寧波市地面沉降現(xiàn)狀分析及風(fēng)險評價

高 峰，趙團芝，王文軍，章旬立，鄭凌逶

（1.寧波市自然資源生態(tài)修復(fù)和海洋管理服務(wù)中心，浙江 寧波 315000；2.浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，浙江 寧波 315100）

0 引言

城市地面沉降表現(xiàn)為自然與人類活動作用下，地表土層壓縮變形、標高降低，是一種危害較大的緩變型環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害[1-2]，威脅著低海拔城市運行安全與可持續(xù)發(fā)展。

一直以來，國內(nèi)外對城市區(qū)域性地面沉降的關(guān)注度很高，在地面沉降調(diào)查與監(jiān)測、地面沉降特征及分區(qū)、地面沉降發(fā)展趨勢預(yù)測、地面沉降影響因素及控制機理研究、地面沉降緩解與治理措施、地面沉降對社會經(jīng)濟影響及法規(guī)制訂等方面[3-6]開展了廣泛研究。在地面沉降風(fēng)險評價方面，趙團芝等[7-8]研究表明InSAR 技術(shù)在監(jiān)測區(qū)域沉降方面具有可靠性與準確性。工程建設(shè)活動及第一軟土層壓縮變形是寧波市工程性地面沉降的主要原因。選取累計沉降量、沉降速率、第一軟土層厚度、建筑容積率作為地面沉降風(fēng)險性評價指標，繪制寧波市地面沉降風(fēng)險區(qū)劃圖并提出地面沉降防治對策。

風(fēng)險評價被認為是一種能夠有效管控滑坡、地面沉降、泥石流等災(zāi)害的理論方法。天津[9-10]、江蘇沿海地區(qū)（連云港、鹽城、南通）[11]、南京[12]、滄州[13]、北京[14]和阜陽[15]等地，結(jié)合各自地質(zhì)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展特點，建立反映當(dāng)?shù)氐孛娉两堤卣鞯娘L(fēng)險評價體系并進行區(qū)劃分析，目的是減少地面沉降給社會、經(jīng)濟帶來損失[16]。InSAR 技術(shù)能夠在較大的范圍監(jiān)測地面沉降[17]，但精度低于水準監(jiān)測點；水準監(jiān)測點適用于局部埋設(shè)，地面沉降結(jié)果更加準確[18]，但由于成本原因布設(shè)數(shù)量有限、覆蓋范圍較小。

本文利用寧波市2017—2020年已有InSAR 監(jiān)測、水準監(jiān)測、基巖標等監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而在較大的區(qū)域范圍內(nèi)相對可靠地獲取地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析近年地面沉降分布特征和發(fā)展趨勢，建立寧波市地面沉降風(fēng)險評價體系，編制地面沉降風(fēng)險區(qū)劃圖，從而為加強城市地質(zhì)安全風(fēng)險管控提供參考。

1 寧波市地面監(jiān)測情況及沉降特征

1.1 地面沉降監(jiān)測情況

寧波市歷來重視地下水監(jiān)測和地面沉降監(jiān)測。寧波市地面沉降監(jiān)測中心始建于1983年，曾是國內(nèi)第三處較為先進的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心；1999年寧波市啟動了首期“寧波市區(qū)地面沉降水準監(jiān)測”項目；2014年在原地面沉降分層標的基礎(chǔ)上新建地面沉降監(jiān)測中心，監(jiān)測范圍覆蓋寧波繞城高速以內(nèi)的中心城區(qū)；同年，寧波啟動了基于InSAR 的地面沉降監(jiān)測工作。本文采用5 m分辨率Radarsat-2 C InSAR 遙感數(shù)據(jù)，使用衛(wèi)星定位校正圖像數(shù)據(jù)，以提高雷達圖像的準確性和精度；InSAR數(shù)據(jù)處理主要包括預(yù)處理、差分干涉計算、時間/空間域形變估算、形變量計算等幾個步驟，最終獲得平均沉降速率和累積沉降量。

1.2 地面沉降特征

對InSAR 遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)與全市400 余處沉降監(jiān)測點數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，全市2020年平均沉降速率約為5.67 mm/a，年沉降量低于5 mm 的區(qū)域面積為1 457.9 km2。寧波市形成的10 余個地面沉降帶，大多位于圍墾區(qū)域、城市開發(fā)建設(shè)熱點區(qū)域，地面沉降速率如圖1 所示，其中10 余處沉降帶分布見表1。

表1 地面沉降風(fēng)險區(qū)劃影響因素數(shù)據(jù)來源Table 1 Data sources of influencing factors for land subsidence risk zoning

