梁 浩，劉 蕾，張永偉，孟凡奇

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東濟(jì)南，250014；2.山東省章丘市第五中學(xué)，山東濟(jì)南250200)

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德州市地面沉降GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)

梁 浩1，劉 蕾2，張永偉1，孟凡奇1

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東濟(jì)南，250014；2.山東省章丘市第五中學(xué)，山東濟(jì)南250200)

德州市地面沉降在山東省內(nèi)較為典型。該研究簡(jiǎn)要分析了該地區(qū)地面沉降基本情況，在此基礎(chǔ)上通過(guò)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、GPS監(jiān)測(cè)墩建設(shè)，初步建立了地面沉降GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并選取德州運(yùn)河辦、德州二屯等15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2013年9～10月的監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

德州市；地面沉降；GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動(dòng)引發(fā)的一種緩變性地質(zhì)災(zāi)害。地面沉降造成地下水基礎(chǔ)設(shè)施破壞、地面水準(zhǔn)點(diǎn)失準(zhǔn)、河流防洪能力降低等諸多災(zāi)害，引起社會(huì)和政府廣泛關(guān)注，防治地面沉降在當(dāng)前地質(zhì)工作中尤為重要。

我國(guó)長(zhǎng)江三角洲、華北平原、汾渭盆地等地區(qū)地面沉降災(zāi)害均有發(fā)生。山東省在區(qū)域上處于華北平原的最南緣，近年來(lái)地面沉降已成為較為突出和重點(diǎn)防治的地質(zhì)災(zāi)害類型之一[1]。其中，德州地區(qū)地面沉降情況較為突出，已引起多方高度重視。地面沉降的發(fā)生發(fā)展和孕災(zāi)過(guò)程不易察覺(jué)，從而易忽視其廣泛的社會(huì)危害性，增加了沉降控制與治理的難度和投入。因此，建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在防治工作中尤為重要[2]。

目前，地面沉降嚴(yán)重的城市，幾乎都已制定了控制地下水開(kāi)采的管理法令，同時(shí)展開(kāi)了對(duì)地面沉降的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究。以往地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)主要為大地水準(zhǔn)測(cè)量，近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，傳統(tǒng)、單一的地面沉降監(jiān)測(cè)方法逐漸被日益完善起來(lái)的新型、高效、多源、經(jīng)濟(jì)的方法所取代。布設(shè) GPS 地面沉降觀測(cè)點(diǎn)、星載合成孔徑雷達(dá)干涉監(jiān)測(cè)技術(shù)(D-InSAR)等都以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被越來(lái)越多的用到地面沉降的監(jiān)測(cè)中[3]。GPS是目前較為成熟的大地測(cè)量技術(shù)之一，以其高精度、高效率、自動(dòng)化程度高及勞動(dòng)強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到地面沉降的監(jiān)測(cè)工作中，建立GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，在地面沉降監(jiān)測(cè)工作中起著重要作用[4]。

1 德州市地面沉降情況簡(jiǎn)介

德州市深層地下水開(kāi)采深度大，開(kāi)采漏斗形成早、縱深大，漏斗中心水位埋深已經(jīng)超過(guò)140 m，是國(guó)內(nèi)較早發(fā)現(xiàn)地面沉降的地區(qū)之一，地面沉降較為突出，已產(chǎn)生一定危害。德州市區(qū)(以德城區(qū)為主)是魯北平原地面沉降出現(xiàn)最早、影響最大、最為嚴(yán)重的地區(qū)，1991年起區(qū)內(nèi)德棉集團(tuán)附近區(qū)域累計(jì)沉降量已經(jīng)超過(guò)1 200 mm，是山東省內(nèi)目前有地面沉降資料記錄累計(jì)沉降量最大的地區(qū)，且目前仍在不斷發(fā)展。在該地區(qū)開(kāi)展地面沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警工作意義重大，對(duì)于推動(dòng)山東省其他地區(qū)的地面沉降防治工作具有示范作用[5]。

2 地面沉降GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)

