鄭淵茂,王翠平,王豪偉,黎昕媛

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所 城市環(huán)境與健康重點實驗室,廈門 361021

2 集美大學(xué) 港口與環(huán)境工程學(xué)院,廈門 361021

3 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

地面沉降問題一直以來都是沿海城市密切關(guān)注的問題。在沿海地區(qū)對城市的高層建筑群等環(huán)境效應(yīng)誘發(fā)地面沉降進行深入研究具有重要意義[1]。地面沉降是指地面高程的降低,又稱地面下沉或地沉,是以緩慢、難以察覺的向下垂直運動為主,是指在自然和人為因素作用下,由于地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標高降低的一種環(huán)境現(xiàn)象[2]。目前,地面沉降己成為城市化進程中普遍存在的生態(tài)環(huán)境問題,成為世界范圍內(nèi)制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要地質(zhì)災(zāi)害之一[3-4]。此外,隨著世界各國城市化進程加快,人為因素(尤其是城市核心區(qū)的密集建筑群荷載引發(fā)地面沉降)在地面總沉降中的比例逐漸增大,對地面沉降的影響作用日益突顯出來[5]。生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與管理是生態(tài)文明建設(shè)的緊要內(nèi)容,生態(tài)文明是指能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的文明形態(tài)[6]。因此,亟需開展城市地面沉降的成因分析,探討地面沉降的變形規(guī)律以及風(fēng)險評價,對實現(xiàn)城市的社會經(jīng)濟與自然環(huán)境相協(xié)調(diào),以及城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

國內(nèi)外許多學(xué)者開展了相關(guān)的地面沉降研究,比如,在國外,Cui等[7]采用離心機模型論證了建筑物自身荷載與其產(chǎn)生的地面沉降量成正比關(guān)系。Tosi等[8]基于GPS與SAR數(shù)據(jù)揭示城市建筑荷載引起地表淺層土沉降的機理。Gayarre等[9]采用辯證邏輯推理的方法論述了城市地面沉降與建筑物之間的相互作用；Truong-Hong等[10]采用地面三維激光掃描技術(shù)研究建筑物細部荷載的變化對沉降的影響,并論證了不同建筑物結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致不同的變形結(jié)果。Tang等[11]認為在建筑物等距離基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)的地面沉降量大于建筑物本身的沉降量,表明城市核心區(qū)的密集高層建筑群之間地表變形存在明顯的沉降疊加效應(yīng)。

在國內(nèi),嚴學(xué)新等[12]選取上海市城區(qū)的四個典型建筑密集區(qū),探討了建筑密度與地面沉降的關(guān)系。介玉新等[13]提出等效影響荷載的概念,表明建筑密度越大,建筑容積率越高導(dǎo)致地面沉降越顯著；同時,介玉新等[14]的研究還表明城市地面沉降量與新增建筑面積存在線性關(guān)系,即城市建筑面積越大,地面沉降量越大。孟華君[15]通過力學(xué)模型計算,并與常規(guī)大面積荷載引起的沉降量對比,結(jié)果表明在大面積荷載條件下進行地面沉降監(jiān)測計算時,需要考慮相鄰荷載的影響。唐益群等[16-17]構(gòu)建高層建筑群對地面沉降影響的物理模型,還對城市的密集高層建筑群及不同建筑容積率對區(qū)域地面沉降的變化規(guī)律等展開進一步研究。許燁霜等[18]分析探討上海市城市化進程引發(fā)地面沉降的因素,表明城市化進程引起的沉降包括城市建筑荷載以及交通荷載等其他外部荷載因素。張雯等[19]以北京市典型地面沉降區(qū)為例,結(jié)合地下水動態(tài)監(jiān)測和土地利用數(shù)據(jù),探討各類因素和城市地面沉降的時空響應(yīng)關(guān)系,結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)地面沉降嚴重的范圍在不斷增加且增加程度呈現(xiàn)局部不均勻性。王聰?shù)萚20]以北京市通州區(qū)為研究區(qū)域,探討地面沉降的時空演變規(guī)律,結(jié)果表明該區(qū)域隨著城市人口的增多,導(dǎo)致地下用水量也隨著增加；且地下水位的下降程度與地面沉降的趨勢有較高的相關(guān)性。

