线性工程地下水开采诱发地面沉降风险研究

贾 超，姚 越，杨 霄，张 晓 伟

(1.山东大学 海洋研究院，山东 青岛 266232； 2.青岛市水利勘测设计研究院，山东 青岛 266100； 3.济宁新城自来水有限公司，山东 济宁 272000)

0 引 言

随着近年来中国高速铁路建设的迅猛发展，高铁已日渐融入到现代人民的生活当中。而地面沉降是高速铁路建设所面临的一大问题，地面的不均匀沉降会导致高铁轨道线路不平顺，严重影响高速列车的安全运营和舒适度，甚至形成灾害[1]。随着中国铁路网的规划建设，不少拟建高速铁路须穿越一些地面沉降发育较强烈的区域，由于高速铁路对路基的稳定性和轨道的平顺性要求较高，为了确保高铁的安全、舒适，有必要在高铁线路规划期间进行地面沉降的准确评估和严格控制。地面沉降的危险性评估是铁路规划的重要决策因素，在高铁的选址和建设期间有助于指导进行更好的风险管理和缓解措施。

地面沉降危险性评估是指在各种外界因素影响下，评估研究区地面沉降发生的可能性及程度，其已经成为地面沉降研究的热点领域。国内外不同的专家学者对此进行了研究，如Rafie等[2]在进行沉降危险性评估时尝试采取试错模型以及影响分析法结合进行评估。刘凯斯等[3]采用PS-InSAR技术分析地面沉降的空间分布特征，并结合信息熵-网络模型开展地面沉降引发的地铁运营危险性分析。刘德成等[4]利用MAPGIS空间分析法对通州区地面沉降灾害危险性进行评价。王寒梅[5]基于上海地面沉降长期监测资料，应用层次分析法对上海市地面沉降进行风险评价及区划，并提出各分区控制风险的管理对策。以上研究对于地面沉降的防控具有重要的推动作用，但当前国内外有关地面沉降的研究多集中在区域性、大面积范围内的沉降，对线性工程方面的研究相对较少。层次分析法是地面沉降危险性评价比较常用的方法，但由于建设工程项目风险性的评价具有模糊性，且利用层次分析法分析判断矩阵是否具有一致性比较困难[6]，因此多采用改进后的模糊层次分析法(FAHP)进行地面沉降危险性评价。FAHP在确定单目标分级上更显出灵活性，既解决了判断矩阵的一致性问题，也解决了解的收敛速度和精度问题，以此求得与实际相符的排序向量。

津潍铁路是一条既承担山东半岛路网中长途旅客运输，同时又能满足山东半岛各地城际旅客需求的重要客运铁路。受区域性地下水开采影响，拟建线路两侧发生了较强烈的地面沉降。本次研究以津潍高铁沿线为例，基于地理信息系统(GIS)，采用灾害风险指数评估法和改进的层次分析法(FAHP)综合评估高铁沿线的地面沉降危险性，并提出具有针对性的防控措施。研究对拟建津潍铁路工程的建设和沉降防治规划提供一定的科学指导和理论依据。

1 研究区概况

研究区位于东营市城区以南、潍坊西北地区，北至支脉河，东到莱州湾，南至寿光市，主要包括东营区、广饶县、寿光市、寒亭区部分区域(见图1)，面积约3 100 km2，其中重点研究区域(拟建铁路沿线两侧宽度4km)面积约300 km2。全区为第四系覆盖，由一套疏松的河湖相、滨海相、海相及山前冲洪积相沉积物组成，厚度50～250 m，以发育巨厚的新生界为特征。区域含水层主要包括潜层微承压含水层、中层卤水含水层和深层淡水含水层，含水层厚度由南向北逐渐递减。且北部卤水资源丰富，盐田和养殖大棚分布广泛。地势是东部高西部低，高程范围为0～113 m，由陆地向渤海湾倾斜，属鲁北堆积平原。研究区多年平均降水量577.62 mm，年际变化大，最大968.1 mm(1990年)，最小为327.0 mm(2000年)，相差641.1 mm。

图1 研究区及监测井位置

2 数据来源及分析方法

2.1 数据来源

本文利用欧空局Sentinel-1的高分辨率SAR图像数据，对津潍高速铁路的地面沉降进行了监测和分析。Sentinel-1卫星携带C波段SAR仪器，每6 d或12 d提供一次地球表面的全天候、昼夜图像。其使用复杂的数据采集程序，通过逐行扫描的成像模式对地形进行观测，分辨率为15 m。数字高程模型(DEM)来源于NASA的30 m分辨率SRTM DEM数据，被用于消除卫星干涉图中地形相位的影响。

