利用GIS技术研究某区地面沉降的初步探讨

窦海鹏

（天津华北地质勘查局第四地质大队，河北 秦皇岛 066000）

本文对研究区进行地面沉降调查，基于ArcGIS软件平台，在获取地表形变信息的基础上，结合GIS技术多元数据空间分析和数据统计功能进行定性和定量分析，优选出沉降区域，对沉降规模与沉降趋势也有了更直观的认识，并对其成因进行初步探讨[2]。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省西南部，四面环山，区内交通较为便利。地层出露相对简单，主要为新近系(N)和第四系(Q)。区内河流属黄河水系，有大夏河及其支流红水河、牛津河。大夏河由南西向北东径流横贯研究区区，在研究区境内长度22km。依据区内地下水的分布、赋存条件和含水介质及水动力特征，将研究区地下水类型划分为碎屑岩类孔隙裂隙水和松散岩类孔隙水两种类型。

2 资料收集及数据库建设

2.1 资料收集

本次资料收集工作主要包括以下几个方面：

a：基础地质、水文、工程地质、地形地貌资料；地面沉降、地下水监测、地裂缝资料；重大工程建设项目资料，国民经济与社会发展规划；高程测量资料；地下水开采及利用资料；地裂缝防治成果等资料。

b：影像资料：DEM、高分二号、ASTER、Landset8、Sentinel-1A等数据作为此次调查的遥感数据源。选用数据云雪覆盖小于5%，图像无条带、无坏线。

2.2 数据库建设

本次数据库建设依托ArcGIS软件平台，数据类别广泛，共包含地质、遥感、地面沉降、地理四个要素数据集，79个要素数据类[3]。坐标系为高斯克吕格投影坐标系，即为“Xian 1980-GK-Zone-18”。

3 工作方法

（1）在充分收集、整理研究区域已有基础地质、水工环地质、灾害地质及人类工程活动等资料的基础上，通过实地调查，建立区域遥感解译标志，并选用GIS技术调查研究区地面沉降及伴生地裂缝发育现状。通过对初步解译成果进行详细的野外验证，修改完善后形成最终的地面沉降及伴生地裂缝遥感解译图，并在此基础上圈定地面沉降控制区范围，划分沉降区。

（2）野外踏勘与验证采用点、线、面相结合的方式进行，通过地面沉降及伴生地裂缝等灾害现象的实地调查与访问，提高遥感解译的精确度。遥感数据挖掘，即遥感解译是一项不断重复的室内解译-野外验证的过程，所以需要技术人员进行多轮次、多线路的野外验证，室内修改。

4 评价因子确定及野外调查

4.1 评价因子确定[4]

以Landset-8数据为基础，采用人机交互解译的方法，对基础信息进行1：50000精度解译，为圈定地面沉降区范围提供基础数据。

选用Sentinel-1A数据，运用ENVI中搭载SARscape工具，D-Insar技术[5]。生成研究区地面沉降速率图，为圈定地面沉降区范围提供重要依据。

4.2 野外调查

基于研究区地面沉降调查空间数据库内地质、地貌、水文、遥感解译、地形、土地利用类型等信息，依托GIS平台强大的分析及处理功能，布署并开展野外调查点验证工作，并依据沉降区特征，将调查点分为一般、次重点、重点三类[6]。

根据对区内地面沉降的统计分析，研究区地面沉降及伴生地裂缝点共33处，其中地面沉降点共计30处，伴生地裂缝共计3处。研究区内有2处规模等级为重点的地面沉降及隐患调查点，11处规模等级为次重点的地面沉降及隐患调查点，17处规模等级为一般的地面沉降及隐患调查点。其中12处呈增强趋势，17处趋于平稳，1处呈减弱趋势。

诱发原因以地下水抽取过度[7]、湿陷性黄土、农田漫灌为主。多数分布在侵蚀-堆积河谷平原。伴生地裂缝调查点3处，研究区内地裂缝主要为抽排地下水、构造活动引起，地裂缝性质为拉张、下错。

