关中地表沉降三维显示与分析

王 超,李天文,刘咏梅 ,袁勘省

(西北大学 城市与环境学院,陕西西安 710127)

地表沉降是一种普遍的地质现象,尤其在人口稠密的三角洲地区,地表沉降会给生产和生活带来巨大影响。目前,世界 150个以上的地区,包括墨西哥、中国、意大利、日本和美国,都出现了地表沉降。影响地表沉降的原因有自然因素,但最为重要的因素是人类活动,如过度的开采地下水、石油、天然气、地热资源以及大型工程施工等。根据统计资料(Johnon 1991)估计全世界由于地表沉降造成的破坏和修复费用为每年数十亿美元,如美国休斯顿每年用于地表沉降的费用为3 170万美元(Jensen 1995)。

1 引起关中地表沉降的因素

1.1 自然因素

地表沉降是一个长期的持续的不断运动变化的一个过程。各块体内部物质在空间分布的不均匀性导致软的岩层塌陷或者由于降水、风力等自然因素对有腐蚀特性的岩石的化学和物理作用;不同年份的降水与蒸发量的不尽相同,导致有些年份降水量大有些年份蒸发量大,引起地下水的补给短期不足或者过多,从而导致承压能力的失衡进而引起地表沉降。

关中地处陕西位于鄂尔多斯块体南缘,是我国重要的地震活动和构造变形区之一。根据统计显示关中发生了多次轻微的地震,汶川地震对地表沉降都有一定的程度影响。此外引起沉降的还包括一些其他地质灾害带来的次生危害,如泥石流在山前洪积扇表现的尤为突出;地裂缝由于雨水的灌注引起再次坍塌和加重等都可能对地表沉降带来影响。

1.2 人为因素

伴随着城市现代化的发展建设、众多卫星城市的雨后春笋以及新农村建设等一系列城市发展,加上能源不合理的开发与利用等等,小区域、小范围的地表沉降已经给人们的生产和生活造成了严重的影响,引起了人们的高度关注和重视。概括起来,引起关中地区尤其是西安地区地表沉降人为因素的主要原因如下:

(1)关中平原地处半干旱地区,尤其是每年的 7到 8月份,为满足农业用水需求开采地下水资源,由于不合理开采和过度开采,致使很多地区形成水漏斗区。不止农业用水,随着城市化的发展人们对生活用水需求量的增大,地下水也得到不同程度的不合理开采,此事虽然由于政府的强制措施得到缓解,但已造成的影响或者潜在的影响已经不可避免了。

(2)大型工程建设过程中虽说不开采地下水,但在其过程中为了保证施工的顺利进行,进行了一定程度的降水,致使岩层承压能力失衡,为了形成一个新的平衡点,在这个过程中势必会引起地表沉降。

(3)大型工程建设,如高层建筑、地铁修建、桥梁架设、道路修建、大型厂房的建设等,在其建设过程中引起的或大或小的震动建成之后新的压力,这些都可能破坏原有的承压平衡,为了达到新的承压平衡,此过程中可能发生地表沉降作用。

(4)频繁的交通运输造成的震动长期对其附近一定范围之内造成的影响也是引起地表沉降的一个重要原因。尤其是关中环线及各种高速铁路、公路的建设及投入运行。

(5)人类不合理的土地规划利用,也是形成地表沉降的原因之一。

2 地表沉降的危害及预防必要性

2.1 地表沉降的危害

地表沉降造成的危害主要表现在[1]:

(1)破坏城市设施、妨碍城市建设,地表不均匀引起的地表裂缝、不均衡下陷错动,从而造成建筑物、道路、井管等市政设施受到破坏。引起河道纵坡降变形,城市排水管道功能降低。主要表现在造成房屋和桥梁的开裂、倾斜或倒塌;道路凹凸不平或开裂;地下管道错裂失效;抽水井管上升,设备需不断更新等。

(2)水患和潮灾加剧地表沉降是地面高程降低,积水滞洪,引起河水、湖水或者海水倒灌,河流泄洪能力降低,城市抗洪能力相应降低。严重的滞洪积水问题,不仅影响城市交通和环境,而且可能造成地下室和低层建筑物在汛期被水淹没,造成比较严重的经济损失。

(3)影响城市规划与建设等,地表沉降还导致观测和测量标志失效。随着城市生态环境的变迁,环境整治费用会剧增,经济、环境、社会综合效益将有所降低,直接或间接影响城市拥有的发展水平和发展规模。

(4)可导致或加重地下水的污染,地表沉降可导致汛期城区积水,洪水、污水不能及时排走,灌入地下,可能导致或加重地下水的污染,影响地下水的水质、开发与利用,影响人民群众的身体健康,影响经济发展以及建筑等公共设施的安全、使用、寿命和性能等。

