郑渊茂,王翠平,王豪伟,黎昕媛
1 中国科学院城市环境研究所 城市环境与健康重点实验室,厦门 361021
2 集美大学 港口与环境工程学院,厦门 361021
3 中国科学院大学,北京 100049
地面沉降问题一直以来都是沿海城市密切关注的问题。在沿海地区对城市的高层建筑群等环境效应诱发地面沉降进行深入研究具有重要意义[1]。地面沉降是指地面高程的降低,又称地面下沉或地沉,是以缓慢、难以察觉的向下垂直运动为主,是指在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境现象[2]。目前,地面沉降己成为城市化进程中普遍存在的生态环境问题,成为世界范围内制约社会经济可持续发展的重要地质灾害之一[3-4]。此外,随着世界各国城市化进程加快,人为因素(尤其是城市核心区的密集建筑群荷载引发地面沉降)在地面总沉降中的比例逐渐增大,对地面沉降的影响作用日益突显出来[5]。生态环境的监测与管理是生态文明建设的紧要内容,生态文明是指能够实现可持续发展的文明形态[6]。因此,亟需开展城市地面沉降的成因分析,探讨地面沉降的变形规律以及风险评价,对实现城市的社会经济与自然环境相协调,以及城市的可持续发展具有重要作用。
国内外许多学者开展了相关的地面沉降研究,比如,在国外,Cui等[7]采用离心机模型论证了建筑物自身荷载与其产生的地面沉降量成正比关系。Tosi等[8]基于GPS与SAR数据揭示城市建筑荷载引起地表浅层土沉降的机理。Gayarre等[9]采用辩证逻辑推理的方法论述了城市地面沉降与建筑物之间的相互作用;Truong-Hong等[10]采用地面三维激光扫描技术研究建筑物细部荷载的变化对沉降的影响,并论证了不同建筑物结构会导致不同的变形结果。Tang等[11]认为在建筑物等距离基础宽度范围内的地面沉降量大于建筑物本身的沉降量,表明城市核心区的密集高层建筑群之间地表变形存在明显的沉降叠加效应。
在国内,严学新等[12]选取上海市城区的四个典型建筑密集区,探讨了建筑密度与地面沉降的关系。介玉新等[13]提出等效影响荷载的概念,表明建筑密度越大,建筑容积率越高导致地面沉降越显著;同时,介玉新等[14]的研究还表明城市地面沉降量与新增建筑面积存在线性关系,即城市建筑面积越大,地面沉降量越大。孟华君[15]通过力学模型计算,并与常规大面积荷载引起的沉降量对比,结果表明在大面积荷载条件下进行地面沉降监测计算时,需要考虑相邻荷载的影响。唐益群等[16-17]构建高层建筑群对地面沉降影响的物理模型,还对城市的密集高层建筑群及不同建筑容积率对区域地面沉降的变化规律等展开进一步研究。许烨霜等[18]分析探讨上海市城市化进程引发地面沉降的因素,表明城市化进程引起的沉降包括城市建筑荷载以及交通荷载等其他外部荷载因素。张雯等[19]以北京市典型地面沉降区为例,结合地下水动态监测和土地利用数据,探讨各类因素和城市地面沉降的时空响应关系,结果表明研究区内地面沉降严重的范围在不断增加且增加程度呈现局部不均匀性。王聪等[20]以北京市通州区为研究区域,探讨地面沉降的时空演变规律,结果表明该区域随着城市人口的增多,导致地下用水量也随着增加;且地下水位的下降程度与地面沉降的趋势有较高的相关性。
近年来,有学者采用SAR技术监测地面沉降[21-22]。比如,van der Horst 等[23]通过对2015—2017年的Sentinel-1数据档案的持续散射干涉(PSI)时间序列分析,展现了仰光市的地面沉降灾害规模和程度。潘超等[24]利用Sentinel-1A SAR数据获取成都市主城区地面形变信息,结合地面水准的参考数据对InSAR结果进行评估,并初步分析地面沉降的原因。范雪婷等[25]采用MCTSB-InSAR技术监测南京市主城区的地面沉降状况,得出研究区地面沉降空间分布特征,且研究结果可对该城市的地质灾害防御与评估提供可靠的技术支撑。此外,也有学者对城市地面沉降进行预测。比如,刘玉成[26]采用连续非线性数据列的建模方法,准确模拟了建筑物沉降过程并预测最终沉降量。李德江等[27]根据沉降小样本数据的特点建立了基于支持向量机的建筑物沉降预测模型。田陆[28]采用ArcGIS平台,基于计算结果、研究区内土地利用现状及现有沉降资料,对铜川新区进行城市地面沉降评价预测。
