基于PS-InSAR的2003—2009年北京平原區(qū)沉降控制因素分析

鄭佳榮，宮輝力，李青元，崔有禎，陳蓓蓓

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；3.首都師范大學(xué)三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點實驗室，北京 100048；4.首都師范大學(xué)城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點實驗室培育基地，北京 100048；5.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

基于PS-InSAR的2003—2009年北京平原區(qū)沉降控制因素分析

鄭佳榮1，2，宮輝力1，3，4，李青元5，崔有禎2，陳蓓蓓1，3，4

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；3.首都師范大學(xué)三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點實驗室，北京 100048；4.首都師范大學(xué)城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點實驗室培育基地，北京 100048；5.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

對融合PS與小基線InSAR技術(shù)提取的北京市583129個觀測點2003—2009年28個時序的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)合北京市的第四系沉積物巖性與厚度分布情況、北京市地下水抽采地點與取水量等實際數(shù)據(jù)，分析了北京市平原地區(qū)2003—2009年的地面沉降的控制因素，得出了第四系沉積物巖性與厚度是控制地面沉降的地質(zhì)內(nèi)因，而人工抽采地下水是導(dǎo)致地面沉降的主要的人為外因的結(jié)論。

PS-InSAR；北京平原區(qū)；沉降；地下水

一、引 言

城區(qū)地面沉降給城市生活帶來一系列的負(fù)面影響，近年來受到社會各界的廣泛關(guān)注。一個地區(qū)的地面沉降受多種因素控制，這些因素的作用機(jī)理對預(yù)測與控制區(qū)域地面沉降具有指導(dǎo)作用。筆者對北京平原地區(qū)2003—2009年沉降結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)一步反演北京平原區(qū)沉降機(jī)理，對控制北京平原區(qū)沉降具有實際意義。

二、北京平原區(qū)沉降數(shù)據(jù)分析

1.研究區(qū)及數(shù)據(jù)

本文選取2003—2009年覆蓋北京平原地區(qū)的29景Envisat衛(wèi)星降軌ASAR數(shù)據(jù)(圖1框線標(biāo)出影像覆蓋區(qū)，即研究區(qū)域)，采取融合PS與小基線InSAR技術(shù)，提取了研究區(qū)2003—2009年583 129個點的28個時間序列沉降結(jié)果，該沉降結(jié)果是相對2003年12月的沉降量。筆者在ArcGIS平臺上對這28個時間序列的沉降進(jìn)行空間插值，生成28幅研究區(qū)沉降分布圖(圖2是28幅中沉降變化的17幅)，分析28幅沉降分布，找到23個沉降趨勢變化特征時序，進(jìn)行最大值、最小值和平均值的定量分析(如圖3所示)；同時，對2004—2008年沉降量最大值、最小值和平均值進(jìn)行定量分析。

圖1 研究區(qū)域

2.研究區(qū)沉降分布分析

1)從圖2可以看出，整個研究區(qū)是沉降趨勢，沉降較大地區(qū)是朝陽區(qū)、順義區(qū)西南、通州區(qū)西北和海淀區(qū)東北。通過對583 129個點的沉降量分析，最大沉降量達(dá)到－224.68 mm。

圖2 研究區(qū)沉降分布圖

2)從圖3可以看出，2004年、2005年、2006年和2008年的趨勢是沉降，2007年是逆沉降。其中2005年沉降速率較小。對沉降量進(jìn)行定量分析，2004—2008年年均沉降量分別為－30.76 mm、－12.99 mm、－1.35 mm、26.77 mm和－70.87 mm。

圖3 研究區(qū)2004—2008年沉降量

3)4個年份9月份出現(xiàn)逆沉降，4個時間序列出現(xiàn)逆沉降，共8個時間點出現(xiàn)逆沉降。從圖2可以看出，除2005年和2009年缺少8月份和9月份數(shù)據(jù)外，在2004—2008年每年9月份均出現(xiàn)不同程度逆沉降，2007年12月、2008年5月和2009年1月出現(xiàn)逆沉降。