2.2 沉降预防的必要性

目前,地表沉降的灾害如仍在继续发展,不采取积极有效的措施,未来更严重的灾害是难以避免的。地表沉降涉及到生活中的很多方面,例如:古建筑的维护、城市规划等等。2006年花巨资拟建的西安城市地铁工程就面临地表沉降的潜在的地质灾害问题。因此有必要对地表沉降进行有效的长期的监测工作,获取有关这些缓变性地质灾害变形信息,特别是通过长期观测资料的积累,掌握变形规律,达到了解地表沉降的变化规律,为城市减灾防灾提供可靠依据。

3 地表沉降监测与监测数据

3.1 地表沉降研究方法

传统地表沉降研究方法一般分为两类:①特定点调查。主要是根据地质钻孔资料、水位变化和地表沉降量进行;不考虑地表沉降的空间分布,以此来获取详细的信息(Helm,1975;Leak,1991等);②区域调查。模拟区域地下水流动和地表沉降,并提供控制地表沉降的地下水抽取方案(Esaki等,1995,1996;Teatini,1995)。传统方法对沉降数据处理都是手工进行的,工作效率低下,建立模型的可靠性与精确性存有疑问。近年来,3S技术发展,特别是 GIS强大的处理、管理和分析空间数据的功能发展,已引起人们的高度重视;GPS测量作为空间数据采集的重要手段,其良好的空间定位精度以及全天时全天候的特点,为地表沉降监测数据的获取提供了有效的技术保障;而 RS通过认识地质环境要素为沉降分析提供补充。

3.2 地表沉降的监测

沉降监测方法采用传统的水准测量,其观测周期长,需要大量的人力物力,而且随着距离的增大误差也随着增大。GPS定位技术具有观测站之间无需通视,观测时间短,操作简便,不受距离限制等特点。近年来随着测绘人员的不断努力,GPS高程分量的精度也在不断的提高,在长期监测方面已经可以代替常规的精密水准测量。在变形监测中有许多GPS高程成功应用的例子,这是因为在垂直位移监测中,只需要高程的相对变化量,所以直接可以采用 GPS大地高差,这样就可以消除 GPS大地高向水准高转化时产生的误差,并通过同一站点 GPS高程变化进行求差可以消除许多系统性误差,可使相对精度大大提高。GPS定位技术以其效率高、精度高、实时性强等诸多优势弥补了传统精密水准测量进行变形监测周期长、误差随线路增长而增大的不足,从而在变形监测上发挥了更大的优势[2]。

3.3 监测数据分析整理

陕西省 GPS网共有 37个点组成(图 1),其中地壳运动观测网络工程站 24个,陕西省地震局建点 13个,主要分布在渭河盆地一带。

数据来源于国家测绘局,已经将 WGS-84地心直角坐标系转换为北京 54大地坐标后的数据和六度带高斯平面投影坐标数据。包括 2001～2003到 2005、2008年五年的实测数据,其中 2001～2003坐标数据是定值,后两期数据还提供了不同时段测得的坐标数据。

图1 陕西GPS网站点分布图

4 地表沉降分析研究

4.1 数据处理

由于地表沉降为毫米或者厘米级的,故研究过程中采用高程差为研究依据,将 Excel数据导入 Arcgis中,删除研究区以外高程点,为空间差值做好准备。

4.2 数据插值方法与模型构建

对工作目标和掌握的数据等相关真实地理知识的理解将会影响插值方法的选择。如果表面中的一些要素超出已知的 Z值,反距离权重法产生的表面不会超过样本数据集中的最大值和最小值,这时应该选择样条函数插值法。而样条函数插值法在对那些距离较近,并具有极端不同值的样本点处模拟的效果并不好。当样条函数插值法建立的表面在边缘处的要素实际不存在的话,一般应尝试使用反距离权重法。样本点的质量同样会影响插值法的选择。如果样本点较少或者在空间分布不好,所产生的表面不能很好的代表真实情况时应当慎重考虑。因此,在样本点较少的情况下,可以在那些变化比较剧烈或者频繁的地方增加一些样本点,这就要使用克里金插值法。

通过分析和比较,结合监测区域过大,GPS数据点较少,而且分布不均匀和理想的实际情况,采用样条函数插值法后构 Tin效果不佳,且不符合现实情况;克里金插值法较为符合关中平原的三维地形模拟。考虑到数据点少,所以重点在讨论与分析各点的沉降变化,而反距离权重插值法插值后各监测点与 Tin表面吻合度较好,所以这里采用反距离权重插值的方法进行分析研究。

