开封市地面沉降监测网络优化研究

徐郅杰　董伟　王宝红

摘要：分析开封市地面沉降监测网络连续监测数据，开展地面沉降发育规律及影响因素研究，优化地面沉降监测网，提升地面沉降的监测预警能力，为开封市自然资源开发及生态文明建设提供基础资料和科学依据，为类似地区及我省其他城市开展地面沉降监测提供了参考资料和经验。

关键词：地面沉降;监测网络优化;开封市

中图分类号：X141 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）09-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.133

Research on optimization of land subsidence monitoring network in Kaifeng

Xu Zhijie1，2，Dong Wei1，2，Wang Baohong1，2

（1.Geological Environment Monitoring Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016，China;

2.Key Laboratory of Geological Environment Protection of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016，China）

Abstract：Continuous monitoring data of land subsidence monitoring network in Kaifeng is analyzed，research on the development rule and influencing factors of the land subsidence is conducted， the accuracy of land subsidence monitoring network is optimized，and the monitoring and early warning capabilities of the land subsidence is improved.This comprehensive research into land subsidence of Kaifeng is undertaken to provide the basis for the natural resource development and ecological civilization construction of Kaifeng，and to offer reference and experience in land subsidence monitoring research to similar areas and other cities in our province.

Key words：Land subsidence;Monitoring network optimization;Kaifeng City

開封市是河南省18个省辖市之一，是中国历史文化名城，国际文化旅游城市，中原城市群纺织、食品、化工和医药工业基地，郑州都市圈重要功能区。郑汴新区为现代产业集聚区、城乡一体发展的现代复合型新城区、综合改革核心试验区、对外开放示范区、环境优美宜居区和为全省乃至中西部地区服务的区域中心。2013年，开封市建成了地面沉降监测网和综合监测站，是河南省首个开展专业地面沉降监测的城市。

1 开封自然地理

1.1 交通位置

开封市位于河南省中部，西距省会郑州70km，北临黄河，西接中牟，南、东被通许、杞县包围。市境内公路四通八达，连霍高速公路、郑徐高铁自市区北部穿过，陇海铁路、310国道呈东西向横贯市区南部，郑汴快速公路、郑汴轻轨使两个城市联系更加紧密，交通便利。

1.2 气象水文

开封市属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候区，四季分明，冬季寒冷雨雪少，夏季炎热雨集中;春短干旱风日多，秋季晴和日照长。多年平均气温在14℃左右，极端最低气温-16℃，极端最高气温为42.9℃;多年平均降水量634.2mm，最大年降水量948.3mm，最小降水量310.5mm，多年平均蒸发量1 995.7mm。

开封市主水系主要为黄河流域和淮河流域，其中黄河为地上悬河，河床高出堤外地面7～10m，自西向东流经北部边界。淮河流域主要为涡河水系的惠济河、运粮河、马家河。区内地表水体较多，主要有包公湖、潘家湖、杨家湖、铁塔湖、阳光湖等。

1.3 地形地貌

开封市地形西北高，东南低，西北地面高程80m左右，东南70m左右，相对高差10m。由西北向东南倾斜，地面坡降1/2000～1/4000。

开封市地貌类型以堆积地形为主，大部分地区属黄河下游冲积平原，地面开阔平坦，按其形态特征和物质组成可分为泛流平原和黄河河道，按微地貌形态特征可分为河床、漫滩、背河洼地、微倾斜平地、沙丘分布微起伏平地5种类型。

2 开封地沉降历史

20世纪80年代以来，随着地下水开采量的增大、地下水水位的下降和地下水水位降落漏斗的形成，地层岩土力学平衡被破坏，在开封市的西部和东南部产生了4个地面沉降漏斗区。据《开封市地面沉降研究报告》（1990年），开封市区1954～1989年总沉降量大于30mm的区域面积达182km2。

根据2011年InSAR解译成果，开封市老城区范围地面沉降普遍发育，存在两个比较明显的沉降中心：一是分布于开封东部，直径约3.7km的沉降区;二是在开封市西部，南北长6.4km，东西宽3.9km的沉降区。

3 开封地面沉降监测网简介

开封市地面沉降监测网于2013年初步建成，由地下水监测网、水准监测网、全球卫星定位监测网及综合监测站组成。地下水监测网由100个监测点组成，水准监测网由一等水准点66个，二等水准点57个组成，一等水准测量路线179km，二等水准路线长度140km。全球卫星定位监测网由24个监测点组成。

综合监测站位于开封市东南禹王台区，共施工1个基岩标孔、6个分层标孔、6个地下水位长期观测孔、4个孔隙水压力观测孔。

建立了地面沉降监测站内自动化监测系统，对监测站基岩标、分层标、分层孔隙水压力、分层地下水水位进行自动监测、自动传输和自动处理。

4 监测网络优化研究

4.1 开封市近3年的地面沉降发育情况

2014年，开封市地面沉降区为4个，沉降面积530.16km2，占监测面积的96.8%;2015年沉降面积缩小为273.38 km2，占监测面积的52.33%;2016年沉降面积缩小为190.41km2，占监测面积的34.41%。三年来地面沉降范围、平均沉降量继续减小，沉降速度趋缓，地面沉降呈现变缓的趋势。

4.2 开封市地面沉降监测方法研究

在开封市采取了水准测量、GPS监测和InSAR监测3种监测方法。其中精密水准测量是精度最高、最可靠的监测方法;InSAR监测虽然精度能达到毫米级，但在处理工程中需要水准测量结果的配准，因此InSAR監测适合与水准测量和GPS结合，多方法应用进行地面沉降监测。GPS监测从近几年观测结果来看，在地面沉降结果不是非常理想，在监测数据处理过程中还有很多技术难题有待进一步研究解决，需要加大技术应用性方面研究，提高监测精度与效率。

