西安市地面沉降与地下水位监测数据管理

西安市地面沉降与地下水位监测数据管理（共2篇）

西安市地面沉降与地下水位监测数据管理 篇1

D-InSAR技术用于西安地区地面沉降监测的研究

InSAR技术是20世纪后期发展起来的一种新的测量方法,由于其具有能够实现全天时、全天候的对地观测,现已成为空间对地观测技术的研究热点.D-InSAR技术是在InSAR技术基础上发展起来的一种可以用来检测地面微小运动的`新技术,其可以监测厘米级,甚至毫米级形变的精度.文中分析了D-InSAR技术用于形变监测中存在的误差及其减弱措施,并对该技术在西安地区的应用作了相应的分析.

作 者：杨成生 侯建国 季灵运 马静 YANG Cheng-sheng HOU Jian-guo JI Ling-yun MA Jing  作者单位：杨成生,马静,YANG Cheng-sheng,MA Jing(长安大学,地质工程与测绘工程学院,陕西,西安,710054)

侯建国,HOU Jian-guo(长安大学,地质工程与测绘工程学院,陕西,西安,710054;黑龙江工程学院,黑龙江,哈尔滨,150050)

季灵运,JI Ling-yun(国家地震局第二形变监测中心,陕西,西安,710054)

刊 名：测绘工程  ISTIC英文刊名：ENGINEERING OF SURVEYING AND MAPPING 年，卷(期)： 17(3) 分类号：P227 关键词：合成孔径雷达干涉测量   差分干涉   地面沉降  

西安市地面沉降与地下水位监测数据管理 篇2

北京是世界上水资源最紧缺的特大型城市之一,水资源已成为制约城市建设和发展乃至人民生活水平不断提高的重要因素。北京市人均水资源量不足200m3,远远低于国际公认的人均1000m3的下限。北京市地下水开采量占全市供水量的2/3左右[1],是国际上为数不多的以地下水作为主要供水水源的大都市之一。

北京的地下水资源经历了“盈余—平衡—超采”三个阶段。自20世纪90年代至今,北京市地下水以每年25亿m3左右持续开采,地下水平均埋深由1978年的6.4m增大到2010年的24.9m。北京平原区因地下水超采已形成五大沉降区[2],截止到2010年,地面沉降累计沉降量大于50mm的区域约4281km2,占平原区总面积的67%。地面沉降对北京的社会经济带来了重大损失。据调查,城区自来水供水管线破损有34%是由于地面沉降造成的[3]。为避免地下水超采可能引发更大规模的地面沉降,缓解地面沉降的危害程度,迫切需要研究地下水开采对北京平原区第四系地质结构的影响。

目前,北京地区超采地下水引起地面沉降的规律还不明确,对不同地区地下水水位变化与地面沉降量之间的关系还不清楚。因此,研究不同地区地下水水位与地面沉降之间的关系是十分必要的。对于合理调整地下水开采布局,在保障北京市供水的同时提高地质环境安全、保障轨道交通,促进首都宜居城市建设具有重要意义。

1 地下水动态分析

1.1 地下水水位年际变化规律

由图1可以看出:地下水位总体呈持续下降趋势。1980~1993年水位持续下降,地下水埋深约13m;1994~1998年地下水位有所回升,埋深约12m;1999~2010年,由于遭遇持续干旱,地下水位持续下降,地下水埋深约25m。

1.2 2010年平原区地下水流场分析

北京平原区地下水资源支撑了北京市经济社会的快速发展,为北京市发展做出了重大贡献。南水北调水进京前,地下水超采是权宜之计,南水北调水进京后,必需对北京市的地下水开采布局进行调整,以涵养地下水资源。2000年后,尽管因再生水使用、节水等措施,地下水开采量降低,但自1999年连续干旱以来,造成地下水补给量锐减,地下水依然处于超采状态。地下水水位呈逐年下降趋势。地下水降落漏斗区面积呈逐渐增大趋势[4]。

从2010年年末地下水流场来看,整个平原区地下水流场趋势发生了较大变化,昌平、朝阳、顺义和怀柔区形成的地下水降落漏斗区已经和平谷中西部地区形成的地下水降落漏斗区连在一起,漏斗面积已经达到1585.8km2如图2所示。

2 地面沉降现状分析

截止到2010年年底,北京平原区地面沉降量大于50mm的面积为4281km2。大于100mm的地面沉降面积为3901km2,北京平原区累计最大沉降量达到1233mm[5],最大年沉降速率达到137.5mm。整体呈南北分区状态,各沉降中心的分布及发展现状主要表现为:原有的昌平沙河—八仙庄、朝阳来广营、东八里庄—大郊亭以及大兴榆垡—礼贤等老沉降中心继续快速发展。受区域沉降快速发展的影响,顺义平各庄沉降中心已经与周边沉降中心连成一片。通州地区、平谷城区、海淀苏家坨地区成为近年来北京平原区沉降速率和沉降区域扩展发展最为迅速的地区,各沉降中心位置及累计沉降量分布情况如图3所示[6]。

