天津市地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展建議

呂瀟文，宋 利，邵 興，羅建忠

（1. 天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，天津 300191；2. 天津市國(guó)土資源和房屋管理局，天津 300042）

天津市地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展建議

呂瀟文1，宋 利2，邵 興1，羅建忠1

（1. 天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，天津 300191；2. 天津市國(guó)土資源和房屋管理局，天津 300042）

地面沉降監(jiān)測(cè)是防治研究工作的基礎(chǔ)，適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)方案可以及時(shí)準(zhǔn)確反映地面沉降地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況。本文介紹了天津市地面沉降監(jiān)測(cè)三十多年發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量、GPS監(jiān)測(cè)、InSAR監(jiān)測(cè)和分層標(biāo)等監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行對(duì)比論述，分析其適用性，并對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)工作未來(lái)發(fā)展提出建議，為其他地面沉降災(zāi)害發(fā)育地區(qū)選取合理的地面沉降監(jiān)測(cè)方案提供參考。

地面沉降；監(jiān)測(cè)技術(shù)；適用性分析；發(fā)展建議

天津市是我國(guó)地面沉降災(zāi)害發(fā)育最嚴(yán)重的地區(qū)之一，最早發(fā)現(xiàn)于1923年，發(fā)展至今最大累計(jì)沉降量超過3.4m。經(jīng)歷了三十多年控沉治理，天津地面沉降得到有效遏制，由年均沉降量100mm下降到年均沉降量20mm。但目前隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，沉降中心發(fā)生了轉(zhuǎn)移，有一些區(qū)域沉降形勢(shì)仍然嚴(yán)峻，最大年沉降量超過100mm，不均勻沉降顯著，沉降原因也呈現(xiàn)新特點(diǎn)。

天津市自上世紀(jì)70年代開始建設(shè)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)，結(jié)合沉降漏斗分布和原因建立了包括水準(zhǔn)、GPS、InSAR和分層標(biāo)等立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)地面沉降發(fā)育形勢(shì)的掌握、沉降原因及機(jī)理的研究、沉降防控措施的制定發(fā)揮了重要作用[1～4]。

1 天津市地面沉降監(jiān)測(cè)工作歷程

天津市地面沉降監(jiān)測(cè)工作是伴隨著研究防治工作逐步建設(shè)和完善的，在中央和地方財(cái)政資金支持下，已發(fā)展為全覆蓋、多手段的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其工作歷程主要分為五個(gè)階段：1959～1975年發(fā)現(xiàn)階段：天津市1959年在大地測(cè)量中發(fā)現(xiàn)地面沉降問題，引起地質(zhì)和測(cè)繪人員的注意，自上世紀(jì)六七十年代開始了調(diào)查研究工作，對(duì)地面沉降情況和原因有了初步認(rèn)識(shí)。

1976～1985年初期階段：為了解天津地面沉降的原因，開展了專項(xiàng)地面沉降勘查研究。自1978年在區(qū)域沉降中心，針對(duì)主要地下水開采層位，陸續(xù)在二七公園、陳塘莊、大直沽、塘沽、軍糧城建設(shè)五組分層標(biāo)，最大深度300米，針對(duì)主要的地下水開采層位，監(jiān)測(cè)不同深度地層的變形。

1986～1994年發(fā)展階段：1985年在天津市政府的支持下，全面控沉工作開始。天津市開始布設(shè)了地面沉降監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)一等控制網(wǎng)，并對(duì)天津市區(qū)、塘沽、漢沽、大港及海河下游區(qū)布設(shè)二、三等地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)；為掌握沉降發(fā)育層位和軟土變形情況，在濱海新區(qū)塘沽、漢沽、大港和開發(fā)區(qū)建設(shè)了四組分層標(biāo)；為了解決長(zhǎng)距離引測(cè)誤差問題，于1988年在市區(qū)建設(shè)了李七莊基巖標(biāo)，深度1088m,為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)首座超千米的基巖標(biāo)，在選址、建標(biāo)工藝、施工技術(shù)上都積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1995～2002年完善階段：開始應(yīng)用GPS監(jiān)測(cè)區(qū)域地面沉降的試驗(yàn)，其結(jié)果表明該技術(shù)在天津地區(qū)可行。此外天津?yàn)I海新區(qū)發(fā)展建設(shè)飛速發(fā)展的時(shí)期，為了研究濱海新區(qū)軟土對(duì)地面沉降影響，在開發(fā)區(qū)先后建設(shè)磁環(huán)淺標(biāo)，監(jiān)測(cè)淺部地層特別是軟土欠固結(jié)和次固結(jié)變形特點(diǎn)，為濱海新區(qū)城市建設(shè)安全提供技術(shù)支持。