三、北京市平原區(qū)沉降機(jī)理分析

1.北京市平原區(qū)第四系沉積物巖性與厚度對地面沉降的影響分析

北京市平原區(qū)主要由永定河和潮白河沖積扇組成，兩扇相鄰互相交匯，幾乎控制了整個平原地區(qū)[1]。第四系沉積由山前到平原區(qū)一般依次為：山麓坡積群地帶、沖洪積扇頂部、扇中部、扇緣及沖洪積平原區(qū)。含水層扇頂部為單一的卵礫石含水層，扇中部為2～3層結(jié)構(gòu)的砂卵礫石含水層，扇緣及沖洪積平原區(qū)逐漸過渡到多層結(jié)構(gòu)的粗、中砂及細(xì)砂、粉細(xì)砂。由上游至下游隨著平均沉積粒徑逐漸減小，黏土層(或黏土類地層)層數(shù)增多，總厚度增加[2-3]，含水層的富水性也逐漸變差。不同成因類型的第四系松散沉淀物構(gòu)成了平原區(qū)的地質(zhì)特性。筆者繪制了沖積扇邊界分別覆蓋到圖2中28幅沉降量分布圖上，可以看到，由扇頂部到扇邊緣，沉降量逐漸增大。圖4(a)是2009年1月份沉降量分析。因此，在疏松的多層含水體系中有一定厚度的正常固結(jié)或弱固結(jié)的可壓縮黏性土層是發(fā)生地面沉降所的地質(zhì)環(huán)境條件。

圖4 北京市地下水源分布及其沉降分布

沉降量由可壓縮厚度決定，劉予[4]將北京沉降區(qū)含水巖組中的黏性圖層劃分為3個可壓縮層組。其中第三壓縮層組壓縮性極低，由圖5、圖6第一和第二層組壓縮層厚度分區(qū)可以看出，第一層壓縮厚度在50～80 m和第二壓縮層厚度50 m以上重合區(qū)域是朝陽區(qū)、順義區(qū)西南、通州區(qū)西北和海淀區(qū)東北，該結(jié)果和采取融合PS與小基線InSAR技術(shù)提取的研究區(qū)2003～2009年研究區(qū)沉降分析成果一致。這說明第四紀(jì)地四系沉積物巖性與厚度是地面發(fā)生沉降的內(nèi)在主控影響因素。

圖5 第一組可壓縮層等厚分區(qū)圖

圖6 第二組可壓縮層等厚分區(qū)圖

2.地面降雨及地下水抽采影響沉降分析

影響北京市沉降的外因是地下水位。地下水位又受降雨、水徑流和人類活動的影響。其中人類活動主要包括地下水開采和施工降水。

(1)降雨及地下水開采分布

在北京地區(qū)，2004—2009年均降雨量如圖 7 (a)所示，2008年年均降雨量達(dá)到638 mm。北京年內(nèi)降雨主要集中在6—9月之間，其降水量平均達(dá)到全年降水量的80%以上。

市區(qū)自來水廠包括8座自來水廠開采地下水，分別是第一水廠、第二水廠、第三水廠、第四水廠、第五水廠、第七水廠、第八水廠、豐臺水廠；2座水源為地表水水廠，分別是田村山凈水廠、第九水廠。三廠、四廠、七廠、八廠開采地處淺層水的水廠，一廠、二廠、五廠開采地處深層水的水廠。圖4(b)是北京市地下水開采水源區(qū)分布及研究區(qū)沉降分布圖。

圖7 2004—2009年北京市降水及用水結(jié)構(gòu)

(2)沉降分析

從圖中可以看出，地下水開采區(qū)和融合PS與小基線InSAR技術(shù)的提取研究區(qū)沉降結(jié)果基本一致，在地?zé)崴Y源集中開采的北京東南城區(qū)、小湯山及良鄉(xiāng)附近，隨開采時間延續(xù)和開采量的增加，地?zé)崴怀手鹉晗陆?，同時引起地面沉降。從圖2可以看出，采集淺層水水源區(qū)隨著降雨等補(bǔ)給和采集量的控制，較容易出現(xiàn)逆沉降。

供水高峰是地下水開采高峰。北京市自來水集團(tuán)供水報摘指出供水高峰期為6、7、8三個月。2008年奧運會召開之前，北京市區(qū)日供水能力將達(dá)300萬m3；而2004—2007年最高日供水量242.5萬m3，因此2008年用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歷年用水量。北京夏季降雨對淺層地下水補(bǔ)給滯后和地下水開采高峰導(dǎo)致每年7、8月沉降量達(dá)到年內(nèi)最大，9月份出現(xiàn)逆沉降現(xiàn)象。2008年北京用水高峰，7、8月份用水達(dá)到歷年最高峰，因此，2008年8月出現(xiàn)大幅沉降(如圖2所示)。2008年3月起新開工的工程限制進(jìn)行施工疏干抽水，2008年5月北京出現(xiàn)逆沉降。因此可以推斷施工疏水也在很大程度上影響地下水位。