圖1 寧波市地面沉降速率概況Fig.1 Overview of land subsidence rates in Ningbo City

對寧波市2020年不同地面沉降速率范圍的區(qū)域面積占比進行統(tǒng)計（圖2）。

圖2 寧波市地面沉降速率圖Fig.2 Land subsidence rate map of Ningbo City

可以看到：除了水系、地面沉降不易發(fā)區(qū)和基巖山區(qū)以外，沉降速率低于10 mm/a 的區(qū)域面積占比接近88%，全市大部分區(qū)域的地面沉降情況穩(wěn)定、相對安全。沉降速率在10～20 mm/a 的區(qū)域面積占比為8.63%，沉降速率在20～30 mm/a 的區(qū)域面積占比為2.90%，沉降速率高于30 mm/a 的區(qū)域面積占比為0.42%。鄞州中心區(qū)和東部新城的代表性監(jiān)測點沉降量歷年變化情況顯示，隨著城市開發(fā)建設(shè)的逐步完成，2 個區(qū)域的沉降速率逐漸減緩，近3年沉降速率達到了歷年的最低水平，但今年的沉降速率相較于全市平均沉降速率水平仍然偏高。

由圖1 和圖2 總結(jié)寧波市地面沉降速率分布特征如下：

（1）濱海區(qū)域沉降速率相對較大。鄞州瞻岐、北侖梅山島等多處濱海區(qū)域沉降中心的平均沉降速率大于10 mm/a，其中最大值出現(xiàn)在象山新橋鎮(zhèn)圍填海區(qū)域，沉降中心平均沉降速率大于30 mm/a。

（2）城市開發(fā)建設(shè)強度較大的區(qū)域沉降速率相對較大。南部商務(wù)區(qū)、東錢湖旅游度假區(qū)等區(qū)域沉降中心的平均沉降速率多在20～40 mm/a。

（3）中心城區(qū)沉降速率相對較大。海曙高橋、江北洪塘等主要沉降中心的沉降速率多在10～30 mm/a。

綜上所述，工程建設(shè)引發(fā)的地面沉降在城市規(guī)劃建設(shè)集聚區(qū)日益凸顯，比如東部新城、鄞州中心區(qū)、奉化主城區(qū)和沿海產(chǎn)業(yè)帶等開發(fā)強度大、地質(zhì)環(huán)境條件脆弱的地區(qū)年度沉降速率較大；大規(guī)模工程建設(shè)活動是寧波市地面沉降發(fā)生發(fā)展的主要因素，在后續(xù)地面沉降風(fēng)險評價體系構(gòu)建中需加以考慮。

2 地面沉降風(fēng)險評價體系構(gòu)建

2.1 評價體系說明

地面沉降風(fēng)險評價屬于對復(fù)雜系統(tǒng)的定量化分析過程。一般采用線性加權(quán)模型，而權(quán)系數(shù)的確定又可通過層次分析、專家打分或二者綜合得出[19]。地面沉降的風(fēng)險評價模型通?？杀硎緸椋篒=I危險性·I易損性，分析災(zāi)害因子的危險性、承災(zāi)體的脆弱性，根據(jù)地面沉降危險性評價指標、易損性評價指標結(jié)合風(fēng)險評價模型開展寧波市地面沉降風(fēng)險評價研究。前人研究[3,7,19]表明地面沉降危險性評價指標中具有代表性的因子主要包括：地面累計沉降量、沉降速率、軟土層厚度、填土厚度、地面建筑荷載、地下水位變化速率、地殼運動速率等；地面沉降易損性評價指標中具有代表性的因子主要包括：地面高程、沉降易發(fā)程度、交通線路分布、人口密度、單位面積GDP、建成區(qū)面積比重、重要水系密度等。

除了地面高程、地面累計沉降量、沉降速率等常規(guī)地面沉降風(fēng)險因子，對于人口凈流入為正、城市建設(shè)高速發(fā)展的寧波市，城市人口密度、建設(shè)用地比重也應(yīng)被重點考慮。從寧波市不同區(qū)域的地面沉降歷史數(shù)據(jù)來看，地面沉降速率較高的區(qū)域如市區(qū)、濱海圍墾區(qū)域、城市開發(fā)熱點區(qū)域等，與上述因子密切相關(guān)。

寧波市位于中國東南沿海的潮汐平原區(qū)，具有深厚軟土層和廣泛分布的松散層，含水層較多；地下水開采強度對地面沉降的影響已深入人心，且多年平均沉降速率預(yù)示著沉降易發(fā)程度，因此對于寧波市而言，除了地面沉降危險性評價因子、易損性評價因子，地面沉降易發(fā)程度作為1 個綜合性評價因子十分必要。

