太原市地面沉降的时空演变分布特征研究

□□ ，

(1.山西职业技术学院，山西 太原 030006；2.中国能源建设集团 山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)

引言

地面沉降是指在一定范围内的地表因受到来自自然界或人类社会生产生活的影响，在竖直方向上发生的位移现象，也可以理解为在一定范围内的地面下沉，是一种广泛存在的地质灾害。随着人类社会文明的不断发展，世界各地出现地面沉降现象越来越多，沉降所涉及到的面积越来越大，地面沉降所造成的不良后果也越来越明显。因此，在当今社会，伴随着城市建设而来的地面沉降问题受到了政府及学术界越来越多的关注。目前，我国的华北平原、长江三角洲、汾渭盆地的众多区域等先后出现了大范围的沉降区域，在一定程度上对我国经济社会的可持续发展造成了制约，成为城市地质灾害方面所面临的重要灾害之一。

造成局部区域的地面下沉的原因复杂而多样，其主要原因有4个：①地下水的过度开采；②矿井开采，特别是违章开采现象严重的区域，会产生大范围的危房，造成整个区域的整体搬迁，在影响居民生活的同时也带来了许多本来可以避免的巨大经济损失；③大型工程建筑物对地基的巨大静载荷；④一定条件下的动载荷(振动)的持续作用。

地面的区域沉降现象给当今的城市建设带来了极大的危害，特别是在很多大城市的开发区尤为明显。具体表现可归纳为以下几个方面：

(1)地面的标高降低，会造成雨季时节地面短时间内大量积水，引起严重的内涝，从而降低了排水系统的防泄洪能力。这种危害不仅影响城市交通和环境，而且会使地下室和低层建筑物在汛期被水淹没，危及市民的人身和财产安全。

(2)城市已建成的管网系统遭到破坏。若城市管网系统所涉及的地面区域出现地面下沉，轻则会使给水供气管道随着地面的不均匀沉降而产生弯曲变形，重则导致管道的漏气漏水，更严重时会导致管道直接折断，直接影响城市居民的日常生活和工业生产的正常运行，带来严重的安全隐患。

(3)对铁路系统的安全运营构成威胁。地面沉降会造成下沉区域的铁路路基的不均匀沉降，对铁路系统的安全运营会造成严重威胁，同时还会给国家重点建设高速铁路和许多城市正在运行中的以及正在建设中的地铁带来不利影响。

(4)河床的局部下降。这种现象会导致沿河两岸的河道防洪排涝能力大幅度降低，给沿岸地区的城市建设和人们的生产生活带来巨大的安全隐患。

(5)地面水准点资料失效。如果地面高程资料大范围失效，会造成规划部门的城市规划成果失效以及市政部门建设所用的基础数据错误，从而带来巨大的经济损失和不可预见的安全隐患，严重制约着城市长期健康有效地发展。

(6)农业渍害。地面下沉会造成农田的区域性低洼现象，低洼区域常年大量积水会逐渐改变土壤的墒情，造成农田土质的恶化，使得原有渍害的治理难度加大，农作物的质量和产量都会有所下降，对农业生产造成严重的威胁，给农村经济造成巨大损失。此外，地面沉降引起的地裂缝也影响了农田耕作。近几年来人们关注的越来越多的突然出现在农田里的塌陷坑，很多也与区域性的地面下沉有关。

1 太原市的地面沉降状况

太原市地处太原盆地的北端，濒临汾河，西、北、东三面环山，于华北地区黄河流域中部。地形的总趋势呈现北高南低；东西两侧高、中间低，地形自山区开始向盆地延伸呈阶梯状下降的趋势。边山洪积扇伸入盆地中心，构成宽阔的洪积倾斜平原，盆地中、南部为宽阔平坦的汾河冲积平原，全市整个地形北高南低呈簸箕形。

自20世纪90年代以来，太原市沉降范围逐渐向盆地的边缘地区扩展，与此同时沉降漏斗的面积也出现逐年扩大的现象，在太原的南部也有向晋中盆地延伸的趋势。现已形成了北起上兰镇，南至刘家堡乡郝村，南北长约40 km；西起西镇，东到榆次西河堡村，东西宽约15 km的沉降范围。涉及范围约400 km2，形成多个沉降中心。

由于地面区域性下沉的影响，在吴家堡、武家庄和大马村这一带的许多建筑物已经出现了裂缝、地表排水困难、耕地被水淹没以及市区自来水、煤气、热力管道断裂等现象。近年来一到夏季，太原市就会出现积水现象，除了管道的原因外，还有一个因素就是地面沉降导致排水口相对上升而带来的积水无法排出。此外，地面沉降使晋阳湖蓄水能力明显下降，进水困难，不得不通过加坝来改造进水渠、进水口；地面沉降还造成了晋祠圣母殿主体建筑倾斜，危及到千年文物的安全，有关部门已被迫投巨资对圣母殿进行修复。