近年來,有學(xué)者采用SAR技術(shù)監(jiān)測地面沉降[21-22]。比如,van der Horst 等[23]通過對2015—2017年的Sentinel-1數(shù)據(jù)檔案的持續(xù)散射干涉(PSI)時間序列分析,展現(xiàn)了仰光市的地面沉降災(zāi)害規(guī)模和程度。潘超等[24]利用Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)獲取成都市主城區(qū)地面形變信息,結(jié)合地面水準的參考數(shù)據(jù)對InSAR結(jié)果進行評估,并初步分析地面沉降的原因。范雪婷等[25]采用MCTSB-InSAR技術(shù)監(jiān)測南京市主城區(qū)的地面沉降狀況,得出研究區(qū)地面沉降空間分布特征,且研究結(jié)果可對該城市的地質(zhì)災(zāi)害防御與評估提供可靠的技術(shù)支撐。此外,也有學(xué)者對城市地面沉降進行預(yù)測。比如,劉玉成[26]采用連續(xù)非線性數(shù)據(jù)列的建模方法,準確模擬了建筑物沉降過程并預(yù)測最終沉降量。李德江等[27]根據(jù)沉降小樣本數(shù)據(jù)的特點建立了基于支持向量機的建筑物沉降預(yù)測模型。田陸[28]采用ArcGIS平臺,基于計算結(jié)果、研究區(qū)內(nèi)土地利用現(xiàn)狀及現(xiàn)有沉降資料,對銅川新區(qū)進行城市地面沉降評價預(yù)測。

目前城市化進程與建設(shè)引起地面沉降的現(xiàn)象已引起學(xué)者們的關(guān)注,也取得一定的研究成果,但尚缺乏完整的多種因素對城市化進程引起地面沉降的系統(tǒng)研究,同時尚無有關(guān)不同土地利用轉(zhuǎn)化對城市地面沉降的報道。因此,本研究采用城市建設(shè)用地、建筑容積率和不同土地利用轉(zhuǎn)化等多種因素開展對城市地面沉降的分析與風(fēng)險評價的研究。首先,基于ArcGIS Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫,建立包括廈門地質(zhì)圖、地形圖與遙感影像等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的地面沉降監(jiān)測空間數(shù)據(jù)庫；收集已建的廈門市衛(wèi)星連續(xù)運行參考站數(shù)據(jù),初步確定地面沉降監(jiān)測點的空間布局。依據(jù)廈門市統(tǒng)計數(shù)據(jù),確定廈門市各類房屋和高層建筑等基本情況,獲取典型高層建筑的容積率數(shù)據(jù)。其次,分析廈門市在2001—2015年的地面沉降情況,并重點探討了建設(shè)用地、建筑容積率和不同土地利用轉(zhuǎn)化這三種因素對廈門市地面沉降的影響。最后,對廈門島城市地面沉降風(fēng)險進行評價。本研究結(jié)果可為廈門市地面沉降監(jiān)測、土地利用規(guī)劃設(shè)計等提供重要的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù),對城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要價值。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)

廈門市位于中國福建省東南沿海,處于閩南金三角的中部[29]。海洋環(huán)境自然地將城市分為兩部分：廈門島和大陸,廈門島包含思明區(qū)和湖里區(qū),大陸由四個區(qū)組成轄區(qū)(包含集美、海滄、同安、翔安),如圖1所示。廈門市的地形以濱海平原和丘陵為主,氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng),溫和多雨,年平均氣溫為21℃左右。廈門市是中國最早建立四個經(jīng)濟特區(qū)的城市之一,在過去的30多年里,廈門市的城市空間和人口都有了快速的增長[30-31]。隨著城市化進程的加快,城市建筑群的不斷增加,對城市地面沉降產(chǎn)生了一定的影響。因此,本研究以廈門市為研究區(qū)域,開展城市地面沉降影響分析與風(fēng)險評價具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1)本研究基于ArcGIS Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫,收集構(gòu)建了包括廈門市地質(zhì)圖、地形圖、遙感影像與基礎(chǔ)地形圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的地面沉降監(jiān)測空間數(shù)據(jù)庫。獲取已建的廈門市衛(wèi)星連續(xù)運行參考站數(shù)據(jù),初步確定地面沉降監(jiān)測點的空間布局；并開展野外實測工作,采用差分GPS復(fù)測覆蓋廈門島的100 個高等級水準點。

