鄭佳兵,鄭佳榮,張麗麗,司典浩,張 超,陳蓓蓓
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083;2.北京工業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京 100042;3.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限公司試驗(yàn)中心,北京 100097;4.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048)
地面沉降是引起地質(zhì)災(zāi)害的因素之一。地面沉降對(duì)北京城市建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)造成一定程度的危害。在部分沉降區(qū)曾發(fā)現(xiàn)工廠、居民區(qū)樓房墻壁開(kāi)裂、地基下沉、地下管道工程損壞等險(xiǎn)情,一些建筑物的抗震能力和使用壽命也受到影響。此外,地面沉降可能引發(fā)地裂縫和測(cè)量水準(zhǔn)點(diǎn)失準(zhǔn),對(duì)城市建設(shè)的布局和規(guī)劃都造成了隱患。研究道路交通對(duì)北京平原區(qū)沉降的影響,可為北京平原區(qū)沉降災(zāi)害提供預(yù)警。
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)、成因機(jī)理等方面進(jìn)行了諸多的研究與討論。Ferretti 等[1]提出PS-InSAR 技術(shù)并將其應(yīng)用于城市的地表形變監(jiān)測(cè),精度達(dá)到厘米級(jí)。陳強(qiáng)[2]和Liu 等[3]將PS-InSAR 技術(shù)應(yīng)用于上海的城市地面監(jiān)測(cè)。宮輝力等[4-6]采用InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)北京地面沉降。Yan 等[7]采用InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)墨西哥城市地表形變。賈洪果等[8]采用PS-InSAR 技術(shù)提取天津市西青道以及京滬高鐵的部分路段沉降信息。目前,InSAR 技術(shù)廣泛應(yīng)用于大面積沉降監(jiān)測(cè)。Chen等[9]指出由于北京長(zhǎng)年對(duì)地下水資源進(jìn)行大量開(kāi)采,導(dǎo)致局部地區(qū)出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象。鄭佳榮等[10-12]采用三維地質(zhì)建模分析了北京沉降影響因素,提出北京平原區(qū)第四系沉積物巖性與厚度差異(沖積扇的扇緣、扇中和扇根)是引起地面沉降差異的內(nèi)因。周玉營(yíng)等[13]采用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)京津高鐵北京段沿線地面沉降,獲取京津高鐵北京段沿線地面沉降的分布信息。周超凡等[14]利用北京東部地區(qū)沉降數(shù)據(jù)反推道路交通狀況,認(rèn)為北京東部的道路交通及其流量和載荷影響地面沉降。劉凱斯等[15]對(duì)北京地鐵6 號(hào)線進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)自西向東沉降逐漸增大,分析其原因是6 號(hào)線自西向東是從永定河沖積扇頂部到扇緣,證實(shí)北京平原區(qū)地質(zhì)沉積環(huán)境影響地面沉降。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地表監(jiān)測(cè)方法和成因機(jī)理進(jìn)行諸多研究,并取得很大進(jìn)展,但由于沉降成因機(jī)理的復(fù)雜性及沉降數(shù)據(jù)的時(shí)效性,目前有關(guān)道路交通引起沉降的深入研究較少。本文主要研究作為外因之一的道路交通疊加在第四系沉積構(gòu)造上對(duì)北京平原區(qū)沉降的影響,以期更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)北京平原區(qū)沉降災(zāi)害預(yù)警。
本文以北京平原區(qū)為研究區(qū),對(duì)2003—2009年覆蓋北京平原地區(qū)的7景Envisat衛(wèi)星降軌InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲取北京平原區(qū)大范圍583 129個(gè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)。一方面,對(duì)7個(gè)時(shí)間序列583 129個(gè)點(diǎn)沉降速率,采用ArcGIS 進(jìn)行空間內(nèi)插值,得到北京平原區(qū)7個(gè)時(shí)間序列沉降數(shù)據(jù);另一方面,選取研究區(qū)內(nèi)道路交通主干道進(jìn)行空間緩沖分析,獲取主干道路1 000m 緩沖區(qū),該區(qū)域即為道路交通影響區(qū)。