研究区内57口地下水监测井的监测数据用于计算水位降深，由山东省地质环境监测总站提供。土地利用数据被用于铁路沿线的土地分析与规划，其来源于中科院地理信息云平台与实地调查的结合，并且与DEM数据具有相同的空间尺度和分辨率。

2.2 分析方法

2.2.1沉降量计算方法

干涉合成孔径雷达(InSAR)是一种微波遥感方法，可以在空间和时间的基础上监测地球表面的变形情况[7-8]。津潍高铁的地面沉降图基于Sentinel-1雷达影像和DEM数据，采用SBAS-InSAR处理技术获取铁路沿线的地面沉降信息。其基本原理为通过分析一对在不同时间从相同的轨道位置获取的两幅SAR图像来生成干涉图，然后将两次采集获得的相位差转换为沿卫星视线(LOS)的地表位移[9-10]，最后基于GIS系统计算累计沉降量和沉降坡度。其采用的公式如下。

δφi(x，r)=φB(x，r)-φA(x，r)

(1)

式中：φi(x，r)为像元(x，r)处的干涉相位；φA(x，r)，φB(x，r)分别为tA，tB时刻像元(x，r)的干涉相位；λ为雷达波长；d(tA，x，r)，d(tB，x，r)分别为tA，tB时刻相对于参考时刻t0的雷达实线方向的地表形变量。

(2)用两幅SAR影像之间的平均相位速率来代替相位值，即：

(2)

则第i幅干涉图的干涉相位可表示为

(3)

式中：Mi，Si分别为第i个干涉图像对应的主从影像获取时刻；vk表示k时刻对应像元的形变速率。矩阵形式表示为

Bv=δ

(4)

式中：B为M×N的系数矩阵。若M≥N，则B为满秩，可用最小二乘法求解形变速率；若M

2.2.2危险性评估方法

本次地面沉降危险性评价选取地面沉降严重性、沉降坡度和地下水位降深作为主要评价因子，基于GIS平台，结合灾害风险指数法、模糊层次分析法确定风险因子及其权重系数，进而应用综合评价法对拟建铁路两侧一定范围内的区域按地面沉降危险性做出分区，最后进行方案评估。具体方法如下：

(1)灾害风险指数法。地面沉降危险性是指在各种外界因素影响下，某一地区在某段时间内发生地面沉降的可能性及程度，主要用地质地貌条件、人类工程经济活动、灾害防控措施等地面沉降的动力条件指标来表征。对于高速铁路这种线状工程来说，地面沉降危险性主要表现在沿线累计沉降量，沉降速率和沉降坡度这几方面[11-12]，尤其是铁路沿线沉降坡度不能太大。当初始沉降量为0时，累计沉降量与沉降速率存在确定的数量关系，可将其统称为地面沉降严重性[13]。通常情况下，地面累计沉降量越大，地面沉降速率越大，说明地面沉降活动性越强，危险性越大。其次是沿线地下水水位的变化，地下水开采量大的地方水位降深也比较大，地面沉降发展趋势也就越大[12]。因此，津潍高铁沿线地面沉降的风险程度主要取决于3个因素：地面沉降严重性、沉降坡度和地下水位降深。根据灾害风险指数法，定量化的风险指数可表示如下：

DR=f(S，G，D)

(5)

式中：DR表示风险指数；S为地面沉降严重性；G为地面沉降坡度；D为地下水位降深。

(2)模糊层次分析法(FAHP)。模糊层次分析法(FAHP)是将层次分析法(AHP)和模糊综合评价法结合的一种评价方法，它克服了AHP判断矩阵一致性的检验-调整-再检验这一复杂过程[5]。FAHP在确定单目标分级上更显出灵活性，通过构建各因子对地面沉降灾害的隶属度函数可以使得分级的界线发生模糊。既解决了判断矩阵的一致性问题，也解决了解的收敛速度和精度问题，以此求得与实际相符的排序向量，因此可用于确定地面沉降危险性评价因子权重，具体流程如下[14-15]。

首先，建立模糊一致判断矩阵。模糊一致判断矩阵表示两两元素之间的相对重要性，一般采用0.1～0.9数量标度(见表1)赋值进行定量描述。

表1 FAHP标度

有了上面的数字标度之后，对于元素A1，A2，…，An进行两两比较，以确定各因子之间的优先次序，可得到如下模糊一致判断矩阵：

(6)

其次，采用模糊一致判断矩阵的排序并进行权重计算。

目前，对于模糊一致判断矩阵的排序主要有方根法、按行求和归一化法以及根据模糊一致判断矩阵的元素与权重的关系式给出的排序法3种方法[16]。由于根据模糊一致判断矩阵的元素与权重的关系式给出的排序分辨率最高，且具备可靠的理论基础，本文采取此方法来计算权重，有利于提高决策的科学性，避免决策失误。计算公式为