因此，本文構(gòu)建的地面沉降風(fēng)險評價體系如圖3 所示。首先考慮地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、人為活動等的影響，對地面沉降易發(fā)程度進行分區(qū)，進而將地面沉降易發(fā)程度作為地面沉降風(fēng)險評價體系中的1 個綜合性評價因子，并聯(lián)合地面高程、地面累計沉降量、沉降速率、城市人口密度、建設(shè)用地比重等5 個評價因子進行評價。

圖3 寧波市地面沉降風(fēng)險評價體系Fig.3 Land subsidence risk assessment system for Ningbo City

2.2 評價體系權(quán)重及分級

浙江省自然資源廳印發(fā)的《浙江省城市地質(zhì)安全風(fēng)險“一張圖”編制技術(shù)指南》根據(jù)浙江省沿海平原地面沉降形成機理，結(jié)合長期地面沉降監(jiān)測成果，通過“經(jīng)驗總結(jié)+專家打分”相結(jié)合的方法，采用如德爾菲法（delphi method）或?qū)哟畏治龇ǎ╝nalytic hierarchy process，AHP）來匯總專家的意見、通過多輪迭代和反饋，使專家意見逐漸收斂，綜合確定了各評價指標權(quán)重。各項指標權(quán)重及等級劃定見表2。

表2 地面沉降風(fēng)險區(qū)劃影響因素權(quán)重及分級Table 2 Weight and classification of factors influencing land subsidence risk zoning

通過逐一確定各評價因素的等級，再將各因素等級分值與其權(quán)重相乘得到單因素分值，最后將各因素分值累加，從而得到地面沉降綜合風(fēng)險指數(shù)（W），按表3 劃分風(fēng)險區(qū)等級。軌道交通建設(shè)過程中地下盾構(gòu)隧道開挖也容易引起地面沉降發(fā)生發(fā)展[20-22]，根據(jù)浙江省自然資源廳印發(fā)的《浙江省城市地質(zhì)安全風(fēng)險“一張圖”編制技術(shù)指南》，將高鐵、軌道交通等重大工程保護區(qū)兩側(cè)200 m 范圍劃為地面沉降風(fēng)險防控帶。

表3 地面沉降風(fēng)險區(qū)等級劃分表Table 3 Classification table of land subsidence risk zone levels

綜合風(fēng)險指數(shù)（W）計算公式如下：

式中：W——地面沉降綜合風(fēng)險指數(shù)；

aj——j類影響因素的權(quán)重；

bj——j類影響因素的分值。

2.3 地面沉降易發(fā)程度分區(qū)

以區(qū)內(nèi)第四紀松散層分布厚度、土層力學(xué)性質(zhì)及空間分布、含水層發(fā)育層數(shù)及富水性、淺部主要壓縮層發(fā)育等為主要因素，開展寧波市地面沉降易發(fā)程度評價；根據(jù)評價結(jié)果進行易發(fā)程度分區(qū)，分為高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)和不易發(fā)區(qū)等四個級別。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估規(guī)范》（DB33/T 881—2012）[23]，用于地面沉降易發(fā)程度等級劃分的綜合分值計算公式為：

式中：A——綜合分值；

σi、τi——分別為地面沉降i項影響因素相應(yīng)的量化指標賦分及權(quán)重，參考《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估規(guī)范》（DB33/T 881—2012）[23]取值。

地面沉降易發(fā)程度分區(qū)結(jié)果表明：寧波市地面沉降無高易發(fā)區(qū)，中、低易發(fā)區(qū)主要與區(qū)內(nèi)全新世軟土層厚大、歷史上大量開采地下水、局部高強度城市建設(shè)以及沿海圍墾工程等因素有關(guān)。

3 風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果與管控建議

3.1 風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果

風(fēng)險區(qū)劃采用的影響因素包括地面高程、易發(fā)程度、地面累積沉降量、沉降速率、城市人口密度和建設(shè)用地比重，各項數(shù)據(jù)的來源情況見表4。

表4 地面沉降風(fēng)險區(qū)劃影響因素數(shù)據(jù)來源Table 4 Data sources of influencing factors for land subsidence risk zoning