如圖1 所示,采用PSI 分析具有穩(wěn)定散射特征的永久散射點(diǎn),提取北京平原區(qū)大范圍583 129個(gè)點(diǎn)的沉降速率,通過(guò)克里金法對(duì)北京平原區(qū)地面點(diǎn)沉降速率進(jìn)行插值,生成2003—2009 年7 個(gè)時(shí)間序列沉降速率的柵格數(shù)據(jù)。然后,通過(guò)對(duì)比北京平原區(qū)沉降趨勢(shì)和沉降漏斗位置確定沉降數(shù)據(jù)的可靠性。采用ArcGIS 對(duì)相鄰年份的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,生成每個(gè)年份沉降量柵格數(shù)據(jù)。
圖1 研究思路
劃分沉降區(qū)間,采用ArcGIS 對(duì)各個(gè)時(shí)間序列沉降柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間柵格計(jì)算,統(tǒng)計(jì)各個(gè)沉降區(qū)間面積,定量分析研究區(qū)沉降規(guī)律。同時(shí),采用ArcGIS 對(duì)研究區(qū)道路交通進(jìn)行空間緩沖分析獲取500m 和1 000m 緩沖區(qū),即道路交通影響沉降區(qū)域。把道路緩沖區(qū)和7 個(gè)時(shí)序沉降柵格數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空間疊加分析,提取各個(gè)年份道路交通影響區(qū)柵格沉降數(shù)據(jù)。然后,統(tǒng)計(jì)道路緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積大小。最后,對(duì)比道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降面積分布和整個(gè)研究區(qū)沉降面積分布,定量分析道路交通對(duì)北京平原區(qū)沉降的影響,確定道路交通和北京平原區(qū)沉降之間的關(guān)系規(guī)律。
圖2所示北京平原區(qū)沉降柵格數(shù)據(jù)和路網(wǎng)圖,是通過(guò)對(duì)Envisat 衛(wèi)星降軌InSAR 數(shù)據(jù)處理獲取北京平原區(qū)大范圍583 129 個(gè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù),進(jìn)一步插值生成2003 年12 月—2004 年12 月的沉降數(shù)據(jù),橢圓圈出的紅色區(qū)域是北京平原區(qū)沉降量大于60mm以及沉降量在50~60mm的區(qū)域。
北京平原區(qū)沉降漏斗如圖3 所示,紅色橢圓區(qū)域分別是北京4 個(gè)沉降漏斗區(qū),東郊八里莊—大郊亭、東北郊—來(lái)廣營(yíng)、昌平沙河—八仙莊和順義平各莊。對(duì)比圖2 和圖3 可以看出,北京平原區(qū)沉降數(shù)據(jù)顯示,沉降較大區(qū)域和北京平原區(qū)4 個(gè)沉降漏斗區(qū)域一致,因此,研究獲取的北京平原區(qū)沉降數(shù)據(jù)和北京平原區(qū)沉降趨勢(shì)一致。把7個(gè)時(shí)間序列沉降數(shù)據(jù)與圖3對(duì)比,盡管各個(gè)時(shí)間序列沉降量不同,但沉降趨勢(shì)和圖3一致,因此,研究區(qū)沉降數(shù)據(jù)可靠。
圖2 2004年北京平原區(qū)沉降柵格數(shù)據(jù)和路網(wǎng)圖
(1)從時(shí)間角度看,北京平原區(qū)沉降趨勢(shì)
采用ArcGIS 對(duì)7 個(gè)時(shí)間序列相鄰年份的沉降速率柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,生成每個(gè)年份沉降量柵格數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)。圖4(a)~圖4(d)是按時(shí)間順序選取4 個(gè)時(shí)序沉降數(shù)據(jù)。沉降量柵格數(shù)據(jù)顏色從深綠、淺綠、黃色、淺紅色到深紅色代表沉降量從小到大逐漸增加。從圖4 可以看出,隨著時(shí)間推移,北京平原區(qū)沉降整體趨勢(shì)加大,2008 年出現(xiàn)劇烈沉降。
(2)從空間角度看,北京平原區(qū)沉降分布
圖3 北京平原區(qū)沉降漏斗
圖4 北京平原區(qū)沉降數(shù)據(jù)
從空間角度分析2004—2009年沉降,發(fā)現(xiàn)沉降空間分布趨勢(shì)一致。圖4 展示了4 個(gè)時(shí)間序列沉降量分布,可以看出沉降空間分布趨勢(shì),其中紅色沉降區(qū)位于東北部和東南部,即東郊八里莊—大郊亭、東北郊—來(lái)廣營(yíng)、昌平沙河—八仙莊和順義平各莊。從北京平原區(qū)地質(zhì)構(gòu)造角度看(見(jiàn)圖5~圖6),疊加永定河沖擊扇和潮白河沖積扇的2004年和2008年沉降數(shù)據(jù),藍(lán)色框區(qū)是沖積扇結(jié)構(gòu),顏色由淺到深分別是扇頂部、扇中部和扇緣。圖5中,2004年沉降量大于50mm的紅色區(qū)域幾乎位于沖積扇扇緣部位;圖6中,2008年沉降量大于60mm 的紅色區(qū)域大部分被沖積扇扇緣包圍。疊加沖積扇的2004—2009年沉降數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)7個(gè)時(shí)序的沉降區(qū)都位于永定河和潮白河沖積扇扇緣。
