利用多源數(shù)據(jù)分析南京市河西地面沉降風(fēng)險(xiǎn)

張 彭，朱邦彥，孫靜雯,王 曉

(1. 泰州市自然資源和規(guī)劃局，江蘇 泰州 225300； 2. 南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019； 3. 淮海工學(xué)院測繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

地面沉降是一種地面標(biāo)高持續(xù)下降的地質(zhì)現(xiàn)象，具有前期不易察覺、形成速度緩慢、影響范圍廣等特點(diǎn)，其破壞程度會隨時間的推移逐漸加劇，一旦成災(zāi)將會對城市的發(fā)展造成難以估計(jì)的損失。我國已有50多個城市遭受了不同程度地面沉降災(zāi)害影響[1-2]。地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性分析可有效地管理地面沉降風(fēng)險(xiǎn)，減少災(zāi)害造成的損失及影響，同時為區(qū)域的防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃提供參考依據(jù)，對城市公共安全具有重大意義。近年來，專家學(xué)者們在地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方面作了一些研究[3-7]。但是，存在傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)密度不足以及采用的評價(jià)因子不夠全面等問題。合成孔徑雷達(dá)干涉測量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)因其高精度、高分辨率、全天候等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測領(lǐng)域[8-10]。因此，在獲取高精度沉降信息的基礎(chǔ)上，綜合多源評價(jià)因子，可建立合理全面的評價(jià)模型，從而系統(tǒng)化、定量化地評估地面沉降風(fēng)險(xiǎn)。

南京市河西地區(qū)坐落于長江沿岸，東起秦淮河、寧蕪公路，西至長江，北起鼓樓區(qū)三汊河，面積約56 km2，具備漫灘地質(zhì)條件。近年來，作為南京重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，其經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，地面和地下空間大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致地面沉降風(fēng)險(xiǎn)日益突出，給該地區(qū)帶來了一系列危害，如建筑物形變、傾斜，地下管線開裂，軌道交通結(jié)構(gòu)病害等。

本文以COSMO-SkyMed影像獲取的河西地區(qū)2012—2016年高精度、高密度沉降信息，結(jié)合土層厚度、土地利用類型、地面高程和軌道交通分布信息，將其作為地面風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)數(shù)據(jù)源，利用層次分析法[11]建立地面沉降評估指標(biāo)和模型，從危險(xiǎn)性和易損性因素進(jìn)行分析，評估河西地區(qū)地面沉降災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度，并著重分析軌道交通的沉降風(fēng)險(xiǎn)。

1 數(shù)據(jù)源與指標(biāo)體系

本文選取覆蓋研究區(qū)2012年6月至2016年7月的46景COSMO-SkyMed高分影像作為地面沉降風(fēng)險(xiǎn)分析數(shù)據(jù)源之一。SAR影像的時空基線分布如圖1所示。采用PS-InSAR方法獲取河西地區(qū)地面形變信息[12-13]，包括地面累計(jì)沉降量和沉降速率。此外，收集研究區(qū)內(nèi)軟土層厚度、土地利用類型、地面高程、軌道交通分布信息，綜合作為地面風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的數(shù)據(jù)源。

地面沉降風(fēng)險(xiǎn)主要受兩個因素影響：一是地面沉降的危險(xiǎn)性，即評估出地面沉降災(zāi)害的發(fā)生概率和強(qiáng)度；二是地面沉降的易損性，即評估承災(zāi)區(qū)的人類社會及經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度對地面沉降的應(yīng)對能力和可恢復(fù)能力。本文采用的地面沉降風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式[4]為

R=f(HV)

(1)