2003年以后新時(shí)期：天津市經(jīng)濟(jì)建設(shè)加速，地面沉降影響因素隨之增加，沉降中心也發(fā)生轉(zhuǎn)移；首先隨著郊縣經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，局部地區(qū)地下水開采量增加，開采深度加大；其次隨著濱海新區(qū)的大規(guī)模建設(shè)，填海造陸、建筑基坑降水、密集高層建筑等工程對(duì)地面沉降影響日益突出，為了全方位、及時(shí)掌握天津市地面沉降情況，監(jiān)測(cè)方法和重點(diǎn)也在調(diào)整更新。平面上，天津市地面沉降水準(zhǔn)范圍已覆蓋全市，此外對(duì)重點(diǎn)工程如線性工程和填海造陸區(qū)開展了專項(xiàng)監(jiān)測(cè)；建成以CORS站和GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的高精度GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)；InSAR技術(shù)也逐步應(yīng)用于地面沉降區(qū)域及重點(diǎn)工程監(jiān)測(cè)。垂向上，天津市在近年來(lái)新形成了沉降中心，針對(duì)逐年加深的地下水開采層位，建設(shè)西青分層標(biāo)，監(jiān)測(cè)深度566m；在濱海地區(qū)開采相對(duì)集中的地區(qū)，針對(duì)地下水和地?zé)豳Y源開采現(xiàn)狀，建立漢沽分層標(biāo)，監(jiān)測(cè)深度800m；為了監(jiān)測(cè)濱海新區(qū)大規(guī)模建設(shè)對(duì)地面沉降的影響，針對(duì)濱海地區(qū)海相沉積層由于欠固結(jié)和次固結(jié)產(chǎn)生的變形特點(diǎn)，先后在開發(fā)區(qū)、臨港工業(yè)區(qū)建設(shè)了四組分層標(biāo)。

目前天津市已建成覆蓋范圍廣、手段多樣、精確度高的立體地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，三十多年來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反映地面沉降發(fā)育情況，在實(shí)踐中培養(yǎng)了專業(yè)人員隊(duì)伍，長(zhǎng)期從事此項(xiàng)工作，積累了大量的數(shù)據(jù)資料和技術(shù)儲(chǔ)備，為地面沉降防治工作發(fā)揮積極作用。

表1 天津市地面沉降網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)情況Table 1 Land subsidence monitoring network in Tianjin______

2 地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)

水準(zhǔn)測(cè)量是地面沉降監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)手段。天津市每年開展全市水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，掌握地面沉降發(fā)展情況和變化趨勢(shì)。水準(zhǔn)測(cè)量是目前天津市地面沉降速率圖繪制的主要依據(jù)。

天津地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)是1985年在原天津市水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)基礎(chǔ)上建立的，水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)面積已由1985年的1310km2增至2014年的10000km2，監(jiān)測(cè)范圍由初期僅天津市區(qū)和塘沽區(qū)逐步擴(kuò)展如今已覆蓋天津市全境，監(jiān)測(cè)等級(jí)由原來(lái)的一、二、三等逐步過渡到一等為骨干、二等為基本目標(biāo)；以寶坻基巖標(biāo)為起算點(diǎn)，一、二等水準(zhǔn)測(cè)量線路達(dá)到6885.9km，監(jiān)測(cè)頻率每年一次，于每年地下水開采高峰期結(jié)束后進(jìn)行。截至2014年天津市地面沉降共有水準(zhǔn)點(diǎn)1434個(gè)，重點(diǎn)沉降控制區(qū)（包括中心城區(qū)、濱海新區(qū)、高速鐵路沿線兩側(cè)一公里范圍區(qū)域、武清城區(qū)、靜海城區(qū)和環(huán)城四區(qū)）水準(zhǔn)點(diǎn)平均間隔為1個(gè)/2～3km，一般沉降控制區(qū)（除重點(diǎn)控制區(qū)以外的地面沉降區(qū)）水準(zhǔn)點(diǎn)平均間隔1個(gè)/3～4km。

