莊立賢

（福建省地質(zhì)測繪院，福建 福州 350011）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展和擴(kuò)張，尤其是地鐵、房地產(chǎn)開發(fā)等民生工程的日益增多，因工程建設(shè)引發(fā)的地面沉降災(zāi)害時有發(fā)生。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》（國務(wù)院令第394號）、《國務(wù)院關(guān)于加強地質(zhì)災(zāi)害防治工作的決定》（國發(fā)〔2011〕20號）等文件要求，加強城市地面沉降監(jiān)測工作，最大限度地消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全，維護(hù)社會安定穩(wěn)定，福州盆地地面沉降監(jiān)測體系的進(jìn)一步完善已成為一項極為重要和緊迫的工作。

1 福州盆地地面沉降研究現(xiàn)狀

據(jù)觀測資料，1967—1986年，福州盆地溫泉區(qū)內(nèi)地面累計沉降量為56～414mm，而1987—1988年，地面高程下降了13～74mm。對福州地?zé)崽锉辈坎煌瑫r期監(jiān)測、調(diào)查資料進(jìn)行分析，可以得到漏斗中心地帶不同時期地面沉降速率經(jīng)歷了以下階段：20世紀(jì)60年代為20mm/年；70年代為25～33mm/年；20世紀(jì)80年代后期至20世紀(jì)90年代初期為40mm/年。1991年6月—1992年6月的觀測顯示，五四路北區(qū)沉降量達(dá)到74.5mm。

在近6年的時間采用高精度雷達(dá)對福州市區(qū)地面沉降狀況進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果顯示福州市地面沉降總體情況較好，大部分地區(qū)地面穩(wěn)定性較好，但存在明顯的區(qū)域性沉降差異特點，有多個沉降漏斗存在，并有加劇的趨勢。數(shù)據(jù)分析表明，在6年的監(jiān)測期間，年均沉降率約為-15mm，最大沉降率均出現(xiàn)在倉山區(qū)域。最大沉降點位于倉山區(qū)建新南路的紅江小區(qū)，年均沉降率達(dá)到-55.43mm；次大沉降量點位于倉山區(qū)南三環(huán)飛鳳水岸小區(qū)，年均沉降率達(dá)到-55.36mm。通過福州盆地InSAR監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計和對比分析表明，不同區(qū)域的地面沉降受地下水抽取、河流水系以及各類工程及人類活動擾動綜合影響，尤其是在溫泉分布區(qū)，沉降速率與時間呈顯著的非線性特征。

2 存在問題

2.1 監(jiān)測手段單一

為了解福州城區(qū)地面沉降規(guī)律，從20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)90年代的監(jiān)測資料顯示，福州市區(qū)主要采用水準(zhǔn)測量與實地查證的方式進(jìn)行，研究范圍主要位于福州盆地地?zé)崽锓植紖^(qū)。

2008年7月—2014年6月，采用DS-InSAR技術(shù)（永久散射體合成孔經(jīng)雷達(dá)干涉測量）對福州地面沉降狀況進(jìn)行監(jiān)測，缺乏地面實測形變數(shù)據(jù)，PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測到的沉降量級只與實地考察形變量進(jìn)行了比對，而沒有與其他監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

2.2 先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用推廣不足

上海在世界上率先建立了健全的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，采用28座綜合監(jiān)測站和1 150個水準(zhǔn)點覆蓋全市范圍，同時引進(jìn)GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、建立計算機(jī)自動監(jiān)測站，實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)觀測、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男畔⒒芾?。福州盆地地面沉降監(jiān)測技術(shù)手段較為原始且缺乏連續(xù)性，全區(qū)未構(gòu)建統(tǒng)一的監(jiān)測體系，不易即時捕獲福州盆地地面沉降發(fā)展的態(tài)勢。

隨著福州市城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，福州地鐵1號線、2號線的開通運營及規(guī)劃的幾條地鐵線路陸續(xù)開工建設(shè)，建設(shè)工程對福州盆地地表形變的影響缺乏足夠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 福州盆地多源地面沉降監(jiān)測體系的構(gòu)建

