粤东典型区地面沉降时空演化特征及成因分析

施凤春，唐仲华，陈育斌，朱 奋，叶 珊

(1.中国地质大学(武汉) 环境学院，湖北 武汉 430074；2.广东省地质环境监测总站，广东 广州 510510；3.广东省环境监测中心，广东 广州 510308)

城市地面沉降目前已成为全球性的环境地质问题，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失[1]。目前，国内外学者对区域地面沉降的研究主要围绕地面沉降监测方法、时序演化特征、成因机理等方面展开[2-3]。传统的地表形变沉降监测手段主要包括水准测量和GPS测量，但水准测量方法耗时长、监测范围有限，GPS测量设备昂贵、维护费用高、监测密度小。相比之下，InSAR测量技术可以获取大范围、高精度的地表形变信息[4-5]。张雯等[6]结合水文地质条件、土地利用类型差异研究了北京典型区地面沉降的演化规律；Shi等[7]研究了苏锡常地区地面沉降的演化规律及形成机制，发现地面沉降与地下水开采具有很强的相关性，主要固结层是软土层；Chen等[8]采用InSAR测量技术研究了兰州新区地面沉降的发展规律，阐明了在地质条件控制下该地区地面沉降主要由城市化进程导致；陈蓓蓓等[9]采用InSAR测量技术、多源遥感测量技术揭示了北京平原区地面沉降与地下水演化之间的响应机理，还发现地面沉降与建筑荷载密度之间存在一定的相关关系。

粤东地区在民营经济快速发展的同时，由于自然和人类活动的影响，形成了不同规模的环境地质问题。其中，汕头市潮阳区谷饶镇作为“中国针织内衣名镇”，自20世纪90年代开始缓慢出现了地面沉降现象，随着工业化的快速发展，其范围逐渐扩大、灾情逐渐加重，在不同村已逐渐发展成为中—大型的地质灾害问题，导致大量民房墙体出现开裂、倾斜以及巷道路面出现裂缝等现象，受灾害影响的房屋、人口和经济损失逐年增多，引起了政府相关部门及学者们的重视。

赵璇琴[10]以汕头市潮阳区谷饶镇内的某住宅为例，分析了该住宅区发生地面沉降的原因，发现该地区地面沉降的形成与压缩土层承载力差和过量抽取地下水有关，这对该地区地面沉降防治具有一定的指导意义。为了更加合理、有效地开展该地区的地面沉降防治工作，有必要进一步研究地面沉降的时空演化特征及成因。为此，本文结合区域水工环地质背景，基于InSAR监测数据和水位数据研究了该地区地面沉降的时空演化特征及其影响因素，以为制定合理的谷饶镇地面沉降地区灾害防治措施以及城市建设规划提供依据，对粤东地区地面沉降地质灾害的研究具有示范意义。

1 研究区地质背景

研究区主要位于粤东汕头市潮阳区西部的谷饶镇，包括部分贵屿镇、铜盂镇区域，地理坐标为116°21′10″～116°26′31″E、 23°17′41″～23°22′53″N，处于“潮阳、普宁、揭阳”交界处，面积为48.87 km2，见图1。该地区属亚热带季风气候区，气候温暖湿润，阳光充足，雨水充沛。

图1 研究区地理位置图

研究区的含水层岩性为中砂、粗砂，弱透水层以黏土、粉质黏土、淤泥质土为主，含水层呈层状分布，但岩性分带较复杂，总体规律是：由山前至平原，含水层颗粒由粗变细，地下水埋深由深变浅，含水层结构由单一的含水层逐渐过渡为多层含水层。根据地层年代、岩性、埋藏条件及地下水补径排条件，将研究区平原区第四系松散层划分为潜水-承压含水层组(Ⅰ)和深层承压含水层组(Ⅱ)两个含水层组，典型水文地质剖面(C-C′)见图2。研究区地层具有较软弱、松散、土质不均等工程地质特性，容易发生地面沉降等不良地质问题。

图2 研究区典型水文地质剖面图

2 研究区地面沉降的时空演化特征分析

研究区地面沉降发展时间长、规模大，但是尚无地面沉降的监测数据，而InSAR测量技术可在短时间内获取大范围内包含详细空间信息的高精度地面沉降数据，适用于未开展系统的地面沉降监测、资料匮乏的地区，可为获取地面沉降历史和现状情况提供依据[11-12]。因此，本次研究采用InSAR测量技术获取研究区全区不同时期的高程数据。InSAR测量技术对地表的PS点测量分析效果较好，精度可达到毫米级，其中PS点为永久散射体，通常为建筑物、裸露基岩等刚性目标[13-14]。研究区内密集的小平房适合作为永久散射体，可采用PS-InSAR技术提取全区长时间序列的地面变形量。