水準(zhǔn)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)：水準(zhǔn)測(cè)量是目前應(yīng)用廣泛的地面沉降監(jiān)測(cè)方法，具有測(cè)量精度高、成果可靠的特點(diǎn)，是地面沉降發(fā)育比較嚴(yán)重且監(jiān)測(cè)精度要求較高的地區(qū)首選監(jiān)測(cè)方法。水準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)前期投入小，儀器價(jià)格便宜，測(cè)量?jī)x器操作及施工過程相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著近年電子水準(zhǔn)儀的普及，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，人為操作誤差也得到減小。

水準(zhǔn)測(cè)量劣勢(shì)：水準(zhǔn)測(cè)量工作量大，耗費(fèi)人力物力成本較高，觀測(cè)周期長(zhǎng)，易受到天氣狀況、人員條件、不確定因素等外界條件影響，時(shí)效性較難保證。水準(zhǔn)網(wǎng)由離散的監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，其穩(wěn)定性受其埋設(shè)環(huán)境制約，且測(cè)量標(biāo)志由于無(wú)人看守易遭受破壞，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的連續(xù)性產(chǎn)生影響。由于基準(zhǔn)點(diǎn)距市區(qū)遠(yuǎn)，為了保證精度必須布設(shè)長(zhǎng)距離的一等骨干水準(zhǔn)網(wǎng)，高程基準(zhǔn)傳遞的投入大。從成果表達(dá)來(lái)看，受布設(shè)的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量限制，水準(zhǔn)測(cè)量從宏觀上可以掌握區(qū)域沉降的特征，但局部精細(xì)分布特征難以精確描繪。

2.2 地面沉降GPS監(jiān)測(cè)

天津市地面沉降GPS監(jiān)測(cè)已開展近十余年，在總結(jié)先進(jìn)地區(qū)區(qū)域控制GPS沉降監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，逐步形成了適用于本地情況地面沉降觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理方案。

天津市區(qū)域控制GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)采用參照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314-2009）B級(jí)GPS網(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求，基于衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)的點(diǎn)觀測(cè)模式，監(jiān)測(cè)點(diǎn)共分兩類：一是均勻分布于天津市各區(qū)縣的11個(gè)CORS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，二是分散埋設(shè)于全市重點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)區(qū)的35個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見圖1。天津GPS地面沉降測(cè)量每年一次，于1011月份進(jìn)行，將35個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分批次監(jiān)測(cè)，各批次涉及點(diǎn)同步觀測(cè)，投入9臺(tái)GPS接收機(jī)，連續(xù)監(jiān)測(cè)48小時(shí)，數(shù)據(jù)采樣率設(shè)定30秒。結(jié)合天津市11個(gè)全年連續(xù)觀測(cè)的衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，保證各點(diǎn)位間均構(gòu)成直接邊，站點(diǎn)平均距離在50KM以內(nèi)。GPS數(shù)據(jù)處理基線解算采用的軟件是GAMIT10.40，平差處理采用軟件為GLOBK采用專用處理軟件[7]。

圖1 天津市GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)和分層標(biāo)分布Fig.1 Distribution of GPS and layering marks in Tianjin