圖5 2004年沉降分布及沖積扇
圖6 2008年沉降分布及沖積扇
(3)北京平原區(qū)沉降定量分析
在了解北京平原區(qū)沉降空間分布及變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上,對(duì)北京平原區(qū)7 個(gè)時(shí)間序列沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi),實(shí)現(xiàn)沉降量區(qū)間劃分,生成對(duì)應(yīng)屬性數(shù)據(jù)。選擇沉降區(qū)間,基于柵格大小和柵格數(shù)量計(jì)算各個(gè)沉降區(qū)間面積大小,進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各個(gè)沉降區(qū)間面積。表1 和表2 分別列出2004 年和2008 年北京平原區(qū)沉降量和沉降面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。2004—2008 年北京平原區(qū)沉降量的最大值逐年遞增,從2004 年的76.44mm 遞增到2008 年的231.02mm。沉降量大于60mm 的區(qū)域從2004 年的12.84km2遞增至2008 年的982.83km2。2004 年和2008 年沉降量在21~40mm 區(qū)間的沉降面積最大,分別是3 614.32km2和1 439.84km2。并且,其他沉降量區(qū)間的沉降面積變化趨勢(shì)一致。
表1 2004年北京平原區(qū)沉降量統(tǒng)計(jì)
表2 2008年北京平原區(qū)沉降量統(tǒng)計(jì)
(4)影響北京平原區(qū)沉降因素分析
根據(jù)以上分析得出沉降分布及變化趨勢(shì)為:①隨著時(shí)間變化,沉降面積和沉降量逐漸增加,2008 年出現(xiàn)大區(qū)域沉降及劇烈沉降;②沉降區(qū)域位于永定河沖擊扇和潮白河沖積扇扇緣。
永定河和潮白河沖積扇由山前到平原區(qū)分布分別為山麓坡積群地帶、沖洪積扇頂部、扇中部、扇緣。地質(zhì)構(gòu)造的壓縮層從沖積扇頂部、中部到扇緣逐漸增厚。在沖積扇的扇緣部位,在地下水位及外在因素作用下更易導(dǎo)致沉降,因此,沉降區(qū)域分布于扇緣。2008 年奧運(yùn)會(huì)北京市區(qū)日供水達(dá)300萬(wàn)m3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)歷年日供水量242.5萬(wàn)m3。2008年在沖積扇扇緣出現(xiàn)大范圍劇烈沉降。
根據(jù)北京平原區(qū)沉降影響因素分析結(jié)果,選取2008年奧運(yùn)會(huì)前后兩個(gè)典型時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析,從空間、時(shí)間、事件3 個(gè)維度定量分析道路交通對(duì)北京平原區(qū)沉降的影響。
(1)道路交通選擇及數(shù)據(jù)處理
道路交通選擇地面主干路和次干路、地鐵及鐵路(見(jiàn)圖7)。圖7所示紅色為地鐵1號(hào)線、2號(hào)線、5 號(hào)線(2007 年10 月開(kāi)通)、13 號(hào)線(2003年1月開(kāi)通)、10號(hào)線一期和8號(hào)線一期(2008年10 月開(kāi)通);鐵路符號(hào)表示鐵路線;深黑色為地面主干路,淺灰色是地面道路次干道。
(2)道路交通影響沉降典型時(shí)序及研究區(qū)選擇
考慮地質(zhì)構(gòu)造、降雨及地下水抽采等影響地面沉降的因素,選取2003 年12 月—2004 年12 月和2007年12月—2009年3月這兩個(gè)典型時(shí)段的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行研究;選擇北京市平原區(qū)道路交通的500m、500~1000m和1 000m緩沖區(qū)內(nèi)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析??紤]到2009 年3 月之前地鐵主要分布在沖積扇中部,其地質(zhì)構(gòu)造使得地鐵引起的沉降不明顯,鐵路和地面主干道緩沖區(qū)重合,因此不進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。
(3)道路交通影響區(qū)沉降數(shù)據(jù)提取