從圖7可以看出[5]，2004—2009年，北京市總用水量變化較小，但用水結(jié)構(gòu)有較大變化。其中環(huán)境用水增加3億m3，生活用水增加1.93億m3；工業(yè)用水減少2.37億m3，農(nóng)業(yè)用水減少1.19億m3。用水結(jié)構(gòu)變化決定了供水結(jié)構(gòu)變化，2004—2007年建成并投入運行11座污水處理廠，日處理污水量達(dá)到143.73萬t，到2009年接近2005年日處理量的3倍?！侗本┦泄?jié)約用水辦法》規(guī)定[6]：自2007年5月1日起，住宅小區(qū)、單位內(nèi)部景觀環(huán)境用水應(yīng)當(dāng)使用雨水和再生水，不得使用自來水。2006年6月23日起，一個多月時間，華新源再生水公司向南護(hù)城河補(bǔ)充再生水50萬m3，此次向南護(hù)城河補(bǔ)充再生水主要是為了進(jìn)行護(hù)城河河道景觀用水試驗，截止到2006年12月15日，華新源再生水公司已向南護(hù)城河補(bǔ)充再生水482萬m3，減少京密引水渠500多萬m3清潔水源的補(bǔ)水量。在供水總量不變情況下，供水結(jié)構(gòu)變化減少了地下水開采量，同時采取再生水補(bǔ)給等措施對地下水進(jìn)行補(bǔ)給，可以控制地面沉降，因此，2007年北京市出現(xiàn)逆沉降(如圖3所示)，度過2008年奧運會用水高峰。2008年9月28日，南水北調(diào)中線的河北應(yīng)急水源到達(dá)團(tuán)城湖，并陸續(xù)進(jìn)入到集團(tuán)第三水廠、田村山凈水廠、第九水廠，經(jīng)過水廠凈化處理后，進(jìn)入了市政自來水管網(wǎng)中。初期集團(tuán)市區(qū)水廠實際每天接收“河北水”70萬 m3，2008年豐水年對地下水補(bǔ)給。3個因素綜合影響，2009年1月和3月出現(xiàn)逆沉降。

3.沉降影響因素

自然環(huán)境和人類活動是影響沉降的兩個因素。自然環(huán)境主要包括地質(zhì)構(gòu)造和氣象。其中影響地面沉降的地質(zhì)構(gòu)造主要是第四紀(jì)構(gòu)造運動造成的第四系沉積物的厚度與巖性的不均一性；氣象主要包括降雨及溫度。影響沉降的人類活動主要是地下水抽采和載荷增大：地下水抽采主要有作為城市用水的地下水抽采活動和建筑施工中的地下水疏干；載荷主要包括高大建筑靜載荷和交通(地面車輛和地鐵)產(chǎn)生的載荷增加。

本文著重討論第四系巖性與厚度和地下水抽采對北京市研究區(qū)地面沉降的影響。造成地面沉降的內(nèi)因是自然環(huán)境，人類活動是外因。當(dāng)外因達(dá)到一定程度，就表現(xiàn)為控制因素。目前，北京地區(qū)沉降控制因素主要是地下水位降低，而不同區(qū)域沉降量的不同，又是第四紀(jì)的地質(zhì)構(gòu)造運動造成的第四系沉積物的巖性與厚度所決定的。發(fā)生地面沉降所必備的地質(zhì)環(huán)境條件是在疏松的多層含水體系中有一定厚度的未固結(jié)或弱固結(jié)的可壓縮砂紙土層。外因是地下水大量、持續(xù)的抽取活動使可壓縮層水位被動降低，導(dǎo)致有效應(yīng)力增大，造成持續(xù)性應(yīng)力轉(zhuǎn)移，地面沉降范圍不斷擴(kuò)大。

四、結(jié) 論

1)地質(zhì)構(gòu)造尤其是第四紀(jì)構(gòu)造造成的第四系沉積物巖性與厚度的差異是地面發(fā)生沉降的內(nèi)因，地下水超負(fù)荷開采是造成地面沉降的外因，當(dāng)外因達(dá)到一定程度，就表現(xiàn)為控制因素。

2)淺層水隨著降雨等補(bǔ)給和采集量的控制，沉降恢復(fù)周期較短；承壓水補(bǔ)給較緩慢，因此次沉降恢復(fù)期較長。

3)節(jié)約用水，采取先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)再生水，改變供水配置，減少地下水開采，可以有效控制地面沉降。

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The Control Factors on Subsidence of Beijing Plain Area in 2003—2009 Based on PS-InSAR Technology

ZHENG Jiarong，GONG Huili，LI Qingyuan，CUI Youzhen，CHEN Beibei

P237

B

0494-0911(2014)12-0040-04

鄭佳榮，宮輝力，李青元，等.基于PS-InSAR的2003—2009年北京平原區(qū)沉降控制因素分析[J].測繪通報，2014(12)：40-43.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0393

2014-03-24

國家基金重點項目(41130744)；國家自然基金(41171335)；973計劃前期研究專項課題(2012CB723403)；國家自然科學(xué)基金(41272367)

鄭佳榮(1979—)，女，河北隆堯人，博士，副教授，主要從事測繪相關(guān)研究及教學(xué)工作。