為了比較GPS測(cè)量成果與水準(zhǔn)測(cè)量成果的一致性，對(duì)比分析部分GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量成果，應(yīng)用兩期GPS測(cè)量所獲得大地高變化量dh表示地面沉降，與應(yīng)用兩期精密水準(zhǔn)測(cè)量方法所獲得的正常高變化量dH表示地面沉降，二者較差見表2?？芍狦PS測(cè)量成果與水準(zhǔn)測(cè)量成果二者較差小于±5mm的站點(diǎn)有12個(gè)，占比為43%；較差介于5～10mm之間的站點(diǎn)有9個(gè)，占比32%；較差介于10～20mm之間的站點(diǎn)有5個(gè)，占比18%；較差大于20mm的站點(diǎn)有2個(gè)，占比7%。從以上統(tǒng)計(jì)可知，75%的站點(diǎn)較差小于10mm，兩種測(cè)量方法成果較差占比見圖2，充分說明數(shù)據(jù)解算的高精度和GPS監(jiān)測(cè)地面沉降的可靠性，能夠快速準(zhǔn)確的反映天津市地面沉降發(fā)育總體形勢(shì)及沉降中心的位置。

表2 GPS測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量成果較差表Table 2 Comparison of GPS and leveling results

圖2 GPS與水準(zhǔn)測(cè)量成果較差占比Fig.2 Comparison of GPS and leveling results

GPS監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)：GPS監(jiān)測(cè)具有觀測(cè)站之間無(wú)需通視、定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短、提供三維坐標(biāo)、操作簡(jiǎn)便、全天候作業(yè)等特點(diǎn)。由于觀測(cè)作業(yè)效率高，該方法可以在短時(shí)間內(nèi)完成大跨度平面及高程聯(lián)測(cè)，節(jié)省水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)作業(yè)。在滿足一定觀測(cè)條件和計(jì)算條件的基礎(chǔ)上，得到較高精度的空間三維坐標(biāo)，對(duì)局部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)用連續(xù)基準(zhǔn)站能實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化測(cè)量。從精度上看CORS站的結(jié)果優(yōu)于GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用連續(xù)站取得高精度監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以更好的解決單一水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)由于長(zhǎng)距離引側(cè)帶來(lái)的誤差累計(jì)問題，提高水準(zhǔn)測(cè)量精度。對(duì)于未普遍布控水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的地區(qū)，GPS測(cè)量可以捕獲較大的變形量、控制主要沉降漏斗，是把握地面沉降總體發(fā)育形勢(shì)方面的便捷手段[8～10]。

GPS監(jiān)測(cè)劣勢(shì)：在面上監(jiān)測(cè)效果上受監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置網(wǎng)形和點(diǎn)位密度影響，還不能全面反映區(qū)域沉降情況。受GPS衛(wèi)星狀態(tài)、接收機(jī)誤差、地球潮汐、相對(duì)效應(yīng)等因素影響，在絕對(duì)高程測(cè)點(diǎn)上還不能達(dá)到很高精度，還不能完全代替二等以上水準(zhǔn)測(cè)量，特別是對(duì)于沉降量較小的地區(qū)監(jiān)測(cè)精度有限。此外GPS網(wǎng)在運(yùn)行維護(hù)方面投入較大，近年來(lái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的破壞也影響測(cè)量的連續(xù)性。

2.3 地面沉降InSAR監(jiān)測(cè)

合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）技術(shù)是以同一地區(qū)多景SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，求取多幅圖像的相位差，獲取干涉圖像，經(jīng)過相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，具有區(qū)域性、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，適合相干性良好地區(qū)的微小、緩慢、連續(xù)變形監(jiān)測(cè)，因此適用于地面沉降這種緩變性災(zāi)害監(jiān)測(cè)，可以有效把握區(qū)域性地表形變趨勢(shì)。隨著處理方法不斷進(jìn)步及高分影響數(shù)據(jù)的獲取InSAR可以達(dá)到毫米級(jí)精度面狀全方位監(jiān)測(cè)。天津市是最早啟動(dòng)地面沉降InSAR監(jiān)測(cè)的地區(qū)之一，十多年來(lái)以航遙中心為主的多家單位開展了此項(xiàng)研究[11～14]，積累了大量的數(shù)據(jù)資料和技術(shù)儲(chǔ)備。從長(zhǎng)期應(yīng)用效果來(lái)看InSAR監(jiān)測(cè)成果與水準(zhǔn)測(cè)量總體趨勢(shì)一致，能夠更詳細(xì)的刻畫區(qū)域地面沉降發(fā)展情況，已成為沉降監(jiān)測(cè)的成熟且常規(guī)手段。目前在重大線性工程的地面沉降監(jiān)測(cè)中，針對(duì)其跨地區(qū)、走線不一的特點(diǎn)，體現(xiàn)出很強(qiáng)的實(shí)用性。