研究区的InSAR监测数据来自欧空局Envisat-ASAR降轨数据，本次研究获取了2015—2018年间的43景影像数据进行地表形变监测，其中一期数据时间序列为2015年8月28日至2018年3月9日，二期数据时间序列为2018年3月9日至2018年9月5日，InSAR监测数据基于永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)算法，得到了研究区2015年8月28日至2018年9月5日的区域时序地面沉降数据。

2.1 地面沉降的空间分布特征

本文利用PS-InSAR技术原理分析了两期的InSAR监测影像，分别得到了研究区两期的地表形变信息。在研究区中，一期InSAR影像(20150828—20180309)识别了93 829个PS候选点，最大地面沉降量为-138.087 mm；二期InSAR影像(20180309—20180905)识别了101 557个PS候选点，最大地面沉降量为-28.600 mm。

采用反距离加权(IDW)方法对PS候选点的地表变形量进行空间插值，分别得到研究区一期、二期地面沉降量空间插值结果，再对两期地面沉降量空间插值结果进行空间叠加，可获取研究区累计地面沉降量的空间分布图，见图3。

图3 研究区累计地面沉降量的空间分布图

由图3可见，在研究区内存在多个地面沉降中心，谷饶镇的地面沉降在三镇中最为严重。其中，研究区中部的谷饶镇溪美村最大累计沉降量达-170 mm，新兴村最大累计沉降量达-164 mm，是研究区内地面沉降最严重的位置；累计沉降量大于-120 mm的区域均位于谷饶镇域内，累计沉降量大于-90 mm的区域从谷饶镇扩大到铜盂镇的西北部，累计沉降量大于-60 mm的区域由最大沉降中心区域扩大到三个镇内，说明该区域地面沉降范围已连成一片，形成了主地面沉降中心，主地面沉降中心的年均沉降速率为-50～-20 mm/a；茂广—横山—新坡的地面沉降中心位于研究区的北部、谷饶镇的中部，该地面沉降中心累计沉降量为-102 mm，年均沉降速率为-30～-10 mm/a；研究区东南部的铜盂镇东部河拢村的地面沉降中心累计沉降量达-86 mm，年均沉降速率为-29～-10 mm/a。

由此可见，研究区北部和东南部的沉降区域属次地面沉降中心，中部为主地面沉降中心，总体上表现为存在一个主地面沉降中心、多个次地面沉降中心，地面沉降呈现空间分布不均匀的特征。

2.2 地面沉降的时序演化特征

本次研究获取了2015年8月28日至2018年9月5日的InSAR监测时序数据，本文将这43幅影像数据分成三个时间段进行时序分析，分别为2015年8月28日至2016年9月3日、2016年9月3日至2017年9月10日、2017年9月10日至2018年9月5日，可近似视为3个整年，简记为第一时间段(2015.9～2016.9)、第二时间段(2016.9～2017.9)、第三时间段(2017.9～2018.9)，并采用ArcGIS空间分析技术，针对这三个时间段进行统计分析，以探明研究区地面沉降的时序发展规律。

基于研究区三个时间段的地面沉降数据分析，将研究区的年地面沉降量均匀划分为5个类别，三个时间段的地面沉降空间分布和地面沉降范围统计结果见图4和表1。

由图4和表1可见，研究区内各个时间段地面沉降面积占比最大的是第2类沉降范围(-20～0 mm)，面积占比均大于60%，且在三个时间段较平稳，其面积占比分别为64.45%、67.32%、60.43%，呈现先增大、后减小的特征,主要分布在研究区的中部主地面沉降中心区；其次是第3类沉降范围(-40～-20 mm)，其面积占比为20%左右，在三个时间段存在小幅波动，其面积占比分别为22.40%、28.7%、17.68%，在主地面沉降中心呈持续较少的特征;第1类沉降范围(0～20 mm)的面积占比值波动较大，由7.02%降低到1.02%再上升到18.89%，且地面沉降空间分布位置发生了显著的变化，由北部呈上升趋势发展成为西南部呈上升趋势、北部呈下降趋势；第4类沉降范围(-60～-40 mm)在三个时间段呈降低趋势，其面积占比分别为5.94%、2.87%、2.66%，表明研究区中心的严重沉降区的沉降速率在减小，而西南部出现的第4类沉降范围区紧靠道路，说明受道路动荷载的影响大；第5类沉降范围(-80～-60 mm)在全区的面积占比最小，三个时间段的面积占比分别为0.19%、0、0.34%，均低于1%，是研究区地面沉降最严重的位置，但地面沉降空间分布位置基本未发生变化。

