北京平原区不均匀沉降控制因素研究

郑佳荣，宫辉力，李青元，陈蓓蓓

(1. 北京工业技术学院,北京 100042； 2. 首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048； 3. 中国测绘科院研究院，北京 100830)

地面不均匀沉降对于北京城市发展的影响日益严重，破坏自来水管线、燃气管线等市政设施,威胁京津、京沪城际铁路等轨道交通的安全，地面沉降严重影响人们生活，威胁制约了首都经济社会发展建设[1]。宫辉力等采用InSAR技术、多源遥感技术与水文地质学交叉研究北京地面沉降问题[2-3]；张勤采用GPS和InSAR相结合的方法研究西安地面沉降[4-5]；罗小军采用PS-InSAR技术研究上海市地面沉降[6]。笔者采用北京平原区PS-InSAR时序监测结果(2003—2009年)，结合GIS空间分析，构建沉降速率坡度图，分析北京市不均匀沉降，进一步反演北京平原区不均匀沉降控制因素。本研究对控制北京平原区不均匀沉降具有实际意义。

1 北京平原区不均匀沉降研究分析

1.1 研究区及数据

本文选取2003—2009年覆盖北京平原地区的8景Envisat卫星降轨InSAR数据，使用StaMPS软件，优化PS点，获取北京平原区大范围583 129个点的8个时间序列沉降数据(该沉降数据是相对2003年12月的沉降量)。

1.2 研究思路

如图1所示，首先，采用PSI分析具有稳定散射特征的永久散射点(PS点)来提取北京平原区大范围583 129个点的沉降速率；其次，对北京平原区地面点沉降速率进行克里金法插值生成沉降速率的栅格数据；再次，对8个时间序列的沉降速率栅格数据分别进行坡度分析，生成8幅沉降速率坡度图；然后，采集北京平原区地质资料，调研北京平原区地下水抽采水源区及时空变化特征；最后，在沉降速率坡度图上叠加地质构造数据、水源数据和路网数据，从时间、空间、事件3个维度分析根据沉降速率坡度图定量分析沉降不均匀时空规律，分析总结北京平原区不均匀沉降控制因素。

图1 研究思路

1.3 北京平原区不均匀沉降规律分析

沉降速率坡度即采用沉降速率作为高程形成“地形”坡度，坡度越大说明沉降不均匀性越大。图2 所示为基于北京平原区PS-InSAR时序监测结果进行处理，获取北京平原区大范围、多时序地面沉降精确监测信息，构建8个时序沉降速率的坡度图。对沉降速率坡度图分析获取沉降速率变化规律(见表1)。随着时间变化，一方面沉降速率坡度从0.001 6 逐渐增大到5.6；另一方面沉降速率坡度小于0.5的区域逐渐减小，而大于1.5的区域逐渐增大。这说明随着时间变化，北京平原区不均匀沉降程度及不均匀沉降区域正在逐渐增加。从图2和表1 可以看出，2007年沉降速率减小，沉降速率坡度减小，2008年沉降速率和沉降速率坡度剧烈增加。

图2 2003—2009年8个时序沉降速率坡度

时间沉降速率坡度(S)变化区域S<0.50.5

2 北京平原区不均匀沉降控制因素分析

基于北京平原区不均匀沉降规律分析，笔者叠加地质构造数据、水源数据和路网数据，从时间、空间、事件3个维度分析北京平原区不均匀沉降控制因素，本文选取2009年3月数据，进行典型分析。

2.1 北京市平原区第四系沉积物岩性与厚度对地面不均匀沉降的影响分析

北京市平原区主要由永定河和潮白河冲积扇组组成，两扇相邻互相交汇,几乎控制整个平原地区[7-8]。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。图3所示黑色扇形区域即永定河和潮白河冲积扇，图4所示4条黑色线条为断层构造。刘予[9]将北京沉降区含水岩组组中的黏性图层划分为3个可压缩层组，其中第3压缩层组压缩性极低。由图4、图5可以看出，黑线圈出区域是第一层和第二层组压缩层。

图3 叠加路网和地质构造(2009年3月)

图4 叠加断层和地下水开采区(2009年3月)

如图3所示，沉降速率坡度较大区域是永定河和潮白河冲积扇的扇缘、图4所示断层构造区域及图5和图6所示压缩层厚变化区域。以上因素控制区域叠加为朝阳区、顺义区西南、通州区西北和海淀区东北。该结果与图2所示2003—2009年8个时序沉降速率坡度图一致。说明第四纪第四系沉积物岩性、厚度与构造是地面发成不均匀沉降的内在主控影响因素。

图5 第一组可压缩曾等厚分区图

图6 第二组可压缩曾等厚分区

2.2 地下水抽采对地面不均匀沉降的影响分析

北京市区有8座自来水厂开采地下水[10-11]，第九水厂、三厂、四厂、七厂、八厂开采地处浅层水，一厂、二厂、五厂开采地处深层水。图4是叠加断层和地下水开采区的北京平原区沉降速率坡度图。

2004—2007年北京最高日供水量242.5万m3，2008年奥运会召开之前，北京市区日供水达300万m3，因此2008年用水量远远超过历年用水量。图2所示为2008年12月沉降速率坡度图，沉降不均匀区域扩展加剧，且沉降速率坡度增大。

从2008年9月28日起，南水北调中线的河北应急水源到达团城湖，并陆续进入市政自来水管网中；同时，2008年丰水年对地下水补给。对比2007—2008年，2008—2009年两个时段沉降速率坡度图(如图2所示)，2009年3月不均匀沉降速率变化减缓。

综上分析，地下水抽采导致北京沉降区含水岩组组中可压缩层组压缩，引起相应区域不均匀沉降。

2.3 动载荷对地面不均匀沉降的影响分析

动载荷主要包括地面车辆和地铁产生的载荷的增加。综合图3和图4，在永定河和潮白河冲积扇的山麓坡积群地带及冲洪积扇顶部，即使路网密集，沉降速率坡度S小于0.5；在冲洪积扇缘及冲洪积平原区，出现大面积沉降速率坡度S大于1.5。进一步对比图3和图4，可以发现图3路网覆盖黑色区域，且在同一区域，沉降坡度黑色区域靠近路网。

综上分析，动载荷导致北京沉降区含水岩组组中可压缩层组压缩，引起相应区域不均匀沉降。

3 结 语

本文从自然环境和人类活动影响沉降的两个方面进行分析，得出以下结论：北京平原区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沙土层是发生地面沉降所必备的地质环境条件，因此，北京平原区地质构造，尤其是第四系沉积物岩性与厚度的差异是地面发成不均匀沉降的内因；地下水大量、持续的抽取活动、地面动载荷的增加使可压缩层水位被动降低，导致持续性应力转移、地面沉降范围不断扩大，出现大面积不均匀沉降区域，当外因达到一定程度，就表现为控制因素。