道路交通对北京平原区沉降的影响

郑佳兵，郑佳荣，张丽丽，司典浩，张 超，陈蓓蓓

（1.中国矿业大学（北京），北京 100083；2.北京工业技术学院，北京 100042；3.北京市政建设集团有限公司试验中心，北京 100097；4.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048）

0 引言

地面沉降是引起地质灾害的因素之一。地面沉降对北京城市建设和基础设施已经造成一定程度的危害。在部分沉降区曾发现工厂、居民区楼房墙壁开裂、地基下沉、地下管道工程损坏等险情，一些建筑物的抗震能力和使用寿命也受到影响。此外，地面沉降可能引发地裂缝和测量水准点失准，对城市建设的布局和规划都造成了隐患。研究道路交通对北京平原区沉降的影响，可为北京平原区沉降灾害提供预警。

目前国内外学者针对地面沉降监测、成因机理等方面进行了诸多的研究与讨论。Ferretti 等[1]提出PS-InSAR 技术并将其应用于城市的地表形变监测，精度达到厘米级。陈强[2]和Liu 等[3]将PS-InSAR 技术应用于上海的城市地面监测。宫辉力等[4-6]采用InSAR 技术监测北京地面沉降。Yan 等[7]采用InSAR 技术监测墨西哥城市地表形变。贾洪果等[8]采用PS-InSAR 技术提取天津市西青道以及京沪高铁的部分路段沉降信息。目前，InSAR 技术广泛应用于大面积沉降监测。Chen等[9]指出由于北京长年对地下水资源进行大量开采，导致局部地区出现地面沉降现象。郑佳荣等[10-12]采用三维地质建模分析了北京沉降影响因素，提出北京平原区第四系沉积物岩性与厚度差异（冲积扇的扇缘、扇中和扇根）是引起地面沉降差异的内因。周玉营等[13]采用PS-InSAR技术监测京津高铁北京段沿线地面沉降，获取京津高铁北京段沿线地面沉降的分布信息。周超凡等[14]利用北京东部地区沉降数据反推道路交通状况，认为北京东部的道路交通及其流量和载荷影响地面沉降。刘凯斯等[15]对北京地铁6 号线进行沉降监测，发现自西向东沉降逐渐增大，分析其原因是6 号线自西向东是从永定河冲积扇顶部到扇缘，证实北京平原区地质沉积环境影响地面沉降。尽管国内外学者对地表监测方法和成因机理进行诸多研究，并取得很大进展，但由于沉降成因机理的复杂性及沉降数据的时效性，目前有关道路交通引起沉降的深入研究较少。本文主要研究作为外因之一的道路交通叠加在第四系沉积构造上对北京平原区沉降的影响，以期更好地实现对北京平原区沉降灾害预警。

1 北京平原区沉降分析

1.1 研究区及数据

本文以北京平原区为研究区，对2003—2009年覆盖北京平原地区的7景Envisat卫星降轨InSAR数据进行处理，获取北京平原区大范围583 129个点的沉降数据。一方面，对7个时间序列583 129个点沉降速率，采用ArcGIS 进行空间内插值，得到北京平原区7个时间序列沉降数据；另一方面，选取研究区内道路交通主干道进行空间缓冲分析，获取主干道路1 000m 缓冲区，该区域即为道路交通影响区。

1.2 研究思路

如图1 所示，采用PSI 分析具有稳定散射特征的永久散射点，提取北京平原区大范围583 129个点的沉降速率，通过克里金法对北京平原区地面点沉降速率进行插值，生成2003—2009 年7 个时间序列沉降速率的栅格数据。然后，通过对比北京平原区沉降趋势和沉降漏斗位置确定沉降数据的可靠性。采用ArcGIS 对相邻年份的栅格数据进行计算，生成每个年份沉降量栅格数据。

图1 研究思路

划分沉降区间，采用ArcGIS 对各个时间序列沉降栅格数据进行空间栅格计算，统计各个沉降区间面积，定量分析研究区沉降规律。同时，采用ArcGIS 对研究区道路交通进行空间缓冲分析获取500m 和1 000m 缓冲区，即道路交通影响沉降区域。把道路缓冲区和7 个时序沉降栅格数据分别进行空间叠加分析，提取各个年份道路交通影响区栅格沉降数据。然后，统计道路缓冲区内沉降面积大小。最后，对比道路交通影响区内沉降面积分布和整个研究区沉降面积分布，定量分析道路交通对北京平原区沉降的影响，确定道路交通和北京平原区沉降之间的关系规律。