(7)

(3)综合评价。综合评价法是一种处理多指标共同影响某一评价对象的评价方法，将各指标通过加权求和计算出该评价对象的总体分数。计算公式为

(8)

式中：DR为危险性综合指数值；wi为各评价因子的权重；Bi为各评价因子对应的分值；n为评价因子总数。

3 结果与讨论

3.1 研究区地面沉降量

基于SBAS-InSAR方法得到的研究区2016～2020年地面沉降分布如图2所示。研究区地面沉降发育较为严重的地区主要出现在丁庄镇、大马头-牛头镇-卧铺乡、北洛镇-寒桥镇、留吕乡北部3～4 km等区域，最大沉降量达到270～300 mm，出现在拟建铁路DK313～DK323沿线2～5 km处。研究区中部主要发育大马头-牛头镇沉降区和牛头镇-卧铺乡沉降区，并且具有连成一片的趋势。研究区北部地面沉降较严重的区域位于丁庄镇周围，沉降量可达210～240 mm。研究区南部主要为北洛镇-寒桥镇沉降区，累积沉降量达240～270 mm。

图2 研究区地面沉降量

3.2 单目标因子评估

3.2.1危险性因子权重的确定

隶属度是对地面沉降危险性评价因子去量纲的过程，使评价因子之间具有可比性[17]。本文研究的评价因子为定性因子，主要依据野外调查及前人研究资料，按照0.1～0.9数量标度将隶属度进行定性赋值，进而构建模糊一致判断矩阵(见表2)。

表2 模糊一致性矩阵

依据上表可得模糊一致判断矩阵：

(9)

根据模糊一致判断矩阵R及公式(7)计算各评价因子的权重(见表3)。由表3可知，地面沉降坡度对研究区地面沉降危险性贡献度最高，其次是地面沉降严重性，地下水位降深的权重值最低。

表3 各评价因子计算权重

3.2.2各评价因子的评估

在对地面沉降危险性应用综合分析法作出评价之前，首先要对每个影响因子控制下的地面沉降危险性进行分区处理，并为每个分区赋值，赋值越大说明危险性越高。

(1)地面沉降严重性评估。依据研究区内监测得到的铁路沿线累计沉降值和沉降速率的情况，结合GB/T40112-2021《地质灾害危险性评估规范》[18]将拟建铁路沿线约4 km范围内的区域划分为地面沉降一般、较严重、严重3个区域(见表4和图3)。拟建铁路主要穿越沉降严重性一般区及较严重区，年均沉降速率小于50 mm，占研究区总面积的94.96%；拟建铁路无里程段穿越沉降严重区。

表4 地面沉降严重性分区

图3 地面沉降严重性分区

(2)地面沉降坡度评估。地面沉降坡度的变化对铁路建成后的运营影响较大，据TB10621-2014《高速铁路设计规范》[19]及研究区坡度发展趋势，采用自然间断点分级法将研究区划分为地面沉降坡度大、坡度中、坡度小3个区域(见表5和图4)。其中，研究区大部分处于地面沉降坡度小的区域，占研究区总面积的67.57%，沉降坡度在0～0.033‰；沉降坡度中等区域占研究区总面积的27.58%，沉降坡度在0.033‰～0.083‰；坡度大的区域占研究区总面积的4.85%，沉降坡度在0.083‰～0.299‰之间。拟建铁路DK302～DK311、DK315～DK317、DK327～DK329段穿越沉降坡度中等区，其余部分均穿越沉降坡度小的区域。

表5 地面沉降坡度分区

图4 地面沉降坡度分区

(3)地下水位降深评估。松散地层的存在及丰富的地下水资源是地面沉降的基础，而地下水的开采利用则会引发地面沉降[20]。研究区内浅层深层地下水均有开采，不同开采区域开采层位差距较大，依据2016～2020年地下水水位变幅和地下水开采强度，分区时为使各个类之间的差异最大化，采用自然间断点分级法[15]将研究区划分为水位影响较小、影响中等和影响较大3个区域(见表6和图5)。结合图2可知，研究区内地下水位较低处与地面沉降较严重区位置基本一致。拟建铁路DK285～DK311、DK315～DK317、DK319～DK323段穿越水位降深较大区，水位降深在11.05～16.38 m之间，占研究区总面积的37.15%。