2003 年12 月—2004 年12 月道路緩沖區(qū)沉降如圖8 所示。圖8(a)和8(c)是對(duì)2004 年北京市的地面交通道路、地下交通道路及鐵路作500m緩沖區(qū)和500~1000m 緩沖區(qū)。以緩沖區(qū)為界限構(gòu)建道路交通影響區(qū)域,把該區(qū)域和北京平原區(qū)沉降柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加求交集,提取2003 年12 月—2004年12月道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降數(shù)據(jù),見(jiàn)圖8(b)和8(d)。
圖7 北京平原區(qū)道路交通
2007年12月—2009年3月道路緩沖區(qū)沉降如圖9 所示。如圖9(a)和圖9(c)所示,對(duì)2009 年北京市的地面交通道路、地下交通道路及鐵路數(shù)據(jù)作500m 緩沖區(qū)和500m~1000m 緩沖區(qū),以緩沖區(qū)為界限,提取2007年12月—2009年3月沉降數(shù)據(jù),如圖9(b)和圖9(d)所示。
基于以上數(shù)據(jù),劃分沉降量區(qū)間,計(jì)算沉降面積,統(tǒng)計(jì)道路交通影響500m 緩沖區(qū)和500~1000m緩沖區(qū)內(nèi)的各個(gè)沉降區(qū)間的沉降面積。
圖8 2003年12月—2004年12月道路交通緩沖區(qū)及沉降數(shù)據(jù)
圖9 2007年12月—2009年3月道路交通緩沖區(qū)及沉降數(shù)據(jù)
表3和表4分別是2003年12月—2004年12月和2007年12月—2009年3月兩個(gè)時(shí)段道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降量統(tǒng)計(jì)值。
表3 2003年12月—2004年12月道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降面積
表4 2007年12月—2009年3月道路交通影響區(qū)域內(nèi)沉降面積
(1)從空間角度看,道路交通對(duì)北京平原區(qū)沉降影響定量分析
如表3 所示,把2003 年12 月—2004 年12 月道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降量劃分為6 個(gè)區(qū)間,對(duì)比分析道路交通緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積占總沉降面積百分比,該值最大為62.72%,最小為39.24%,且占比最小的是沉降量0~10mm 區(qū)間。2003 年12 月—2004 年12 月沉降量大于60mm 的總沉降面積為12.84km2,其中道路交通影響500m 范圍內(nèi)沉降面積達(dá)到3.25km2,1 000m 范圍內(nèi)沉降面積達(dá)到7.36km2且占總沉降面積的57.33%。
如表4 所示,把2007 年12 月—2009 年3 月道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降量劃分為9 個(gè)區(qū)間。在9 個(gè)區(qū)間中,道路交通緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積占總沉降面積最大為87.81%,最小為51.57%,且占比最小的是沉降量41~60mm 區(qū)間。沉降量大于110mm的區(qū)間,總沉降面積為89.86km2,其中道路交通影響500m范圍內(nèi)沉降面積為44.85km2,1 000m范圍內(nèi)沉降面積為78.90km2且占總沉降面積87.81%。
圖10 是2003 年12 月—2004 年12 月道路交通500m 緩沖區(qū)、500~1000m 緩沖區(qū)和1 000m 緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積占總沉降面積統(tǒng)計(jì)圖。道路緩沖區(qū)500m以?xún)?nèi)沉降面積明顯大于500~1000m區(qū)域沉降面積。圖11是2007年12月—2009年3月道路交通500m緩沖區(qū)、500~1000m緩沖區(qū)和1 000m緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積與總沉降面積之比統(tǒng)計(jì)圖。對(duì)比圖10和圖11可知,兩個(gè)時(shí)段柱狀圖分布趨勢(shì)相同,說(shuō)明隨著與交通路網(wǎng)距離的增加,沉降面積逐漸減少。
圖10 2003年12月—2004年12月道路交通影響區(qū)沉降面積占比
圖11 2007年12月—2009年3月道路交通影響區(qū)沉降面積占比
分別把2003 年12 月—2004 年12 月和2007 年12 月—2009 年3 月兩個(gè)時(shí)段道路交通影響區(qū)沉降面積與總沉降面積進(jìn)行對(duì)比。如圖12 和圖13 所示,兩個(gè)時(shí)段的沉降總面積、道路交通1 000m 緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積、道路交通500m 緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積以及道路交通500~1000m 緩沖區(qū)內(nèi)沉降面積分別是藍(lán)色、橘色、灰色和紫色曲線??梢钥闯?,4 種顏色曲線走向完全一致,即道路交通影響區(qū)域沉降面積和研究區(qū)的總沉降區(qū)間趨勢(shì)一致,因此,從空間分布角度看,道路交通是影響北京平原區(qū)沉降的主要因素之一。