2 D-InSAR技术监测太原地面沉降

目前，已有GPS、水准、InSAR等多种方法应用于太原城市沉降的监测。但是，由于沉降发展过程中GPS和水准测量历史资料的缺失，现有数据无法全面地反映沉降变形量级和变形范围的时间演变；同时，GPS和水准测量均为点测量系统，无法满足高空间分辨率变形监测对地面(曲面)的要求，不具备提供整个区域面上的连续变形信息的条件，无法全面地反映沉降变形的空间特征。而新兴的干涉合成孔径雷达技术(D-InSAR技术)可以弥补以上缺点，满足上述要求。该技术是通过同一地区的两幅雷达影像(SAR影像)的相位差计算来得到地表变形信息，能够实现对整个地表进行全面监测的要求。目前已在上海、天津、西安等多个城市成功应用于地面沉降测量。

本文采用D-InSAR技术对太原地区的沉降进行了变形监测。根据欧空局发布的覆盖太原地区地面沉降范围的数据信息，购买表1所示的数据进行干涉数据处理。

表1 太原地区地面沉降范围数据

通过对表1数据进行InSAR干涉组合，共计算得到了1992-1993年间、2003-2004年间、2006-2007年间共3个时间段的沉降序列，并采用GIS技术对太原地区的地面沉降进行了叠加显示。图1至图3所示为上述3个时间段的沉降速度图。

图1 1992-1993年沉降速度图

由图1至图3可以看出，1992-1993年太原地区的沉降范围和沉降量级都比较大，最大年沉降量达13 cm，形成了以万柏林、阎家沟和武家庄、吴家堡一带为中心的沉降中心。

2003-2004年，太原地区的沉降范围和沉降量级均较1992-1993年有所减小，最大年沉降量为4 cm。

2006-2007年，太原地区的沉降中心和沉降范围向东发展，形成新的小店区沉降中心，年沉降量达10 cm。

图2 2003-2004年沉降速度图

图3 2006-2007年沉降速度图

3 沉降时空演变分布特征分析

随着城市的建设发展和用水需求量的不断增加，太原地面沉降时空演变分布经历了3个阶段。

太原市地下水开发利用，由解放初期以开采潜水为主，开采量为1.09万m3/d；到90年代地下井数量发展到3 000多眼，开采第三承压含水岩组和盆地区基岩裂隙水，开采深度在500 m左右，开采量为90万m3/d左右。由于超采地下水引起地层内部的有效应力增加，承担的支持力减弱，黏性土及互层释水压密产生塑性变形，导致地面沉降。

面对严峻的水资源局面和地面沉降灾害，太原市于2003年出台了一系列保护水资源的法律法规，并实施了引黄入并工程建设，关井压采工作全面展开。地下水位整体上停降转升，地面的下沉现象也逐渐得到了显著改善。

但是，随着经济的发展，太原市的城市发展迅速，逐渐又出现了新的沉降中心，并且沉降范围也出现了转移。小店区由于近年来发展迅速，城市基础设施建设很快，新居住区成片开发，大量高层建筑不断兴建，密集高层建筑群之间的地表存在明显的应力叠加效应，带来不稳定因素，工程建设的地面效应逐渐凸显，又引起新的地面沉降。

4 防治措施及建议

太原市地面沉降主要有两方面的原因：地下水的不合理开采和城市的大规模开发建设。地面沉降已经严重影响到人们的生产和生活，除直接经济损失外，间接经济损失更大，潜在的威胁严重且难以消除。因此，必须从以下几个方面对太原地区的地面沉降进行治理和防治。

(1)制定相关政策，实现对地表水、地下水资源的联合调度和统一管理，控制地下水的开采量。

(2)避免城市的过度开发，城市规划部门必须对城市的地质状况及其承载能力有总体考量。

(3)对任何高层的建筑工程，必须对局部地面沉降问题进行预估，做到不留任何死角。

(4)充分重视即将建设的地铁轻轨系统的动载荷的影响。

参考文献：

[1] 赵常洲，龚固培，王晖.地面沉降成因与危害[J].西部探矿工程，2006(1)：261-263.

[2] 贺秀全.太原市地面沉降防治新进展[A].第二届全国地面沉降学术研讨会论文集[C].北京：中国地质学会，2006：205-209.

[3] 张文华.太原市地面沉降的现状及发展变化趋势[J].地质灾害与环境保护，2010，21(4)：38-40.

[4] 杜娟.InSAR技术在西安地面沉降监测中的应用[D].西安：长安大学，2010.

[5] 撒利伟.基于gis的西安市地面沉降与地裂缝空间分布特征研究[D].西安：西安建筑科技大学，2006.

[6] 李陶.重复轨道星载SAR干涉监测地表形变研究[D].武汉：武汉大学，2004.

[7] 单利军.山西省太原市地面沉降调查报告[R].太原：山西省地质环境监测中心，2006.

[8] 唐益群，崔振东，王兴汉，等.密集高层建筑群的工程环境效应引起地面沉降初步研究[J].西北地震学报，2007，29(2)：105-108.