福州盆地多源地面沉降监测体系的建立

庄立贤

（福建省地质测绘院，福建 福州 350011）

0 引言

随着城市建设的发展和扩张，尤其是地铁、房地产开发等民生工程的日益增多，因工程建设引发的地面沉降灾害时有发生。根据《地质灾害防治条例》（国务院令第394号）、《国务院关于加强地质灾害防治工作的决定》（国发〔2011〕20号）等文件要求，加强城市地面沉降监测工作，最大限度地消除地质灾害隐患，保障人民群众生命财产安全，维护社会安定稳定，福州盆地地面沉降监测体系的进一步完善已成为一项极为重要和紧迫的工作。

1 福州盆地地面沉降研究现状

据观测资料，1967—1986年，福州盆地温泉区内地面累计沉降量为56～414mm，而1987—1988年，地面高程下降了13～74mm。对福州地热田北部不同时期监测、调查资料进行分析，可以得到漏斗中心地带不同时期地面沉降速率经历了以下阶段：20世纪60年代为20mm/年；70年代为25～33mm/年；20世纪80年代后期至20世纪90年代初期为40mm/年。1991年6月—1992年6月的观测显示，五四路北区沉降量达到74.5mm。

在近6年的时间采用高精度雷达对福州市区地面沉降状况进行了监测，结果显示福州市地面沉降总体情况较好，大部分地区地面稳定性较好，但存在明显的区域性沉降差异特点，有多个沉降漏斗存在，并有加剧的趋势。数据分析表明，在6年的监测期间，年均沉降率约为-15mm，最大沉降率均出现在仓山区域。最大沉降点位于仓山区建新南路的红江小区，年均沉降率达到-55.43mm；次大沉降量点位于仓山区南三环飞凤水岸小区，年均沉降率达到-55.36mm。通过福州盆地InSAR监测结果统计和对比分析表明，不同区域的地面沉降受地下水抽取、河流水系以及各类工程及人类活动扰动综合影响，尤其是在温泉分布区，沉降速率与时间呈显著的非线性特征。

2 存在问题

2.1 监测手段单一

为了解福州城区地面沉降规律，从20世纪60年代至20世纪90年代的监测资料显示，福州市区主要采用水准测量与实地查证的方式进行，研究范围主要位于福州盆地地热田分布区。

2008年7月—2014年6月，采用DS-InSAR技术（永久散射体合成孔经雷达干涉测量）对福州地面沉降状况进行监测，缺乏地面实测形变数据，PS-InSAR技术监测到的沉降量级只与实地考察形变量进行了比对，而没有与其他监测数据进行对比。

2.2 先进监测技术的应用推广不足

上海在世界上率先建立了健全的地面沉降监测网络，采用28座综合监测站和1 150个水准点覆盖全市范围，同时引进GPS卫星定位系统、建立计算机自动监测站，实现监测网络观测、数据采集和传输的信息化管理。福州盆地地面沉降监测技术手段较为原始且缺乏连续性，全区未构建统一的监测体系，不易即时捕获福州盆地地面沉降发展的态势。

随着福州市城市建设规模的扩大，福州地铁1号线、2号线的开通运营及规划的几条地铁线路陆续开工建设，建设工程对福州盆地地表形变的影响缺乏足够的监测数据。

3 福州盆地多源地面沉降监测体系的构建

3.1 总体技术路线

采用GNSS、INSAR、地质调查、物探勘查、钻探、精密水准、土体分层沉降标组、传感器、自动化监测采集、地下水监测网和地理信息系统、5G等技术，形成空间三维、多种技术优势互补的、多功能综合性监测网，从而构建天-地协同的多源地面沉降监测体系。及时查明福州盆地地面沉降范围、规模、成因及其发展趋势；加强地面沉降灾害的防治技术研究，提高监测区域大型工程建设地面沉降预测与防治的能力。总体技术路线如图1所示。

