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地球信息科学学报 >

2015 , Vol. 17 >Issue 8: 909 - 916

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2015.00909

北京典型区地面沉降演化特征与成因分析

  • 张雯 , 1 ,
  • 宫辉力 , 1, 2, 3**, * ,
  • 陈蓓蓓 1, 2, 3 ,
  • 段光耀 1, 2, 3
展开
  • 1. 首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048
  • 2. 城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地,北京 100048
  • 3. 三维信息获取与应用教育部重点实验室,北京 100048
*通讯作者：宫辉力（1956-）,男,博士,教授,研究方向为地图学与地理信息系统。E-mail:

作者简介：张 雯（1992-）,女,本科生,研究方向为地图学与地理信息系统。E-mail:

收稿日期: 2014-08-20

  要求修回日期: 2015-01-22

  网络出版日期: 2015-08-05

基金资助

国家自然科学基金重点项目“北京地区地面沉降三维形变及演化机理研究”(41130744)

国家自然科学基金面上项目“地下水降落漏斗区动静载荷演化诱发地面沉降机理研究”(41171335),“973”计划前期研究专项课题“城市典型区域不均匀沉降信息获取与机理研究”（2012CB723403）

收起

Evolution and Genetic Analysis of Land Subsidence in Beijing Typical Area

  • ZHANG Wen , 1 ,
  • GONG Huili , 1, 2, 3, * ,
  • CHEN Beibei 1, 2, 3 ,
  • DUAN Guangyao 1, 2, 3
Expand
  • 1. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China
  • 2. Base of the State Key Laboratory of Urban Environmental Process and Digital Modeling, Capital Normal University, Beijing 100048, China
  • 3. Key Laboratory of 3D Information Acquisition and Application of Ministry, Capital Normal University, Beijing 100048, China
*Corresponding author: GONG Huili, E-mail:

Received date: 2014-08-20

  Request revised date: 2015-01-22

  Online published: 2015-08-05

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

北京从20世纪50、60年代发现地面沉降以来,其一直呈快速发展的态势。在过去的几十年里,北京市地面沉降的范围和速度逐年增加。本文以北京市典型地面沉降区为研究区,选择永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术所获取的2004-2010年间北京地面沉降信息作为主要数据源,补充水准测量数据（1955-2010年）,从空间分布和时序变化2个角度,分析北京市平原典型区地面沉降演化特征。结合地下水动态监测网数据、土地利用数据,采用GIS空间分析,研究各因素和地面沉降之间的时空响应关系。结果表明,北京地区地面沉降严重区域面积不断扩大,且局部不均匀程度逐渐增加。在研究期内,地下水水位变化在时间和空间上与地面沉降有较高的一致性,地下水超量开采是影响北京地区地面沉降的最主要因素,而城市发展过程中的工程活动也是影响地面沉降时空分布特征的因素之一。研究结果可为北京市地面沉降防控提供一定的科学依据。

关键词： 北京典型区; 地面沉降; 时空演化; 地下水; 城市建设

本文引用格式

张雯 , 宫辉力 , 陈蓓蓓 , 段光耀 . 北京典型区地面沉降演化特征与成因分析[J]. 地球信息科学学报, 2015 , 17(8) : 909 -916 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2015.00909

Abstract

Since land subsidence was firstly discovered in the 1950s in Beijing city, it has revealed a rapid developing trend. In the past few decades, land subsidence has been increasing in both its range and speed year by year and become one of the most serious disasters affecting the safety and development of Beijing [1]. In this paper, we choose four typical subsidence locations as the study area. The land subsidence information of the typical area in Beijing plain during 2004-2010 was used as the primary data source. This is acquired by Permanent Scatterers Synthetic Aperture Radar Interferometry (PS-InSAR) method, which has high accuracy and been widely used in deformation monitoring and land subsidence research. Meanwhile, the conventional monitoring data (1955-2010) was adopted as the supplement data. Then, we analyzed subsidence evolution characteristics from two aspects: spatial distribution and temporal evolution. Combing with the groundwater dynamic monitoring data, the land-use data from remote sensing and the using of GIS spatial analysis, we study the spatial and temporal respond and the important factors affecting land subsidence. The result shows that the seriously affected areas of ground subsidence in Beijing had expanded unceasingly, and the degree of unevenness has been gradually increasing. During the study period, the change of groundwater level had a high consistency with land subsidence in temporal and spatial distribution. In the process of urban development, engineering activities were considered another factor affecting the characteristics of spatial and temporal distribution of land subsidence. In this paper, our research indicated that the excessive exploitation of groundwater is the main influence factor for the subsidence in Beijing; and the rapid development of city leading to large-scale construction is also one of the factors that make the subsidence worse and more serious. The results have considerable referential importance and can provide a scientific basis for the prevention of land subsidence in Beijing.