1.3 北京平原区沉降数据分析

图2所示北京平原区沉降栅格数据和路网图，是通过对Envisat 卫星降轨InSAR 数据处理获取北京平原区大范围583 129 个点的沉降数据，进一步插值生成2003 年12 月—2004 年12 月的沉降数据，椭圆圈出的红色区域是北京平原区沉降量大于60mm以及沉降量在50～60mm的区域。

北京平原区沉降漏斗如图3 所示，红色椭圆区域分别是北京4 个沉降漏斗区，东郊八里庄—大郊亭、东北郊—来广营、昌平沙河—八仙庄和顺义平各庄。对比图2 和图3 可以看出，北京平原区沉降数据显示，沉降较大区域和北京平原区4 个沉降漏斗区域一致，因此，研究获取的北京平原区沉降数据和北京平原区沉降趋势一致。把7个时间序列沉降数据与图3对比，尽管各个时间序列沉降量不同，但沉降趋势和图3一致，因此，研究区沉降数据可靠。

图2 2004年北京平原区沉降栅格数据和路网图

1.4 北京平原区沉降分布及趋势分析

（1）从时间角度看，北京平原区沉降趋势

采用ArcGIS 对7 个时间序列相邻年份的沉降速率栅格数据进行计算，生成每个年份沉降量栅格数据（见图4）。图4（a）～图4（d）是按时间顺序选取4 个时序沉降数据。沉降量栅格数据颜色从深绿、浅绿、黄色、浅红色到深红色代表沉降量从小到大逐渐增加。从图4 可以看出，随着时间推移，北京平原区沉降整体趋势加大，2008 年出现剧烈沉降。

（2）从空间角度看，北京平原区沉降分布

图3 北京平原区沉降漏斗

图4 北京平原区沉降数据

从空间角度分析2004—2009年沉降，发现沉降空间分布趋势一致。图4 展示了4 个时间序列沉降量分布，可以看出沉降空间分布趋势，其中红色沉降区位于东北部和东南部，即东郊八里庄—大郊亭、东北郊—来广营、昌平沙河—八仙庄和顺义平各庄。从北京平原区地质构造角度看（见图5～图6），叠加永定河冲击扇和潮白河冲积扇的2004年和2008年沉降数据，蓝色框区是冲积扇结构，颜色由浅到深分别是扇顶部、扇中部和扇缘。图5中，2004年沉降量大于50mm的红色区域几乎位于冲积扇扇缘部位；图6中，2008年沉降量大于60mm 的红色区域大部分被冲积扇扇缘包围。叠加冲积扇的2004—2009年沉降数据，发现7个时序的沉降区都位于永定河和潮白河冲积扇扇缘。

图5 2004年沉降分布及冲积扇

图6 2008年沉降分布及冲积扇

（3）北京平原区沉降定量分析

在了解北京平原区沉降空间分布及变化趋势的基础上，对北京平原区7 个时间序列沉降数据进行重分类，实现沉降量区间划分，生成对应属性数据。选择沉降区间，基于栅格大小和栅格数量计算各个沉降区间面积大小，进一步统计各个沉降区间面积。表1 和表2 分别列出2004 年和2008 年北京平原区沉降量和沉降面积统计数据。2004—2008 年北京平原区沉降量的最大值逐年递增，从2004 年的76.44mm 递增到2008 年的231.02mm。沉降量大于60mm 的区域从2004 年的12.84km2递增至2008 年的982.83km2。2004 年和2008 年沉降量在21～40mm 区间的沉降面积最大，分别是3 614.32km2和1 439.84km2。并且，其他沉降量区间的沉降面积变化趋势一致。

表1 2004年北京平原区沉降量统计

表2 2008年北京平原区沉降量统计

（4）影响北京平原区沉降因素分析

根据以上分析得出沉降分布及变化趋势为：①随着时间变化，沉降面积和沉降量逐渐增加，2008 年出现大区域沉降及剧烈沉降；②沉降区域位于永定河冲击扇和潮白河冲积扇扇缘。

永定河和潮白河冲积扇由山前到平原区分布分别为山麓坡积群地带、冲洪积扇顶部、扇中部、扇缘。地质构造的压缩层从冲积扇顶部、中部到扇缘逐渐增厚。在冲积扇的扇缘部位，在地下水位及外在因素作用下更易导致沉降，因此，沉降区域分布于扇缘。2008 年奥运会北京市区日供水达300万m3，远远超过历年日供水量242.5万m3。2008年在冲积扇扇缘出现大范围剧烈沉降。