(2)依據(jù)廈門市的統(tǒng)計數(shù)據(jù),通過廈門的市政規(guī)劃及廈門國土資源與房產(chǎn)規(guī)劃資料獲取廈門市各類房屋和高層建筑等基本情況的建筑物信息,并計算得出典型高層建筑的建筑容積率數(shù)據(jù)。建筑物容積率(Floor area ratio)是指區(qū)域地塊內(nèi)允許修建的建筑物總面積與地塊面積的比值。

(3)土地利用分類數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云的空間分辨率為30 m的Landsat 7 TM遙感影像數(shù)據(jù),滿足了城市級空間尺度的土地利用分析需求,并以Google衛(wèi)星遙感影像作為輔助數(shù)據(jù)。首先,合成多波段遙感影像；其次,根據(jù)所對應(yīng)的土地類型選取訓(xùn)練樣本,采用交互式監(jiān)督分類方法進行分類,分類精度為85%以上；最終獲取得到分辨率為30 m的土地利用分類數(shù)據(jù)集。

2 廈門市地面沉降的影響分析

2.1 廈門市地面沉降狀況

2.1.1廈門市地面沉降情況

本研究從廈門市地震局獲取廈門市水準點2001—2015的長時間序列監(jiān)測數(shù)據(jù),對廈門市全域高程變化進行初探。因此,首先獲取2001—2015年廈門市全域高程信息,設(shè)計了廈門市地面沉降的水準監(jiān)測點空間分布,如圖2所示。其次,通過對數(shù)據(jù)計算得出廈門市水準點高程平均變化信息,再根據(jù)每年各點的高程變化信息,計算得2001—2015年廈門市各水準點的年平均高程變化信息,如圖3所示。

圖3 廈門市2001—2015年各水準監(jiān)測點年平均高程變化量

通過圖3中可知,廈門市整體上各年度的高程變化不大,年平均高程變化量最多的2014年也不到3.5 mm；但水準監(jiān)測點的高程值總體仍呈下降趨勢,除了2003年和2006年出現(xiàn)異常值,其他每一年高程都出現(xiàn)不同程度的降低。而大面積區(qū)域的高程變化本身就是一個緩慢的過程,而且也不易發(fā)現(xiàn),因此,必須加強對廈門市地面高程變化的監(jiān)測以及地面沉降的預(yù)防。

2.1.2廈門市地面沉降分析

地面沉降的原因包括地殼趨勢性下降引起的構(gòu)造沉降,氣候變化引起的沉降,濕陷性沉降,開采地下水、煤炭、石油和天然氣引起的地面沉降,有機質(zhì)氧化沉降,工程施工引起的地面沉降以及本研究中提到的大面積建筑荷載引起的地面沉降。本研究主要研究城市建設(shè)對地面沉降造成的影響。

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,廈門市水準監(jiān)測點的高程值總體呈下降趨勢。為更直觀從空間上分析廈門市地面沉降信息,本研究利用谷地 GoodyGIS 提取谷歌地圖的歷史影像中的各年份高程數(shù)據(jù)。由于地面沉降是高程相對變化信息,同時由于地面監(jiān)測信息數(shù)據(jù)量較小,不便于對數(shù)據(jù)進行糾正,本研究直接采用從影像上獲取的高程數(shù)據(jù)進行地面沉降分析。