InSAR監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)：在時(shí)效性上優(yōu)勢(shì)明顯，可在短時(shí)間內(nèi)得到較大范圍內(nèi)包含詳細(xì)空間信息的地面沉降圖，不受天氣制約、自動(dòng)化程度高和經(jīng)濟(jì)投入少，特別在未開展系統(tǒng)地面沉降監(jiān)測(cè)，資料匱乏的地區(qū)，為獲取地面沉降歷史和現(xiàn)狀情況提供依據(jù)。以往中等分辨率InSAR重在解決大范圍區(qū)域地面沉降全覆蓋監(jiān)測(cè)，近年來(lái)高分辨率InSAR技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了工程性沉降精細(xì)化監(jiān)測(cè)的深入發(fā)展。

InSAR監(jiān)測(cè)劣勢(shì)：其精度取決于SAR數(shù)據(jù)、InSAR技術(shù)方法和觀測(cè)對(duì)象變形特征等因素，需要長(zhǎng)期大量的數(shù)據(jù)積累為保證，數(shù)據(jù)處理專業(yè)技術(shù)性強(qiáng)，入門門檻較高。在沉降顯著監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)時(shí)能夠取得良好效果，沉降量較小或觀測(cè)周期要求較短時(shí)還不能達(dá)到二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)精度。對(duì)于冰雪覆蓋區(qū)、草地、林地等植被覆蓋區(qū)，由于相干性差，無(wú)法獲取需要的相位信息，影響測(cè)量效果。

2.4 地面沉降分層標(biāo)監(jiān)測(cè)

分層標(biāo)監(jiān)測(cè)是地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的重要組成部分，用于掌握不同深度土層變形情況，是在天津市地面沉降勘察、治理歷史進(jìn)程中逐步建立起來(lái)的，針對(duì)地面沉降發(fā)展程度、地下水開采條件和不同的沉降影響因素布設(shè)。目前分層標(biāo)組已積累了三十多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)天津市調(diào)整地下水開采，地面沉降機(jī)理研究發(fā)揮了重要作用，為控沉管理工作提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

天津市建有基巖標(biāo)2座，基巖標(biāo)主要是針對(duì)地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的需要而建設(shè)；分層組標(biāo)14座，深層分層標(biāo)10組，最大控制深度1200m；淺層分層標(biāo)4組，最大控制深度58m，全部納入地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)見圖1，已有部分標(biāo)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7]。

地面沉降分層垂向監(jiān)測(cè)方法主要有傳統(tǒng)機(jī)械標(biāo)，測(cè)量方法包括人工水準(zhǔn)測(cè)量和靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)、磁環(huán)標(biāo)、光纖等形式，下面分別說明這幾種監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用情況：從分層標(biāo)應(yīng)用來(lái)看機(jī)械標(biāo)由于技術(shù)成熟、歷史悠久，使用更普遍，天津最早期于80年代建設(shè)的分層標(biāo)組目前仍在監(jiān)測(cè)，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，精度可達(dá)到0.01毫米，長(zhǎng)期能夠客觀反映各層位變形情況，但是分層機(jī)械標(biāo)造價(jià)成本高，占地面積大，目前新建分層標(biāo)選址面臨困難。分層標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)水連通液面平衡原理（靜力水準(zhǔn)），節(jié)省人力、監(jiān)測(cè)頻率高，但高精度測(cè)量設(shè)備受溫度、濕度、電子元器件壽命等因素影響較大，使用年限一般為5～6年，需要不斷維護(hù)更新。天津2000年開始在濱海地區(qū)埋設(shè)磁環(huán)標(biāo)，埋設(shè)深度一般在50m以淺，精度為毫米級(jí)，監(jiān)測(cè)海岸帶地區(qū)淺部地層特別是軟土變形特征，施工和監(jiān)測(cè)操作簡(jiǎn)便，但由于天津?yàn)I海地區(qū)地下水腐蝕性較強(qiáng)，長(zhǎng)期易對(duì)測(cè)量?jī)x器造成破壞影響測(cè)量。光纖近年來(lái)投入地面沉降監(jiān)測(cè)方面研究，其原理被業(yè)界普遍認(rèn)同，優(yōu)點(diǎn)是投入相對(duì)較小，監(jiān)測(cè)頻率高，不受占地影響，國(guó)內(nèi)已開展的光纖沉降監(jiān)測(cè)大多深度在200m以淺，天津近期也做過光纖光柵垂向監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)，深度500m，精度0.1mm，但其監(jiān)測(cè)效果跟光線光柵與地層的耦合程度等因素密切相關(guān)，成功率受施工工藝影響較大。受用地和造價(jià)限制，傳統(tǒng)分層標(biāo)組建設(shè)難度增加，從應(yīng)用前景看光纖光柵監(jiān)測(cè)還需在改進(jìn)施工工藝方面取得突破才能取代傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法。

