上海地面沉降精准监测基准网构建关键技术研究

熊福文

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 自然资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072）

上海是我国发生地面沉降现象最早、影响最大、危害最深的城市，也是我国最早开始地面沉降控制及控沉效果最为显著的城市[1]。进入21世纪以来，上海地面沉降一直处于微量沉降状态，因此对地面沉降测量工作提出更高的要求。为了精确获取地面沉降的细微变化量，需进一步提高水准测量整体精度，其中最重要一项内容就是构建地面沉降精准监测基准网，优化地面沉降数据处理方案，提高水准测量可靠性。基岩标作为水准网中的结点，不仅增加了水准网强度，同时为引测提供了便利。但也引申出两个问题，一是如何构建高精度沉降监测基准网，二是如何进行基岩标稳定性分析评价。本文基于2008年开始的相关研究工作，利用40余年地面沉降测量长期系列实测数据，借助中误差、先验中误差、限差等测量误差理论，构建了由稳定基岩标组构成的地面沉降监测基准网，经14年连续实测结果验证表明，地面沉降精准监测基准网创新构型，其稳定性和可靠性有充分保证，测量精度显著提高，并在地铁隧道等城市生命线工程及基础设施正常运行安全监测中发挥了不可或缺的重要作用。本文重点阐述地面沉降精准监测基准网的创新构型与应用实践的主要原理与技术关键。

1 上海地面沉降历史简述

上海地面沉降主要是过量抽汲地下水引起的，随着工业化兴起与发展，地下水开采量不断增加，地面沉降也随之产生并显著发展[2]。

上海1860年开凿第一口深井，开始地下水的工业开采。20世纪20年代初，随着近代工业的形成与发展，地下水开采量逐年增长。至1949年，平均日开采量为4～5万m3。1949年后，随着工业生产的迅速发展，地下水年开采量从1950年0.9亿m3迅速增加到1960～1963年的年均超过2.0亿m3，成为上海地下水开采强度的历史最高峰值。而且均集中于纺织、印染、化工等工矿企业密集的中心城区，使地下水位急剧下降，年均地面沉降迅速突破110 mm/a。沉降区域也随着地下水位降落漏斗的发展，由城区向周边市郊迅速扩展，至1965年上海市区最大累积沉降量达2630 mm。

上海地面沉降是在重复水准测量和潮水位上升中发现的。在1910～1919年间，只发现外滩附近的老城区西门外一里程高有0.13英尺（3.96 mm）的甚微变化，说明在此期间上海无地面沉降现象。1921年开始，各水准点均有普遍的高程降低。水准点高程1921～1948年期间，市区平均降低30 mm；1948～1953年市区局部降低50 mm；以后逐年增加，至1963年为100～200 mm。位于黄浦江苏州河口的黄浦公园验潮站水位，至1963年的近40年间上升400～600 mm。结合黄浦江、长江口沿线、华东地区沿海验潮站资料，验证当时的海平面是稳定的，没有异常变动，潮水位上升是验潮站标尺的沉降，与测量水准点高程的降低为同一属性，说明上海地面在沉降[3]。

1965年以来，通过采取压缩地下水开采、调整地下水开采层次、开展地下水人工回灌等综合措施，地面沉降得到有效控制。进入21世纪以来，全市平均地面沉降更是一直处于年均数毫米的微量沉降状态。上海控沉实效及其科研成果为世界瞩目，也在我国地面沉降防治工作中发挥了重要的示范与引领作用。

2 上海地面沉降监测基准网概况

2.1 水准网网形

上海早在1871年就开始进行水准测量基础工作的筹建，并确定了吴淞零点。早期的水准测量工作，第一次于1910～1912年，水准路线从吴淞经淮海东路到淀山湖；第二次于1919年，水准路线自关港到淮海东路。两次测量结果高程相差甚小（3.96 mm），尚未发现地面沉降。

