利用多源数据分析南京市河西地面沉降风险

张 彭，朱邦彦，孙静雯,王 晓

(1. 泰州市自然资源和规划局，江苏 泰州 225300； 2. 南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019； 3. 淮海工学院测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005)

地面沉降是一种地面标高持续下降的地质现象，具有前期不易察觉、形成速度缓慢、影响范围广等特点，其破坏程度会随时间的推移逐渐加剧，一旦成灾将会对城市的发展造成难以估计的损失。我国已有50多个城市遭受了不同程度地面沉降灾害影响[1-2]。地面沉降风险性分析可有效地管理地面沉降风险，减少灾害造成的损失及影响，同时为区域的防灾减灾规划提供参考依据，对城市公共安全具有重大意义。近年来，专家学者们在地面沉降风险评价方面作了一些研究[3-7]。但是，存在传统水准测量数据密度不足以及采用的评价因子不够全面等问题。合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)因其高精度、高分辨率、全天候等优点已广泛应用于城市地面沉降监测领域[8-10]。因此，在获取高精度沉降信息的基础上，综合多源评价因子，可建立合理全面的评价模型，从而系统化、定量化地评估地面沉降风险。

南京市河西地区坐落于长江沿岸，东起秦淮河、宁芜公路，西至长江，北起鼓楼区三汊河，面积约56 km2，具备漫滩地质条件。近年来，作为南京重点发展区域，其经济高速发展，地面和地下空间大规模的开发建设导致地面沉降风险日益突出，给该地区带来了一系列危害，如建筑物形变、倾斜，地下管线开裂，轨道交通结构病害等。

本文以COSMO-SkyMed影像获取的河西地区2012—2016年高精度、高密度沉降信息，结合土层厚度、土地利用类型、地面高程和轨道交通分布信息，将其作为地面风险评价数据源，利用层次分析法[11]建立地面沉降评估指标和模型，从危险性和易损性因素进行分析，评估河西地区地面沉降灾害风险程度，并着重分析轨道交通的沉降风险。

1 数据源与指标体系

本文选取覆盖研究区2012年6月至2016年7月的46景COSMO-SkyMed高分影像作为地面沉降风险分析数据源之一。SAR影像的时空基线分布如图1所示。采用PS-InSAR方法获取河西地区地面形变信息[12-13]，包括地面累计沉降量和沉降速率。此外，收集研究区内软土层厚度、土地利用类型、地面高程、轨道交通分布信息，综合作为地面风险评价的数据源。

地面沉降风险主要受两个因素影响：一是地面沉降的危险性，即评估出地面沉降灾害的发生概率和强度；二是地面沉降的易损性，即评估承灾区的人类社会及经济发展程度对地面沉降的应对能力和可恢复能力。本文采用的地面沉降风险计算公式[4]为

R=f(HV)

(1)

式中，R为地面沉降风险；H为危险性；V为易损性。

由于地面沉降具有缓变性、长期性、累计性的特征，因此，将地面累计沉降量及沉降速率作为危险性评价的关键因子。软土层厚度作为地质条件，软土层越厚，沉降越严重，也作为危险性指标。不同土地类型受地面沉降造成的损失程度不同，地面沉降会引起地面高程变化，影响社会经济活动正常运行。此外，轨道交通的隧道纵向长度大，各区间隧道曲率半径参数要求严格，地面沉降也会对其造成影响。因此，本文将土地利用类型、地面高程、轨道交通分布作为易损性指标。基于上述多源数据的指标因子，采用层次分析法[11]建立地面沉降风险评价指标模型，见表1。

利用空间分析方法计算各网格(5 m×5 m)的危险性值和易损性值[6]，并将研究区地面沉降危险性、易损性指标分别分为低、中、高危险区和低、中、高易损区，依次量化为1、2、3，分别表示地面沉降发生的概率较小、一般、较大和地面沉降灾害的可破坏性较轻、一般、严重。地面沉降风险评价指标分级和危险性、易损性评价结果如表1和图2所示。

表1 地面沉降风险评价模型及分级

2 地面沉降风险分析

本文将地面沉降风险分为4个等级，如图3所示。河西地区地面沉降风险空间特征明显。地面沉降低风险区，主要分布于沿江地区与河西中部，面积约11.3 km2，占研究区总面积的20.2%，该地区累计沉降量、沉降速率均较小，土地开发利用程度低，危险性与易损性较小；地面沉降中风险区占地面积最大，大都分布于研究区中部和南部，面积约21.9 km2，占研究区总面积的39.2%；地面沉降较高风险区，主要分布于高风险区周围及轨道交通沿线，面积约16.3 km2，占研究区总面积的29.1%；地面沉降高风险区，主要分布于河西北部的江东街道、凤凰街道及莫愁湖街道，面积约6.4 km2，占研究区总面积的11.5%，该区域为地面沉降易发区，地面沉降速率较大，最大达到52 mm/a，且该区房屋建筑密集，道路交通发达，一旦发生地面沉降，会造成较严重的社会经济损失。

3 轨道交通沉降风险分析

如图3和图4所示，轨道交通2号线、4号线、10号线和S3号线均穿过研究区，且落入不同等级的风险区。其中，地铁2号线区段最长，遭受的地面沉降风险最大，穿过较高、高风险区的区段分别占整个区段的48.3%、30.7%。地铁4号线虽然穿过研究区的区段最短，但都位于地面沉降较高风险区和高风险区。地铁10号线穿过较高、高风险区的区段分别占整个区段的58.9%、11.9%。地铁S3号线穿过较高、高风险区的区段分别占整个区段的77.0%、13.6%。

地面沉降对地铁的安全运营存在较大风险，特别是位于地面沉降较高风险区和高风险区的地铁区段应引起重点关注，开展长期沉降监测。

4 结 语

本文利用InSAR技术获取的2012—2016年河西地区高密度沉降信息，结合软土层厚度、土地利用类型、地面高程和轨道交通分布信息，将其作为地面沉降风险评价指标因子，建立地面沉降评估模型，评估了河西地区地面沉降灾害风险程度，并着重分析了轨道交通的沉降风险。结果表明，地面沉降低风险区主要分布于沿江地区与河西中部；而中风险区占地面积最大，大都分布于河西中部和南部；较高风险区主要位于高风险区周围及轨道交通沿线；高风险区主要分布于河西北部的江东街道、凤凰街道及莫愁湖街道。本文的结果对河西地区沉降灾害的防治工作具有参考意义。