目前城市化进程与建设引起地面沉降的现象已引起学者们的关注,也取得一定的研究成果,但尚缺乏完整的多种因素对城市化进程引起地面沉降的系统研究,同时尚无有关不同土地利用转化对城市地面沉降的报道。因此,本研究采用城市建设用地、建筑容积率和不同土地利用转化等多种因素开展对城市地面沉降的分析与风险评价的研究。首先,基于ArcGIS Geodatabase空间数据库,建立包括厦门地质图、地形图与遥感影像等基础数据的地面沉降监测空间数据库;收集已建的厦门市卫星连续运行参考站数据,初步确定地面沉降监测点的空间布局。依据厦门市统计数据,确定厦门市各类房屋和高层建筑等基本情况,获取典型高层建筑的容积率数据。其次,分析厦门市在2001—2015年的地面沉降情况,并重点探讨了建设用地、建筑容积率和不同土地利用转化这三种因素对厦门市地面沉降的影响。最后,对厦门岛城市地面沉降风险进行评价。本研究结果可为厦门市地面沉降监测、土地利用规划设计等提供重要的数据支持和理论依据,对城市的可持续发展具有重要价值。
厦门市位于中国福建省东南沿海,处于闽南金三角的中部[29]。海洋环境自然地将城市分为两部分:厦门岛和大陆,厦门岛包含思明区和湖里区,大陆由四个区组成辖区(包含集美、海沧、同安、翔安),如图1所示。厦门市的地形以滨海平原和丘陵为主,气候属于亚热带季风,温和多雨,年平均气温为21℃左右。厦门市是中国最早建立四个经济特区的城市之一,在过去的30多年里,厦门市的城市空间和人口都有了快速的增长[30-31]。随着城市化进程的加快,城市建筑群的不断增加,对城市地面沉降产生了一定的影响。因此,本研究以厦门市为研究区域,开展城市地面沉降影响分析与风险评价具有重要意义。
(1)本研究基于ArcGIS Geodatabase空间数据库,收集构建了包括厦门市地质图、地形图、遥感影像与基础地形图等基础数据的地面沉降监测空间数据库。获取已建的厦门市卫星连续运行参考站数据,初步确定地面沉降监测点的空间布局;并开展野外实测工作,采用差分GPS复测覆盖厦门岛的100 个高等级水准点。
(2)依据厦门市的统计数据,通过厦门的市政规划及厦门国土资源与房产规划资料获取厦门市各类房屋和高层建筑等基本情况的建筑物信息,并计算得出典型高层建筑的建筑容积率数据。建筑物容积率(Floor area ratio)是指区域地块内允许修建的建筑物总面积与地块面积的比值。
(3)土地利用分类数据来源于地理空间数据云的空间分辨率为30 m的Landsat 7 TM遥感影像数据,满足了城市级空间尺度的土地利用分析需求,并以Google卫星遥感影像作为辅助数据。首先,合成多波段遥感影像;其次,根据所对应的土地类型选取训练样本,采用交互式监督分类方法进行分类,分类精度为85%以上;最终获取得到分辨率为30 m的土地利用分类数据集。
2.1.1厦门市地面沉降情况
本研究从厦门市地震局获取厦门市水准点2001—2015的长时间序列监测数据,对厦门市全域高程变化进行初探。因此,首先获取2001—2015年厦门市全域高程信息,设计了厦门市地面沉降的水准监测点空间分布,如图2所示。其次,通过对数据计算得出厦门市水准点高程平均变化信息,再根据每年各点的高程变化信息,计算得2001—2015年厦门市各水准点的年平均高程变化信息,如图3所示。
图3 厦门市2001—2015年各水准监测点年平均高程变化量