此后，由于吴淞零点不稳定，于1922年在松江佘山设立基岩水准点。20世纪的三四十年代，在进行水准测量时发现水准点在不同时间观测的高差有变化，为此曾设若干有桩基水准点，试图获得稳定效果，但未达目的。在1939年的观测报告中指出，101个水准点平均沉降25.7 mm。设立佘山基岩标后，在水准复测中发现黄浦公园及张华浜水准点相对于佘山基点高差值增加甚多，至1947年黄浦公园水准点下沉200 mm，张华浜水准点下沉246 mm。此后，上海的水准测量一直沿用佘山基岩点，为吴淞高程系统的基准点。

1951年，上海港务局通过精密水准测量再次发现，相对于佘山基点，黄浦公园水准点下沉了313 mm，张华浜水准点下沉了412 mm，其它沿途水准点也有不同程度的下沉。1956年上海市规划建设管理局建立了上海市高程控制网，以佘山为基点，按二、三、四等水准测量要求，每年定期测量一次，测量结果更系统地证实了水准点的普遍下沉现象。1959年上海建立二等附合水准网，进行除崇明县以外全市范围的水准测量。1960年后在市区主网范围内开展了地面沉降点线面的测量，通过1961年、1962年、1963年的沉降观测，为上海存在地面沉降问题作出最终结论提供了可靠的依据。

在地面沉降监测过程中，为减弱佘山基点至市区的水准测量传递误差问题，于1962～1964年先后在小闸镇(J1-1)、吴淞中学(J2)、复兴岛公园(J3)、劳动公园(J4)、北新泾(J5)设置了五座基岩标，作为一等水准测量的结点。1964年根据专家们对上海市地面沉降高程控制网布设的建议，增设了姜家桥(J6)和浦东塘桥(J7)两座基岩标，从而完善了网形结构，初步形成上海地面沉降监测高程控制网。

1965年以后一等水准网自佘山新基点至浦西各基岩标构成三个水准环，1972年增布J5—J4水准路线，改建成四个水准环；1975年上海面粉厂(J8)和外滩儿童公园(J9)基岩标建成，水准环增加到五个。此后，随着高桥(J13)、农科院(J14)、桃浦(J16)、吴泾(J17)基岩标的相继建成，地面沉降监测水准网又进行了几次扩建。

在水准监测网建成的初期阶段，由于从佘山接测到各基岩标的资料反映出这些基岩标的高程并不稳定，标杆与保护管均有不同程度周期性的相对升降现象，为进一步考察基岩标的稳定程度，在以后的数十年水准测量中市区基岩标仅作为水准测量结点。1984年，通过对大量观测资料的分析，确定小闸镇基岩标J1-1是稳定的，因此将水准网起算点从佘山新基岩点移至小闸镇基岩标J1-1，网形也做了调整。

到2007年，上海市地面沉降监测已经形成了由浦西8个水准环、浦东4个水准环、浦西浦东联测2个水准环的监测网，如图1所示。

图1 上海地面沉降一等水准网示意图Fig.1 Schematic diagram of the first-class leveling network for land subsidence in Shanghai

浦西到浦东的高程传递采用越江隧道一等水准联测，于夜间分别从外环路隧道、大连路隧道、打浦路隧道、延安路隧道将浦西高程传递到浦东。水准环中最长测线36 km，最短测线4 km，环线周长在30～100 km之间，水准控制范围达1600 km2。上海市地面沉降监测采用一等精密水准网，在一等精密水准网内插二等水准测量加密，以达到全面的高程控制。水准路线经过不断调整完善，现在一等水准路线长度为420 km，二等水准路线长度为600 km。

2.2 水准网起算点

上海市地面沉降监测水准网平差采用只有一个起算点的自由网整体平差方法。从20世纪40年代开始，佘山基岩点就作为上海市水准测量的基点使用。佘山基点原建于海拔约46 m（吴淞零点高程系统）处山腰教堂右侧的山崖壁上，已遭多次破坏。1964年9月，根据上海地面沉降问题研讨会商的专家建议，在佘山北麓青松公路旁的山坡岩层上按国家规范要求另设新点，命名为“宁沪佘山基岩点”，即佘山新基点，并纳入国家沪宁一等水准路线以内。佘山新基点与测区内各基岩标一、二等水准联测的结果表明，佘山新基点自20世纪60年代以来是稳定的，可作为地面沉降监测网的基准点。

