精密水准测量在温泉区地面沉降监测中的应用分析

赵 舒

（福建省地质测绘院，福建 福州 350011）

地面沉降是一种全球范围内普遍存在的地质灾害，这种现象对人类社会的安全和发展构成了严重威胁。尤其在我国及世界各地的温泉区，这种现象的发生更加频繁且严重。这些区域的地表下陷或沉降现象，常常是由地下水或热水的过度抽取，以及地壳运动等多种复杂因素共同触发的：地下水或热水的抽取会导致地下水位下降，从而引起土壤和岩石的压缩，地面产生下陷；而地壳运动则会引起地表的升降和倾斜，影响地面稳定。这些因素互相交织，导致温泉区的地面沉降问题具有较高的复杂性，给监测和研究带来了许多难度。然而，随着科技的发展和进步，人们已经掌握了一系列有效的技术手段对这一问题进行监测和研究。其中，精密水准测量技术由于其精度高、操作方便等优点，被广泛应用于地面沉降的监测中。通过精密水准测量，可以准确地掌握地面沉降的状况和发展趋势，为温泉区地面沉降的防治工作提供重要的科学依据。

1 温泉区地面沉降现象简述

温泉区地面沉降是一个常见的地质现象，尤其会出现在活跃的地热区域。这种沉降主要是由于地下水或者温泉水的抽取和利用，导致地下的岩石层缺乏支撑而产生下陷。具体来说，当地下的温泉水被大量抽取时，原本由水分填充和支撑的空间将会空缺，地下的岩石层就会由于重力的作用而下沉，形成地表的沉陷。这种情况在温泉水的抽取速度快于其自然补充速度时会更加明显。

温泉区地面沉降会对当地的建筑、交通设施、水利设施等产生严重影响，甚至可能引发地壳稳定性的问题。因此，对温泉区地面沉降的监测和预防具有重要的实践意义。第一，保护人身安全。如果地面沉降严重，可能会对人们生活带来安全风险，例如，严重的地面沉降可能导致建筑物倒塌，造成人员伤亡。通过采取有效的监测，可以提前预防和处理这些问题，从而更好地保障人身安全。第二，保护基础设施。地面沉降可能会对各种基础设施，如建筑物、道路、桥梁、管线等产生严重影响。通过对温泉区地面沉降的监测，可以提前避免或减少因此造成的财产损失。第三，保护环境。温泉区的地面沉降可能会影响地下水系统，导致地下水污染和地下水位的变化，这很有可能会对当地的生态环境造成破坏。通过对地面沉降的监测，可以帮助及时发现问题并采取相应的措施来避免环境的破坏。

2 精密水准测量技术的简介

2.1 精密水准测量的概念

精密水准测量是一种专门用于测量地表上不同点之间高差的技术，这项技术涉及使用精密水准仪以及相关设备和工具，如水准杆和基准点等。精密水准测量的主要目的是获取精确的地表高程数据，其精度可以达到毫米甚至亚毫米级别。精密水准测量不仅可以用于确定地面的形状和高度分布，还可以用于监测地表的变化，如地面沉降、地壳运动等。在地质学、地震学、工程建设、水利工程等多个领域，精密水准测量都发挥着重要的作用。

2.2 精密水准测量地面沉降监测的原理

精密水准测量可以提供高精度的垂直位移数据，从而有效监测地面的沉降情况，其基本原理是：通过定期测量并记录地表面上各测点的高程，然后对比不同时间点上的高程数据，以此来判断是否发生了地面沉降，如图1 所示。首先在地表选择一系列具有代表性的测点，然后使用精密水准仪对这些测点进行高程测量，获取初始的高程数据。在后续的一段时间内，定期对这些测点进行重新测量，并记录下每次测量的高程数据。将不同时间点上的高程数据进行对比分析。如果某个测点的高程在一段时间内发生了显著的下降，那么可以判断该测点处发生了地面沉降。通过对所有测点的地面沉降情况进行综合分析，就可以得到整个区域的地面沉降状况，包括沉降的位置、范围、深度、速度等信息。通过这种方式，精密水准测量能够提供准确且可靠的地面沉降监测数据，有助于有关单位及时发现和处理地面沉降问题，以防止可能出现的安全风险。

图1 地面沉降监测示意图

3 影响测量精度的因素分析

精密水准测量的精度取决于多种因素，包括水准仪的精度、测量环境、操作人员的技术水平等。在理想的条件下，现代精密水准仪的精度可以达到毫米级甚至亚毫米级。但需要注意的是，即使采用精密水准测量也无法做到完全避免误差，总结来说，其误差主要来源于以下几个方面。

第一，仪器误差，这是由水准仪自身的精度决定的，例如，仪器的调节误差、读数误差、非线性误差等都会影响测量结果。这就需要使用高精度的水准仪，并要定期校准和维护，保证其长期稳定的性能。

第二，环境误差，这是由测量环境的变化引起的。例如，温度、湿度、气压、风速等环境因素的变化都会影响水准仪的读数。为了最大化避免这个误差因素，尽可能在稳定和理想的环境条件下进行测量，可以降低这些环境因素对测量结果的影响。