通过图3中可知,厦门市整体上各年度的高程变化不大,年平均高程变化量最多的2014年也不到3.5 mm;但水准监测点的高程值总体仍呈下降趋势,除了2003年和2006年出现异常值,其他每一年高程都出现不同程度的降低。而大面积区域的高程变化本身就是一个缓慢的过程,而且也不易发现,因此,必须加强对厦门市地面高程变化的监测以及地面沉降的预防。
2.1.2厦门市地面沉降分析
地面沉降的原因包括地壳趋势性下降引起的构造沉降,气候变化引起的沉降,湿陷性沉降,开采地下水、煤炭、石油和天然气引起的地面沉降,有机质氧化沉降,工程施工引起的地面沉降以及本研究中提到的大面积建筑荷载引起的地面沉降。本研究主要研究城市建设对地面沉降造成的影响。
由监测数据可知,厦门市水准监测点的高程值总体呈下降趋势。为更直观从空间上分析厦门市地面沉降信息,本研究利用谷地 GoodyGIS 提取谷歌地图的历史影像中的各年份高程数据。由于地面沉降是高程相对变化信息,同时由于地面监测信息数据量较小,不便于对数据进行纠正,本研究直接采用从影像上获取的高程数据进行地面沉降分析。
首先,将厦门市划分为500 m × 500 m规则网格进行高程信息提取,由于高程在年间变化量较小,在分析地面沉降变化时采用间隔一定的年份进行地面沉降变化分析。其次,对采集的高程数据进行空间化,可得到厦门市1997、2003、2009与2015年高程点信息,并应用不规则三角网生成厦门市的高程分布图,如图4所示。
图4 1997—2015年厦门市高程信息
通过对不同年份高程的统计分析得到厦门市不同时期地面沉降的总沉降量(表1)。由表1可知,2003—2009年出现沉降异常值,探究其原因发现,2003年厦门市进入从“海岛型”城市向“海湾型”城市战略转变的启动阶段,沿着海湾型城市“一主四辅八片”的空间格局快速推进。“加快发展海沧港区,调整嵩屿港区规划,加快大型深水集装箱泊位建设”的战略实施造成了九龙江口海沧区泊位大型填海工程的建设。2002—2007年填海面积达到13.32 km2,主要区域包括同安区南部新城、集美区沿海以及翔安区等区域。故较多区域出现高程增加的情况。由于异常值的出现,本研究不分析2003—2009年地面沉降信息。从表1得厦门市的总沉降量一直增大,由于各时间段相隔年数相同,即沉降速率也在不断变大。由厦门经济特区年鉴可知,厦门市建设用地呈稳步增长状态,1993年、2001年、2007年与2010年分别为 95.02、159.11、244.90、294.79 km2, 分别占总面积的5.59%、9.36%、14.41%与17.35%。因此,可得厦门市的城市建设规模不断变大,新建面积增速也在不断增大,与总体的城市地面沉降发展趋势相同。
表1 厦门市各区不同时期地面总沉降量/mm
为了进一步分析厦门市地面沉降的空间差异,对厦门市包含的六个区分别统计地面总沉降量(表1)。由上文可得2003—2009年出现沉降异常值,不进行分析。由表1可知,总体来看,厦门市各区地面沉降总量并不显著,地面沉降总量未超过30 mm,1997—2003年思明区、海沧区、翔安区地面沉降总量超过10 mm;2009—2015年思明地面沉降总量近30 mm且明显高于1997—2003年地面沉降量;海沧区、翔安区地面沉降量变化不大,地面沉降总量仍较高。因此,思明区的地面沉降相对显著,需加强监测并探究其沉降成因。
2.2.1建设用地对地面沉降的影响