1983年《以小闸镇基岩标为起算点的地面沉降动态分析研究报告》通过评审后，自1984年起上海地面沉降监测高程控制网改为以小闸J1-1基岩标起算。起算点的调整仅改变了一等水准网中起算点的位置，网形没有改变，仍为只有一个起算点的水准自由网。

2.3 水准网存在的不足

以小闸J1-1基岩标起算，缩短了28 km的高程传递距离，减小了传递误差的影响，多年来对于提高水准网精度发挥了重要作用，但其本质上仍然是只有一个起算点的自由网。因此这个水准网仍然只有图形条件的控制，而无强制附合条件的控制，这种网形结构是“一次定向”，若有偏差，必将引起相邻两次沉降量的变化异常。

为了避免水准网自由网“一次定向”产生的偏差，必须用强制条件控制水准网，即用多个起算点为固定点的附合网替代自由网。上海市地面沉降一等水准监测网，用附合网取代自由网以后，不仅有了图形条件，而且加入强制附合条件的控制，其稳定性比自由网将有大幅度提高，这种理论在20世纪90年代末就已经提出。在地面沉降观测特别是市区基岩标观测资料尚不充分的条件下，此项工作还无法开展。因为用附合网替代自由网，首先必须确定高程稳定的基岩标作为起算点，而判别基岩标稳定性需要大量的实测资料。按照数理统计规律，大子样须大于200个，小子样须大于30个，方能得出可靠结论。

自1965年至今，每年进行精密水准测量，以佘山基岩点为起算点的一等精密水准接测基岩标高程已有逾55年历史，从时间跨度和测量次数方面均有充足的资料可以分析基岩标的稳定性，也有足够的时间年限进行实际验证。在2008年开始，在分析40余年积累的大量历史观测资料的基础上，将稳定的基岩标确定为起算点后，就用附合网替代自由网，以提高地面沉降精密水准测量数据处理的精度和可靠性。在经之后至今14年的实际验证，这种水准网构型是稳定可靠的，完全满足微量沉降的监测精度要求。

3 地面沉降精准监测基准网构型原理与遴选

3.1 结点稳定性分析

按照数理统计规律，选择小子样数大于30个，即要求有至少30次高程观测值才可以进行稳定性评价。自1965年起按一等水准测量的要求，以佘山为基准点，以各座基岩标为结点组织了精密水准测量。至2007年，高程测量成果大于30次的基岩标为J1-1、J1-2、J1-3、J2、J5、J6、J7、J8共8座，可供选取并进行统计分析。

数据统计方法是将历年高程值绘制基岩标高程时间序列曲线，通过曲线直观看离散度，并统计高程最或是值、中误差、先验中误差等指标，进行判断。基本原理是：

以某一基岩标为例，绘制基岩标高程历时曲线变化图（图2）。由此可以看出，各主标高程基本在一水平线附近波动。

图2 某基岩标高程历时变化曲线Fig.2 Time-varying curve of a certain bedrock elevation

根据测量误差理论，对某一量进行多次的同精度重复测量，其误差服从高斯分布，即测量误差小的个数多，测量误差大的个数少。测量理论中还规定了对某一量进行重复观测时，取各个观测值的中数为其最或是值，并以此计算中误差，以2倍中误差为限差。各基岩标中误差的计算公式如下：

根据以上公式，计算1965～2007年间各基岩标的高程最或是值、中误差、先验中误差。

3.2 构型结点评定

以实测中误差在先验中误差2倍范围之内判断为稳定的基岩标。根据这一指标，符合条件的有7座基岩标（表1）。

表1 各基岩标高程测量精度评价表Table 1 Elevation measurement accuracy evaluation table of each bedrock level

