北京焦化厂区域长时序地面沉降演化研究

王晓贺，段光耀，2，乔一格，白晓洁，易正晖

（1.天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384；2.首都师范大学 生命科学学院，北京 100048）

地面沉降是城市发展中主要地质灾害之一[1]，地面沉降灾害的发生，会对城市建筑、道路、桥梁等基础设施造成极大损害，严重威胁着城市居民的人身安全和财产安全.针对城市地面沉降问题，国内外学者对沉降的形成机理机制[1]、监测方法[2-5]、沉降影响因素以及发展趋势[6-8]等方面进行了深入研究.

城市的兴起伴随着工业的发展，工业在不断发展过程中可能伴随着工厂区域地面沉降的发生.厂区沉降威胁着工厂正常运行以及周边区域安全，因此研究厂区沉降趋势及原因是十分重要的.近几年针对工厂的沉降研究，大多聚焦在厂房修建施工技术、地基的牢固性以及地面荷载等方面[9-11].根据现有针对工厂地面沉降研究表明，不同厂区地面沉降形成的具体原因不同，采空区沉降与开采深度、开采厚度以及地形坡度有关[12]；工业厂房回填土质量缺陷造成厂房地面沉降[13]；采油厂油田储层变化与地表形变存在复杂的对应关系[14].目前针对工厂尤其是化工厂的沉降时空分析还不够，仍然需要继续投入精力深入研究.

本文拟研究北京焦化厂厂区沉降演化趋势及沉降原因.基于40 景TerraSAR-X 数据和36 景ENVISATASAR 数据获取的沉降结果，分析工厂区域沉降具体原因及趋势.探索北京焦化厂区域沉降与工厂搬迁时空的相关性，以及工厂区域沉降的演化规律.

1 数据源及研究区概况

1.1 数据源

ENVISAT-ASAR 数据是卫星搭载的合成孔径传感器获取C 波段雷达影像数据（C 波段波长为5.63 cm，频率为5.331 GHz），极化方式是VV，30 m 分辨率；TerraSAR 数据是卫星搭载合成孔径雷达天线获取X波段雷达影像数据（X 波段的波长为3.11 cm，频率为9.6 GHz），极化方式是VV，空间分辨率12 m.数据处理使用分辨率为90 m 的SRTM 作为辅助DEM.

1.2 研究区概况

自20 世纪50 年代至今，北京地面沉降问题突出，是北京主要地质灾害之一.朝阳区是北京地面沉降较严重地区，在2004—2015 年最大沉降速率达到129 mm/a.本文研究区是朝阳区焦化厂区域，该厂始建于1958 年，主要以煤为原料生产煤气、焦炭和煤化工产品. 应《北京奥运行动规划》政策要求，焦化厂于2006 年7 月搬迁.本文针对焦化厂搬迁前后沉降情况做了趋势分析，结合发展开发情况分析其沉降原因，研究区及影像覆盖区域如图1 所示.

图1 研究区及影像覆盖范围

2 数据处理流程

InSAR 数据处理技术流程如图2 所示.首先将时序InSAR 数据与外源DEM 进行地理配准，随后进行高相干点的筛选，将最终选取的点列表进行迭代分析，去除影像的大气延迟相位、轨道误差、地形相位、系统噪声等，最终获取形变结果.

图2 技术流程

3 沉降结果及其精度验证

3.1 沉降结果

数据处理沉降结果（见图3）.从沉降速率变化图可以看出，朝阳区、昌平区、顺义区以及通州区北部沉降比较严重，其他地区相对稳定.

图3 沉降结果

3.2 精度验证

为了验证可靠性，本文分别采用2011 年和2008年的二等水准测量结果与PS-InSAR 测量结果相比较. 使用BJ008、BJ026、BJ027、BJ029、BJ030、BJ034 六个水准点作为依据，以每个水准点为中心，分别建立一个半径为100 米的圆形缓冲区，将缓冲区内所有PS 点沉降量的均值设为InSAR 测量结果. 水准点所处位置见图4. 将TerraSAR 影像与ASAR 影像的结果分别与水准点进行精度验证，最大绝对误差分别为9.16、9.87 mm；最小绝对误差为1.26、1.03 mm；标准误差分别为4.25、5.24 mm. 两者绝对偏差在10 mm/a 以内，标准离差在6 mm/a 以内.

图4 精度验证

4 工厂搬迁与地面沉降分析

城市地面沉降受多种因素影响，本文主要研究大型工厂的运行以及搬迁对当地地面沉降的影响程度.东南郊化工区包括北京化工二厂、北京玻璃二厂、北京染料总厂和北京炼焦化学厂等企业.