Key words： Beijing typical area; land subsidence; spatial-temporal evolution; groundwater; urban development

1 引言

地面沉降是在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象,是一种不可补偿的永久性环境和资源损失[1]。北京地区地面沉降发展迅速[2],严重威胁着人们的生产、生活安全。
目前,国内外研究学者对区域地面沉降的研究,主要围绕地面沉降监测方法、时序演化特征、成因机理等方面展开。另外,利用InSAR、GPS监测数据补充长时间序列的常规监测数据,被用于研究区域地面沉降的空间分布特征、时间演化特征[3-7]。在地面沉降成因机理研究方面,地下水过量开采、城市化建设导致的地面沉降是研究的重点。研究结果表明：地下水过量开采、城市化建设过程中导致的土地利用格局的改变已成为诱发地面沉降的重要因素[8-16]。
自1955年以来,北京平原区累积沉降量大于50 mm、大于100 mm,以及大于200 mm面积均不断扩大,截止到2010年底,北京平原区地面沉降量大于50 mm的面积为4281 km2,大于100 mm的地面沉降面积为3901 km2,大于200 mm的面积为2475 km2,已占到北京平原区面积的1/3,最大累积沉降量达到1233 mm,最大年沉降速率达到137.5 mm/a[17]。区域地面沉降尤其是不均匀沉降,已经对京津城际铁路、京沪高速铁路等交通工程沿线及周边地区产生一定影响;在部分沉降区甚至发现居民区楼房坍塌、工厂墙壁、地板开裂、施工地基下沉、地下管道工程受损等问题。
综上所述,对北京地面沉降问题的研究,已成为实现北京城市社会经济健康可持续发展的重要需求。系统掌握北京地面沉降时空演化规律,进而开展相关因素分析,对实现北京城市地面沉降科学治理,合理制定城市发展规划具有重要意义。考虑到目前较少开展多源数据的时空演化特征及其相关因素的分析研究,本文在最新的永久散射体合成孔径雷达干涉测量（PS-InSAR）技术所提取的高精度地表形变场数据基础上,结合传统的水准测量数据、地下水开采数据、土地利用数据,采用分区统计的方法,分析北京市平原区地面沉降的时空演化特征及其成因。

2 研究区概况与数据

研究区位于北京中部及东南部（图1）,是地面沉降较严重的地区。近年来,北京地区连续8 a干旱少雨,城市用水主要依靠开采地下水资源。随着北京地下水开采量增大且空间分布不均匀,北京地区已成为世界上超采地下水严重的地区之一,也是国内地面沉降严重的区域之一[18]。
Fig. 1 Location and extent of the study area in Beijiing

图1 研究区位置与范围

经过20多年的建设,通州区、顺义区、昌平区和大兴区作为重点发展的卫星城,有了较大的发展,城市化进程中的建筑面积扩张迅速,人口增长量大,其中,通州区、顺义区发展成为地面沉降重点区域。
本文研究的数据来自欧空局Envisat-ASAR降轨数据,时间跨度为2004年1月至2010年8月,地下水动态长期观测网数据（地下水位）来自北京市水务局年度报告,北京市土地利用变化（1990、2000、2006、2010年）数据来自同时期的TM影像分类,同时补充常规水准测量数据（1955-2010年）[6]作为本次研究的数据源。

3 地面沉降演化特征分析方法

3.1 地面沉降形变PS-InSAR监测方法

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是将2个或多个不同轨道位置或不同时间获得的复数SAR数据进行相位差分处理,从这些差分干涉数据中可提取有用信息,然而,InSAR技术有时间失相干及空间失相干的局限性,导致传统的重复轨道D-InSAR方法,在大多数应用地区仅限于cm级的精度,而这对于城市微小地表形变而言是不适用的。
永久散射体干涉测量技术（Persistent Scatterers for SAR interferometry,PS-InSAR）能有效降低时间空间去相干影响,以及减弱大气延迟引起的误差组分。针对覆盖北京市区的整景降轨数据,本文采用StaMPS方法获取地表形变信息。首先,获取主辅影像干涉对,采用外部SRTM 90 m分辨率DEM去除地形相位,生成差分干涉图。然后,根据相干性和振幅离差指数初步选取PS点,并评估误差组分的空间相关性,筛选高质量PS点。最后,根据大气相位、地形残差相位,轨道和噪声的时间空间特征,采用时空滤波方法逐步分离,得到最终的形变信息[19-20]。