3 地下水开采与地面沉降关系

3.1 开采量与地面沉降关系

如表1所示[6],对比各个时期地下水开采量与地面沉降发生发展趋势可以看出:北京地下水开采历史与地面沉降发展历史相一致,地面沉降范围、沉降速率随地下水开采地区及开采强度的变化而变化,地下水开采大量增加时期,也是地面沉降快速发展期。

3.2 地下水位变化与地面沉降变化关系

3.2.1 区域地下水动态和地面沉降变化

近10年来,北京连续干旱,2001~2010年的10年间,除2008年外,年降水量均小于多年平均降水量,而地下水供水量仍处于高位运行,地下水超采严重。近两年来,随着开采深度和开采量的增加,深层地下水水位下降更快。尽管2010年的降水量有所上升,但仍未超过多年平均降水量,区域地下水整体上继续呈现下降态势,尤其是中深层承压水和深层承压水下降幅度较大,同时期的地面沉降不论在沉降面积还是沉降量上均有不断增加的趋势。

从图4可以看出,北京平原区地下水漏斗区与地面沉降区位置基本一致。顺义、朝阳、大兴等地水位较低处,地面沉降较发育,地下水位动态变化与地面沉降变化关系密切。

3.2.2 地下水动态及地层沉降变化规律

在地下水位反复升降过程中,地层处于反复加卸荷状态,地面沉降主要是粘性土层压密造成的,且表现为持续沉降。选取北京早期建立的东郊地面沉降区内的典型沉降区监测站点天竺站、望京站、王四营站的分层监测数据,研究地下水水位与地面沉降相关关系。

北京市东郊地区位于永定河冲洪积平原的中下游。该区第四系地层发育,上更新统冲洪积粉质粘土和粉土广泛分布。第四系厚度自西向东逐渐增大,沉积层数增多,颗粒由粗变细。

东郊地区在1955年以后,东郊纺织业、电子业兴起,地下水开采量增大。到20世纪80年代,工业自备井数达到了350个,地下水年开采量为6000万m3,年地面沉降量为60mm[7]。2000年以来,开采量逐年降低,平均开采量为3500万m3/a,开采井数约300个。目前地面沉降速率有所减缓,但由于连续干旱年,地下水补给量锐减,即使开采量减少,地下水水位总体趋势仍然持续下降。

天竺监测站点分层标距地面64.5~82.3m处岩性为粘土与粉细砂互层,粘土层厚度约为16m。王四营站分层标监测段66~94m为粘土层与砂层互层,层次较多,粘土层和砂层的累计厚度相当。望京站分层标80~90m处岩性为细砂与粘土互层。

天竺站D3-4和王四营站D1-3水位在反复升降过程中呈持续下降状态,对应层段的沉降量以较快的速度呈持续累加状态,到目前为止未出现减缓的迹象,沉降量仍在不断累加,即使地下水位出现回升现象,沉降量仍然会在相当长的一段时间内继续增加,如图5(a)、图5(b)所示。望京站D2-3孔水位前期处于持续下降状态,自2008年以来,水位出现回升,沉降速度有所减缓,如图5(c)所示[8]。

该段地层水位下降比较小,但仍能看出地面沉降变化与地下水的变化趋势的一致性,即在长时间序列下,天竺、望京、王四营3个站地层沉降的变化趋势与相邻或对应层段内地下水水位变化趋势基本一致,即地下水位下降,地面沉降量持续增加,地下水位上升,地面沉降存在滞后,下降趋势减缓。

3.2.3 地下水水动态变化与地层沉降变化关系

选取典型地面沉降监测点王四营站F1-3分析地下水水位变化与地面沉降的响应关系。采用logistic方程[9]拟合地面沉降与水位之间的关系,其关系式为:

式中:S表示累积沉降,H表示水位标高。

拟合曲线如图6所示。拟合效果较好,相关系数达到0.92,基本反映水位与沉降之间的关系。初期随水位下降地面沉降增加较小,中期随水位下降沉降量增加较快,后期地面沉降有所减缓,但幅度不大,说明此阶段是地面沉降的持续发展期,地下水位变化较易造成地面沉降。

分析王四营站F1-2地下水水位变化与地面沉降的响应关系。其关系式为:

式中:S表示累积沉降,H表示水位标高。

拟合曲线如图7所示,拟合值与实测值基本一致,相关系数达到0.96,很好的反映水位变化与沉降之间的关系。初期随水位下降地面沉降增加较小,中期随水位下降沉降量增加较快,目前地面沉降依然处于较快发展阶段。说明粘性土层压缩仍处于快速发展阶段,粘性土层的释水压密量仍然较大,处于不断压密过程中,固结程度在不断提高,即使地下水水位下降的趋势减缓,压缩变形仍然还会在相当长的一段时间内存在,沉降量会继续累加。

选取地面沉降监测点望京站F2-2分析地下水水位变化与地面沉降的响应关系。其关系式为:

式中:S表示累积沉降,H表示水位标高。

拟合曲线如图8所示,拟合效果较好,相关系数达到0.91,较好的反映了水位与沉降之间的关系。初期随水位下降地面沉降增加较小,中期随水位下降沉降量增加较快,后期地面沉降增加较慢,说明此阶段地面沉降趋于稳定。

3.2.4 分析讨论

(1)对比王四营站浅层及中深层地下水位与地面沉降关系,66~94m地层水位下降8m,地面沉降变化32mm,而94m深地层水位下降16m,地面沉降变化94mm。说明王四营附近地下水开采层位主要在94m以深的地层,此段地面沉降变化较大,是地面沉降的主要贡献层。

(2)对比望京站与王四营站深层地下水与地面沉降关系,望京站深层水位下降13m,地面沉降变化137mm,与王四营站相比,地面沉降变化幅度较大,说明望京附近地下水位变化更易引起地面沉降的发生。

(3)通过对长时间序列下,区域地下水和监测站内地下水动态变化与地面沉降变化趋势的对比,以及监测站内不同深度含水层地下水位动态变化与分层地面沉降变化趋势的对比,可以看出:地面沉降变化趋势与地下水水位动态变化具有良好的一致性,地下水位在反复升降中呈持续下降状态,地面沉降量呈持续增加状态,沉降速率的周期性变化与地下水水位的季节性反复升降过程吻合,地下水水位变化是地面沉降发生发展的主要诱因。地层结构是地面沉降产生的内因,其对地面沉降影响程度如何,需进一步分析、探讨。

4 结论

(1)北京地下水开采历史与地面沉降发展历史相一致,地面沉降范围、沉降速率随地下水开采地区及开采强度的变化而变化,地下水开采大量增加时期,也是地面沉降快速发展期。

(2)北京平原区地下水漏斗区与地面沉降区位置基本一致。顺义、朝阳、大兴等地水位较低处,地面沉降较发育。全市平原区地下水位基本处于持续下降状态,大部分地区地面沉降以较快的速度发展,累计沉降量不断增加。地下水位动态变化与地面沉降变化关系密切。

(3)利用Logistic方程,采用通用公式S=-A/(1.0+BeCH)构建了地下水水位变化与地面沉降之间的相关关系模型,地面沉降典型区地面沉降与地下水水位变化表明:二者之间具有很好的相关性,沉降变化速率与水位变化速率变化过程基本吻合,地下水水位变化是地面沉降发生发展的主要诱因。

摘要：北京市地下水长期过量开采,造成地下水位持续下降,地面沉降区持续扩展,抑制了北京市经济可持续发展。为缓解地面沉降的危害程度,本文评价了北京平原区地下水开发利用和地面沉降的现状,研究了地下水与地面沉降的关系,采用逻辑斯蒂方程拟合地下水水位与地面沉降量的相关关系。研究表明:地面沉降变化趋势与地下水水位动态变化具有良好的一致性,地下水水位变化是地面沉降发生发展的主要诱因。研究成果对于合理调整地下水开采布局,保障供水的同时提高地质环境安全具有重要意义。

关键词：地下水水位,地面沉降,逻辑斯蒂方程,相关关系

参考文献

[1]陈培钧,吕晓俭,谢振华.北京地下水资源与首都持续发展[J].北京地质,1999,(4):1～6.

[2]贾三满,王海刚,赵守生等.北京地面沉降机理研究初探[J].城市地质,2007,2(1):20～26.

[3]贾三满,王海刚,罗勇等.北京市地面沉降发展及对城市建设的影响[J].城市地质,2003,13～18.

[4]田雨,雷晓辉,孙甲岚等.南水北调通水前北京市水资源情势及应对措施[J].南水北调与水利科技,2011,9(2):60～63.

[5]贺国平,周东,杨忠山等.北京市平原区地下水资源开采现状及评价.水文地质工程地质[J].2005,(2):45～48.

[6]杨艳,贾三满,王海刚.北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析[J].上海地质.2010,30(4):23～28.

[7]孙承志,高云安,胡晓天等.北京市东郊地面沉降分析[J].岩土工程界.2002,5(11):27～29.

[8]田芳,郭萌,罗勇等.北京地面沉降区土体变形特征[J].中国地质,2012,39(1):236～242.