北京土層GNSS連續(xù)觀測站沉降影響的識別和改正

吳培稚　梁　芳　胡樂銀　徐　平　邢成起　孫建寶　黃雨蕊　施玉芳　季　紅

1　北京市地震局，北京市蘇州街28號，100080 2　中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市華嚴(yán)里甲1號，100029

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北京土層GNSS連續(xù)觀測站沉降影響的識別和改正

吳培稚1梁芳1胡樂銀1徐平1邢成起1孫建寶2黃雨蕊1施玉芳1季紅1

1北京市地震局，北京市蘇州街28號，100080 2中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市華嚴(yán)里甲1號，100029

以基巖GNSS連續(xù)觀測站為背景，考察各土層GNSS連續(xù)觀測站垂直、水平分量的變化特征。觀測結(jié)果表明，排除沉降干擾，嚴(yán)重沉降站一般需要改正，一般沉降站視研究需要決定是否改正。最后給出受沉降影響的測項(xiàng)的改正方法。

GNSS；區(qū)域基準(zhǔn)；沉降干擾；改正

北京GNSS連續(xù)觀測網(wǎng)于2005年建成[1]，大部分測站建在土層上，部分測站還設(shè)在沉降區(qū)。它們?yōu)檠芯砍两堤峁┝瞬蓸勇首罡?、連續(xù)性最好的觀測手段，也為GNSS監(jiān)測地殼運(yùn)動(dòng)，研究排除沉降干擾提供了有利條件。本文以基巖站為背景，考察各土層站3個(gè)分量的變化特征。

1　背景選擇

在全球框架下，北京地區(qū)GNSS站的水平分量存在南移、東移的趨勢，基巖站垂直分量呈現(xiàn)小幅度上升的趨勢。仿照構(gòu)造區(qū)域基準(zhǔn)的方法，選擇沉降區(qū)及周邊的基巖站構(gòu)成穩(wěn)定點(diǎn)組。北京GNSS連續(xù)觀測網(wǎng)共有4個(gè)基巖站，其中房山、十三陵、薊縣3個(gè)站缺數(shù)很少，由此3個(gè)站組成穩(wěn)定點(diǎn)組；?？谟咀鳛闄z驗(yàn)站，用以檢驗(yàn)基巖區(qū)域基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。圖1是區(qū)域基準(zhǔn)下4個(gè)基巖站的日值變化曲線?？梢钥闯?，牛口峪站變化與其他3個(gè)站整體相同，4個(gè)測站所有測項(xiàng)的年平均變化量均小于1.5 mm，低于各分量日值的平均誤差，基巖區(qū)域基準(zhǔn)是穩(wěn)定的(圖中各測站曲線的標(biāo)識符見表1)。

圖1　基巖站U、N、E分量變化曲線Fig.1　Time series of U, N and E components in bedrock stations

2　垂直分量沉降影響的識別和改正

基巖區(qū)域基準(zhǔn)下，全部12個(gè)土層站的垂直分量日值變化曲線見圖2(a)，圖中缺數(shù)原因?yàn)槿睖y及凍土、大樹干擾等?？梢钥闯?，這12個(gè)站的下降變化各不相同。由水準(zhǔn)、InSAR、地下水和宏觀調(diào)查得知，北京市郊存在大面積的土層沉降[2-3]，上述下降變化是由地面沉降引起的。

綜合日值觀測誤差、年平均下降量等因素可以初步設(shè)定，年平均下降量小于5 mm的測站為不沉降站，5～10 mm的為一般沉降站，超過10 mm的為嚴(yán)重沉降站。據(jù)此，12個(gè)土層站可分成3組，不沉降站有昌平、延慶、湯河口、齋堂，它們不在沉降區(qū)內(nèi)；一般沉降站有大興、西集、石景山、測繪院，它們大部分在沉降區(qū)邊緣；嚴(yán)重沉降站有牛欄山、平谷、朝陽、東三旗，其中東三旗站年平均沉降量80 mm左右，為連續(xù)GNSS觀測到的沉降最嚴(yán)重的臺站。