5 GIS空间分析

在ArcGIS软件中，对所选评价因子及野外验证结果进行综合分析，分析结果显示：研究区地面沉降易发生在洪积-冲积砂质粘土及砂砾，风成黄土等第四系发育地区、海拔1806m～1885m，坡度小于7.5°的侵蚀-堆积河谷平原、松散岩类孔隙水中、住宅用地、耕地等人类活动密集且用水量大的地区。

6 沉降区划分

地面沉降遥感解译利用卫星或航空遥感数据、雷达数据影像进行地面沉降及伴生地裂缝解译，贯穿地面沉降调查工作的全过程，成为地面沉降及伴生地裂缝调查的重要手段。在调查工作中采用计算机自动提取、人工判读、野外验证调查相结合的方法，综合多种遥感解译专题图，如遥感地质解译图、遥感水文解译图、遥感地形地貌图等，确定地面沉降发育特征，并依据解译成果，划定沉降区域[8]。

研究区地面沉降发育特征为：

（1）一般沉降区：研究区内一般沉降区规模较大，地形地貌特征以侵蚀-堆积河谷平原为主。

（2）次重点沉降区：研究区内次重点沉降区地形地貌特征以侵蚀-堆积河谷平原为主。

（3）重点沉降区：地面沉降重点区2处，地形地貌特征为侵蚀-堆积河谷平原。

研究区内共划定沉降区20处，重点沉降区面积0.16km2，次重点沉降区面积0.56km2，一般沉降区面积3.18km2，总沉降面积3.90km2。

7 成因探讨

地面沉降是指在一定的地表面积内所发生的地面水平面降低的现象。区域内充盈于土体孔隙中的地下水，与土体共同构成一个力学平衡系统，土体中孔隙水压力与土体骨架的有效应力之和与总应力（荷载）平衡。抽水过程中虽然总应力不变，但孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力的等量增大，结果就会引起土层的固结压密，从而引发地面沉降。

研究区沉降形成的原因：侵蚀-堆积河谷平原地区由于抽取地下水过度，在井孔周围及地势较低区域形成水位下降漏斗，承压含水层的水压力下降，即支撑上覆岩层的孔隙水压力减小，这部分压力转移到含水层的颗粒上，使地面不均匀沉降差异性增大，致使井口抬升、地表墙体发生倾斜、水泥地面产生破裂等[9]。

侵蚀-剥蚀低山、侵蚀-剥蚀中低山的沉降区中地层中风成黄土较为广泛，黄土是干旱或半干旱气候条件下的沉积物，在生成初期，土中水分不断蒸发，土孔隙中的毛细作用，使水分逐渐集聚到较粗颗粒的接触点处[10]。同时，细粉粒、粘粒和一些水溶盐类也不同程度的集聚到粗颗粒的接触点形成胶结。该土质极易湿陷。土的欠压密状态，干旱气候条件下，风积黄土层，其蒸发影响深度大于大气降水的影响深度，在其形成过程中，充分的压力和适宜的湿度往往不能同时具备，导致土层的压密欠佳。接近地表2m～3m的土层，受大气降水的影响，一般具有适宜压密的湿度，但此时上覆土重很小，土层得不到充分的压密，便形成了低湿度、高孔隙率的湿陷性黄土。其土质较均匀、结构疏松、孔隙发育。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小。当在一定压力下受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加下沉，强度迅速降低，导致地面沉降，所以存在风成黄土层湿陷沉降是本区地面沉降的内因[8]。

结果实地调查结果，沉降严重区大部为侵蚀-堆积河谷平原地区耕地，农田漫灌现象严重。近年来该区及周边农田灌溉抽取大量地下水，使得区内地下水位下降，黄土层湿陷，是地面不均匀沉降的重要原因。进而导致房屋向农田处倾斜趋势明显，严重区房屋开裂倾斜达12cm，井口抬升6cm～7cm，影响沉降区居民生活。

8 结语

此次项目实施，充分发挥GIS技术，以遥感影像数据为基础，以先进的GIS软件为处理平台，实现快速、准确、高效的遥感解译分类及研究区内地质、地形地貌、水文地质、土地利用类型等多种遥感解译与空间数据分析，迅速锁定沉降区域，并将其分类。构成一个强大的技术体系，可实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。