首先,將廈門市劃分為500 m × 500 m規(guī)則網(wǎng)格進行高程信息提取,由于高程在年間變化量較小,在分析地面沉降變化時采用間隔一定的年份進行地面沉降變化分析。其次,對采集的高程數(shù)據(jù)進行空間化,可得到廈門市1997、2003、2009與2015年高程點信息,并應(yīng)用不規(guī)則三角網(wǎng)生成廈門市的高程分布圖,如圖4所示。

圖4 1997—2015年廈門市高程信息

通過對不同年份高程的統(tǒng)計分析得到廈門市不同時期地面沉降的總沉降量(表1)。由表1可知,2003—2009年出現(xiàn)沉降異常值,探究其原因發(fā)現(xiàn),2003年廈門市進入從“海島型”城市向“海灣型”城市戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的啟動階段,沿著海灣型城市“一主四輔八片”的空間格局快速推進?！凹涌彀l(fā)展海滄港區(qū),調(diào)整嵩嶼港區(qū)規(guī)劃,加快大型深水集裝箱泊位建設(shè)”的戰(zhàn)略實施造成了九龍江口海滄區(qū)泊位大型填海工程的建設(shè)。2002—2007年填海面積達到13.32 km2,主要區(qū)域包括同安區(qū)南部新城、集美區(qū)沿海以及翔安區(qū)等區(qū)域。故較多區(qū)域出現(xiàn)高程增加的情況。由于異常值的出現(xiàn),本研究不分析2003—2009年地面沉降信息。從表1得廈門市的總沉降量一直增大,由于各時間段相隔年數(shù)相同,即沉降速率也在不斷變大。由廈門經(jīng)濟特區(qū)年鑒可知,廈門市建設(shè)用地呈穩(wěn)步增長狀態(tài),1993年、2001年、2007年與2010年分別為 95.02、159.11、244.90、294.79 km2, 分別占總面積的5.59%、9.36%、14.41%與17.35%。因此,可得廈門市的城市建設(shè)規(guī)模不斷變大,新建面積增速也在不斷增大,與總體的城市地面沉降發(fā)展趨勢相同。

表1 廈門市各區(qū)不同時期地面總沉降量/mm

為了進一步分析廈門市地面沉降的空間差異,對廈門市包含的六個區(qū)分別統(tǒng)計地面總沉降量(表1)。由上文可得2003—2009年出現(xiàn)沉降異常值,不進行分析。由表1可知,總體來看,廈門市各區(qū)地面沉降總量并不顯著,地面沉降總量未超過30 mm,1997—2003年思明區(qū)、海滄區(qū)、翔安區(qū)地面沉降總量超過10 mm；2009—2015年思明地面沉降總量近30 mm且明顯高于1997—2003年地面沉降量；海滄區(qū)、翔安區(qū)地面沉降量變化不大,地面沉降總量仍較高。因此,思明區(qū)的地面沉降相對顯著,需加強監(jiān)測并探究其沉降成因。

2.2 廈門市地面沉降成因的分析

2.2.1建設(shè)用地對地面沉降的影響

由廈門市統(tǒng)計資料可知,2001—2016年廈門市的建筑面積不斷增大,2003年廈門市房地產(chǎn)業(yè)進入黃金發(fā)展時期,建筑規(guī)模增速變快；2009年,廈門市開始規(guī)劃老城區(qū),建筑規(guī)模增速進一步提高。2001—2003年,廈門市建設(shè)側(cè)重發(fā)展廈門島,其中以思明區(qū)為主要發(fā)展中心,島外四區(qū)相對發(fā)展緩慢。2003后,廈門市開始注重均衡化發(fā)展,大力發(fā)展島外四區(qū)。2003—2009年,島外四區(qū)建設(shè)增速明顯增大,海滄區(qū)尤為突出,而思明區(qū)和湖里區(qū)的建設(shè)速度與島外四區(qū)相比則有所下降。2009年開始,廈門島老城區(qū)改造再一次使得廈門島城市建設(shè)速度加大,廈門市的城市建設(shè)發(fā)展較為均衡。廈門市2001—2016新增高層建筑主要集中在島內(nèi),思明區(qū)新增高層建筑數(shù)量最多,且新增高層建筑主要集中在筼筜湖附近及沿海區(qū)域。因此,從一定程度來看,廈門市整體沉降空間分布與高層建筑空間分布存在一致性。