2.1 GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

德州市GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在山東省內(nèi)建設(shè)最早，監(jiān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。按照沉降中心地帶重點(diǎn)部署、外圍區(qū)域控制的原則，在德州地區(qū)進(jìn)行了GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的野外踏勘、選點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位擬定工作。初步擬定了德棉集團(tuán)(德州市地面沉降中心)、二屯鎮(zhèn)(山東與河北2省交界處)等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地區(qū)以及津浦鐵路(現(xiàn)京滬鐵路)沿線等重要交通設(shè)施沿線等6處監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其余點(diǎn)位按照面上控制的原則平均分布在德州市轄區(qū)內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，在擬定點(diǎn)位附近按照以下原則進(jìn)行布點(diǎn)：交通便利，有利于其他測(cè)量手段進(jìn)行與之聯(lián)測(cè)；地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的長(zhǎng)期保存；視野開(kāi)闊，視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不超過(guò)15°；遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等)，其距離不小于200 m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)線電信號(hào)傳送通道，其距離不得小于50 m等[6]。

最終，在德州市共布設(shè)了15個(gè)地面沉降區(qū)域控制GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1)，其中最為地面沉降防治重點(diǎn)的德城區(qū)布設(shè)4個(gè)，陵縣2個(gè)，其余齊河、禹城等縣城各1個(gè)。初步建立了覆蓋整個(gè)德州地區(qū)的GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等地面沉降監(jiān)測(cè)體系。

2.2 GPS監(jiān)測(cè)墩建設(shè)

GPS點(diǎn)標(biāo)石埋設(shè)所占土地需經(jīng)土地使用者或管理部門同意，然后開(kāi)始施工、埋石。埋設(shè)時(shí)坑底填以砂石，搗固夯實(shí)后澆灌混凝土底層；中部放上鋼筋，然后再澆灌混凝土50 cm，將石柱用吊車居中放到混凝土上，石柱周圍繼續(xù)澆灌混凝土，在離地面10 cm時(shí)，澆筑水準(zhǔn)標(biāo)志，用土蓋好，與地面相平；最后用大理石膠把歸心盤牢固粘合在石柱頂部[7]。GPS監(jiān)測(cè)墩示意見(jiàn)圖2。

GPS點(diǎn)均埋設(shè)永久性的標(biāo)石，基本骨架網(wǎng)的GPS標(biāo)石安裝強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，以便減少GPS測(cè)量的對(duì)中誤差。為了提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量、加強(qiáng)保護(hù)、樹(shù)立形象、便于宣傳等，GPS監(jiān)測(cè)墩選定優(yōu)質(zhì)水泥柱作為墩體，墩體上刻有保護(hù)標(biāo)志及保護(hù)條款、主管部門和監(jiān)管單位、埋設(shè)時(shí)間。平整、清理標(biāo)石周圍2 m范圍內(nèi)土地，填繪相應(yīng)點(diǎn)的GPS標(biāo)石點(diǎn)記錄埋石情況。

3 監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 數(shù)據(jù)選取及解算

此次選取德州運(yùn)河辦、德州二屯等15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2013年9～10月開(kāi)展的監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析。

3.1.1 外業(yè)觀測(cè)概況。聯(lián)測(cè)點(diǎn)外業(yè)使用TPS NET-G3A雙頻GPS接收機(jī)、TPSCR.G3天線觀測(cè)，每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)3個(gè)時(shí)段，時(shí)段長(zhǎng)度為23.5 h。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理軟件。采用2種平差方案，使用美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)和Scripps海洋研究所(SIO)共同研制的GLOBK軟件10.40版本進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.1.3 平差方案。此次選取2000國(guó)家大地坐標(biāo)系以及ITRF2005框架、2013.781歷元下兩種平差方案進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(1)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。 在2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下，第一，約束所選取區(qū)域周邊的國(guó)家GPS連續(xù)運(yùn)行站、IGS站，做三維約束平差，求出該項(xiàng)目CORS站坐標(biāo)；第二，約束所選取區(qū)域周邊的國(guó)家GPS連續(xù)運(yùn)行參考站、IGS站、該項(xiàng)目CORS站，做三維約束平差，求出該項(xiàng)目聯(lián)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

(2)ITRF2005框架、2 013.781歷元。 在ITRF2005框架、2013.781歷元下，選取同樣的方法及數(shù)據(jù)，計(jì)算出該項(xiàng)目聯(lián)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)及精度