3.2 地面沉降演化特征与成因分析方法

（1） 地面沉降时空演化特征研究方法。采用统计分析和空间分析方法,分析地面沉降空间布局和时间演化特征。
（2） 地面沉降多因素分析方法。采用统计分析和叠加分析方法,建立王四营地面沉降监测站附近的剖面,分析王四营周边40 km范围内地下水位埋深与地面沉降速率之间的空间关系;结合该地区地面沉降监测站内的分层标监测数据与地下水动态监测资料,对区域内长时间序列的地下水水位与地面沉降相关性进行分析;以TM影像提取土地利用情况,选取朝阳区、昌平区和顺义作为典型区,采用空间分析方法研究城市化建设与地面沉降的相 关性。

4 北京市地面沉降时空演化特征与 成因分析

4.1 北京地面沉降空间分布特征

基于永久散射体合成孔径雷达干涉测量（PS-InSAR）算法,得到北京平原地面沉降平均速率（2004-2010年）数据,收集到2009年二等水准点6个,提取了水准点对应位置100 m范围内的InSAR结果进行比较（表1、2）,并得到结果验证精度[21],结果表明,尽管数据量有限,但InSAR数据与水准数据仍具有较好的相关性,其说明InSAR数据的可靠性、准确性。
Tab. 1 Comparison results between InSAR values and leveling (2009)

表1 InSAR值与水准测量值比较结果(2009年)

编号 经度(°) 纬度(°) 水准(mm) InSAR(mm) 互差(mm)
1 116.2997 39.49833 -40.52 -40.0056 -0.5144
2 116.3917 40.13333 -26.52 -24.6693 -1.8507
3 116.4544 40.03256 -44.52 -48.8844 4.3644
4 116.5247 39.86306 -36.39 -36.3691 -0.0209
5 116.5419 40.09778 -44.97 -44.9910 0.0210
6 116.6558 40.09917 -23.17 -24.7429 -1.5729
Tab. 2 Verification of INSAR results (2009)

表2 InSAR结果验证(2009年)

验证指标值 最大绝对误差(mm) 最小绝对误差(mm)
4.3644 0.021
选取水准测量数据（1955-2010年）,结合InSAR结果,分析研究区地面沉降总体特征（图2）。从分布上看,研究区地面沉降主要分为北、中、南3部分,形成3大沉降区。其中,北区主要包括昌平区东南的沙河-八仙庄和顺义-平各庄沉降区;中区主要包括朝阳-来广营沉降区和东八里庄-大郊亭沉降区,以及通州区的西部;南区主要是大兴榆垡-礼贤沉降区。顺义-平各庄漏斗区、昌平沙河-八仙庄漏斗区与朝阳-来广营漏斗区连成一片。总体来看,北京地面沉降量表现出空间分布不均匀性。沉降量较大的地区主要集中在北部的顺义区、昌平区和南部的大兴区,西部、中心城区和东南地区则沉降量较小。
Fig. 2 The distribution of ground subsidence and sedimentation rate in the study area in 1955 and 2010

图2 研究区1955-2010年间累积地面沉降量及沉降速率空间分布叠加图

4.2 北京主要地区地面沉降时序演化特征

在地面沉降较为严重的范围选取5个典型区域（图2）,分别为昌平沙河-八仙庄、朝阳东八里庄-大郊亭、朝阳-来广营、顺义-平各庄,以及通州西北处。结合InSAR监测结果,分析地面沉降时序演化特征。根据时间序列沉降监测信息,统计各典型区内地面沉降累积沉降量,如图3所示。
Fig. 3 The line graph of accumulative total volume of subsidence in typical subsidence regions (2004-2010)

图3 典型区域累积沉降量折线图（2004-2010年）

5年间,所选5个典型区域的沉降量都呈平稳上升趋势。2004-2009年间,各大沉降区的累积沉降量分别为昌平沙河-八仙庄：272.8 mm,朝阳东八里庄-大郊亭：460.5 mm,朝阳-来广营：434.0 mm,顺义-平各庄：281.6 mm,通州西北处：435.8 mm。此后,各大沉降区的沉降速率较之前稍有增大,截止到2010年,最大沉降量分别达到：449.8 mm、678 mm、545.9 mm、383.1 mm、635.0 mm。与此同时,通州西北处、朝阳东八里庄-大郊亭的沉降速度也出现了最大值,都超过130 mm/a,其中东郊沉降速度达到最大值为137.5 mm/a,由此可见,在老沉降区继续发展的同时,通州地区成为近年来北京平原区沉降速率发展较为迅速的地区。
根据北京市地面沉降危害分区参考标准[22],将研究区分为几个等级。市区内及重点城镇区,年沉降量≤10 mm/a或累积沉降量 ≤ 300 mm的区域为地面沉降一般区;年沉降量10~30 mm/a或累积沉降量300~500 mm区域为地面沉降发育较严重区;年沉降量大于30 mm/a或累积沉降量超过500 mm区域为严重区。据此得到在1955-2006年间、2006-2009年间地面沉降严重区、地面沉降较严重区、地面沉降一般区及地面沉降轻微区空间分布图（图4）。
Fig. 4 The extent and area ratio of land subsidence (1955-2006 and 2006-2009)