4.1 东南郊化工区沉降空间分析

东南郊化工区是以1958 年化工二厂在大郊亭建厂开始形成的，化工区在1958 年开始利用开采地下水，这是北京地下水初期开采阶段.

化工区内有多个工厂，工厂位置分布见图5.本文将位置临近的几个工厂作为一个工厂区域，即工厂区域1、工厂区域2、工厂区域3、工厂区域4.焦化厂位置距离其他工厂较远且占地面积大，作为单独的一个工厂区域研究.

图5 工厂区域位置

为了对工厂的地面沉降展开空间分析，先对东南郊化工区里的工厂进行分级评价，得到不同区域的沉降情况，然后进行空间分析. 首先做0～100 m、100～200 m、200～300 m、300～500 m、500～1000 m 五级缓冲区，即对五个工厂区域中心分别做多环缓冲区.然后对其多环缓冲区进行赋值，0～100 赋值5、100～200 赋值4、200～300 赋值3、300-500 赋值2、500～1000 赋值1.然后对五个多环缓冲区做叠加分析、综合评价，赋值后叠加值范围在1～10，数值越大重叠度越高.将叠加区域分为五个等级如图6 所示：数值9～10 为第一等级，数值7～8 为第二等级，数值5～6 为第三等级，数值3～4 为第四等级，数值1～2 为第五等级.

图6 分级情况

将五个级别区域沉降点分别求均值，做折线图如图7 所示并进行比较分析.

图7 均值折线图

由图7 可以看出不同区域的沉降情况：五级区域＜四级区域＜三级区域≤二级区域＜一级区域.在研究分析过程中发现五级重叠区域内有座立交桥如图6 所示.立交桥是五方桥，位于北京东五环，跨越京沈高速，在2005 年修建完成，可能会对该区域沉降有所影响.

由立交桥沉降量（见图8）可以看出：2004 年到2010 年，立交桥年沉降量整体上呈增大趋势；2004年沉降量是29 mm；2005 年立交桥建成期沉降量是42 mm；2006 年是41 mm，沉降的趋势是增大的.

图8 立交桥沉降量

2005 年建成之后相较建成之前沉降速率减小，在建设过程中，受工程施工因素影响导致04 年至05 年沉降量增大.在桥梁建成后05 年至06 年沉降量没有太大变化，之后06 年至07 年沉降速率加快，具体沉降可能与桥梁桩基结构、动静荷载等因素相关.

针对此情况，将去除立交桥沉降点的五级区域（以下称为五级其他区域）与立交桥区域及整个五级重叠区域进行均值对比如图9 所示. 比结果表明：立交桥区域沉降＞整个五级重叠区域＞五级重叠其他区域. 立交桥地表沉降的因素有很多，比如施工方法、桩基结构、地质条件等[15-16]. 立交桥对该地区地面沉降影响较大，考虑去除该区域的沉降点，对五级区域重新进行均值分析，均值结果如图10 所示.

图9 第五级区域分区沉降均值

图10 五级区域沉降均值

对比图10 与图7，去除立交桥区域沉降点后，四级区域沉降与五级区域有了明显的区分，四级区域沉降大于五级区域.五个级别区域内沉降对比结果是：五级＜四级＜三级≤二级＜一级，即五级区域是相对沉降最小区域，一级区域最为严重.

在工厂的空间分布上，工厂位置聚集区域沉降比较严重.空间上位于研究范围东北角五方桥的建设对研究区地面沉降有很大影响.进一步总结该区域沉降演化规律，工厂分布密集区沉降严重.

结合研究区工厂发展情况以及沉降情况，分析工厂分布越密集，区域沉降越严重的原因可能与地下水开采、工厂运营等因素有关.工厂运营需要开采地下水，地下水位的下降会带来沉降.工厂越多，地下水开采量越大，沉降也就越严重.工厂的停产会减少地下水的开采，进而影响沉降.根据查阅资料和文献得知，北京焦化厂2004—2007 年期间，工厂运营用水多以地下水开采为主.基于此，本文以焦化厂为例讨论工厂搬迁、运营及地下水对区域地面沉降的影响.