由厦门市统计资料可知,2001—2016年厦门市的建筑面积不断增大,2003年厦门市房地产业进入黄金发展时期,建筑规模增速变快;2009年,厦门市开始规划老城区,建筑规模增速进一步提高。2001—2003年,厦门市建设侧重发展厦门岛,其中以思明区为主要发展中心,岛外四区相对发展缓慢。2003后,厦门市开始注重均衡化发展,大力发展岛外四区。2003—2009年,岛外四区建设增速明显增大,海沧区尤为突出,而思明区和湖里区的建设速度与岛外四区相比则有所下降。2009年开始,厦门岛老城区改造再一次使得厦门岛城市建设速度加大,厦门市的城市建设发展较为均衡。厦门市2001—2016新增高层建筑主要集中在岛内,思明区新增高层建筑数量最多,且新增高层建筑主要集中在筼筜湖附近及沿海区域。因此,从一定程度来看,厦门市整体沉降空间分布与高层建筑空间分布存在一致性。
2.2.2建筑容积率对地面沉降的影响
首先,厦门市高层建筑物数量等信息通过厦门市政规划、厦门市建设局及厦门市国土资源与房产规划公开的资料获得。高层建筑物是指钢筋混凝土建筑结构超过10层、28 m以上。截至2016年,厦门市各区高层建筑数量如表2所示,可知思明区高层建筑数量最多,高层建筑密度也最高,而思明区地面沉降也相对显著。因此,一定程度上来说,地面沉降和高层建筑密度具有一定的相关性,然而湖里区的高层建筑密度也较高,但湖里区地面沉降相对不显著。因此,针对厦门市各辖区,当高层建筑密度达到32.58栋/km2时,地面沉降和高层建筑密度才具有一定的相关性。综上表明,厦门市的高层建筑密度需达到一定程度才对地面沉降有影响。
表2 厦门市各区高层建筑数量
其次,计算建筑容积率对地面沉降的影响。从各辖区的高层建筑中选取部分代表性小区来代表各辖区的建筑容积率情况,并计算其容积率均值(表3)。由通过容积率和地面沉降数据的对比发现:思明区的地面沉降量较大,而其建筑容积率均值不是最高的;建筑容积率均值最高的却是湖里区。可初步得出建筑容积率与地面沉降没有显著的相关性。
表3 厦门市各区建筑容积率均值
由于地面沉降相对较显著的区域为思明区,同时湖里区的建筑密度和建筑容积率都相对较高,故本部分以厦门岛(思明区和湖里区)为研究对象,来进一步分析厦门岛的每个小区建筑容积率对地面沉降的影响,建立建筑容积率与地面沉降量的散点图(图5)。由图5结果明确地表明厦门岛的建筑容积率与地面沉降没有存在显著的相关性。
图5 厦门岛建筑容积率与地面沉降量散点图
因此,总体来说,厦门市的高层建筑密度需达一定程度才对地面沉降有影响;厦门岛的建筑容积率与地面沉降并不存在显著的相关性。
2.2.3不同土地利用转化建设用地对地面沉降的影响
由厦门市的地质资料可知,厦门市地质岩层属花岗岩层,质地较硬,不容易发生地面沉降。虽然数据分析显示,高层建筑密度与地面沉降存在一定的相关性,但厦门地面沉降总体来看并不显著,只较少的区域存在一定程度的地面沉降,因此,其城市地面沉降原因需从其他因素进一步探讨。
厦门市为沿海城市,由前文分析可知,厦门市实施了大型填海工程,由于地表松散未固结土体压缩容易导致区域性地面高程下降。故本研究为进一步探究厦门市地面沉降成因,主要分析了不同土地利用转化建设用地这个因素对地面沉降的影响情况。
本研究分析了2002—2017年这十五年的厦门市土地利用变化情况,由图6可知,厦门市城市用地的扩展明显受到山地和海域等地理条件的影响。同安区和翔安区受北部山区影响,湖里区和海沧区由于有地形较高的山区,使得城市往平坦地区发展,集美区城市用地受到山脉影响往西南方向发展,同时也受到东西两边海域的影响。从图6和图7的对比可明显得出:大量的水域用地发生转变,大部分转变成建设用地,少部分转为耕地;耕地用地的变化则与其所在的地理位置有明显的相关,地势较为平坦地区、交通便利地区、城市用地周围地区的耕地大量转变为建设用地,而耕地则开始占据部分原本山区的园林用地。除此之外,园林地不断地减少,变化趋势也与地形条件有关,山脚一些坡度较缓的园林地由于可达性较好,大量转变为建设用地。初步结果显示,厦门市较大面积的建设用地是由水域、园地、林地等转化而来。
图6 厦门市2002年与2017年土地利用分类图
图7 厦门市不同土地利用转化建设用地的地面沉降分布图