式中，R為地面沉降風(fēng)險(xiǎn)；H為危險(xiǎn)性；V為易損性。

由于地面沉降具有緩變性、長期性、累計(jì)性的特征，因此，將地面累計(jì)沉降量及沉降速率作為危險(xiǎn)性評價(jià)的關(guān)鍵因子。軟土層厚度作為地質(zhì)條件，軟土層越厚，沉降越嚴(yán)重，也作為危險(xiǎn)性指標(biāo)。不同土地類型受地面沉降造成的損失程度不同，地面沉降會引起地面高程變化，影響社會經(jīng)濟(jì)活動正常運(yùn)行。此外，軌道交通的隧道縱向長度大，各區(qū)間隧道曲率半徑參數(shù)要求嚴(yán)格，地面沉降也會對其造成影響。因此，本文將土地利用類型、地面高程、軌道交通分布作為易損性指標(biāo)?；谏鲜龆嘣磾?shù)據(jù)的指標(biāo)因子，采用層次分析法[11]建立地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)模型，見表1。

利用空間分析方法計(jì)算各網(wǎng)格(5 m×5 m)的危險(xiǎn)性值和易損性值[6]，并將研究區(qū)地面沉降危險(xiǎn)性、易損性指標(biāo)分別分為低、中、高危險(xiǎn)區(qū)和低、中、高易損區(qū)，依次量化為1、2、3，分別表示地面沉降發(fā)生的概率較小、一般、較大和地面沉降災(zāi)害的可破壞性較輕、一般、嚴(yán)重。地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)分級和危險(xiǎn)性、易損性評價(jià)結(jié)果如表1和圖2所示。

表1 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型及分級

2 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)分析

本文將地面沉降風(fēng)險(xiǎn)分為4個等級，如圖3所示。河西地區(qū)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)空間特征明顯。地面沉降低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要分布于沿江地區(qū)與河西中部，面積約11.3 km2，占研究區(qū)總面積的20.2%，該地區(qū)累計(jì)沉降量、沉降速率均較小，土地開發(fā)利用程度低，危險(xiǎn)性與易損性較?。坏孛娉两抵酗L(fēng)險(xiǎn)區(qū)占地面積最大，大都分布于研究區(qū)中部和南部，面積約21.9 km2，占研究區(qū)總面積的39.2%；地面沉降較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要分布于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)周圍及軌道交通沿線，面積約16.3 km2，占研究區(qū)總面積的29.1%；地面沉降高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要分布于河西北部的江東街道、鳳凰街道及莫愁湖街道，面積約6.4 km2，占研究區(qū)總面積的11.5%，該區(qū)域?yàn)榈孛娉两狄装l(fā)區(qū)，地面沉降速率較大，最大達(dá)到52 mm/a，且該區(qū)房屋建筑密集，道路交通發(fā)達(dá)，一旦發(fā)生地面沉降，會造成較嚴(yán)重的社會經(jīng)濟(jì)損失。

3 軌道交通沉降風(fēng)險(xiǎn)分析

如圖3和圖4所示，軌道交通2號線、4號線、10號線和S3號線均穿過研究區(qū)，且落入不同等級的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。其中，地鐵2號線區(qū)段最長，遭受的地面沉降風(fēng)險(xiǎn)最大，穿過較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的區(qū)段分別占整個區(qū)段的48.3%、30.7%。地鐵4號線雖然穿過研究區(qū)的區(qū)段最短，但都位于地面沉降較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。地鐵10號線穿過較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的區(qū)段分別占整個區(qū)段的58.9%、11.9%。地鐵S3號線穿過較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的區(qū)段分別占整個區(qū)段的77.0%、13.6%。

地面沉降對地鐵的安全運(yùn)營存在較大風(fēng)險(xiǎn)，特別是位于地面沉降較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的地鐵區(qū)段應(yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注，開展長期沉降監(jiān)測。

4 結(jié) 語

本文利用InSAR技術(shù)獲取的2012—2016年河西地區(qū)高密度沉降信息，結(jié)合軟土層厚度、土地利用類型、地面高程和軌道交通分布信息，將其作為地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)因子，建立地面沉降評估模型，評估了河西地區(qū)地面沉降災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度，并著重分析了軌道交通的沉降風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，地面沉降低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布于沿江地區(qū)與河西中部；而中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占地面積最大，大都分布于河西中部和南部；較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)周圍及軌道交通沿線；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布于河西北部的江東街道、鳳凰街道及莫愁湖街道。本文的結(jié)果對河西地區(qū)沉降災(zāi)害的防治工作具有參考意義。