3.1 總體技術(shù)路線

采用GNSS、INSAR、地質(zhì)調(diào)查、物探勘查、鉆探、精密水準(zhǔn)、土體分層沉降標(biāo)組、傳感器、自動化監(jiān)測采集、地下水監(jiān)測網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)、5G等技術(shù)，形成空間三維、多種技術(shù)優(yōu)勢互補的、多功能綜合性監(jiān)測網(wǎng)，從而構(gòu)建天-地協(xié)同的多源地面沉降監(jiān)測體系。及時查明福州盆地地面沉降范圍、規(guī)模、成因及其發(fā)展趨勢；加強地面沉降災(zāi)害的防治技術(shù)研究，提高監(jiān)測區(qū)域大型工程建設(shè)地面沉降預(yù)測與防治的能力?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 福州盆地地面沉降監(jiān)測技術(shù)路線

3.2 技術(shù)方法

3.2.1 資料收集

收集福州盆地基礎(chǔ)地質(zhì)資料、水工環(huán)地質(zhì)勘查資料、市政規(guī)劃現(xiàn)狀及遠(yuǎn)景規(guī)劃資料，監(jiān)測區(qū)域范圍及周邊平面與高程控制點、福州盆地地下水監(jiān)測站點等基礎(chǔ)信息資料。

3.2.2 GNSS+InSAR

采用InSAR調(diào)查地面沉降災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀，繪制測區(qū)監(jiān)測點分布圖、地面沉降等值線圖，為監(jiān)測網(wǎng)點以及土體沉降標(biāo)組的布設(shè)提供依據(jù)。針對福州市地處大氣水汽飽和云量高的濱海城市，可采用多時相時序InSAR技術(shù)開展福州盆地全局地面沉降監(jiān)測。開展差分干涉技術(shù)（D-InSAR）、永久散射體（PS）和小基線集技術(shù)（SBAS）等多項InSAR監(jiān)測，實現(xiàn)低相干區(qū)域的微小形變信息提??；開展C波段數(shù)據(jù)的多時相融合處理算法，提高InSAR監(jiān)測形變的時空分辨率及其精度。

由于福州盆地植被覆蓋率較高，角反射器的埋設(shè)作為人工永久散射體，其在SAR影像上的幅度和相位都很穩(wěn)定，可以用于監(jiān)測微小而且緩慢的地表形變，即使在空間基線較大、時間基線較長的條件下也可實施；可以精確地測量某一時間段內(nèi)毫米級的位移，同時，可捕獲植被繁茂地區(qū)的地表形變；CR-InSAR僅需2景數(shù)據(jù)，即可獲取CR點的相對形變，精度達(dá)2mm。InSAR形變觀測值對南北向形變極其不敏感，導(dǎo)致該方法只能在忽略南北向形變的前提下得到可靠的垂直向和東西向形變，影響InSAR形變觀測值精度的因素還有大氣延遲和時間分辨率。

普適型實時GNSS可進(jìn)行實時連續(xù)的三維形變監(jiān)測。實時GNSS監(jiān)測既不會遺漏重點區(qū)域重要的形變信息，還能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測和早期預(yù)警。而且，連續(xù)觀測的GNSS實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還能夠為InSAR技術(shù)進(jìn)行大氣效應(yīng)的消除與改正提供重要的資料，保證了InSAR監(jiān)測結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。普適型GNSS接收機(jī)系統(tǒng)包括鋼制觀測墩、接收天線、接收機(jī)、無線通信傳輸模塊、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控設(shè)備、自主供電設(shè)施、避雷針及相關(guān)附屬防護(hù)設(shè)施等。普適型GNSS實時地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)采用“物聯(lián)網(wǎng)＋”模式構(gòu)建，具有高精度GNSS數(shù)據(jù)采集功能、大幅降低終端功耗和成本的特點，實現(xiàn)對實時GNSS海量數(shù)據(jù)進(jìn)行安全集中管理、集中處理、集中分析，充分發(fā)揮“萬物互聯(lián)”的優(yōu)勢。