J1-2、J1-3这两座基岩标标杆，扶正方式均由钢丝束导正式改建成钢管式，标型改变，高程资料也随之中断。需要重新测量取样，才能判断改建后的稳定性，因此不能作为附合水准网的起算点。

J6基岩标建成于1964年10月，从1965～1999年联测佘山基岩点高程资料分析，该标具有优良的稳定性，在附合水准网中的控制位置也较好。但在2003年踏勘中，发现该标遭到严重破坏，高程资料中断。主标经过修建恢复后，在接下来的两年间测出有较大的沉降量，说明其内部已遭受损坏，不能用作附合水准网的起算点。

因此，从连续观测时间、空间分布、稳定性等多个因素综合考虑，选取J1-1、J2、J5、J7共计四座基岩标作为地面沉降附合水准网的基准点。

4 地面沉降精准监测基准网构建的关键技术

4.1 地面沉降监测基准点的选取

为解决地面沉降水准监测网由一个点起算的自由网“一次定向”引起的偏差，2006至2007年，上海市地质调查研究院对上海市地面沉降监测水准网由自由网改为附和网的可行性进行了研究，结果表明：经过40余年地面沉降监测和资料统计分析，J1-1、J2、J5、J7四座基岩标比较适合作为上海市地面沉降监测附合水准网的起算基准点，并建议从2008年开始启用由此四座基岩标起算的附合水准网（图3）。

图3 上海地面沉降监测附合水准网示意图Fig.3 Schematic diagram of Shanghai land subsidence monitoring and leveling network

4.2 多类监测基准的统一

在地面沉降监测和7类城市重大市政工程沉降监测中，广泛采用了人工水准测量、GNSS测量、InSAR测量等方法[4-8]，如何实现多种监测技术监测基准的统一是一个关键问题[9]。因为只有基于统一的监测基准，才能进行两种或多种方法的验证比对，和外符合精度评价。

（1）水准测量控制网

在水准测量方面，基岩标直接作为沉降监测基准点或者一、二等水准路线的结点，实现了对沿线深标、水准点、工作基点、轨道交通站台点控制。水准测量属几何水准，最经典、最普及，因此常常用作衡量其他监测方法外符合精度的依据。

基于53座基岩标建成全市地面沉降监测网（图4），实现了全市沉降监测基准“一张网”的目标，为全市地面沉降监测提供了稳定可靠的基准。

（2）GNSS 基准站网

在GNSS测量方面，将部分GNSS基准站直接建设在基岩标上，实现了基岩标对地面沉降GNSS监测网的控制，从而保证了基岩标的起算基准作用。

在地面沉降GNSS测量中，基准站作为沉降监测的基准点。为此，2003年8月在实施中国地质调查局地调项目时，建设完成了白鹤、崇明、外高桥、地质大厦、枫泾、东海大桥共计6座GNSS基准站（图5），其中白鹤、外高桥、枫泾、东海大桥4座GNSS基准由基岩标接高建设而成，实现了基岩标对GNSS控制网的高程控制，将GNSS监测网沉降基准统一至基岩标上。同时，在每期全市GNSS监测网联测期间，6座GNSS基准站发挥了时段间网联式组网、重复观测的作用。

图5 GNSS地面沉降监测基准站（东海大桥）Fig.5 GNSS land subsidence monitoring base station (Donghai Bridge)

（3）InSAR 监测

在InSAR测量方面，通过建设在地面沉降监测站内的角反射器和部分水准点的沉降量对InSAR结果进行校正和融合处理，实现了基岩标起算基准作用。

在地面沉降InSAR测量实施过程中，角反射器发挥沉降基准点作用。角反射器一般布设在基岩标标房附近，其沉降量通过与基岩标联测获得。

在使用过程中对角反射器进行了多次改良，通过改良成功克服了以往诸如角度不能随意转动，只能针对某颗卫星等设计缺陷，大大提高了角反射器的使用效率。并在上海浦东国际机场地面沉降监测站内进行安装试验（图6）。通过多期雷达图像验证（图7），改良后的角反射器运行效果稳定，达到预期目的，不仅可为InSAR技术精度验证提供稳定比对目标，也为区域上无稳定点目标地区推广应用InSAR技术监测提供示范和技术支持。