为了进一步分析地面沉降在不同土地利用转化中发生的变化,本研究选取不同土地利用转化过程中高层建筑所在位置的高程变化来进行分析。具体选点如表4所示。
表4 厦门市各区高层建筑选点情况/个
依据提取的高程信息,通过空间叠加分析得到厦门市不同土地利用类型演变为高层建筑后的地面沉降情况,如图7所示。可明显发现在原水域用地上建成高层建筑的地区发生沉降的频数比在原耕地、林地、园地用地的地区大,且各区沉降的均值更大;耕地沉降发生的频数次之,林地、园地除个别区域发生沉降较为严重之外,其余均只有少量沉降或者无沉降现象发生。这也基本体现原土地利用分类的性质,园林地生长缓慢,长成需要较长时间,土壤相对来说比较坚实;耕地由于南方多为水田,土壤和水混合,孔隙较大,改为建筑时,压缩孔隙导致沉降;水域在填海的过程中,土壤不能完全硬化,在建成之后随着水分的蒸发而形成孔隙,从而导致沉降。
根据在原园地和林地上建筑建成年份和现今的高程信息,通过空间分析得到各年份建成建筑的沉降分布图。园地是指种植可食用类果实的草本作物等的土地,林地指生长乔木、竹类、灌木,及沿海生长红树林的土地。2004—2016年间建成建筑在建成后至今的沉降量分布,如图8所示可得出:在原园地、林地用地上建成的高层建筑所在地,大部分都发生沉降现象;具体对比高层建筑建成至今的沉降量可得:不管是何时建成的,沉降量均在0—3 mm这个范围之间,无明显时间规律。由此可说明,在园地和林地用地上,在建成的15年内,高层建筑均会发生些沉降,但时间上对沉降结果并没有太大影响。
图8 不同建成年份建筑在原园地、林地上建成后至今的沉降量分布
根据在原耕地上建筑建成年份和现今的高程信息,通过空间分析可得各年份建成建筑的沉降分布图,如图9所示。由2002年和2017年厦门市土地利用对比图可以得出,厦门市在城市化的过程中,牺牲大量耕地,因此这十五年间厦门市的高层建筑多建在原耕地用地上。在本研究选点中原耕地用地占据百分之五十,在《土地利用分类》规定中,耕地包括已垦滩地和海涂,由于南方耕地主要以水稻为主,而厦门市的大部分耕地大多建立在滩地和海涂上,土壤中含水较多。在图9上可得,大部分耕地均有沉降现象,按建成时间上看,总体上呈现随建成时间的增加,沉降量也偶发上升的情况。
图9 不同建成年份建筑在原耕地建成后至今的沉降量分布
根据在原水域上建筑建成年份和现今的高程信息,通过空间分析得到各年份建成建筑的沉降分布图,如图10所示。在厦门市建立为经济特区后,城市高速发展,在建设方面,厦门市采用填海造地的模式,将土沙石块,用于填海扩大城市面积和填平城市内低洼部分。同时,“海景”成为厦门市房地产建设的一大特色,大量高层建筑在原来水域用地上建成。厦门岛内因为人口集聚,也不断填平水域进行房地产建设。由图10可得:在水域用地改成建筑用地后的沉降情况,其中沉降较为明显的区域为湖里区北部,该区域是填海造地最为严重的一块区域,所以总体下降较为明显。从建成年份上看,2010年前建成的高层建筑比2011年以后建成高层建筑总沉降量大,总体上呈现建成时间越长,总沉降量越大的态势。
图10 不同建成年份建筑在原水域建成后至今的沉降量分布
因此,在2002—2017年这十五年间,厦门市的建设用地面积不断增加,整体的沉降有发生,且较为缓慢,但是对于不同土地利用分类仍有明显区别,沉降速率也呈现不同发展趋势。不同土地利用转化建设用地对地面沉降的影响的结果表明:(1)原水域用地沉降最为明显,且与建成时间有相关性,建成时间越长,总沉降量越大;(2)原耕地用地由于南方多为水田,建成高层建筑后沉降有明显发生,虽然沉降量不大,但也随着建成时间的延长有逐渐增加沉降量的态势;(3)原园地、林地用地沉降只在少部分地区发生,且与建成时间无明显差别。