图4 研究区三个时间段的地面沉降空间分布图

表1 研究区三个时间段的地面沉降范围统计结果

在研究区三个时间段的地面沉降量统计中，主地面沉降中心的溪美村、新兴村都是研究区地面沉降最严重的区域，年地面沉降量在-80～-50 mm范围内；两个次地面沉降中心的最大年沉降量呈减小趋势，北部横山—新坡次地面沉降中心的最大年沉降量由-54 mm降为-18 mm，东部河拢村次地面沉降中心的最大年沉降量先增大后减小，均在-30 mm以内。整体上看，研究区的地面沉降速率呈减小趋势，其变化的不均匀性较大，即不均匀地面沉降演化趋势明显，仍在持续变形中。

本文选取了经过主地面沉降中心东西方向剖面1-1′ 、南北方向剖面2-2′的两条剖面(位置分布见图3)，用来分析研究区地面沉降速率在不同位置的变化程度，见图5。

图5 研究区不同时间段的地面沉降量剖面图

由图5可见，剖面1-1′表明了地面沉降中心的沉降速率平均减小约-8 mm/a，第二时间段地面沉降中心的沉降速率与第一时间段接近，第三时间段的地面沉降中心向西偏移，华光村的地面沉降速率增大，西侧轻微沉降区域的地面沉降速率随着向东偏移而增大，东侧区域的地面沉降速率随着向东偏移而减小；剖面2-2′ 表明了地面沉降中心的沉降速率平均减小约-10 mm/a，第二时间段相对于第一时间段，北侧区域的地面沉降速率相对稳定，南侧区域的地面沉降速率约减少了-7 mm/a，第三时间段相对于第二时间段，北侧区域的地面沉降速率减少了约-20 mm/a，南侧区域的地面沉降速率相对稳定。

由此可见，研究区整体上表现为主地面沉降中心向西偏移，西侧区域的地面沉降速率变化不大，其他区域的沉降速率均不同程度地在减小。

3 研究区地面沉降的影响因素分析

城市地面沉降是一个复杂的、多因素综合作用的环境地质现象[15]。相关勘察报告显示，谷饶镇的地面沉降主要是由于工程地质条件差、建筑基础浅、过度抽取地下水造成的。

3.1 地面沉降与压缩土层的关系分析

土体固结变形是地面变形的直接原因，通常地表形变是由于黏性土层的压缩造成的[16]。研究区的岩性空间分布不均，砂层和黏性土层相互交互、结构复杂，为了更好地对研究区不同压缩土层在平面分布以及工程地质性质上的垂向差异进行分析，本次研究将具有相同的地质时代和沉积环境的压缩土层划分为同一压缩土层组，研究区内共有两个压缩土层组，基于收集的钻探资料对各层组厚度的空间分布规律和岩土性质进行描述，得到研究区两个压缩土层组厚度在空间的分布图，以及不同深度压缩土层组的物理力学特征值，见图6和表2。

第一压缩土层组(Q4压缩土层组)广泛分布于整个研究区，整体呈现由西向东逐渐变厚的特征，厚度由溪美村的18 m降为山联村的6 m,主要岩性为黏土、粉质黏土和淤泥质土，其中淤泥质土呈高压缩性、流塑状态， 黏土和粉质黏土为低-中压缩性、 以塑性变形为主。第二压缩土层组(Q3压缩土层组)分布于整个研究区，该压缩土层组由西北至东南逐渐加厚，厚度由新厝村的35 m降为东洋社区的12 m,主要岩性为黏土、粉质黏土，随着深度的加深，其压缩性由中降至低，以塑性变形为主。第一压缩土层组的厚度小于第二压缩土层组，但其土体的孔隙比更大、压缩性更高、工程力学性质更差。

图6 研究区压缩土层组厚度的空间分布图

表2 研究区不同深度压缩土层组的物理力学特征值

在实际研究过程中，针对不同的沉降地区从不同的深度进行取样，分析土体孔隙比与压强的相关关系，可反映出不同压强对土体可压缩性的影响强弱。通过室内压缩试验，选取了两组有代表性的土样压缩试验数据进行分析，即在华光村和头埔村的3个不同深度进行取样，分别为埋深为4～5 m的淤泥质土、9～15 m的黏土1、40～45 m的黏土2，得到研究区(华光村和头埔村)不同深度土体孔隙比与压强的关系曲线，见图7。