第三，操作误差，这是由操作人员的技术水平和操作规范性决定的。例如，观测的角度、读数的精度、仪器的安装和调节等都需要操作人员具有高水平的技术和经验。为了最大化避免操作误差，一方面要提高操作人员的技术水平和操作规范性，通过培训和实践提高其测量技术和测量经验，使其能够正确地操作水准仪，准确读取和记录测量数据。另一方面，可以采用科学的数据处理和分析方法，例如误差分析、数据平滑、数据校正等，进一步提高测量结果的准确性和可靠性，从而更准确地反映地面的沉降情况。

总的来说，虽然精密水准测量存在误差，但通过科学的方法和措施，可以有效控制和降低这些误差，从而保证测量结果的精度和可靠性。

4 精密水准测量在温泉区地面沉降监测中的应用方法

4.1 监测网络的布局与观察

以东南地区的一个温泉区为研究对象进行精密水准监测，通过布置离散监测点，得到其地表沉降的数据。在建立水准监测网时，必须充分利用现有的地表沉降数据，选择合适的点位进行水准监测。本项目在现有资料基础上，在主要沉降区布置了一组精密水准沉降网。

本项水准测量工作遵循国际二级水准的标准，选用了Leica LS15 水准仪及其相匹配的铟钢线尺进行测量。在进行多级水准观测时，统一使用了水平仪和转点尺，同时，也确保了观测团队人员的稳定性。在观测过程中，严格控制观测点的布设，并按规范对i 角、视高、前后视差数值等进行检查。

4.2 处理数据信息

（1）核实数据。在启动平差计算之前，对所有收集到的水准测量数据进行了以下七项检查：一是，对于进行水准测量所用的仪器设备进行性能检测，确保其工作状态良好；二是，验证所收集的资料是否完整无缺；三是，检查测量水准点，经纬度等记录的内容；四是，对各测点、往返线路不一致值及早晚测点不对称情况进行检验，以保证各测点的不对称程度符合规定；五是，检验高差表中各测点间的高差计算结果；六是，基于各观测点回交高差不符合情况，求取千米水准的偶然误差，并对其进行检验，一级水准不大于0.45 mm，二级水准不大于1.0 mm；七是，对各最小合环的闭合环的闭合差和连线的偏差进行检验，并对各千米的全部中误差进行统计。

（2）校正高差。为确保高程变化量的精确性，在每个测量阶段均应施加一致的高差校正。文章在各个阶段一律加入了以下校正措施：水准尺长度的校正、重力异常的调整、固体潮的校正以及正常水准面非平行性的修正。

（3）选择起算点。为了确保测区高程数据的准确性，在数据处理过程中，要选择稳定性较高的岩石固定点；同时，也要保持不同阶段测量的基准点一致性。按照相关标准，地面沉降监测网络的基准点应以岩石基点或岩石水准基点作为参考。通过对周边区域内现有的一级水准观测数据进行筛选之后，确定了一个岩石水准基准点作为该研究区的基准点。具体的统计数据详见表1。

表1 稳定性监测数据表

（4）算出调整值。在地面沉降监测的水平网平差计算中，采纳了“间接平差”技术。此技术基于观测得到的高度差异，遵循总平差理论进行处理。经过调整，第1 阶段的精密水准测量网显示，每公里水平测量的平均误差为±0.77 mm，最1 弱点的高度误差达到±1.1 mm。相较之下，同一阶段内，每千米水平测量的偶然误差标准为±0.50 mm，最弱点高程中误差则为±2.8 mm。

研究数据显示，两期水准网络的观测精度都很高，可以在一定程度上实现对研究区毫米级地面沉降进行准确观测。通过对平差计算结果的分析，可以明显看到，两个阶段的水准监测网在数据处理上具有很高的精度，满足了对于研究区域内毫米级别地面沉降监控的精确要求。

（5）对探测结果进行分析。通过对地表沉陷进行精确的测量，可以得到更精确的地表沉陷资料。文章分2011 年5 月和2022 年1 月两个阶段进行地表沉降监测。第2 阶段地表沉降监测网络各个基准点的沉降情况如表2 所示，有些部位的沉降是以第1 阶段的观测数据为初值进行的。

表2 该区域精密水准监测结果 单位：mm

在第2 阶段观测中，在两次测量中选取相同的重合点来计算地面沉降情况，提取各水准点的高程变动值，再用相应的观测时间间隔相除，得到各水准点的高程变化速率，从而算出地面沉降速率，并插值绘图，详见表2。

结果显示，该地区最大沉降量为62 mm/年，在观测期间，地表沉降量大于10 mm/年的沉降区面积为2 000 多km2，超过整个研究区总面积的60%。

5 结语

高精度测量技术在处理复杂、多因素引发的地面沉降问题时，具有独特的优势。它提供了一种可靠、准确的方法，让人们能够更好地理解温泉区地面沉降的性质、规模和发展趋势，从而为防治工作提供重要的依据。但是，在其使用的过程中不免会由于仪器、环境和操作等主要因素而导致误差，相关单位应予以充分的关注，同时采取科学的办法来尽量避免这些误差。在具体的应用中，相关单位也通过对监测网络的科学布局、严谨的观测以及科学的数据处理，有效地提高测量的精度和可靠性。虽然精密水准测量技术在地面沉降监测中具有独特的优势，但有时还需要结合其他的测量技术和方法，以实现更全面、更深入的监测。总体而言，精密水准测量技术为人们提供了一个强大的技术工具，但是，也需清楚地意识到，温泉区地面沉降是复杂的地质问题，还需要有关单位继续加强科研工作，积极探索和尝试新的技术和方法，为人类社会的持续发展提供保障。