地面沉降風(fēng)險等級計算和分析采用柵格計算方式進行。首先將表4 中6 類影響因素的源數(shù)據(jù)導(dǎo)入至GIS軟件并進行整理；然后分別對各影響因素的數(shù)據(jù)結(jié)果進行柵格劃分，即由矢量形式轉(zhuǎn)為柵格形式（柵格像元大小40 m×40 m），以城市人口密度為例，可得如圖4（a）所示結(jié)果；進一步根據(jù)表2 中的分值標準對各影響因素的柵格數(shù)據(jù)進行重新賦值得到如圖4（b）所示結(jié)果；接著利用GIS 軟件中的柵格計算工具將各影響因素的柵格分值數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的權(quán)重并相加，獲得結(jié)果后根據(jù)表3進行地面沉降風(fēng)險區(qū)等級劃分；最后對劃分結(jié)果進行矢量化即可得到最終的地面沉降風(fēng)險區(qū)劃圖。本文中地理底圖采用國家最新版 CGCS 2000 大地坐標系，成圖的比例尺為 1∶50 000，圖中僅保留必要水系、交通、行政界線、地名等主要地理要素，以不同顏色代表不同風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果。

圖4 寧波市城市人口密度柵格數(shù)據(jù)圖Fig.4 Grid data map of urban population density in Ningbo City

寧波市地面沉降風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果如圖5 所示，寧波市全域無高風(fēng)險區(qū)；中風(fēng)險區(qū)面積132.6 km2，占比3.2%；低風(fēng)險區(qū)面積2 214.8 km2，占比53.0%；中風(fēng)險區(qū)、低風(fēng)險區(qū)、水系、基巖山區(qū)以外的區(qū)域，為不易發(fā)區(qū)，面積1 827.9 km2，占比43.8%。相應(yīng)地，本文1.2 節(jié)也對寧波市2020年不同地面沉降速率區(qū)域的面積占比進行了統(tǒng)計，沉降速率>20 mm/a 面積占比3.3%、5～20 mm/a 面積占比34.5%、0～5 mm/a 面積占比62.1%。地面沉降速率等監(jiān)測結(jié)果作為地面沉降風(fēng)險評價的關(guān)鍵指標之一，與地面沉降風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果存在著較強的相關(guān)性。需要注意的是，地面沉降風(fēng)險也受到軟土層厚度、含水層數(shù)量、人口密度、建設(shè)用地比重等因素的影響，因此風(fēng)險區(qū)劃分結(jié)果與地面沉降監(jiān)測結(jié)果又存在一定的差別。

3.2 管控建議

地面沉降會對建（構(gòu)）筑物和各類基礎(chǔ)設(shè)施帶來影響，造成建筑物地基下沉、房屋開裂、道路沉降、地下管線受損，形成的地面沉降漏斗會降低防洪排澇工程效能，臺風(fēng)暴雨時會造成大面積積水、加劇洪澇災(zāi)害。大面積均勻/不均勻沉降也會影響城市建設(shè)和資源開發(fā)，不利于城市基礎(chǔ)設(shè)施的運營維護；對于濱海城市，造成的高程損失會帶來海水倒灌等風(fēng)險。因此，針對寧波市不同的地面沉降風(fēng)險區(qū)分別提出管控建議（表5）。

表5 寧波市地面沉降風(fēng)險區(qū)管控建議一覽表Table 5 Summary of control recommendations for ground subsidence risk zones in Ningbo City

4 結(jié)論

（1）結(jié)合2017—2020年寧波市InSAR 遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)與水準監(jiān)測點數(shù)據(jù)，利用InSAR 技術(shù)在較大范圍內(nèi)監(jiān)測地面沉降、利用水準監(jiān)測點更為準確地在局部測量地面沉降，從而在較大區(qū)域范圍內(nèi)相對可靠地獲取地面沉降數(shù)據(jù)。結(jié)果表明全市形成的十余個沉降帶，大多位于圍墾區(qū)域、城市開發(fā)建設(shè)熱點區(qū)域。

（2）選取地面高程、沉降易發(fā)程度、地面累計沉降量、沉降速率、城市人口密度、建設(shè)用地比重等6 個評價因子建立地面沉降風(fēng)險評價體系；其中沉降易發(fā)程度為綜合考慮地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、人為活動影響后的綜合性評價因子。從而根據(jù)寧波市沿海平原地面沉降形成機理，結(jié)合長期地面沉降監(jiān)測成果，采取“經(jīng)驗總結(jié)+專家打分”相結(jié)合的方法綜合確定各評價指標、權(quán)重、分級，形成評價體系。

（3）地面沉降風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果表明，寧波市全域無高風(fēng)險區(qū)，中風(fēng)險區(qū)面積占比3.2%，低風(fēng)險區(qū)面積占比53.0%，不易發(fā)區(qū)面積占比43.8%；設(shè)置高鐵、軌道交通等重大工程保護區(qū)兩側(cè)200 m 范圍為地面沉降風(fēng)險防控帶。在此基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的管控建議如嚴格執(zhí)行地下水開采管理、優(yōu)化地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、針對重大工程開展監(jiān)測及管理等。