图7 华光村和头埔村不同深度土体孔隙比与压强的关系曲线

由图7可见，研究区浅层土体的压缩性较大，深层土体的压缩性小，主地面沉降中心区浅层土体的压缩性明显高于一般沉降区浅层土体，深层土体的压缩性在不同位置基本一致且压缩性小，说明在相同压力条件下，主地面沉降中心区的沉降量更大。

3.2 地面沉降与建筑荷载的关系分析

随着大量人口向城市聚集以及城市的大规模建设，建筑物对地面沉降的影响作用逐渐凸显，建筑物荷载的变化成为引发城镇地面沉降的一个重要因素。本次收集的研究区建筑用地的资料显示，建筑物在谷饶镇整体分布较为密集，区内的建筑物多为低层建筑，层高为2～3层。通过对研究区建筑用地的空间位置分布与累计地面沉降量(即总地面沉降量)进行叠加分析发现(见图8)，研究区内的密集建筑物基本位于主沉降区-30 mm累计地面沉降量等值线以内；在累计地面沉降量大于-60 mm的范围内，68%的面积有建筑物覆盖；在累计地面沉降量大于-120 mm的范围内，基本无建筑荷载。由此可见，建筑荷载是引起研究区地面沉降的重要因素，但不是造成严重地面沉降的主要原因。

图8 研究区建筑用地的空间位置分布与总地面沉降量叠加图

3.3 地面沉降与开采地下水的关系分析

图9 谷饶镇纺织洗染厂数量统计图

研究区中的谷饶镇地面沉降问题最为严重，与大量开采地下水的关系十分密切。在谷饶镇内有2 000多个纺织洗染厂密集分布，其空间分布数量见图9。其中，在华光村、上堡村纺织洗染厂的数量最多，超过500个，主要分布在主地面沉降中心区附近。这些纺织洗染厂的用水来源主要是地下水开采，其中第四系覆盖层的松散孔隙水是开采地下水资源的主要来源之一。由于大面积开采地下水，破坏了地下水资源的天然分布状态，造成地下水水位急剧下降，成为谷饶镇地面沉降发生的重要诱发因素。

通过对研究区2016年末枯水期不同层位含水层的地下水等水位线与总地面沉降量进行叠加分析(见图10)，发现研究区地下水水位受人为活动的影响大，不符合天然状态下的流场分布，其中潜水-承压含水层组(Ⅰ)地下水等水位线的降落漏斗位于溪美-新厝村，其空间位置与研究区地面沉降严重区相吻合；深层承压含水层组(Ⅱ)在研究区不存在地下水等水位线的降落漏斗，但是其与研究区东侧地面沉降严重区相对应的是地下水的低水位区。

图10 研究区不同层位含水层的地下水等水位线与总地面沉降量叠加图

4 结论与建议

(1) 粤东典型区谷饶镇的地面沉降在2015年9月至2018年9月期间内的最大年均地面沉降速率为-53.71 mm/a，最大累计地面沉降量为-173.14 mm；研究区中部谷饶镇的新厝、溪美、华光村是主地面沉降中心，向外逐渐扩大并连成一片；全区地面沉降速率基本呈减小趋势，主地面沉降中心的沉降速率减小幅度大。

(2) 研究区地面沉降受自然和人为因素的共同影响，引起研究区地面沉降的物质条件是岩土体松散、土质不均；研究区第四系地层在垂向上主要分为两层压缩土层组，尽管第一压缩土层厚度小于第二压缩土层，但其工程力学性质差，其影响不能忽略；建筑荷载是引起研究区地面沉降的一个重要因素，但不是造成研究区严重地面沉降的主要原因；大量开采地下水是研究区地面沉降的主要诱发因素，其中潜水-承压含水层组(Ⅰ)地下水等水位线的降落漏斗、深层承压含水层组(Ⅱ)地下水的低水位区与研究区地面沉降严重区的空间位置相吻合。

(3) 目前粤东典型区谷饶镇的地面沉降研究还处于初级阶段，建议今后要加强地面沉降的监测工作，并开展相关的机理研究与模拟预测，以为制定合理的谷饶镇地面沉降地质灾害防治方案提供依据。