開封市地面沉降監(jiān)測網絡優(yōu)化研究

徐郅杰　董偉　王寶紅

摘要：分析開封市地面沉降監(jiān)測網絡連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展地面沉降發(fā)育規(guī)律及影響因素研究，優(yōu)化地面沉降監(jiān)測網，提升地面沉降的監(jiān)測預警能力，為開封市自然資源開發(fā)及生態(tài)文明建設提供基礎資料和科學依據(jù)，為類似地區(qū)及我省其他城市開展地面沉降監(jiān)測提供了參考資料和經驗。

關鍵詞：地面沉降;監(jiān)測網絡優(yōu)化;開封市

中圖分類號：X141 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）09-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.133

Research on optimization of land subsidence monitoring network in Kaifeng

Xu Zhijie1，2，Dong Wei1，2，Wang Baohong1，2

（1.Geological Environment Monitoring Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016，China;

2.Key Laboratory of Geological Environment Protection of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016，China）

Abstract：Continuous monitoring data of land subsidence monitoring network in Kaifeng is analyzed，research on the development rule and influencing factors of the land subsidence is conducted， the accuracy of land subsidence monitoring network is optimized，and the monitoring and early warning capabilities of the land subsidence is improved.This comprehensive research into land subsidence of Kaifeng is undertaken to provide the basis for the natural resource development and ecological civilization construction of Kaifeng，and to offer reference and experience in land subsidence monitoring research to similar areas and other cities in our province.

Key words：Land subsidence;Monitoring network optimization;Kaifeng City

開封市是河南省18個省轄市之一，是中國歷史文化名城，國際文化旅游城市，中原城市群紡織、食品、化工和醫(yī)藥工業(yè)基地，鄭州都市圈重要功能區(qū)。鄭汴新區(qū)為現(xiàn)代產業(yè)集聚區(qū)、城鄉(xiāng)一體發(fā)展的現(xiàn)代復合型新城區(qū)、綜合改革核心試驗區(qū)、對外開放示范區(qū)、環(huán)境優(yōu)美宜居區(qū)和為全省乃至中西部地區(qū)服務的區(qū)域中心。2013年，開封市建成了地面沉降監(jiān)測網和綜合監(jiān)測站，是河南省首個開展專業(yè)地面沉降監(jiān)測的城市。

1 開封自然地理

1.1 交通位置

開封市位于河南省中部，西距省會鄭州70km，北臨黃河，西接中牟，南、東被通許、杞縣包圍。市境內公路四通八達，連霍高速公路、鄭徐高鐵自市區(qū)北部穿過，隴海鐵路、310國道呈東西向橫貫市區(qū)南部，鄭汴快速公路、鄭汴輕軌使兩個城市聯(lián)系更加緊密，交通便利。

1.2 氣象水文

開封市屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，冬季寒冷雨雪少，夏季炎熱雨集中;春短干旱風日多，秋季晴和日照長。多年平均氣溫在14℃左右，極端最低氣溫-16℃，極端最高氣溫為42.9℃;多年平均降水量634.2mm，最大年降水量948.3mm，最小降水量310.5mm，多年平均蒸發(fā)量1 995.7mm。

開封市主水系主要為黃河流域和淮河流域，其中黃河為地上懸河，河床高出堤外地面7～10m，自西向東流經北部邊界?；春恿饔蛑饕獮闇u河水系的惠濟河、運糧河、馬家河。區(qū)內地表水體較多，主要有包公湖、潘家湖、楊家湖、鐵塔湖、陽光湖等。

1.3 地形地貌

開封市地形西北高，東南低，西北地面高程80m左右，東南70m左右，相對高差10m。由西北向東南傾斜，地面坡降1/2000～1/4000。

開封市地貌類型以堆積地形為主，大部分地區(qū)屬黃河下游沖積平原，地面開闊平坦，按其形態(tài)特征和物質組成可分為泛流平原和黃河河道，按微地貌形態(tài)特征可分為河床、漫灘、背河洼地、微傾斜平地、沙丘分布微起伏平地5種類型。

2 開封地沉降歷史

20世紀80年代以來，隨著地下水開采量的增大、地下水水位的下降和地下水水位降落漏斗的形成，地層巖土力學平衡被破壞，在開封市的西部和東南部產生了4個地面沉降漏斗區(qū)。據(jù)《開封市地面沉降研究報告》（1990年），開封市區(qū)1954～1989年總沉降量大于30mm的區(qū)域面積達182km2。

