有观测站之间无需通视、定位精度高、观测时间短、提供三维坐标、操作简便、全天候作业等特点。由于观测作业效率高，该方法可以在短时间内完成大跨度平面及高程联测，节省水准联测作业。在满足一定观测条件和计算条件的基础上，得到较高精度的空间三维坐标，对局部重点监测点应用连续基准站能实现高度自动化测量。从精度上看CORS站的结果优于GPS监测点，利用连续站取得高精度监测结果，可以更好的解决单一水准基准点由于长距离引侧带来的误差累计问题，提高水准测量精度。对于未普遍布控水准监测的地区，GPS测量可以捕获较大的变形量、控制主要沉降漏斗，是把握地面沉降总体发育形势方面的便捷手段[8～10]。

GPS监测劣势：在面上监测效果上受监测点位布置网形和点位密度影响，还不能全面反映区域沉降情况。受GPS卫星状态、接收机误差、地球潮汐、相对效应等因素影响，在绝对高程测点上还不能达到很高精度，还不能完全代替二等以上水准测量，特别是对于沉降量较小的地区监测精度有限。此外GPS网在运行维护方面投入较大，近年来监测点的破坏也影响测量的连续性。

2.3 地面沉降InSAR监测

合成孔径雷达干涉（InSAR）技术是以同一地区多景SAR图像为基本处理数据，求取多幅图像的相位差，获取干涉图像，经过相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测技术，具有区域性、快速、准确的优势，适合相干性良好地区的微小、缓慢、连续变形监测，因此适用于地面沉降这种缓变性灾害监测，可以有效把握区域性地表形变趋势。随着处理方法不断进步及高分影响数据的获取InSAR可以达到毫米级精度面状全方位监测。天津市是最早启动地面沉降InSAR监测的地区之一，十多年来以航遥中心为主的多家单位开展了此项研究[11～14]，积累了大量的数据资料和技术储备。从长期应用效果来看InSAR监测成果与水准测量总体趋势一致，能够更详细的刻画区域地面沉降发展情况，已成为沉降监测的成熟且常规手段。目前在重大线性工程的地面沉降监测中，针对其跨地区、走线不一的特点，体现出很强的实用性。

InSAR监测优势：在时效性上优势明显，可在短时间内得到较大范围内包含详细空间信息的地面沉降图，不受天气制约、自动化程度高和经济投入少，特别在未开展系统地面沉降监测，资料匮乏的地区，为获取地面沉降历史和现状情况提供依据。以往中等分辨率InSAR重在解决大范围区域地面沉降全覆盖监测，近年来高分辨率InSAR技术的应用推动了工程性沉降精细化监测的深入发展。

InSAR监测劣势：其精度取决于SAR数据、InSAR技术方法和观测对象变形特征等因素，需要长期大量的数据积累为保证，数据处理专业技术性强，入门门槛较高。在沉降显著监测周期较长时能够取得良好效果，沉降量较小或观测周期要求较短时还不能达到二等水准监测精度。对于冰雪覆盖区、草地、林地等植被覆盖区，由于相干性差，无法获取需要的相位信息，影响测量效果。

2.4 地面沉降分层标监测

分层标监测是地面沉降监测网的重要组成部分，用于掌握不同深度土层变形情况，是在天津市地面沉降勘察、治理历史进程中逐步建立起来的，针对地面沉降发展程度、地下水开采条件和不同的沉降影响因素布设。目前分层标组已积累了三十多年的监测数据，对天津市调整地下水开采，地面沉降机理研究发挥了重要作用，为控沉管理工作提供了坚实的技术保障。

天津市建有基岩标2座，基岩标主要是针对地面沉降水准监测的需要而建设；分层组标14座，深层分层标10组，最大控制深度1200m；浅层分层标4组，最大控制深度58m，全部纳入地面沉降水准监测控制网进行联测见图1，已有部分标组实现自动化实时监测[7]。

地面沉降分层垂向监测方法主要有传统机械标，测量方法包括人工水准测量和静力水准仪自动监测、磁环标、光纤等形式，下面分别说明这几种监测方法的应用情况：从分层标应用来看机械标由于技术成熟、历史悠久，使用更普遍，天津最早期于80年代建设的分层标组目前仍在监测，且数据稳定，精度可达到0.01毫米，长期能够客观反映各层位变形情况，但是分层机械标造价成本高，占地面积大，目前新建分层标选址面临困难。分层标自动监测系统依据水连通液面平衡原理（静力水准），节省人力、监测频率高，但高精度测量设备受温度、湿度、电子元器件寿命等因素影响较大，使用年限一般为5～6年，需要不断维护更新。天津2000年开始在滨海地区埋设磁环标，埋设深度一般在50m以浅，精度为毫米级，监测海岸带地区浅部地层特别是软土变形特征，施工和监测操作简便，但由于天津滨海地区地下水腐蚀性较强，长期易对测量仪器造成破坏影响测量。光纤近年来投入地面沉降监测方面研究，其原理被业界普遍认同，优点是投入相对较小，监测频率高，不受占地影响，国内已开展的光纤沉降监测大多深度在200m以浅，天津近期也做过光纤光栅垂向监测的试验，深度500m，精度0.1mm，但其监测效果跟光线光栅与地层的耦合程度等因素密切相关，成功率受施工工艺影响较大。受用地和造价限制，传统分层标组建设难度增加，从应用前景看光纤光栅监测还需在改进施工工艺方面取得突破才能取代传统监测方法。