表6 地下水位降深分区

图5 地下水位降深分区

3.3 地面沉降危险性评价及分析

运用ArcGIS空间分析工具，对各个影响因子进行归一化处理，消除数据之间性质与量纲不同的影响，然后采用综合评价法对地面沉降严重性分区图、地面沉降坡度分区图、水位降深分区图这3个单目标分区矢量图进行加权叠加并按危险性等级分为4个区，分别为Ⅰ区(轻微区)、Ⅱ区(一般区)、Ⅲ区(较严重区)、Ⅳ区(严重区)。详细结果如表7和图6所示。

表7 地面沉降危险性等级分区

图6 研究区危险性分区

根据不同分区与拟建铁路的关系将其特征描述如下：

Ⅰ区(轻微区)，拟建铁路DK311～DK315、DK323～DK327、DK331～DK353段均穿越Ⅰ区。该区地面沉降累计值保持在70 mm以下，坡度变化不大，区域多处于潜水微承压含水层开采区，地下水降幅不大，危险性最小，地面沉降一般不会造成破坏影响。

Ⅱ区(一般区)，拟建铁路DK285～DK295、DK315～DK323、DK327～DK329段穿越Ⅱ区。该区地面沉降累计值在70～130 mm左右，坡度变化一般，北部处于卤水开采区，中部处于200～300 m农田开采区，承压含水层水位降幅较大，危险性一般。建议该区合理安排建设地面沉降监测网络，注意沉降异常加快区域，提前做好相应的防治工作。

Ⅲ区(较严重区)，拟建铁路其余里程段穿越该区，且DK285～DK295距离Ⅲ区较近。该处地面沉降累计值在130～150 mm之间，DK302～DK309跨越零星开采区与农田开采区，沉降坡度变化较大，比较危险。建议开展该区域地面沉降监测及水位观测，严格限制地下水的开采。

Ⅳ区(严重区)，拟建铁路无里程段穿越该区，主要分布在DK285～DK293东侧2 km广北农场附近和DK315～DK325两侧1.5～3.0 km处，研究区南部有零星分布。该区累计沉降值在150～300 mm之间，坡度变化较强，若加剧该区地下水开采可能会引起较严重的地质灾害问题。

研究区的土地利用类型有草地、林地、水库、旱地、村庄等，如图7所示。结合实地调查和地面沉降的危险性评估，分析认为拟建铁路选址主要分布在旱地上，整体选址较为合理，大部分里程段具有较小的地面沉降危险性。区域内北部DK285～DK295段和DK302～DK309段处在较严重危险性500 m范围内，该区域主要是卤水资源丰富，同时存在较多的农场及大棚种植活动，因此开采量较大，危险性较高。此外，尽管DK315～DK325附近有一沼泽地，但其两侧1～3 km处仍然具有较高的地下水位降深和较大的地面沉降量，表明了居民地下水开采的不合理。在中部地区沿线经济的发展使得存在较多建设用地，旱地与建设用地的转换，以及铁路工程的建设会使得地面荷载有所增加[21-22]，同时不透水地面阻碍了大气降水的入渗，影响地下水的补给，地面沉降危险性也会有进一步扩大的趋势。

图7 沿线土地利用类型情况

4 结 论

(1)本文基于地理信息系统，将灾害风险指数评估法、模糊层次分析法和综合评价法相结合，构建了重大线性工程沿线的地面沉降危险性评估理论体系。通过实地调查，在充分考虑研究区水文地质和工程地质条件的基础上，确定了线性工程沿线地面沉降危害性评估的主要因子分别为地面沉降严重性、沉降坡度和地下水位降深。在GIS系统中，结合多目标准则决策的叠加分析建立了线性工程沿线地面沉降危害性评估模型。

(2)研究在单目标分析的基础上，通过多源数据的叠加分析将津潍铁路沿线的危险等级划分为4个区域，分别为Ⅰ区(轻微区)、Ⅱ区(一般区)、Ⅲ区(较严重区)、Ⅳ区(严重区)。各区域对应的占比分别为42.37%(Ⅰ区)、32.27%(Ⅱ区)、17.37%(Ⅲ区)、8.00%(Ⅳ区)。

(3)根据实地调查和区域土地利用类型的分布，拟建铁路大部分里程分布于Ⅰ区(轻微区)和Ⅱ区(一般区)，表明了铁路选址具有较好的适宜性和可控性。其中，Ⅰ区处于潜层微承压含水层，地下水开发利用程度较小；Ⅱ区受大棚和农田用水的影响，地下水开采强度较高。此外，仍有部分里程段如DK285～DK295和DK302～DK309段靠近或处在较严重区，其地面沉降量最高值达150 mm，沉降坡度也较大，因此具有较高的危险性。综合考虑地面沉降危险性及区域社会经济因素，建议对这两段铁路沿线500 m范围内实施禁采或限制开采地下水。