根據(jù)2011年InSAR解譯成果，開封市老城區(qū)范圍地面沉降普遍發(fā)育，存在兩個比較明顯的沉降中心：一是分布于開封東部，直徑約3.7km的沉降區(qū);二是在開封市西部，南北長6.4km，東西寬3.9km的沉降區(qū)。

3 開封地面沉降監(jiān)測網簡介

開封市地面沉降監(jiān)測網于2013年初步建成，由地下水監(jiān)測網、水準監(jiān)測網、全球衛(wèi)星定位監(jiān)測網及綜合監(jiān)測站組成。地下水監(jiān)測網由100個監(jiān)測點組成，水準監(jiān)測網由一等水準點66個，二等水準點57個組成，一等水準測量路線179km，二等水準路線長度140km。全球衛(wèi)星定位監(jiān)測網由24個監(jiān)測點組成。

綜合監(jiān)測站位于開封市東南禹王臺區(qū)，共施工1個基巖標孔、6個分層標孔、6個地下水位長期觀測孔、4個孔隙水壓力觀測孔。

建立了地面沉降監(jiān)測站內自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對監(jiān)測站基巖標、分層標、分層孔隙水壓力、分層地下水水位進行自動監(jiān)測、自動傳輸和自動處理。

4 監(jiān)測網絡優(yōu)化研究

4.1 開封市近3年的地面沉降發(fā)育情況

2014年，開封市地面沉降區(qū)為4個，沉降面積530.16km2，占監(jiān)測面積的96.8%;2015年沉降面積縮小為273.38 km2，占監(jiān)測面積的52.33%;2016年沉降面積縮小為190.41km2，占監(jiān)測面積的34.41%。三年來地面沉降范圍、平均沉降量繼續(xù)減小，沉降速度趨緩，地面沉降呈現(xiàn)變緩的趨勢。

4.2 開封市地面沉降監(jiān)測方法研究

在開封市采取了水準測量、GPS監(jiān)測和InSAR監(jiān)測3種監(jiān)測方法。其中精密水準測量是精度最高、最可靠的監(jiān)測方法;InSAR監(jiān)測雖然精度能達到毫米級，但在處理工程中需要水準測量結果的配準，因此InSAR監(jiān)測適合與水準測量和GPS結合，多方法應用進行地面沉降監(jiān)測。GPS監(jiān)測從近幾年觀測結果來看，在地面沉降結果不是非常理想，在監(jiān)測數(shù)據(jù)處理過程中還有很多技術難題有待進一步研究解決，需要加大技術應用性方面研究，提高監(jiān)測精度與效率。

4.3 開封市地面沉降影響因素研究

引起開封市地面沉降的原因可分為自然因素及人為因素。自然因素包括構造活動、軟弱土層的自重壓密固結等;人為因素包括過量開采地下水、地下熱水引起的地面沉降。綜合已有資料分析，地下水過量開采是開封市地面沉降的主要原因，人類工程活動、區(qū)域性構造運動等因素也是地面沉降發(fā)生的因素。

由基坑等地下工程施工引發(fā)的工程性地面沉降，已成為開封地面沉降的一個因素。基坑圍護結構變形模式、開挖深度、降水方式等均對基坑周圍的工程性地面沉降影響范圍、最大沉降量及其位置等有密切關系[1]。

4.4 分層標組體系監(jiān)測研究

2014年以來，淺層F1分層標下降貢獻量均超過45%，說明這個監(jiān)測層位是主要最主要的壓縮層，但對地面沉降的貢獻率有減小的趨勢;F2分層標沉降貢獻率從13%逐年增大到20.57%，說明該地層對地面沉降總量的影響正逐漸強化。2016年深部的F4、F5、F6在抬升的基礎上出現(xiàn)了下降，其貢獻比之和超過了20%，說明2016年在監(jiān)測站所在位置的地面沉降其中，深部地層壓縮量有增大的趨勢。

不同深度土層變形量的貢獻比例的變化主要受到相應深度含水層水位變化的影響：年均水位穩(wěn)定，土層變形量也小而穩(wěn);年均水位變幅越大，土層變形量也大，在總沉降量中的占比就大;年均水位勻速小幅下降，年沉降速率在一定范圍內波動;年均水位加速大幅下降，年沉降速率會出現(xiàn)顯著增加[2，3]。