4.3 数据显示与分析

4.3.1 沉降的垂直变化分析

通过 2001～2003三年数据差值制作柱状图(图 2、3、4),首先分析各点各年相对沉降的变化情况。

图2 2002与 2001年差值柱状图

图3 2003与 2001年差值柱状图

图4 2003与 2002年差值柱状图

在 ArcScene加载生成的 TIN数据,显示结果几乎是个平面,这是因为地面沉降是毫米级或者厘米级的,Z值表现的并不明显,为了明显的显示与进行沉降变化分析,将基准高程 Z值扩大 40倍然后再显示,此时凹凸合理,便于观察和分析。

各年份三维显示图如下图 5-图 7所示:

图502 与 01差值后

图603 与 02差值后

图703 与 01差值后

4.3.2 沉降的水平变化分析

由以上地面沉降量分布三维图和统计图表可以看出2002年较 2001年研究区地面沉降情况呈总体下降趋势,中部沉降量大,东西两侧较小,36个点中有 34点下降,2个点上升,其中沉降量最大的点在宝鸡附近,大约超过了-25 mm。但仅离沉降量最大点的北部20km的监测点却沉降量很小,宝鸡到西安普遍沉降量都在 -15 mm至-20 mm。临潼地区的沉降量较小,少许点没有下降反而上升,沉降量从 2mm至-10mm。

2003年相对于 2002年大部分地区都没有下沉,反而是上升的,少有的沉降区依旧出现在宝鸡附近,沉降量最大为-5 mm。西安到临潼的地面略有抬升,大约为5mm至10mm。36个点中有 3个点发生沉降,其余监测点都是上升的。

比较完 2002年和 2001年,又比较了 2003年和 2002年,一降一升,于是将 2003年和 2001年进行一下比较是很必要的。从上图中可以看出,2003年相对于 2001年,36个点中33个点发生了沉降,其余 3个点是上升的。总的来说,三年中,绝大多数区域还是以降为主,沉降量最大的区域仍旧在宝鸡附近,超过了 -25 mm。北部不远的监测点沉降量小则是需要关注的地方。宝鸡大部分区域沉降都在 -15mm至-20 mm。西安的沉降量在 -10 mm至 -15mm。而临潼地区的沉降量较小,而且有的地方还有小幅度上升,这同样也值得人们关注。

经过以上的整体区域分析,可以看出 2003年相对于2002年的沉降非常有趣。通常情况下,地面下沉是符合常理的,而我们之所以研究地面沉降就是为了防治和最大限度的采取措施减少地面沉降,从而减少地面沉降带来的损失。而2003年相对于 2002年整体关中区域地面的抬升是怎样发生的呢?很多资料已经表明,地面沉降多数是由于过量开采地下水而引起的,而地下水主要补给来源为大气降水的入渗和地表水体的渗漏[2]。所以研究当年的降水和地下水是得出结果的正确途径。根据国家水利部的资料,确实 2003年关中盆地浅层地下水上升区远远大于下降区面积,其平均变幅也是 0.28。合计整个关中地区地下水上升了 0.39 m,基于此才发生了地表的相对抬升。

4.3.3 沉降的垂直与水平综合变化分析

根据插值数据生成的Tin在 ArcScene中进行三维显示并将各图层扩大 40倍后显示(如图 8、9)。

图82008 年观测数据三维显示

图92005 年数据与 2008年数据叠加

由图中可以看出叠加后的显示几乎显示不出地表沉降的横向变化趋势,将各图层再次夸大显示,从而在三维视觉上挖掘地表沉降变化情况、变化趋势等方面的信息。

通过上述沉降的垂直与水平综合变化的三维显示和分析不能明显的表现沉降变化及平面相对移动的趋势,原因在于沉降变化量一般是微小的,而三维显示即使将其夸大了 40倍还是很好的显示其变化,如果夸大的倍数过大,整个三维模型的显示效果显得不太和谐和美观,这样三维模拟显示就达不到很好的效果,但是作为模拟地表沉降和预测沉降趋势还是可以借鉴的。所以直接通过数据插值而不对数据进行高程处理这种研究方法对于沉降变形监测不是很适用,但如果分析方法和算法有进一步研究和探索、软件的显示与分析性能得到进一步的拓展与改善,此法将开创地表沉降的新篇章。

通过 2005年及地震发生后 2008年的监测数据分析和讨论,通过 X、Y坐标相减,X坐标大部分是负值,Y坐标大部分都是正值,说明汶川地震整体上使得板块向东南方向运行了;高程坐标差负值较多,说明沉降运动整体上以沉为主。

根据对现有降雨、蒸发工程地质以及地震监测数据,引起关中地区地表沉降的原因:繁忙的交通运输、大型水利水电道路交通等大规模工程建设、地下水的严重不合理开采、汶川地震的影响、最近几年的连续干旱导致地下水位下降等。