2 道路交通对北京平原区沉降的影响分析

根据北京平原区沉降影响因素分析结果，选取2008年奥运会前后两个典型时段数据进行定量分析，从空间、时间、事件3 个维度定量分析道路交通对北京平原区沉降的影响。

2.1 道路交通影响区沉降数据处理

（1）道路交通选择及数据处理

道路交通选择地面主干路和次干路、地铁及铁路（见图7）。图7所示红色为地铁1号线、2号线、5 号线（2007 年10 月开通）、13 号线（2003年1月开通）、10号线一期和8号线一期（2008年10 月开通）；铁路符号表示铁路线；深黑色为地面主干路，浅灰色是地面道路次干道。

（2）道路交通影响沉降典型时序及研究区选择

考虑地质构造、降雨及地下水抽采等影响地面沉降的因素，选取2003 年12 月—2004 年12 月和2007年12月—2009年3月这两个典型时段的沉降数据进行研究；选择北京市平原区道路交通的500m、500～1000m和1 000m缓冲区内的沉降数据进行分析。考虑到2009 年3 月之前地铁主要分布在冲积扇中部，其地质构造使得地铁引起的沉降不明显，铁路和地面主干道缓冲区重合，因此不进行分类统计。

（3）道路交通影响区沉降数据提取

2003 年12 月—2004 年12 月道路缓冲区沉降如图8 所示。图8（a）和8（c）是对2004 年北京市的地面交通道路、地下交通道路及铁路作500m缓冲区和500～1000m 缓冲区。以缓冲区为界限构建道路交通影响区域，把该区域和北京平原区沉降栅格数据进行叠加求交集，提取2003 年12 月—2004年12月道路交通影响区内沉降数据，见图8（b）和8（d）。

图7 北京平原区道路交通

2007年12月—2009年3月道路缓冲区沉降如图9 所示。如图9（a）和图9（c）所示，对2009 年北京市的地面交通道路、地下交通道路及铁路数据作500m 缓冲区和500m～1000m 缓冲区，以缓冲区为界限，提取2007年12月—2009年3月沉降数据，如图9（b）和图9（d）所示。

基于以上数据，划分沉降量区间，计算沉降面积，统计道路交通影响500m 缓冲区和500～1000m缓冲区内的各个沉降区间的沉降面积。

图8 2003年12月—2004年12月道路交通缓冲区及沉降数据

图9 2007年12月—2009年3月道路交通缓冲区及沉降数据

2.2 道路交通对北京平原区沉降影响定量分析

表3和表4分别是2003年12月—2004年12月和2007年12月—2009年3月两个时段道路交通影响区内沉降量统计值。

表3 2003年12月—2004年12月道路交通影响区内沉降面积

表4 2007年12月—2009年3月道路交通影响区域内沉降面积

（1）从空间角度看，道路交通对北京平原区沉降影响定量分析

如表3 所示，把2003 年12 月—2004 年12 月道路交通影响区内沉降量划分为6 个区间，对比分析道路交通缓冲区内沉降面积占总沉降面积百分比，该值最大为62.72%，最小为39.24%，且占比最小的是沉降量0～10mm 区间。2003 年12 月—2004 年12 月沉降量大于60mm 的总沉降面积为12.84km2，其中道路交通影响500m 范围内沉降面积达到3.25km2，1 000m 范围内沉降面积达到7.36km2且占总沉降面积的57.33%。

如表4 所示，把2007 年12 月—2009 年3 月道路交通影响区内沉降量划分为9 个区间。在9 个区间中，道路交通缓冲区内沉降面积占总沉降面积最大为87.81%，最小为51.57%，且占比最小的是沉降量41～60mm 区间。沉降量大于110mm的区间，总沉降面积为89.86km2，其中道路交通影响500m范围内沉降面积为44.85km2，1 000m范围内沉降面积为78.90km2且占总沉降面积87.81%。

图10 是2003 年12 月—2004 年12 月道路交通500m 缓冲区、500～1000m 缓冲区和1 000m 缓冲区内沉降面积占总沉降面积统计图。道路缓冲区500m以内沉降面积明显大于500～1000m区域沉降面积。图11是2007年12月—2009年3月道路交通500m缓冲区、500～1000m缓冲区和1 000m缓冲区内沉降面积与总沉降面积之比统计图。对比图10和图11可知，两个时段柱状图分布趋势相同，说明随着与交通路网距离的增加，沉降面积逐渐减少。