图1 福州盆地地面沉降监测技术路线

3.2 技术方法

3.2.1 资料收集

收集福州盆地基础地质资料、水工环地质勘查资料、市政规划现状及远景规划资料，监测区域范围及周边平面与高程控制点、福州盆地地下水监测站点等基础信息资料。

3.2.2 GNSS+InSAR

采用InSAR调查地面沉降灾害发育现状，绘制测区监测点分布图、地面沉降等值线图，为监测网点以及土体沉降标组的布设提供依据。针对福州市地处大气水汽饱和云量高的滨海城市，可采用多时相时序InSAR技术开展福州盆地全局地面沉降监测。开展差分干涉技术（D-InSAR）、永久散射体（PS）和小基线集技术（SBAS）等多项InSAR监测，实现低相干区域的微小形变信息提取；开展C波段数据的多时相融合处理算法，提高InSAR监测形变的时空分辨率及其精度。

由于福州盆地植被覆盖率较高，角反射器的埋设作为人工永久散射体，其在SAR影像上的幅度和相位都很稳定，可以用于监测微小而且缓慢的地表形变，即使在空间基线较大、时间基线较长的条件下也可实施；可以精确地测量某一时间段内毫米级的位移，同时，可捕获植被繁茂地区的地表形变；CR-InSAR仅需2景数据，即可获取CR点的相对形变，精度达2mm。InSAR形变观测值对南北向形变极其不敏感，导致该方法只能在忽略南北向形变的前提下得到可靠的垂直向和东西向形变，影响InSAR形变观测值精度的因素还有大气延迟和时间分辨率。

普适型实时GNSS可进行实时连续的三维形变监测。实时GNSS监测既不会遗漏重点区域重要的形变信息，还能够实现连续监测和早期预警。而且，连续观测的GNSS实时动态监测系统还能够为InSAR技术进行大气效应的消除与改正提供重要的资料，保证了InSAR监测结果的可靠性和准确性。普适型GNSS接收机系统包括钢制观测墩、接收天线、接收机、无线通信传输模块、远程视频监控设备、自主供电设施、避雷针及相关附属防护设施等。普适型GNSS实时地面沉降监测系统采用“物联网＋”模式构建，具有高精度GNSS数据采集功能、大幅降低终端功耗和成本的特点，实现对实时GNSS海量数据进行安全集中管理、集中处理、集中分析，充分发挥“万物互联”的优势。

GNSS实时连续监测系统在正常情况下可实时（每秒）发布变形体的动态变形监测结果。测量精度在水平方向优于2cm，高程方向优于5cm；可在1h内给出小时解结果，水平方向精度优于10mm，高程方向精度优于15mm；可在1d内给出单天解结果，水平方向精度优于5mm，高程方向精度优于10mm；每个季度给出季度解结果，水平方向精度优于3mm，高程方向精度优于5mm。GNSS实时数据处理流程如图2所示。

图2 GNSS实时数据处理流程

3.2.3 地质背景调查

监测区应开展地形地貌、基础地质、水文地质、工程地质等调查。主要开展以第四系地质、基岩、地下水补径排条件、岩土体特性为主的细化调查，为土体沉降标组的埋设、地下空间三维模型建设、地面沉降机理的研究提供参考数据；在收集资料的基础上，对已有资料进行分析与发掘，摸清福州盆地第四系地层的厚度与岩性、基岩的埋深与岩性、断裂以及主要构造线的展布方向、地下水基本特征、岩土体特性；根据岩土体分布和地层组合特征，开展工程地质结构分区；资料缺乏区域以及重点区域采用物探勘查、钻探的方法予以补充。

3.2.4 灾害调查

在InSAR调查地面沉降灾害发育现状的基础上开展灾害调查，主要包括建（构）筑物破坏、地面开裂、桥洞净空及结构、市政设施破坏、洪涝调查等。灾害调查为地面沉降机理的研究、地质灾害经济损失评估与防治提供参考数据。