图6 浦东机场地面沉降监测站内布设的人工角反射器Fig.6 Artificial corner reflector installed in the ground subsidence monitoring station of Pudong Airport

图7 雷达图像上显示的人工角反射器的效果Fig.7 Effect of artificial corner reflector shown on radar image

除以上三种主要地面沉降监测方法外，还有静力水准（自动化监测）、光纤监测等。虽然技术手段、方法原理各异，但地面沉降监测基准只有一个，即基岩标，这个原则和思路在各种测量方法的控制网布设、监测网布设中均得以落实和体现。

4.3 大面积沉降监测基准“一张网”的建立与维持

从20世纪90年代开始，随着重大市政工程的建设和运营，各测绘单位陆续开展上海地面沉降监测和轨道交通、城市高架、桥梁、隧道、堤防设施、大型市政管网、磁浮列车等重大市政工程沉降监测，由于没有顾及监测基准的系统性，经常出现同一线性工程两个相邻标段接合处同名点沉降量不一致，甚至有时出现变形趋势相反的现象，给统计和安全运营管理带来困扰。

建设并维持大面积沉降监测基准的“一张网”确实不是一件容易的事情，既要保持各类工程高程基准的统一不矛盾，又要有对沿线的高程控制点（深标、水准点、站台点）高程进行定期更新的机制，需要对不稳定和欠稳定的高程控制点定期更新并开展稳定性评价。

上海地区自20世纪60年代开始建设地面沉降监测网络以来，基本建成了由38座地面沉降综合监测站组成的地面沉降监测站网络（图8），由2845个水准点组成的覆盖中心城区的水准监测网络，由82座浅式分层标组及重大基础设施沿线地面水准点组成的沉降监测基准“一张网”（图9）。

图8 上海地面沉降监测站分布Fig.8 Distribution of land subsidence monitoring stations in Shanghai

图9 上海市沉降监测基准“一张网”Fig.9 Shanghai subsidence monitoring benchmark “one network”

5 结论与展望

地面沉降进入微量沉降阶段后，对测量、监测提出了更高的要求，特别是地面沉降监测基准的建立与维持问题，对准确获取地面沉降信息至关重要。针对上海市地面沉降监测基准网存在的精度和可靠性方面的不足，通过本文研究，得出如下结论：

（1）基岩标稳定性评价需要多次实测数据，按照数理统计规律至少需要30个观测子样；受多种因素的影响，水准测量成果中包含了测量误差，单次或者仅仅几次的观测不能评价基岩标的稳定性，必须按照数理统计规定有充足的子样；

（2）基于地面沉降水准监测基准网，以基岩标为起算点，在全市范围内建立GNSS监测基准网、InSAR监测基准网、重大基础设施沉降监测基准“一张网”有利于统一基准、统一技术要求，实现各监测技术的有机融合；

（3）对水准监测网进行优化，采用多个稳定起算基准的附合水准网代替自由水准网,提升了监测精度和基准网的可靠性；2009年以来，上海年均地面沉降量持续控制在6 mm以内，实现了地面沉降防治规划的目标。

近年随着上海市地面沉降监测区域的扩大和轨道交通等重大市政工程的开工、运营，地面沉降监测网覆盖范围不断延伸，东南部16号线已经延伸至临港新城，南部5号线延伸至奉贤，因此下一步需要开展地面沉降监测基准网网形优化、起算基准点增加调整工作。目前开展的轨道交通、高架等城市生命线工程高程控制网联测每年观测2次，为后期研究工作积累了观测子样，具备进一步开展网形优化、基准点增加调整的工作条件。

致谢：感谢长期以来从事上海地面沉降测量的前辈、多年共同奋斗在地质测量一线的同事，在本研究课题中给予了悉心指导、无私奉献和大力支持，是集体智慧、团队力量才促成了本研究成果。