长期的分层标监测成果表明，天津市平原区影响沉降的主要层位由80年代Ⅱ、Ⅲ含水组为主，逐渐发展为Ⅲ含水组以下深部地层。滨海地区浅部地层变形量占该地区总沉降量的较大比例。天津市区分层监测标1985年以前，引起地面沉降的层位主要是第Ⅱ含水组地层，占总沉降量的40～50%。1985年以后，随着中心城区开采量的不断减少，特别是第Ⅱ含水组减少的幅度更大，第Ⅱ、Ⅲ含水组水位明显回升，第Ⅱ含水组地层多年呈现为回弹。近年第Ⅱ、Ⅲ含水组地层略有沉降；而第Ⅲ含水组以下沉降占50%以上，是影响沉降的主要层位。

滨海新区塘沽分层监测标1985年以前第Ⅱ、Ⅲ含水组是影响沉降的主要层位，年沉降量为40～60mm/a。1985年控沉措施实施后，第Ⅱ、Ⅲ含水组沉降量逐渐减小，年沉降量由40mm/a减小到10mm/a，第Ⅳ含水组及以下地层年均沉降0～20mm/a。1990年开始第Ⅱ、Ⅲ含水组年均沉降量逐渐减小到10mm/a以下，第Ⅳ含水组及以下地层沉降逐渐增大，年均沉降10～30mm/a。2000年以来，浅部地层受上覆堆土荷载影响，年均沉降4～5mm，占总沉降量比重增大，第Ⅱ含水组年均沉降量小于10mm/a，第Ⅲ含水组出现回弹，第Ⅳ含水组及以下地层沉降减缓，但仍占有主要比重。

图3 市区分层标沉降变化曲线Fig.3 Deformation of layerwise mark in Central

图4 塘沽分层标沉降变化曲线Fig.4 Deformation of layerwise mark in Binhai District

表3 地面沉降监测方法应用对比Table 3 Comparison of monitoring methods for land subsidence

3 地面沉降监测工作发展建议

3.1 动态完善区域地面沉降监测网，建立监测预警机制

落实《全国地面沉降防治规划（2011～2020年）》、《天津市地面沉降防治规划（2013～2020年）》等有关要求，开展天津市地面沉降监测防治工作。天津市从实施控沉措施以来，地面沉降发育程度总体上得到控制，但局部地区随着区域经济发展，水资源的需求加大，地面沉降沉降漏斗发生转移，应根据地面沉降发展、城市规划趋势和重大工程建设布局不断调整补充监测设施，实现各重点防治区都具备垂向和平面的立体监测条件。加强对填海造陆地区、新兴城市规划区和重点工程（如防潮堤、高速铁路、地铁轻轨、输水管线、油气管线等）的地面沉降监测设施的布置，开展地面沉降预测预警指标体系、预警结果综合评价和发布机制研究，保障重大工程安全运营。

3.2 优化监测手段，提高监测水平

目前天津市已建成了包括水准测量、GPS测量、分层标测量、InSAR监测、地下水动态监测等多手段的地面沉降监测网络，长期稳定运行，积累了大量的监测数据和应用经验。下一步要深入梳理不同监测方法的适用性，针对不同的监测目标选取合适的监测方法，探索多种技术融合的方法提高监测精度和效率，降低成本。此外还应适时引进新的技术方法，解决监测防治工作中的难题，提高监测水平。

4 结语

本文梳理了三十多年来天津市地面沉降监测工作的发展，总结了水准、GPS、分层标、InSAR、地下水动态等监测技术的应用情况，并分析其应用特点，每一种监测方法均有其适用条件，选取合适的技术发挥最大效用是需要从业者思考的问题。近年来依托中国地调局地面沉降调查项目，一些空白区也发现了地面沉降灾害，地方政府非常重视，投入人力物力开展防治工作，建议这些地区在监测网布设及监测方法的使用过程中，考虑不同监测方法的技术特点，结合当地地面沉降发育形势、监测目标类型、地形地貌条件等因素统筹规划，才能有的放矢，快速、准确的掌握区域地面沉降发育情况，及时采取有效控沉手段，降低灾害风险。

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The suggestion and application of land subsidence monitoring in Tianjin

LÜ Xiao-Wen1, SONG Li2, SHAO Xing1, LUO Jian-Zhong1
(1.Tianjin Central Station of Geo-Environment Monitoring, Tianjin 300191, China 2.Tianjin Municipal Bureau of Land Resources and Housing Administration Portal , Tianjin 300042, China)

Monitoring is the basis of land subsidence research and control. The status of land subsidence can be obtained accurately and on a timely basis by applying an appropriate monitoring scheme. This article presents the course of development and application of land subsidence monitoring in Tianjin over a period of more than 30 years. The applicability of level monitoring, GPS monitoring, InSAR monitoring, and layered benchmark monitoring methods are analyzed and compared. Recommendations for the development of land subsidence monitoring for the future are made, and a reference for the selection of a monitoring scheme for other land subsidence disaster areas is provided.

land subsidence; monitoring technclogy; applicability analysis; development suggestion

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0026-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.007

2017-04-07

修回日期: 2017-06-03

吕潇文(1983-),女,硕士,工程师,主要从事地面沉降监测研究.

电子邮箱: pauline1983@126.com

联系电话: 022-23682576

中国地质调查局地质调查项目(水[2014]02-031-011);天津市国土资源和房屋管理局科研项目(国土房任[2015]1号)