图4 地面沉降危险性分区和面积比例图(1955-2006、2006-2009年)

如图5所示,在空间上,北京市地面沉降严重区面积不断扩大,所占比例由2006年底的2%增长到2009年底的7%,地面沉降一般区所占比例由13%增长到27%。空间范围涉及海淀、朝阳、昌平、顺义、通州、大兴等区县。自1955年发现地面沉降以来,地面沉降量由最初的几毫米增长到2009年底的几百毫米甚至1000 mm以上,其中,朝阳区基本处于严重沉降区内,累积沉降量在1100 mm以上,大兴南部地区属于严重区,最大累积沉降量超过900 mm。顺义区、通州区在近几年地面沉降发展最为迅猛,沉降范围基本覆盖到整个区域,其中,通州新城基本处于地面沉降严重区和较严重区内,顺义新城大部分地区处于地面沉降较严重区内,年沉降量基本保持在50 mm以内。

4.3 北京地面沉降因素分析

（1）地下水开采与地面沉降的关系
随着城市建设、工业发展及人口增长,需水量日益增大,对地下水资源的需求量也越来越大,地下水超采严重;同时,北京地区连续干旱也导致地下水补给严重不足。区域地下水位整体呈现持续下降态势。
对地下水位等值线（2004-2010年间平均值）和同时期的地面沉降监测结果（2004-2010年间平均值）进行叠加分析（图5）。从图5可看出,地面沉降的分布范围与地下水水位降落漏斗分布范围基本一致。地面沉降严重的地区也是北京地下水位降落漏斗的中心区,主要分布在顺义天竺地区、昌平东南处、朝阳地区及通州西北处[1]。
Fig. 5 Land subsidence rates and groundwater depth overlay map (2004-2010)

图5 沉降速率和地下水埋深叠加图(2004-2010年)

选取王四营附近典型区域,沿图（5）所示A-B构建长度为40 km的地下水位和地面沉降速率剖面（图6）。由剖面线看,地下水位最低点在距A点25 km处,该点也是最大地面沉降速率所处位置。以漏斗为中心,以5 km为半径,生成缓冲区,随着缓冲区由内向外,地下水位逐渐升高,沉降速率逐渐减小,作AB的垂直剖面CD如图5所示,在CD方向上仍能看出地面沉降变化与地下水的变化趋势的一致性。
Fig. 6 The profile of land subsidence trend and the correlation with groundwater flow field (A-B, C-D)

图6 地面沉降趋势与地下水流场相关性剖面图（图5所指A-B,C-D剖面）

进一步综合王四营典型区域地面沉降监测站内分层标监测数据与地下水动态监测资料,对区域内长时间序列的地下水水位与地面沉降相关性分析显示（图7）。研究区地下水动态变化与地面沉降变化趋势基本一致,地下水位在反复升降过程中呈整体持续下降状态,主要是高水位期含水层回弹量逐渐减少、低水位期压缩量增大,并随水位的进一步降低而逐渐呈常年压缩态势。区域的沉降量发展速度随着地下水位的变化而变化,地下水位下降阶段对应土层形变速率增大;当含水层地下水位略有回升时,土层变形速率也有所减小。地面沉降累积量随着地下水位持续下降呈持续增加的趋势。由此可知,地下水过量开采引发的地下水位下降,是引起地面沉降的主要原因之一。
Fig. 7 Subsidence curves and corresponding groundwater table curves at Wangsiying station

图7 王四营站分层标与同层段内水位标高变化曲线

（2）地面沉降和城市化建设的关系
在“北京城市总体规划”的指导下,北京远郊卫星城城市建设发展迅速。选取1990-2010年间覆盖研究区的4景TM影像,提取土地利用类型（图8）。
Fig. 8 Land use changes in Beijing city (1990-2010)