圖12 2003年12月—2004年12月道路交通影響區(qū)沉降面積和總沉降面積對(duì)比
圖13 2007年12月—2009年3月道路交通影響區(qū)沉降面積和總沉降面積對(duì)比
(2)從時(shí)間角度看,道路交通對(duì)北京平原區(qū)沉降影響定量分析
對(duì)比表3 和表4 可以看出,2007 年12 月—2009 年3 月,沉降量大于60mm 區(qū)間,道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降面積達(dá)到了631.43km2(占總沉降面積87.81%),遠(yuǎn)大于2003 年12 月—2004 年12 月的道路交通影響區(qū)內(nèi)沉降面積7.36km2(占總沉降面積的57.33%)。隨著時(shí)間推移,道路交通影響沉降區(qū)域面積及沉降量增大。2003年12月—2004年12 月道路交通影響區(qū)沉降面積最小值39.24m2對(duì)應(yīng)的沉降量區(qū)間為0~10mm,在2007 年12 月—2009 年3 月道路交通影響區(qū)沉降面積最小值51.57m2對(duì)應(yīng)沉降量區(qū)間為41~60mm。因此,隨著時(shí)間變化,道路交通影響區(qū)不均勻沉降呈增大趨勢(shì)。
(3)從事件角度看,道路交通對(duì)北京平原區(qū)沉降影響定量分析
2007 年12 月—2009 年3 月處于奧運(yùn)會(huì)前后。如表4和圖11所示,一方面,2007年12月—2009年3月研究區(qū)沉降量明顯大于2003年12月—2004年12 月,沉降量劇烈增加;另一方面,2007 年12 月—2009 年3 月時(shí)段,沉降量大于60mm 的面積達(dá)到329.32km2,沉降量大于110mm 的面積達(dá)到89.86km2,沉降范圍劇烈增加。說(shuō)明由于2008 年奧運(yùn)會(huì)影響,地下水抽采,道路交通的動(dòng)載荷劇烈增加等因素,導(dǎo)致北京平原區(qū)沉降加劇。
(4)道路交通對(duì)北京平原區(qū)沉降影響結(jié)論
從空間角度看,一方面,在永定河沖積扇和潮白河沖積扇扇緣,隨著與道路距離的增加,沉降量逐漸減小,沉降面積逐漸減小,說(shuō)明道路交通是影響沉降的主要外部因素之一;另一方面,對(duì)比圖6、圖8 和圖9,可以看出在永定河沖積扇扇中部和扇頂,即使在道路交通緩沖區(qū)內(nèi),沉降量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于永定河沖積扇和潮白河沖積扇扇緣部分沉降量,因此,北京平原地質(zhì)沉積構(gòu)造差異是引起沉降的內(nèi)因,道路交通產(chǎn)生的動(dòng)載荷是引起沉降及加劇沉降的外因。從時(shí)間角度看,隨著時(shí)間推移,沉降量逐漸加大,沉降面積逐漸加大。從事件角度看,2008 年奧運(yùn)會(huì)前后,由于地下水抽采,道路交通壓力增加,北京平原區(qū)沉降加劇。在永定河沖積扇的扇中部和扇頂部,在道路交通緩沖區(qū)內(nèi)沉降較少,因此,地質(zhì)沉積構(gòu)造是地面沉降內(nèi)因;在永定河沖積扇扇緣,隨著與道路距離的增加,沉降量逐漸減小,沉降面積逐漸減小,說(shuō)明道路交通是引起沉降的主要外因。
本文選擇2008 年奧運(yùn)會(huì)前后兩個(gè)典型時(shí)段,以北京平原區(qū)道路交通緩沖區(qū)作為研究區(qū),從時(shí)間、空間及事件三方面定量分析了道路交通對(duì)北京平原區(qū)沉降的影響,得出以下結(jié)論:隨著時(shí)間、事件變化,道路交通影響沉降區(qū)占總沉降區(qū)50%以上,最大達(dá)到87.81%;從空間看,隨著與道路交通距離的增大,沉降量減少,因此,道路交通是影響沉降的主要因素之一。在北京平原區(qū)西南區(qū)域,永定河沖積扇扇中部和扇頂部,在動(dòng)載荷影響區(qū)域內(nèi),沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于扇緣區(qū)域,因此,道路交通是引起北京平原區(qū)沉降的外因。
本文重點(diǎn)研究道路交通對(duì)北京平原區(qū)沉降的影響,以期對(duì)北京市平原區(qū)沉降災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。但對(duì)第四系沉積構(gòu)造與現(xiàn)代斷裂體系分析還不夠詳細(xì),也沒(méi)有考慮高大建筑群的影響。下一步,可在詳細(xì)分析第四系沉積構(gòu)造與現(xiàn)代斷裂體系及高大建筑群靜載荷的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究道路交通對(duì)地面沉降的影響。