4.2 焦化厂区域沉降时序分析

北京焦化厂在2006 年7 月15 日开始停产，2007年彻底停产搬迁，2008 年之前搬迁完成.焦化厂主厂区占地约147.3 hm2，在工厂搬迁后该区域进行了发展规划，一部分作为风貌协调区进行综合开发建设，成为房地产开发地，打造成为城市文化艺术活动区；一部分规划为7 号线焦化厂车务段；一部分遗留作为核心保护区，将工厂旧址遗留保护作为工业遗址公园发展成为游览地，本节主要研究焦化厂区域沉降长时序演化规律.焦化厂区域沉降序列如图11 所示.

图11 焦化厂区域沉降均值

由图11 可以看出，该区域地面沉降量持续增加，不同时间段沉降变化不一样，2004—2006 年地面沉降可能与工厂运营主要开采地下水有关. 对该区域地下水做插值，提取工厂区域地下水埋深数据.地下水埋深提取结果见表1.地下水数据来自北京水资源公报.

表1 地下水埋深

将地下水埋深与沉降做对比，结果如图12 所示.

图12 地下水与沉降量对比

分析图11-12 得出以下结论.

（1）工厂停产前2004—2005 年地下水埋深增大，相对应2005 年沉降量增大.2006 年末地下水埋深较2005 年减小，沉降量较2005 年减小.2004—2006 年焦化厂处于运营时期，工厂用水主要开采大量地下水，导致该地区地下水位降低，因此2004—2006 年工厂运营时期地面沉降比较严重.

（2）2006 年末地下水回升，2006—2008 年地下水水位没有发生变化.焦化厂在2006 年7 月停产，地下水的开采减少，因此2006—2008 年期间地下水位变化小，该区域沉降理论上减小，事实上没有减小.地面沉降相对地下水响应有延迟，2006—2008 年地下水位下降减缓了，但是之前水位降低带来的沉降还没有完全完成，后续还会有沉降持续产生.焦化厂东南角化工桥工程建设2008 年完工，桥梁的建设伴随着基坑工程施工，对该区域沉降造成一定影响.

（3）2009—2010 年地下水埋深增大即地下水位降低，且2010 年该区域开始进行开发建设，年末地下水埋深较2009 年降低1.7 m，随之区域沉降增大.

化工桥位置见图13.需要说明的是研究区东侧以及东南角的沉降情况，2004 年该地区还属于村庄、农田，2005 年开始迁入工厂，这部分地区不断建设工厂，村子搬迁建设房地产、购物广场等.该地区属于不断施工建设，沉降相对严重.

图13 化工桥位置

焦化厂在2011—2015 年沉降情况（见图14），由图14 可以得出焦化厂区域在2011 年至2015 年沉降量呈现持续增大的趋势，最大沉降速率是86.36 mm/a，累积沉降量为360 mm.

图14 焦化厂2011—2015 沉降均值

2010 年以后该区域开始开发建设，染料厂旧址（焦化厂西北侧）在2010 年开始建设商品房，2012 年7 号线车务段焦化厂站开始动工建设，地铁施工会加剧区域沉降. 2013 年焦化厂旧址开始开发建设，在2015 年该区域尚未完成开发建设. 在2010—2015 年期间该工厂区域一直处于开发建设阶段，地铁施工、工程施工等是该阶段区域沉降的主要原因，因此沉降持续增加.

5 结论

研究采用PS-InSAR 技术处理北京2004—2015年数据，对焦化厂区域工厂搬迁前、工厂搬迁后以及再开发不同时段的沉降过程，通过长时序的沉降时空分析得出以下结论.

（1）工厂在空间分布上影响地面沉降，工厂位置分布越聚集，对该区域地面沉降影响程度越大.工厂建设位置可以合理规划，减少大量聚集.

（2）在研究区内两个立交桥的建设施工以及通行同样影响着区域地面沉降.

（3）在时间上分析化工区地面沉降演化规律，工厂的搬迁相比空间分布沉降影响要明显.工厂搬迁前后区域沉降变化及原因为：①工厂搬迁前后区域沉降变化主要原因是停产前工厂用水量大，过量开采地下水造成沉降；②2006 年7 月停产后工厂区域停止开采地下水，沉降变化在2006 年底随之减小；③工厂搬迁后旧址在不同开发阶段沉降变化速率不同，在闲置未开发阶段地下水水位几乎不发生变化，沉降变化减小；④开发阶段由于工程施工影响，工厂区域沉降持续增大.

焦化厂的搬迁与该区域沉降具有相关性，工厂大量开采地下水是沉降的主要因素，地下水开采及工程施工影响区域沉降，控制地下水开采以及改善工程施工技术能有效减小区域沉降.