5 監(jiān)測網優(yōu)化成效

（1）對于地面沉降量變化比較大的西部、北部區(qū)域，原水準監(jiān)測點的分布明顯偏少;鄭徐高鐵從北部穿過，鄭汴新區(qū)人類工程活動也在加劇，因此適當增加了這個區(qū)域的水準監(jiān)測點。

（2）根據(jù)3年來的監(jiān)測結果，開封市南部存在一個沉降漏斗，因此在這個區(qū)域增加了監(jiān)測點，擴大了監(jiān)測面積，提高了監(jiān)測點密度。

（3）2014年底，開封縣作為祥符區(qū)并入開封市，開封市行政面積從547km2增加到了1 838km2，新增的區(qū)域，特別是原開封縣城區(qū)，沒有監(jiān)測網覆蓋，本此優(yōu)化在新增區(qū)域有重點地部署了監(jiān)測網點。

（4）由于開封市地面沉降監(jiān)測網絡建成運營、監(jiān)測的時間尚短，不能完全反應開封市地面沉降的發(fā)展趨勢，未來的地面沉降研究需要更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此，對現(xiàn)階段地面沉降變化不大的區(qū)域，其已有的各類監(jiān)測點未予優(yōu)化刪減，僅適當?shù)販p少其監(jiān)測頻率，以降低監(jiān)測運營成本（4）。

6 建議

6.1 加快地面沉降防治立法，為地面沉降防控提供法律保障

目前，有關地面沉降防治的法律條文散布在《水法》《地質災害防治條例》《河南省地質環(huán)境保護條例》等法規(guī)中，迄今還未制定專門的地面沉降防控法規(guī)和配套管理辦法。隨著河南省地面沉降監(jiān)測網逐步建立，相關部門應盡快制定并實施《地面沉降防控條例》等法規(guī)和配套管理辦法，確立地面沉降防控工作的法律地位，明確地面沉降防控工作的責任主體和義務。

6.2 持續(xù)開展地面沉降監(jiān)測工作，實時掌握地面沉降動態(tài)變化

斷續(xù)、短歷時的監(jiān)測資料難以支撐地面沉降規(guī)律研究和科學開展地面沉降防治活動，應當持續(xù)開展地面沉降監(jiān)測工作，實時掌握地面沉降動態(tài)變化，為地面沉降發(fā)育規(guī)律研究以及地面沉降防控措施設計提供科學翔實的依據(jù)。

6.3 實施水資源科學調度，優(yōu)化地下水開采布局

初步研究表明，過量開采地下水導致水位下降是誘發(fā)地面沉降主要因素之一，實施水資源科學調度，調控地下水開采布局則為防控地面沉降的主要手段。

一是優(yōu)化地下水開采層位;二是地下水人工回灌與含水層修復，通過深井、古河道等將地表水灌入地下含水層， 抬高地下水位;三是加大地表水使用效率，減少地下水開采量。

6.4 合理規(guī)劃工程布局，強化防沉措施應用

一是合理規(guī)劃高層建筑分布區(qū)，酌情降低高層建筑的集聚度;二是改變高層建筑的基坑降水措施，不用或少用管井和井點等降水措施;三是采用樁基礎建設，樁基應穿過高壓縮地層，樁尖持力層盡可能選擇低壓縮、堅固穩(wěn)定的地層。

7 結語

本研究在綜合分析開封市GPS監(jiān)測、水準監(jiān)測、分層標體系監(jiān)測、地下水位變化等數(shù)據(jù)的基礎上，討論了地面沉降影響因素，結合開封市社會經濟發(fā)展現(xiàn)狀，提出了優(yōu)化建議。根據(jù)本研究結果，最終在祥符區(qū)城區(qū)和所轄鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點增設監(jiān)測點，同時在市區(qū)主要沉降區(qū)域加密布設監(jiān)測點，在原有監(jiān)測網局部點位間距較長區(qū)域增設中間點，共計新增了52個監(jiān)測點，監(jiān)測網絡更加完備合理。

參考文獻

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[3]朱菊艷，郭海明，李文鵬，等.華北平原地面沉降與深層地下水開采關系[J].南水北調與水利科技，2014，12（3）：165-169.

[4]董國鳳，張蕾，趙全，等.天津市塘沽區(qū)地面沉降監(jiān)測網絡優(yōu)化[J].武漢大學學報（信息科學版），2006，31（11）：1015-1017.

收稿日期：2020-07-01

作者簡介：徐郅杰（1982-），男，漢族，碩士，工程師，研究方向為水文地質、工程地質、環(huán)境地質。