2.2.2建筑容積率對地面沉降的影響

首先,廈門市高層建筑物數(shù)量等信息通過廈門市政規(guī)劃、廈門市建設(shè)局及廈門市國土資源與房產(chǎn)規(guī)劃公開的資料獲得。高層建筑物是指鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)超過10層、28 m以上。截至2016年,廈門市各區(qū)高層建筑數(shù)量如表2所示,可知思明區(qū)高層建筑數(shù)量最多,高層建筑密度也最高,而思明區(qū)地面沉降也相對顯著。因此,一定程度上來說,地面沉降和高層建筑密度具有一定的相關(guān)性,然而湖里區(qū)的高層建筑密度也較高,但湖里區(qū)地面沉降相對不顯著。因此,針對廈門市各轄區(qū),當(dāng)高層建筑密度達到32.58棟/km2時,地面沉降和高層建筑密度才具有一定的相關(guān)性。綜上表明,廈門市的高層建筑密度需達到一定程度才對地面沉降有影響。

表2 廈門市各區(qū)高層建筑數(shù)量

其次,計算建筑容積率對地面沉降的影響。從各轄區(qū)的高層建筑中選取部分代表性小區(qū)來代表各轄區(qū)的建筑容積率情況,并計算其容積率均值(表3)。由通過容積率和地面沉降數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)：思明區(qū)的地面沉降量較大,而其建筑容積率均值不是最高的；建筑容積率均值最高的卻是湖里區(qū)?？沙醪降贸鼋ㄖ莘e率與地面沉降沒有顯著的相關(guān)性。

表3 廈門市各區(qū)建筑容積率均值

由于地面沉降相對較顯著的區(qū)域為思明區(qū),同時湖里區(qū)的建筑密度和建筑容積率都相對較高,故本部分以廈門島(思明區(qū)和湖里區(qū))為研究對象,來進一步分析廈門島的每個小區(qū)建筑容積率對地面沉降的影響,建立建筑容積率與地面沉降量的散點圖(圖5)。由圖5結(jié)果明確地表明廈門島的建筑容積率與地面沉降沒有存在顯著的相關(guān)性。

圖5 廈門島建筑容積率與地面沉降量散點圖

因此,總體來說,廈門市的高層建筑密度需達一定程度才對地面沉降有影響；廈門島的建筑容積率與地面沉降并不存在顯著的相關(guān)性。

2.2.3不同土地利用轉(zhuǎn)化建設(shè)用地對地面沉降的影響

由廈門市的地質(zhì)資料可知,廈門市地質(zhì)巖層屬花崗巖層,質(zhì)地較硬,不容易發(fā)生地面沉降。雖然數(shù)據(jù)分析顯示,高層建筑密度與地面沉降存在一定的相關(guān)性,但廈門地面沉降總體來看并不顯著,只較少的區(qū)域存在一定程度的地面沉降,因此,其城市地面沉降原因需從其他因素進一步探討。

廈門市為沿海城市,由前文分析可知,廈門市實施了大型填海工程,由于地表松散未固結(jié)土體壓縮容易導(dǎo)致區(qū)域性地面高程下降。故本研究為進一步探究廈門市地面沉降成因,主要分析了不同土地利用轉(zhuǎn)化建設(shè)用地這個因素對地面沉降的影響情況。