5 地表沉降防治与补救措施

需要说明的是,地面沉降在地球自然演化过程中,是一个必然发生的地质现象。沧海桑田,地壳的升降运动,上升作用形成高山,沉降作用而生成堆积盆地或平原。可以说没有自然界的沉降作用,就不能有盆地和平原,也就没有人类生存的良好场所。关中地处秦岭北麓,人口稠密,农业用水量大,地壳运动活跃。地壳活动的结果,必然使一些地带产生地面沉降,这种沉降是区域性的。但是,人类活动特别集中于平坦的盆地或平原地带,而这些地带也是由于自然沉降过程中而形成具有松散第四纪地层沉积的地带,它们在自然演化过程中,仍发生着松散地层的压实与固结的过程,因而也存在着沉降现象的发生。人类集中居住在这松散沉积物的平原、三角洲、大盆地上,这种人类活动作用也就会加剧与诱发地面沉降的发生与发展。

国内外大城市产生地面沉降,都是与过量开采地下水有关。应当说,人类活动特别是开采地下水诱发地面沉降现象在关中地区也是在不断地发展着。而且其发展趋势是,将多个城市的沉降相御接起来,从而形成了带状区域性的地面沉降。地震活动带来的板块挤压以及地表承压失衡是另外一种沉降作用。

地面沉降和其他地质灾害一样,如何防治,这就需要从有关成因及发生过程类型上着手进行分析[9][10]。因此,根据关中地区的特点,防治地面沉降可以采取以下几项措施:

(1)应合理规划各项建设发展布局,注意工程的地质—生态环境效应。将地下水水源地和集中城镇分开,地下矿井开发带与大居民点分隔,从地质环境上考虑交通路线的布局,而不仅从已有街道繁华和当时乘客吞吐量上考虑。

(2)应节制城市地下水资源开采,加强人工回灌措施。完全避免及禁止在都市地带开发地下水资源,这有时是难以做到的,甚至也不一定具有好的效果。因此,根据当地自然条件,可酌情开发一定数量的地下水资源,但要加强人工回灌补给措施,以使开采量及地下水位处在不诱发不良地质环境效应的情况下。

(3)应建立完善的综合监测网络,为合理开发及防治灾害提供依据。对于大城市应当建立完善的综合监测网络,这方面的监测应包括地下水、岩(土)体形变、地应力、断层活动性、地震、地表建筑物基础形变与稳定性、地下建筑物的形变与稳定性等监测。除了充分利用“3S”技术监测之外,重点地进行现场的自动监测显得更为重要。对于大城市及其他大型工程建设,也需要对危险地段进行专门的地质灾害监测。

(4)应进行地质灾害的危险度和危害性评估。无论是在城市还是在乡村,今后都会发生地质环境变化,有的还会进一步恶化,因此需要对今后的环境开发进行地质灾害的危险度和危害性评估,作为今后各项建设发展的依据。此外,通过对地质灾害变化的情况分析,适时进行有关地质灾害的评估才能争取时间,及早做好地质灾害的防治,以防患于未然。

6 结论与存在问题

6.1 结论

地面沉降的是一个长期的持续现象与问题,利用 GPS对地表沉降进行动态的实时监测,并将其观测数据及时的进行处理和分析,这对人们的生产和生活是非常重要的。利用GPS的观测数据进行三维动态显示和分析,不仅形象直观,而且便于发现问题和解决问题,是一种很好的分析途径和方法。本文通过 ARCGIS软件,在关中及西安地区地面沉降的三维动态显示与分析方面做了一些尝试和探索,通过分析、显示,可得出以下几方面研究结论:

(1)关中地区整体上以沉为主,总趋势由西向东沉降量逐渐减小。2002年相对于 2001年总体以沉为主;2003年相对于 2002年地面总体以抬升为主;综合三年数据,2003年相对于 2001年地面总体上仍然以沉为主;2008年相对 2005年在水平方向上向东南方向有一定位移,高程仍然是以沉为主。

(2)关中地区 2003年相对于 2002年的大范围地面抬升,主要是因为 2003年北方地区出现了历史上罕见的持续大量降水,不仅减少了农业对地下水的开采,而且较为明显的补充了地下水的水位,从而使关中地区地下水位有所上升;2008年相对 2005年下沉则主要是由于汶川地震的影响所致。

6.2 存在问题

现有的检测数据为整个陕西省的 GPS监测数据,在分布上是不均匀且数量,插值及分析部分精度不是特别理想。仅限于对关中地区地表沉降总体趋势的分析。

ARCGIS的三维分析功能有待进一步加强和完善。在构成 Tin之后单一的颜色不能很好的突出地势起伏的变化,叠加分析也没有一个功能可将有变化的部分高亮度或者突出的予以显示,以利于更好显示和应用分析。

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