图8 北京城区土地利用变化情况（1990-2010年）

由图8可见,自20世纪90年代以来,北京建成区面积呈现持续增长趋势,扩展方向由中心城区向外延伸。1990年建设用地面积为1116 km2,2000年建设用地面积较1990净增433 km2,达到1548 km2,2006年建设用地为1757 km2,相比于2000年净增209 km2。2010年建设用地为1792.4 km2,较2006年净增35 km2。在1990-2000年间建设用地以平均43 km2/a的速度扩增,在2000-2006年间,建设用地以平均 35 km2/a的速率扩增,在2006-2010年间,建设用地以平均9 km2/a 的速率扩增,建设用地的主要转入来源为农田,其全部土地利用类型增加量最大。
随着城市的大规模建设,建筑物对地面沉降的影响作用凸显。选择北京市典型区域建筑密集区及不同时期的地面沉降监测资料进行对比分析发现（图9）：地面沉降与城市建设呈正相关。即随着以工业和住宅等为主要目的建设用地的迅猛增长,地面沉降的速度也在不断加快。其中,昌平区2010年建成区面积较1990年增长了111 km2,地面沉降速率较1990增长了101 mm/a;在此期间,朝阳区建成区面积的净增长量较其他2个地区大,为190 km2,沉降速率的增长量也最大,为128.5 mm/a;顺义区建成区面积净增长量最小,为93 km2,沉降速率增长量也较其他两区最小,为83 mm/a。
Fig. 9 The area of construction and the land subsidence rate curve in typical regions

图9 典型区域建成区面积与地面沉降速率曲线

城市化进程中导致地面沉降的原因复杂多样,最初主要由大量开采地下水造成,随着大规模的城市化建设,人口的迅速增长和不断增长的行业,使得用水需求量逐年增大,地下水开采量随之增大,直接导致地下水降落漏斗和地面沉降的演化;从资源和环境的角度来看,建成区的面积增大最明显的后果是引起水循环的变化,农田绿地的面积逐渐减小,防渗材料,如混凝土,塑料或沥青逐渐取代天然表面。建成区渗透系数较小,使降雨对地下水有效补给量较少,间接导致了地面沉降的形成和发展。
对朝阳、昌平、顺义3个典型研究区的绿地面积和建成区面积进行对比发现,朝阳区（图10(a)）在建成区面积的速度快速增长的同时,其耕地、绿地总面积以10 km2的速度快速减少,减少速率最大,而昌平（图10(b)）、顺义（图10(c)）2区的耕地、绿地总面积则得到了一定程度的保持,减少速度分别为6 km2/a和5 km2/a,与此同时地面沉降的态势与之相似,最大的地面沉降速率出现在朝阳区,在2010年底达到137.5 mm/a,顺义区和昌平区的沉降速率分别为103.3 mm/a、126.4 mm/a。进一步分析结果表明,地面沉降速率与城市化建设速度呈现较好的一致性,但并非完全正相关,这是因为地面沉降与城市建设的空间-时间的相关是由多方面因素引起的。除了城市化建设带来的用水量的增加,导致地下水开采量的增加,直接产生地面沉降以及由于水循环发生改变间接产生地面沉降的因素以外,工程活动已成为中心城区地面沉降重要影响因素之一。首先,城市建筑本身有一定的荷载,该部分载荷应力可能会造成地面沉降,其次,城市建设过程中的基坑排水工程,即疏干一部分浅层地下水,造成孔隙水压力增加,土体压密也可能产生地面沉降。因此,有效利用地下水,保持农田、绿地总面积（城市透水面面积）,以及对于工程建设中的多因素引起的地面沉降给予足够重视,对地面沉降的进一步发展具有抑制作用。这对于北京城市地面沉降的防治需求,合理制定城市未来建设规划,提高社会经济可持续发展能力,有重要的参考价值。
Fig 10 Comparison of building and vegetation cover area of Chaoyang, Changping and Shunyi districts

图10 朝阳、昌平、顺义3区建成区面积和绿地面积变化

5 结论

本文以多源数据与GIS分析了北京典型区地面沉降时空特征及其影响因素,以及地面沉降时空演化,结果表明,旧沉降区继续发展,新沉降区已经形成,地面沉降处于快速发展时期。时空上呈现不均匀性,局部最大形变速率达到14 cm/a,严重沉降区面积不断扩大。
将InSAR地面沉降形变响应信息结合年际地下水流场信息进行对比分析,揭示出研究区地面沉降发展与地下水位变化在空间和时间上较一致,表明地下水超量开采,是地面沉降的主要驱动力。采用TM影像,提取土地利用类型,分析近20 a来建筑面积的增长和同时期的沉降速率的变化趋势,结果表明,随着城市建设的快速发展,新城区沉降趋势较明显,地面沉降的发展速率与建设规模总体相一致。

The authors have declared that no competing interests exist.

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