圖2　土層測站U分量變化曲線Fig.2　Time series of U components in soil stations

在時(shí)間序列曲線圖上，土層沉降使原來的水平趨勢變化變?yōu)榫徛陆?，沉降改正、期望改正后的趨勢變化接近原來的水平狀態(tài)。圖2(d)中嚴(yán)重沉降的4個(gè)測站，經(jīng)多種方法試算、多項(xiàng)指標(biāo)比較發(fā)現(xiàn)，東三旗、牛欄山、朝陽3個(gè)站適于用二次多項(xiàng)式擬合，平谷站適于用線性模型擬合。擬合改正后的曲線見圖3，各曲線年平均變化量接近0，基本排除了沉降干擾的影響。

圖3　土層嚴(yán)重沉降組各站垂直分量改正后的變化曲線Fig.3　Corrected time series of U components in severely subsidence soil stations

3　水平分量沉降影響的識別和改正

水平分量實(shí)測結(jié)果見圖4。圖4(a)、圖4(b)為不沉降組的N、E曲線，圖4(c)、圖4(d)為一般沉降組的N、E曲線，圖4(e)、4(f)為嚴(yán)重沉降組的N、E曲線。仿照上文垂直分量設(shè)定沉降指標(biāo)的方法，以年平均變化量1.5 mm為界，不沉降組和一般沉降組各站的年平均變化量均小于1.5 mm(測繪院站因人為干擾，U分量曲線未繪)，可不作改正。

嚴(yán)重沉降組中平谷站年平均變化量小于1.5 mm，可不作改正。東三旗、朝陽、牛欄山站的平均年變化量一般大于1.5 mm，變化特點(diǎn)也不同。南北分量中，東三旗站和朝陽站北移，牛欄山站南移，東三旗站偏移量最大；東西分量中，朝陽站東移，牛欄山站和東三旗站西移，朝陽站偏移量最大。3個(gè)測站偏移的方向和大小受該站在沉降區(qū)中位置的制約，這種制約符合沉降漏斗的假設(shè)，屬沉降影響所致。排除沉降對水平分量的干擾，改正后的趨勢變化應(yīng)在時(shí)序曲線圖中接近水平。改正方法可用本測站垂直分量的改正數(shù)學(xué)模型，即二次多項(xiàng)式。圖5是東三旗、朝陽、牛欄山站改正后的時(shí)序曲線，它們的趨勢變化接近水平。

年平均變化量的計(jì)算方法如下：在選定時(shí)段內(nèi)繪日值曲線，時(shí)間以a為單位，對所有測站各分量曲線進(jìn)行直線回歸，直線的斜率即是年平均變化量。表1給出了所有測站在基巖區(qū)域基準(zhǔn)下日值曲線的斜率值、沉降改正的數(shù)學(xué)模型及所屬組別，改正后曲線斜率都接近0，改正效果較好。

表1　測站日值曲線的斜率及沉降改正模型

圖4　土層站水平分量各組變化曲線Fig.4　Time series of horizontal components in soil stations

圖5　土層嚴(yán)重沉降組N分量、E分量改正后的變化曲線Fig.5　Corrected time series of N and E components in severely subsidence soil stations

4　結(jié)　語

在以日值為基礎(chǔ)的GNSS測值變化曲線上，地面沉降和地殼運(yùn)動(dòng)均會(huì)呈現(xiàn)緩慢的趨勢變化，消除沉降干擾必須慎重[4-6]。測站沉降的識別和改正可分為以下幾步：1)在排除凍土、樹木、超差、遷址、設(shè)備和人為等已知干擾后，土層測站在垂直方向上表現(xiàn)出下降趨勢，并積累了一定程度，可確定為疑似沉降站；2)收集疑似沉降站能反映沉降的資料，找出肯定、否定沉降的證據(jù)；3)由基巖等不沉降站組成穩(wěn)定點(diǎn)組，構(gòu)造區(qū)域基準(zhǔn)；4)適當(dāng)擴(kuò)大時(shí)空范圍，在區(qū)域基準(zhǔn)下計(jì)算疑似沉降站及周邊其他測站的3個(gè)分量值；5)繪制區(qū)域基準(zhǔn)下垂直分量曲線，土層站年平均下降量大于設(shè)定值(如10 mm)時(shí)視為嚴(yán)重沉降站；6)考慮到沉降的局部、緩慢、多變等特點(diǎn)，分時(shí)段選擇合適的數(shù)學(xué)方法消除垂直分量的沉降干擾，改正后的趨勢變化大體與基巖站接近；7)沉降區(qū)內(nèi)測站的水平分量也會(huì)受沉降影響，這種影響的數(shù)量、方向、大小與沉降不是一一對應(yīng)的，需逐站逐分量逐時(shí)段地識別和改正；8)對于一般沉降站是否需要改正，應(yīng)視研究目標(biāo)而定，一般應(yīng)盡可能少改正。