本研究分析了2002—2017年這十五年的廈門市土地利用變化情況,由圖6可知,廈門市城市用地的擴展明顯受到山地和海域等地理條件的影響。同安區(qū)和翔安區(qū)受北部山區(qū)影響,湖里區(qū)和海滄區(qū)由于有地形較高的山區(qū),使得城市往平坦地區(qū)發(fā)展,集美區(qū)城市用地受到山脈影響往西南方向發(fā)展,同時也受到東西兩邊海域的影響。從圖6和圖7的對比可明顯得出：大量的水域用地發(fā)生轉(zhuǎn)變,大部分轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地,少部分轉(zhuǎn)為耕地；耕地用地的變化則與其所在的地理位置有明顯的相關(guān),地勢較為平坦地區(qū)、交通便利地區(qū)、城市用地周圍地區(qū)的耕地大量轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,而耕地則開始占據(jù)部分原本山區(qū)的園林用地。除此之外,園林地不斷地減少,變化趨勢也與地形條件有關(guān),山腳一些坡度較緩的園林地由于可達性較好,大量轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。初步結(jié)果顯示,廈門市較大面積的建設(shè)用地是由水域、園地、林地等轉(zhuǎn)化而來。

圖6 廈門市2002年與2017年土地利用分類圖

圖7 廈門市不同土地利用轉(zhuǎn)化建設(shè)用地的地面沉降分布圖

為了進一步分析地面沉降在不同土地利用轉(zhuǎn)化中發(fā)生的變化,本研究選取不同土地利用轉(zhuǎn)化過程中高層建筑所在位置的高程變化來進行分析。具體選點如表4所示。

表4 廈門市各區(qū)高層建筑選點情況/個

依據(jù)提取的高程信息,通過空間疊加分析得到廈門市不同土地利用類型演變?yōu)楦邔咏ㄖ蟮牡孛娉两登闆r,如圖7所示?？擅黠@發(fā)現(xiàn)在原水域用地上建成高層建筑的地區(qū)發(fā)生沉降的頻數(shù)比在原耕地、林地、園地用地的地區(qū)大,且各區(qū)沉降的均值更大；耕地沉降發(fā)生的頻數(shù)次之,林地、園地除個別區(qū)域發(fā)生沉降較為嚴重之外,其余均只有少量沉降或者無沉降現(xiàn)象發(fā)生。這也基本體現(xiàn)原土地利用分類的性質(zhì),園林地生長緩慢,長成需要較長時間,土壤相對來說比較堅實；耕地由于南方多為水田,土壤和水混合,孔隙較大,改為建筑時,壓縮孔隙導(dǎo)致沉降；水域在填海的過程中,土壤不能完全硬化,在建成之后隨著水分的蒸發(fā)而形成孔隙,從而導(dǎo)致沉降。

根據(jù)在原園地和林地上建筑建成年份和現(xiàn)今的高程信息,通過空間分析得到各年份建成建筑的沉降分布圖。園地是指種植可食用類果實的草本作物等的土地,林地指生長喬木、竹類、灌木,及沿海生長紅樹林的土地。2004—2016年間建成建筑在建成后至今的沉降量分布,如圖8所示可得出：在原園地、林地用地上建成的高層建筑所在地,大部分都發(fā)生沉降現(xiàn)象；具體對比高層建筑建成至今的沉降量可得：不管是何時建成的,沉降量均在0—3 mm這個范圍之間,無明顯時間規(guī)律。由此可說明,在園地和林地用地上,在建成的15年內(nèi),高層建筑均會發(fā)生些沉降,但時間上對沉降結(jié)果并沒有太大影響。

圖8 不同建成年份建筑在原園地、林地上建成后至今的沉降量分布

根據(jù)在原耕地上建筑建成年份和現(xiàn)今的高程信息,通過空間分析可得各年份建成建筑的沉降分布圖,如圖9所示。由2002年和2017年廈門市土地利用對比圖可以得出,廈門市在城市化的過程中,犧牲大量耕地,因此這十五年間廈門市的高層建筑多建在原耕地用地上。在本研究選點中原耕地用地占據(jù)百分之五十,在《土地利用分類》規(guī)定中,耕地包括已墾灘地和海涂,由于南方耕地主要以水稻為主,而廈門市的大部分耕地大多建立在灘地和海涂上,土壤中含水較多。在圖9上可得,大部分耕地均有沉降現(xiàn)象,按建成時間上看,總體上呈現(xiàn)隨建成時間的增加,沉降量也偶發(fā)上升的情況。