長(zhǎng)期的分層標(biāo)監(jiān)測(cè)成果表明，天津市平原區(qū)影響沉降的主要層位由80年代Ⅱ、Ⅲ含水組為主，逐漸發(fā)展為Ⅲ含水組以下深部地層。濱海地區(qū)淺部地層變形量占該地區(qū)總沉降量的較大比例。天津市區(qū)分層監(jiān)測(cè)標(biāo)1985年以前，引起地面沉降的層位主要是第Ⅱ含水組地層，占總沉降量的40～50%。1985年以后，隨著中心城區(qū)開采量的不斷減少，特別是第Ⅱ含水組減少的幅度更大，第Ⅱ、Ⅲ含水組水位明顯回升，第Ⅱ含水組地層多年呈現(xiàn)為回彈。近年第Ⅱ、Ⅲ含水組地層略有沉降；而第Ⅲ含水組以下沉降占50%以上，是影響沉降的主要層位。

濱海新區(qū)塘沽分層監(jiān)測(cè)標(biāo)1985年以前第Ⅱ、Ⅲ含水組是影響沉降的主要層位，年沉降量為40～60mm/a。1985年控沉措施實(shí)施后，第Ⅱ、Ⅲ含水組沉降量逐漸減小，年沉降量由40mm/a減小到10mm/a，第Ⅳ含水組及以下地層年均沉降0～20mm/a。1990年開始第Ⅱ、Ⅲ含水組年均沉降量逐漸減小到10mm/a以下，第Ⅳ含水組及以下地層沉降逐漸增大，年均沉降10～30mm/a。2000年以來(lái)，淺部地層受上覆堆土荷載影響，年均沉降4～5mm，占總沉降量比重增大，第Ⅱ含水組年均沉降量小于10mm/a，第Ⅲ含水組出現(xiàn)回彈，第Ⅳ含水組及以下地層沉降減緩，但仍占有主要比重。

圖3 市區(qū)分層標(biāo)沉降變化曲線Fig.3 Deformation of layerwise mark in Central

圖4 塘沽分層標(biāo)沉降變化曲線Fig.4 Deformation of layerwise mark in Binhai District

表3 地面沉降監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用對(duì)比Table 3 Comparison of monitoring methods for land subsidence

3 地面沉降監(jiān)測(cè)工作發(fā)展建議

3.1 動(dòng)態(tài)完善區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)，建立監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制