本文給出的沉降識別指標(biāo)還需要在更大范圍、更長時(shí)段內(nèi)得到證實(shí)，沉降改正算法也需隨時(shí)間、地點(diǎn)的改變而變化。在使用GNSS數(shù)據(jù)監(jiān)測地殼運(yùn)動(dòng)時(shí)，考慮測站有無沉降干擾是必要的。

致謝：感謝顧國華研究員、王敏研究員的悉心幫助和指導(dǎo)！

[1]吳培稚，孫建寶，徐平，等.利用北京GNSS連續(xù)站監(jiān)測地殼運(yùn)動(dòng)遇到的問題及解決辦法[J].地震，2014，34(1):144-151(Wu Peizhi, Sun Jianbao, Xu Ping, et al. Problems and Solutions Encountered in Continuous GNSS Monitoring of Crustal Movement [J]. Earthquake, 2014, 34(1):144-151)[2]楊艷，賈三滿，王海剛. 北京平原區(qū)地面沉降現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].上海地質(zhì)，2010，31(4):23-28(Yang Yan, Jia Sanman, Wang Haigang, et al. The Status and Development of Land Subsidence in Beijing Plain [J]. Shanghai Geology, 2010, 31(4):23-28)

[3]梁芳，孫建寶，沈正康，等.L波段InSAR數(shù)據(jù)觀測到的北京及其周邊2007-2010年間累計(jì)地殼形變基本特征[J].地震，2013，33(4):43-54(Liang Fang, Sun Jianbao, Shen Zhengkang, et al. Accumulated Crustal Deformation and Its Characteristics in Beijing and Surrounding Regions in 2007-2010 from L-band InSAR [J].Earthquake, 2013, 31(4): 43-54)

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[6]顧國華. 基準(zhǔn)站GPS連續(xù)觀測得到的垂直位移時(shí)間序列[J].地震地質(zhì)，2005，27(2)：332-340(Gu Guohua. Time Series of Vertical Displacements Obtained from Continuous GPS Measurement at Fiducial Stations in the Crustal Movement of Observation Network of China [J]. Seismology and Geology, 2005, 27(2):332-340)

Foundation support:The Old Experts Scientific Research Fund of CEA, No.201502；Natural Science Foundation of Beijing, No.8041001,8092012.

About the first author:WU Peizhi, researcher, majors in earthquake monitoring and prediction, E-mail:quakewu@163.com.

Identification and Correction of Subsidence Signals for Soil-Based GNSS Continuous Stations in Beijing Area

WUPeizhi1LIANGFang1HULeyin1XUPing1XINGChengqi1SUNJianbao2HUANGYurui1SHIYufang1JIHong1

1Earthquake Administration of Beijing Municipality, 28 Suzhou Street, Beijing 100080，China 2State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology,CEA, A1 Huayanli,Beijing 100029, China

In this paper, we take rock-based GNSS continuous stations as referents, and inspect the observed deformation variations in both horizontal and vertical components of every soil-based GNSS continuous station. Observations show that severe subsidence stations must be corrected, slight subsidence stations should be corrected depending on the research goals, and no correction is needed on non-subsidence stations for continuous GPS observations. We also present some methods for subsidence correction on GNSS station observations.

GNSS; regional base station; subsidence interference; correction

2015-07-15

吳培稚，研究員，主要從事地震監(jiān)測預(yù)報(bào)研究，E-mail:quakewu@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.008

1671-5942(2016)09-0789-04

P315

A

項(xiàng)目來源：中國地震局老專家科研基金(201502)；北京市自然科學(xué)基金(8041001,8092012)。