图10 2003年12月—2004年12月道路交通影响区沉降面积占比

图11 2007年12月—2009年3月道路交通影响区沉降面积占比

分别把2003 年12 月—2004 年12 月和2007 年12 月—2009 年3 月两个时段道路交通影响区沉降面积与总沉降面积进行对比。如图12 和图13 所示，两个时段的沉降总面积、道路交通1 000m 缓冲区内沉降面积、道路交通500m 缓冲区内沉降面积以及道路交通500～1000m 缓冲区内沉降面积分别是蓝色、橘色、灰色和紫色曲线。可以看出，4 种颜色曲线走向完全一致，即道路交通影响区域沉降面积和研究区的总沉降区间趋势一致，因此，从空间分布角度看，道路交通是影响北京平原区沉降的主要因素之一。

图12 2003年12月—2004年12月道路交通影响区沉降面积和总沉降面积对比

图13 2007年12月—2009年3月道路交通影响区沉降面积和总沉降面积对比

（2）从时间角度看，道路交通对北京平原区沉降影响定量分析

对比表3 和表4 可以看出，2007 年12 月—2009 年3 月，沉降量大于60mm 区间，道路交通影响区内沉降面积达到了631.43km2（占总沉降面积87.81%），远大于2003 年12 月—2004 年12 月的道路交通影响区内沉降面积7.36km2（占总沉降面积的57.33%）。随着时间推移，道路交通影响沉降区域面积及沉降量增大。2003年12月—2004年12 月道路交通影响区沉降面积最小值39.24m2对应的沉降量区间为0～10mm，在2007 年12 月—2009 年3 月道路交通影响区沉降面积最小值51.57m2对应沉降量区间为41～60mm。因此，随着时间变化，道路交通影响区不均匀沉降呈增大趋势。

（3）从事件角度看，道路交通对北京平原区沉降影响定量分析

2007 年12 月—2009 年3 月处于奥运会前后。如表4和图11所示，一方面，2007年12月—2009年3月研究区沉降量明显大于2003年12月—2004年12 月，沉降量剧烈增加；另一方面，2007 年12 月—2009 年3 月时段，沉降量大于60mm 的面积达到329.32km2，沉降量大于110mm 的面积达到89.86km2，沉降范围剧烈增加。说明由于2008 年奥运会影响，地下水抽采，道路交通的动载荷剧烈增加等因素，导致北京平原区沉降加剧。

（4）道路交通对北京平原区沉降影响结论

从空间角度看，一方面，在永定河冲积扇和潮白河冲积扇扇缘，随着与道路距离的增加，沉降量逐渐减小，沉降面积逐渐减小，说明道路交通是影响沉降的主要外部因素之一；另一方面，对比图6、图8 和图9，可以看出在永定河冲积扇扇中部和扇顶，即使在道路交通缓冲区内，沉降量也远远小于永定河冲积扇和潮白河冲积扇扇缘部分沉降量，因此，北京平原地质沉积构造差异是引起沉降的内因，道路交通产生的动载荷是引起沉降及加剧沉降的外因。从时间角度看，随着时间推移，沉降量逐渐加大，沉降面积逐渐加大。从事件角度看，2008 年奥运会前后，由于地下水抽采，道路交通压力增加，北京平原区沉降加剧。在永定河冲积扇的扇中部和扇顶部，在道路交通缓冲区内沉降较少，因此，地质沉积构造是地面沉降内因；在永定河冲积扇扇缘，随着与道路距离的增加，沉降量逐渐减小，沉降面积逐渐减小，说明道路交通是引起沉降的主要外因。

3 结语

本文选择2008 年奥运会前后两个典型时段，以北京平原区道路交通缓冲区作为研究区，从时间、空间及事件三方面定量分析了道路交通对北京平原区沉降的影响，得出以下结论：随着时间、事件变化，道路交通影响沉降区占总沉降区50%以上，最大达到87.81%；从空间看，随着与道路交通距离的增大，沉降量减少，因此，道路交通是影响沉降的主要因素之一。在北京平原区西南区域，永定河冲积扇扇中部和扇顶部，在动载荷影响区域内，沉降量远远小于扇缘区域，因此，道路交通是引起北京平原区沉降的外因。

本文重点研究道路交通对北京平原区沉降的影响，以期对北京市平原区沉降灾害进行预警。但对第四系沉积构造与现代断裂体系分析还不够详细，也没有考虑高大建筑群的影响。下一步，可在详细分析第四系沉积构造与现代断裂体系及高大建筑群静载荷的基础上，进一步研究道路交通对地面沉降的影响。