GNSS實時連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在正常情況下可實時（每秒）發(fā)布變形體的動態(tài)變形監(jiān)測結(jié)果。測量精度在水平方向優(yōu)于2cm，高程方向優(yōu)于5cm；可在1h內(nèi)給出小時解結(jié)果，水平方向精度優(yōu)于10mm，高程方向精度優(yōu)于15mm；可在1d內(nèi)給出單天解結(jié)果，水平方向精度優(yōu)于5mm，高程方向精度優(yōu)于10mm；每個季度給出季度解結(jié)果，水平方向精度優(yōu)于3mm，高程方向精度優(yōu)于5mm。GNSS實時數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 GNSS實時數(shù)據(jù)處理流程

3.2.3 地質(zhì)背景調(diào)查

監(jiān)測區(qū)應(yīng)開展地形地貌、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等調(diào)查。主要開展以第四系地質(zhì)、基巖、地下水補徑排條件、巖土體特性為主的細(xì)化調(diào)查，為土體沉降標(biāo)組的埋設(shè)、地下空間三維模型建設(shè)、地面沉降機(jī)理的研究提供參考數(shù)據(jù)；在收集資料的基礎(chǔ)上，對已有資料進(jìn)行分析與發(fā)掘，摸清福州盆地第四系地層的厚度與巖性、基巖的埋深與巖性、斷裂以及主要構(gòu)造線的展布方向、地下水基本特征、巖土體特性；根據(jù)巖土體分布和地層組合特征，開展工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)；資料缺乏區(qū)域以及重點區(qū)域采用物探勘查、鉆探的方法予以補充。

3.2.4 災(zāi)害調(diào)查

在InSAR調(diào)查地面沉降災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上開展災(zāi)害調(diào)查，主要包括建（構(gòu)）筑物破壞、地面開裂、橋洞凈空及結(jié)構(gòu)、市政設(shè)施破壞、洪澇調(diào)查等。災(zāi)害調(diào)查為地面沉降機(jī)理的研究、地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失評估與防治提供參考數(shù)據(jù)。

3.2.5 人類工程活動調(diào)查

通過人類工程活動調(diào)查，了解人類工程活動過程中荷載和擾動的時空變化對地面沉降的影響。

3.2.6 地面沉降防治情況調(diào)查

對已有地下水監(jiān)測井、回灌井等地面沉降、地裂縫的監(jiān)測與防治設(shè)施和應(yīng)用情況開展調(diào)查，落實地面沉降監(jiān)測與防治設(shè)施的空間分布，根據(jù)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查資料以及補、徑、排條件，研究建立地下水流場模型。

3.2.7 地面沉降觀測點埋設(shè)

1）土體分層沉降標(biāo)組建設(shè) 土體沉降標(biāo)組包含基巖標(biāo)、分層標(biāo)。分層標(biāo)是通過鉆探方法分別埋設(shè)在地下不同深度土層中的特殊監(jiān)測點，標(biāo)點直通地表，隨土層的壓縮、膨脹而升降變化。以基巖標(biāo)監(jiān)測地面的總沉降量或總回彈量，客觀反映土體分層變形的微量變化，從而分析地面沉降與地層結(jié)構(gòu)、地下水開采量和水位的關(guān)系。地面沉降自動監(jiān)測設(shè)備（如靜力水準(zhǔn)儀）、孔隙水壓力計與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳、存儲、分析、預(yù)警等。基巖標(biāo)、分層標(biāo)應(yīng)位于同一工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)，分層標(biāo)所處地層應(yīng)具土體固結(jié)、密實的典型特征。土體沉降標(biāo)組埋設(shè)應(yīng)兼顧城市規(guī)劃，以利于長期觀測，避免遭受破壞。

2）地面沉降點埋設(shè) 根據(jù)InSAR調(diào)查地面沉降漏斗的分布情況與地面沉降的速率，按規(guī)范要求布設(shè)地面沉降觀測點。CR點、GNSS監(jiān)測點、水準(zhǔn)監(jiān)測點、地下水監(jiān)測井應(yīng)有機(jī)結(jié)合，考慮多點共用，在節(jié)約成本的同時，可起到監(jiān)測成果間的相互驗證，提高監(jiān)測成果的精確性。