圖9 不同建成年份建筑在原耕地建成后至今的沉降量分布

根據(jù)在原水域上建筑建成年份和現(xiàn)今的高程信息,通過空間分析得到各年份建成建筑的沉降分布圖,如圖10所示。在廈門市建立為經(jīng)濟特區(qū)后,城市高速發(fā)展,在建設(shè)方面,廈門市采用填海造地的模式,將土沙石塊,用于填海擴大城市面積和填平城市內(nèi)低洼部分。同時,“海景”成為廈門市房地產(chǎn)建設(shè)的一大特色,大量高層建筑在原來水域用地上建成。廈門島內(nèi)因為人口集聚,也不斷填平水域進行房地產(chǎn)建設(shè)。由圖10可得：在水域用地改成建筑用地后的沉降情況,其中沉降較為明顯的區(qū)域為湖里區(qū)北部,該區(qū)域是填海造地最為嚴重的一塊區(qū)域,所以總體下降較為明顯。從建成年份上看,2010年前建成的高層建筑比2011年以后建成高層建筑總沉降量大,總體上呈現(xiàn)建成時間越長,總沉降量越大的態(tài)勢。

圖10 不同建成年份建筑在原水域建成后至今的沉降量分布

因此,在2002—2017年這十五年間,廈門市的建設(shè)用地面積不斷增加,整體的沉降有發(fā)生,且較為緩慢,但是對于不同土地利用分類仍有明顯區(qū)別,沉降速率也呈現(xiàn)不同發(fā)展趨勢。不同土地利用轉(zhuǎn)化建設(shè)用地對地面沉降的影響的結(jié)果表明：(1)原水域用地沉降最為明顯,且與建成時間有相關(guān)性,建成時間越長,總沉降量越大；(2)原耕地用地由于南方多為水田,建成高層建筑后沉降有明顯發(fā)生,雖然沉降量不大,但也隨著建成時間的延長有逐漸增加沉降量的態(tài)勢；(3)原園地、林地用地沉降只在少部分地區(qū)發(fā)生,且與建成時間無明顯差別。

3 廈門島地面沉降的風(fēng)險評價

由前文的廈門市地面沉降分析可知,廈門島地面沉降相對較顯著,城市的地面沉降與建筑密度以及土地利用變化具有一定的相關(guān)性。故本研究以地面沉降相對較明顯的廈門島為研究對象,進行城市地面沉降風(fēng)險評估與評價。風(fēng)險指標選取地面沉降量、建筑密度、水域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,由前文可得這三個指標與地面沉降的相關(guān)性較大。風(fēng)險評價是一種重要的環(huán)境管理手段,可為城市的生態(tài)環(huán)境保護、可持續(xù)開發(fā)利用提供重要的決策支持和管理依據(jù)[32-34]。

首先,本研究采用構(gòu)建500 m × 500 m的廈門島網(wǎng)格數(shù)據(jù),獲取每個網(wǎng)格各個指標信息,并依據(jù)前文分析可知,地面沉降量為最顯著風(fēng)險,值越高風(fēng)險越大,故本研究賦權(quán)值為0.5；而建筑密度相關(guān)性為一般顯著,故權(quán)值為0.2；水域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地沉降較顯著,故賦權(quán)值為0.3。其次,對各項指標進行歸一化標準化后,依據(jù)加權(quán)的方法計算每個網(wǎng)格的地面沉降風(fēng)險,并采用自然斷裂法將風(fēng)險指數(shù)劃分為5個等級：高風(fēng)險、較高風(fēng)險、中風(fēng)險、較低風(fēng)險和低風(fēng)險(圖11)。由圖11可知,覆蓋廈門島的網(wǎng)格共638個,其中地面沉降高風(fēng)險區(qū)占全島的17.08%,較高風(fēng)險區(qū)占全島的16.14%,中風(fēng)險區(qū)占全島的14.26%,較低風(fēng)險區(qū)占全島的19.91%,低風(fēng)險區(qū)占全島的32.60%。雖然廈門島超過50%的區(qū)域為地面沉降較低風(fēng)險或低風(fēng)險區(qū),但廈門島近16%的區(qū)域為山體,無沉降風(fēng)險。若除去山體部分的區(qū)域,廈門島網(wǎng)格共568個,其中地面沉降高風(fēng)險區(qū)占全島的19.19%,較高風(fēng)險區(qū)占全島的18.13%,中風(fēng)險區(qū)占全島的16.02%,較低風(fēng)險區(qū)占全島的22.36%,低風(fēng)險區(qū)占全島的24.30%；即中風(fēng)險等級以上的區(qū)域占全島的53.34%。風(fēng)險評估的結(jié)果表明：廈門島可用于城市建設(shè)區(qū)域中的53.34%是地面沉降中風(fēng)險等級以上。