4.3 开封市地面沉降影响因素研究

引起开封市地面沉降的原因可分为自然因素及人为因素。自然因素包括构造活动、软弱土层的自重压密固结等;人为因素包括过量开采地下水、地下热水引起的地面沉降。综合已有资料分析，地下水过量开采是开封市地面沉降的主要原因，人类工程活动、区域性构造运动等因素也是地面沉降发生的因素。

由基坑等地下工程施工引发的工程性地面沉降，已成为开封地面沉降的一个因素。基坑围护结构变形模式、开挖深度、降水方式等均对基坑周围的工程性地面沉降影响范围、最大沉降量及其位置等有密切关系[1]。

4.4 分层标组体系监测研究

2014年以来，浅层F1分层标下降贡献量均超过45%，说明这个监测层位是主要最主要的压缩层，但对地面沉降的贡献率有减小的趋势;F2分层标沉降贡献率从13%逐年增大到20.57%，说明该地层对地面沉降总量的影响正逐渐强化。2016年深部的F4、F5、F6在抬升的基础上出现了下降，其贡献比之和超过了20%，说明2016年在监测站所在位置的地面沉降其中，深部地层压缩量有增大的趋势。

不同深度土层变形量的贡献比例的变化主要受到相应深度含水层水位变化的影响：年均水位稳定，土层变形量也小而稳;年均水位变幅越大，土层变形量也大，在总沉降量中的占比就大;年均水位匀速小幅下降，年沉降速率在一定范围内波动;年均水位加速大幅下降，年沉降速率会出现显著增加[2，3]。

5 监测网优化成效

（1）对于地面沉降量变化比较大的西部、北部区域，原水准监测点的分布明显偏少;郑徐高铁从北部穿过，郑汴新区人类工程活动也在加剧，因此适当增加了这个区域的水准监测点。

（2）根据3年来的监测结果，开封市南部存在一个沉降漏斗，因此在这个区域增加了监测点，扩大了监测面积，提高了监测点密度。

（3）2014年底，开封县作为祥符区并入开封市，开封市行政面积从547km2增加到了1 838km2，新增的区域，特别是原开封县城区，没有监测网覆盖，本此优化在新增区域有重点地部署了监测网点。

（4）由于开封市地面沉降监测网络建成运营、监测的时间尚短，不能完全反应开封市地面沉降的发展趋势，未来的地面沉降研究需要更多的监测数据，因此，对现阶段地面沉降变化不大的区域，其已有的各类监测点未予优化删减，仅适当地减少其监测频率，以降低监测运营成本（4）。

6 建议

6.1 加快地面沉降防治立法，为地面沉降防控提供法律保障

目前，有关地面沉降防治的法律条文散布在《水法》《地质灾害防治条例》《河南省地质环境保护条例》等法规中，迄今还未制定专门的地面沉降防控法规和配套管理办法。随着河南省地面沉降监测网逐步建立，相关部门应尽快制定并实施《地面沉降防控条例》等法规和配套管理办法，确立地面沉降防控工作的法律地位，明确地面沉降防控工作的责任主体和义务。

6.2 持续开展地面沉降监测工作，实时掌握地面沉降动态变化

断续、短历时的监测资料难以支撑地面沉降规律研究和科学开展地面沉降防治活动，应当持续开展地面沉降监测工作，实时掌握地面沉降动态变化，为地面沉降发育规律研究以及地面沉降防控措施设计提供科学翔实的依据。

6.3 实施水资源科学调度，优化地下水开采布局

初步研究表明，过量开采地下水导致水位下降是诱发地面沉降主要因素之一，实施水资源科学调度，调控地下水开采布局则为防控地面沉降的主要手段。

一是优化地下水开采层位;二是地下水人工回灌与含水层修复，通过深井、古河道等将地表水灌入地下含水层， 抬高地下水位;三是加大地表水使用效率，减少地下水开采量。

6.4 合理规划工程布局，强化防沉措施应用

一是合理规划高层建筑分布区，酌情降低高层建筑的集聚度;二是改变高层建筑的基坑降水措施，不用或少用管井和井点等降水措施;三是采用桩基础建设，桩基应穿过高压缩地层，桩尖持力层尽可能选择低压缩、坚固稳定的地层。

7 结语

本研究在综合分析开封市GPS监测、水准监测、分层标体系监测、地下水位变化等数据的基础上，讨论了地面沉降影响因素，结合开封市社会经济发展现状，提出了优化建议。根据本研究结果，最终在祥符区城区和所辖乡镇重点增设监测点，同时在市区主要沉降区域加密布设监测点，在原有监测网局部点位间距较长区域增设中间点，共计新增了52个监测点，监测网络更加完备合理。

参考文献

[1]杨天亮.深基坑减压降水引发的地面沉降效应分析[J].上海国土资源，2012，33（3）：41-44+70.

[2]姜媛，田芳，罗勇，等.北京典型地区分层地面沉降与地下水位变化关系[J].南水北调与水利科技，2015，13（1）：95-99.

[3]朱菊艳，郭海明，李文鹏，等.华北平原地面沉降与深层地下水开采关系[J].南水北调与水利科技，2014，12（3）：165-169.

[4]董国凤，张蕾，赵全，等.天津市塘沽区地面沉降监测网络优化[J].武汉大学学报（信息科学版），2006，31（11）：1015-1017.

收稿日期：2020-07-01

作者简介：徐郅杰（1982-），男，汉族，硕士，工程师，研究方向为水文地质、工程地质、环境地质。