3.2.5 人类工程活动调查

通过人类工程活动调查，了解人类工程活动过程中荷载和扰动的时空变化对地面沉降的影响。

3.2.6 地面沉降防治情况调查

对已有地下水监测井、回灌井等地面沉降、地裂缝的监测与防治设施和应用情况开展调查，落实地面沉降监测与防治设施的空间分布，根据相关监测数据、水工环地质调查资料以及补、径、排条件，研究建立地下水流场模型。

3.2.7 地面沉降观测点埋设

1）土体分层沉降标组建设 土体沉降标组包含基岩标、分层标。分层标是通过钻探方法分别埋设在地下不同深度土层中的特殊监测点，标点直通地表，随土层的压缩、膨胀而升降变化。以基岩标监测地面的总沉降量或总回弹量，客观反映土体分层变形的微量变化，从而分析地面沉降与地层结构、地下水开采量和水位的关系。地面沉降自动监测设备（如静力水准仪）、孔隙水压力计与互联网相结合，可实现监测数据实时上传、存储、分析、预警等。基岩标、分层标应位于同一工程地质结构分区，分层标所处地层应具土体固结、密实的典型特征。土体沉降标组埋设应兼顾城市规划，以利于长期观测，避免遭受破坏。

2）地面沉降点埋设 根据InSAR调查地面沉降漏斗的分布情况与地面沉降的速率，按规范要求布设地面沉降观测点。CR点、GNSS监测点、水准监测点、地下水监测井应有机结合，考虑多点共用，在节约成本的同时，可起到监测成果间的相互验证，提高监测成果的精确性。

3.2.8 精密水准测量

根据地面沉降及伴生地裂缝测量目的任务、现场情况，合理选取精密水准测量的方法组织测量。

基岩标、基岩点间以一等水准测量的方式敷设项目首级高程控制网，同时与国家一等水准路线联测。CR点、GNSS监测点、水准监测点、地下水监测井间以基岩标、基岩点为起算，敷设二等水准路线，建立统一的高程基准。测量频率根据地面沉降监测的实际情况，按相关规范要求设置。

3.2.9 数据库建设

地面沉降调查与监测结果所获得的地形地貌、基础地质、水文地质、工程地质、物理勘查、灾害现象、地面沉降防治、水准测量、分层标（组）测量、GNSS测量、InSAR测量、地面沉降综合研究等各类数据和图形资料，应经检查并按数据库要求格式进行系统整理，建立地面沉降测量数据库。

3.2.10 地理信息系统研发

福州盆地地面沉降监测地理信息系统建设应坚持“统一领导、统一规划，统一标准、整合资源，信息共享、促进协同，开放服务、保障安全”的建设方针，夯实地面沉降信息化基础，提升地质灾害分析预警水平；实现对实时监测数据进行安全集中管理、集中处理、集中分析，充分发挥的优势；基于高性能数据库，利用WEB、移动终端、App小程序等应用，实现监测结果的实时发布。推进智能管理，提高地面沉降监测工作信息化、智能化水平，实现数据采集标准化。构建完善的地面沉降评价、决策支撑体系，为城市防灾减灾、规划建设和可持续发展提供决策依据。及时提出预警和切实有效的防治措施，使地面沉降得到有效控制，最大限度地减少地面沉降灾害对经济社会造成的损失。

4 结语

1）在充分收集、分析、利用已有资料的基础上，坚持以野外工作与室内综合研究相结合的原则，依据相关规范、技术要求完成监测工作目标。

2）本底调查仅解决了“有无”的判断，动态更新方能体现监测价值。选择以多源、高精度的地面沉降监测方法为手段，达到进一步研究福州盆地地面沉降机理的目的，最终建立福州盆地地面沉降“天-地”协同监测体系。

3）整合自然资源、测绘、水利、规划、建设等部门布设的监测网点资源，优化布局，一点多用，实现数据共享、相互补充。

4）以福州市区地热田作为地面沉降监测工作试点，建立标准体系，开展福州盆地地面沉降监测应用示范及推广。

5）加强沉降观测设施保护，建立地面沉降监测展示馆，成为地面沉降防治科普宣传和教育的重要基地，普及地面沉降防治科学知识和增强公众的防灾减灾意识。