在2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下，德州市15個(gè)聯(lián)測(cè)點(diǎn)空間直角坐標(biāo)成果見(jiàn)表1。由表1可知，聯(lián)測(cè)點(diǎn)空間直角坐標(biāo)X分量的中誤差平均值為±2.6 mm，最大值為±8.0 mm；Y分量的中誤差平均值為±4.9 mm，最大值為±15.7 mm；Z分量的中誤差平均值為±4.1 mm，最大值為±13.5 mm。

從監(jiān)測(cè)點(diǎn)的中誤差統(tǒng)計(jì)中可以看出，高程分量的精度雖然不及X方向的精度，但與Y方向精度較為接近，除一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中誤差超過(guò)10 mm，其余點(diǎn)均小于6 mm，可以滿足該地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)的需要。

表1 德州市15個(gè)聯(lián)測(cè)點(diǎn)空間直角坐標(biāo)成果(2000國(guó)家大地坐標(biāo)系)

4 結(jié)語(yǔ)

目前山東省內(nèi)已經(jīng)初步建成覆蓋德州重要沉降區(qū)及區(qū)內(nèi)主要鐵路的GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)2013年德州市地面沉降GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中誤差值的分析驗(yàn)證結(jié)果表明，GPS沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果精度較高，可以滿足德州市的地面沉降監(jiān)測(cè)需要。該研究證明了該監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的可行性及數(shù)據(jù)可靠性，并初步掌握了區(qū)內(nèi)地面沉降現(xiàn)狀情況，對(duì)于山東省內(nèi)其他地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)起到了重要的示范作用。

德州市地面沉降GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)為當(dāng)?shù)卣峁┝酥匾膮⒖紨?shù)據(jù)。然而受資金投入、監(jiān)測(cè)設(shè)備、管理體制等多方面限制，對(duì)地面沉降的研究程度相對(duì)天津、上海等地區(qū)還有差距。建議今后該地區(qū)地面沉降防治工作中合理改善地面沉降監(jiān)測(cè)方案，進(jìn)一步深入開(kāi)展地面沉降機(jī)理和防控對(duì)策研究，加快深層基巖標(biāo)、分層標(biāo)等其他地面沉降監(jiān)測(cè)體系建設(shè)，以達(dá)到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)匯總、實(shí)時(shí)分析，提高監(jiān)測(cè)效率，更好地為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

[1] 韓景敏.山東省地面沉降及其防治對(duì)策[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1998，9(2)：33-35.

[2] 趙子龍，金有，韓雪，等.三江平原地下水位變化及地面沉降分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(14)：256-258.

[3] 高偉，徐紹銓，劉愛(ài)田，等.GPS 測(cè)量在城市地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，35(3)：395-400.

[4] 姜衍祥，楊建圖，董克剛，等.利用GPS監(jiān)測(cè)地面沉降的精度分析[J].測(cè)繪科學(xué)，2006，31(5)：63-65.

[5] 孟慶峰，戴魯旗.德州市地面沉降現(xiàn)狀及防治對(duì)策[J].山東國(guó)土資源，2008，24(11)：8-9.

[6] 楊建圖，姜衍祥，周俊，等.GPS 測(cè)量地面沉降的可靠性及精度分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2006，26(1)：70-75.

[7] 梁浩，張永偉，胡玉祿，等.山東省地面沉降監(jiān)測(cè)與防治研究2013年度工作方案 [R].山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，2013.

The Construction of GPS Monitoring Network on Land Subsidence in Dezhou

LIANG Hao1, LIU Lei2, ZHANG Yong-wei1et al

(1. Shandong Geological Environment Monitoring Station, Jinan, Shandong 250014; 2. Zhangqiu No.5 Middle School, Jinan, Shandong 250200)

In Shandong Province, the land subsidence in Dezhou is typical. The basic situation of land subsidence in the area was analyzed, on the basis of this, through GPS monitoring site layout and GPS monitoring pier construction, GPS monitoring network on land subsidence was established. The monitoring results of 15 monitoring sites such as Dezhou Canal Office, Dezhou Ertun during Sep.-Oct. 2013 were analyzed, and the reliability of monitoring data was verified.

Dezhou City; Land subsidence; GPS monitoring network

梁浩(1987- )，男，山東鄆城人，工程師，碩士，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)研究。

2015-11-18

S 127

A

0517-6611(2015)35-351-02