3.2.8 精密水準(zhǔn)測量

根據(jù)地面沉降及伴生地裂縫測量目的任務(wù)、現(xiàn)場情況，合理選取精密水準(zhǔn)測量的方法組織測量。

基巖標(biāo)、基巖點間以一等水準(zhǔn)測量的方式敷設(shè)項目首級高程控制網(wǎng)，同時與國家一等水準(zhǔn)路線聯(lián)測。CR點、GNSS監(jiān)測點、水準(zhǔn)監(jiān)測點、地下水監(jiān)測井間以基巖標(biāo)、基巖點為起算，敷設(shè)二等水準(zhǔn)路線，建立統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)。測量頻率根據(jù)地面沉降監(jiān)測的實際情況，按相關(guān)規(guī)范要求設(shè)置。

3.2.9 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

地面沉降調(diào)查與監(jiān)測結(jié)果所獲得的地形地貌、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、物理勘查、災(zāi)害現(xiàn)象、地面沉降防治、水準(zhǔn)測量、分層標(biāo)（組）測量、GNSS測量、InSAR測量、地面沉降綜合研究等各類數(shù)據(jù)和圖形資料，應(yīng)經(jīng)檢查并按數(shù)據(jù)庫要求格式進(jìn)行系統(tǒng)整理，建立地面沉降測量數(shù)據(jù)庫。

3.2.10 地理信息系統(tǒng)研發(fā)

福州盆地地面沉降監(jiān)測地理信息系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)堅持“統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、整合資源，信息共享、促進(jìn)協(xié)同，開放服務(wù)、保障安全”的建設(shè)方針，夯實地面沉降信息化基礎(chǔ)，提升地質(zhì)災(zāi)害分析預(yù)警水平；實現(xiàn)對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行安全集中管理、集中處理、集中分析，充分發(fā)揮的優(yōu)勢；基于高性能數(shù)據(jù)庫，利用WEB、移動終端、App小程序等應(yīng)用，實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果的實時發(fā)布。推進(jìn)智能管理，提高地面沉降監(jiān)測工作信息化、智能化水平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)化。構(gòu)建完善的地面沉降評價、決策支撐體系，為城市防災(zāi)減災(zāi)、規(guī)劃建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。及時提出預(yù)警和切實有效的防治措施，使地面沉降得到有效控制，最大限度地減少地面沉降災(zāi)害對經(jīng)濟(jì)社會造成的損失。

4 結(jié)語

1）在充分收集、分析、利用已有資料的基礎(chǔ)上，堅持以野外工作與室內(nèi)綜合研究相結(jié)合的原則，依據(jù)相關(guān)規(guī)范、技術(shù)要求完成監(jiān)測工作目標(biāo)。

2）本底調(diào)查僅解決了“有無”的判斷，動態(tài)更新方能體現(xiàn)監(jiān)測價值。選擇以多源、高精度的地面沉降監(jiān)測方法為手段，達(dá)到進(jìn)一步研究福州盆地地面沉降機(jī)理的目的，最終建立福州盆地地面沉降“天-地”協(xié)同監(jiān)測體系。

3）整合自然資源、測繪、水利、規(guī)劃、建設(shè)等部門布設(shè)的監(jiān)測網(wǎng)點資源，優(yōu)化布局，一點多用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、相互補充。

4）以福州市區(qū)地?zé)崽镒鳛榈孛娉两当O(jiān)測工作試點，建立標(biāo)準(zhǔn)體系，開展福州盆地地面沉降監(jiān)測應(yīng)用示范及推廣。

5）加強沉降觀測設(shè)施保護(hù)，建立地面沉降監(jiān)測展示館，成為地面沉降防治科普宣傳和教育的重要基地，普及地面沉降防治科學(xué)知識和增強公眾的防災(zāi)減災(zāi)意識。