由前文的厦门市地面沉降分析可知,厦门岛地面沉降相对较显著,城市的地面沉降与建筑密度以及土地利用变化具有一定的相关性。故本研究以地面沉降相对较明显的厦门岛为研究对象,进行城市地面沉降风险评估与评价。风险指标选取地面沉降量、建筑密度、水域转化为建设用地,由前文可得这三个指标与地面沉降的相关性较大。风险评价是一种重要的环境管理手段,可为城市的生态环境保护、可持续开发利用提供重要的决策支持和管理依据[32-34]。
首先,本研究采用构建500 m × 500 m的厦门岛网格数据,获取每个网格各个指标信息,并依据前文分析可知,地面沉降量为最显著风险,值越高风险越大,故本研究赋权值为0.5;而建筑密度相关性为一般显著,故权值为0.2;水域转化为建设用地沉降较显著,故赋权值为0.3。其次,对各项指标进行归一化标准化后,依据加权的方法计算每个网格的地面沉降风险,并采用自然断裂法将风险指数划分为5个等级:高风险、较高风险、中风险、较低风险和低风险(图11)。由图11可知,覆盖厦门岛的网格共638个,其中地面沉降高风险区占全岛的17.08%,较高风险区占全岛的16.14%,中风险区占全岛的14.26%,较低风险区占全岛的19.91%,低风险区占全岛的32.60%。虽然厦门岛超过50%的区域为地面沉降较低风险或低风险区,但厦门岛近16%的区域为山体,无沉降风险。若除去山体部分的区域,厦门岛网格共568个,其中地面沉降高风险区占全岛的19.19%,较高风险区占全岛的18.13%,中风险区占全岛的16.02%,较低风险区占全岛的22.36%,低风险区占全岛的24.30%;即中风险等级以上的区域占全岛的53.34%。风险评估的结果表明:厦门岛可用于城市建设区域中的53.34%是地面沉降中风险等级以上。
图11 厦门岛地面沉降风险等级
因此,在厦门岛将来的城市建设、规划设计与管理中,本研究提出以下建议:(1)加强城市地面沉降监测,尤其是地面沉降为高风险区域更要加强监测与防御;(2)在城市建筑楼层规划设计中,应考虑到地面沉降的方面,避免大量高层建筑带来的安全隐患;(3)采取有效的措施进行防御与防治减少城市地面沉降,同时采用科学的方法来加强风险管理。总之,本研究可为厦门市的城市地面沉降监测、土地利用规划设计提供重要的数据支撑与决策支持等,有益于指导城市的协调发展建设,在一定程度上可减少城市生态环境灾害的发生,具有现实性意义。
此外,由于地面沉降是多种因素共同作用的结果,除了从城市建设用地、建筑容积率和不同土地利用转化等多种因素研究城市地面沉降的分析与评价,将来还应考虑结合心理感知、社会经济视角、过程与风险等相关方面来进一步探讨城市地面沉降与风险评价的研究,不断完善城市的土地利用规划与建设,努力实现城市的可持续发展[35-36]。
本研究首先通过获取的地面沉降监测点高程信息分析厦门市地面沉降的基本情况,并对空间差异性进行分析;其次,重点探讨建设用地、建筑容积率与不同土地利用变化信息这3种因素对厦门市地面沉降的影响;最后,对厦门岛地面沉降进行风险评估。本研究可得以下结论:
(1)在2001—2015年厦门市整体的高程存在下降趋势且较为缓慢,同时厦门市的城市建设规模与建设用地面积增速不断增大,这与厦门市的城市地面沉降发展趋势相同。
(2)厦门市的高层建筑密度需达一定程度才对地面沉降有影响;厦门岛的建筑容积率与地面沉降没有存在显著的相关性。
(3)在不同土地利用转化建设用地对厦门市地面沉降的影响中:原水域用地沉降最为明显,且与建成时间有相关性,建成时间越长,沉降量越大;原耕地用地由于南方多为水田,建成高层建筑之后沉降也有明显发生,虽总沉降量不大,但也随着建成时间的延长有逐渐增加沉降量的态势;原园地、林地用地沉降只在少部分地区发生,且与建成时间无明显差别。
(4)厦门岛的地面沉降相对较显著,其可用于城市建设区域中的53.34%是地面沉降中风险等级以上。
总之,本研究可为厦门市城市化进程中的城市地面沉降监测、土地利用规划设计提供重要的数据支撑与决策支持,对厦门市的可持续发展具有重要意义。