落實(shí)《全國(guó)地面沉降防治規(guī)劃（2011～2020年）》、《天津市地面沉降防治規(guī)劃（2013～2020年）》等有關(guān)要求，開展天津市地面沉降監(jiān)測(cè)防治工作。天津市從實(shí)施控沉措施以來(lái)，地面沉降發(fā)育程度總體上得到控制，但局部地區(qū)隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源的需求加大，地面沉降沉降漏斗發(fā)生轉(zhuǎn)移，應(yīng)根據(jù)地面沉降發(fā)展、城市規(guī)劃趨勢(shì)和重大工程建設(shè)布局不斷調(diào)整補(bǔ)充監(jiān)測(cè)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)各重點(diǎn)防治區(qū)都具備垂向和平面的立體監(jiān)測(cè)條件。加強(qiáng)對(duì)填海造陸地區(qū)、新興城市規(guī)劃區(qū)和重點(diǎn)工程（如防潮堤、高速鐵路、地鐵輕軌、輸水管線、油氣管線等）的地面沉降監(jiān)測(cè)設(shè)施的布置，開展地面沉降預(yù)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系、預(yù)警結(jié)果綜合評(píng)價(jià)和發(fā)布機(jī)制研究，保障重大工程安全運(yùn)營(yíng)。

3.2 優(yōu)化監(jiān)測(cè)手段，提高監(jiān)測(cè)水平

目前天津市已建成了包括水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量、分層標(biāo)測(cè)量、InSAR監(jiān)測(cè)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等多手段的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，積累了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。下一步要深入梳理不同監(jiān)測(cè)方法的適用性，針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)目標(biāo)選取合適的監(jiān)測(cè)方法，探索多種技術(shù)融合的方法提高監(jiān)測(cè)精度和效率，降低成本。此外還應(yīng)適時(shí)引進(jìn)新的技術(shù)方法，解決監(jiān)測(cè)防治工作中的難題，提高監(jiān)測(cè)水平。

4 結(jié)語(yǔ)

本文梳理了三十多年來(lái)天津市地面沉降監(jiān)測(cè)工作的發(fā)展，總結(jié)了水準(zhǔn)、GPS、分層標(biāo)、InSAR、地下水動(dòng)態(tài)等監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用情況，并分析其應(yīng)用特點(diǎn)，每一種監(jiān)測(cè)方法均有其適用條件，選取合適的技術(shù)發(fā)揮最大效用是需要從業(yè)者思考的問題。近年來(lái)依托中國(guó)地調(diào)局地面沉降調(diào)查項(xiàng)目，一些空白區(qū)也發(fā)現(xiàn)了地面沉降災(zāi)害，地方政府非常重視，投入人力物力開展防治工作，建議這些地區(qū)在監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)及監(jiān)測(cè)方法的使用過程中，考慮不同監(jiān)測(cè)方法的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐孛娉两蛋l(fā)育形勢(shì)、監(jiān)測(cè)目標(biāo)類型、地形地貌條件等因素統(tǒng)籌規(guī)劃，才能有的放矢，快速、準(zhǔn)確的掌握區(qū)域地面沉降發(fā)育情況，及時(shí)采取有效控沉手段，降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

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The suggestion and application of land subsidence monitoring in Tianjin

Lü Xiao-Wen1, SONG Li2, SHAO Xing1, LUO Jian-Zhong1
(1.Tianjin Central Station of Geo-Environment Monitoring, Tianjin 300191, China 2.Tianjin Municipal Bureau of Land Resources and Housing Administration Portal , Tianjin 300042, China)

Monitoring is the basis of land subsidence research and control. The status of land subsidence can be obtained accurately and on a timely basis by applying an appropriate monitoring scheme. This article presents the course of development and application of land subsidence monitoring in Tianjin over a period of more than 30 years. The applicability of level monitoring, GPS monitoring, InSAR monitoring, and layered benchmark monitoring methods are analyzed and compared. Recommendations for the development of land subsidence monitoring for the future are made, and a reference for the selection of a monitoring scheme for other land subsidence disaster areas is provided.

land subsidence; monitoring technclogy; applicability analysis; development suggestion

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0026-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.007

2017-04-07

修回日期: 2017-06-03

呂瀟文(1983-),女,碩士,工程師,主要從事地面沉降監(jiān)測(cè)研究.

電子郵箱: pauline1983@126.com

聯(lián)系電話: 022-23682576

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(水[2014]02-031-011);天津市國(guó)土資源和房屋管理局科研項(xiàng)目(國(guó)土房任[2015]1號(hào))