圖11 廈門島地面沉降風(fēng)險等級

因此,在廈門島將來的城市建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計與管理中,本研究提出以下建議：(1)加強城市地面沉降監(jiān)測,尤其是地面沉降為高風(fēng)險區(qū)域更要加強監(jiān)測與防御；(2)在城市建筑樓層規(guī)劃設(shè)計中,應(yīng)考慮到地面沉降的方面,避免大量高層建筑帶來的安全隱患；(3)采取有效的措施進行防御與防治減少城市地面沉降,同時采用科學(xué)的方法來加強風(fēng)險管理?？傊?本研究可為廈門市的城市地面沉降監(jiān)測、土地利用規(guī)劃設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)支撐與決策支持等,有益于指導(dǎo)城市的協(xié)調(diào)發(fā)展建設(shè),在一定程度上可減少城市生態(tài)環(huán)境災(zāi)害的發(fā)生,具有現(xiàn)實性意義。

此外,由于地面沉降是多種因素共同作用的結(jié)果,除了從城市建設(shè)用地、建筑容積率和不同土地利用轉(zhuǎn)化等多種因素研究城市地面沉降的分析與評價,將來還應(yīng)考慮結(jié)合心理感知、社會經(jīng)濟視角、過程與風(fēng)險等相關(guān)方面來進一步探討城市地面沉降與風(fēng)險評價的研究,不斷完善城市的土地利用規(guī)劃與建設(shè),努力實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展[35-36]。

4 結(jié)論

本研究首先通過獲取的地面沉降監(jiān)測點高程信息分析廈門市地面沉降的基本情況,并對空間差異性進行分析；其次,重點探討建設(shè)用地、建筑容積率與不同土地利用變化信息這3種因素對廈門市地面沉降的影響；最后,對廈門島地面沉降進行風(fēng)險評估。本研究可得以下結(jié)論：

(1)在2001—2015年廈門市整體的高程存在下降趨勢且較為緩慢,同時廈門市的城市建設(shè)規(guī)模與建設(shè)用地面積增速不斷增大,這與廈門市的城市地面沉降發(fā)展趨勢相同。

(2)廈門市的高層建筑密度需達一定程度才對地面沉降有影響；廈門島的建筑容積率與地面沉降沒有存在顯著的相關(guān)性。

(3)在不同土地利用轉(zhuǎn)化建設(shè)用地對廈門市地面沉降的影響中：原水域用地沉降最為明顯,且與建成時間有相關(guān)性,建成時間越長,沉降量越大；原耕地用地由于南方多為水田,建成高層建筑之后沉降也有明顯發(fā)生,雖總沉降量不大,但也隨著建成時間的延長有逐漸增加沉降量的態(tài)勢；原園地、林地用地沉降只在少部分地區(qū)發(fā)生,且與建成時間無明顯差別。

(4)廈門島的地面沉降相對較顯著,其可用于城市建設(shè)區(qū)域中的53.34%是地面沉降中風(fēng)險等級以上。

總之,本研究可為廈門市城市化進程中的城市地面沉降監(jiān)測、土地利用規(guī)劃設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)支撐與決策支持,對廈門市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。