北京地面沉降时空分布特征研究

20世纪60年代以来,北京市地面沉降不断发展,目前已经形成了东郊八里庄-大郊亭、东北郊-来广营、昌平沙河-八仙庄、大兴榆垡-礼贤和顺义平各庄5个沉降区。本文选取目前地面沉降较为严重的北京市朝阳区、顺义区和通州区作为研究区,利用2003-2010年的47景ASAR影像数据,采用SBAS-InSAR技术获取了研究区的地面沉降监测结果,并分别以SFP点年均沉降速率和各年沉降量作为权重,计算SFP点空间分布中心与方向特征椭圆,定量分析了研究区地面沉降时空特征。结果表明：2004-2010年,北京市地面沉降表现为严重的不均匀沉降,年沉降量最大值由104.04 mm增加到178.83 mm;标准差椭圆长轴与南北方向平行,反映出地面沉降空间发展方向性在南北方向较东西方向明显,椭圆面积由592.25 km²减小到 503.84 km²,表明2004-2010年研究区内发生地面沉降的区域范围变化呈减小趋势,但从沉降量可以发现,北京地面沉降一直处于加重趋势。     

城市化进程下北京平原渗流场与地面沉降发展演化模拟

北京地面沉降已有60多年的历史,其发生发展与半个多世纪城市的快速扩张密不可分.从整个北京平原地下水系统出发,梳理多年时间序列(1950-2015年)的城市发展规模、人口、水资源及开采动态等数据,结合遥感技术解译不同年代北京平原的不透水面变化,分析其对降雨入渗补给量的影响;构建整个北京平原含水层-弱透水层三维结构系统,借助PMWIN软件建立区域尺度的地下水流-地面沉降耦合模型,利用长期水位及沉降观测数据对模型进行识别验证;开展长时间序列的北京平原地下水水头场与地面沉降演化模拟,研究快速城市化进程下北京平原多层含水层系统渗流场演变与地面沉降响应特征.研究表明:长时间尺度区域地下水流场-地面沉降演化模拟基本再现了地面沉降形成和发展演化的过程;北京地下水开采历史与地面沉降发展历史具有一致性,而不同沉降区地面沉降发展受地下水开采和城市发展双重控制,是二者综合作用的结果.     

南水北调中线区域地面沉降SBAS-InSAR监测研究

基于1 009景Sentinel-1A影像,利用SBAS-InSAR技术对南水北调中线区域地面沉降进行长时间序列监测。结果显示,整个中线沿线地面沉降主要分布于河北省东南部,最大形变速率为-139 mm/a,由于与渠道间有一定距离,因此对输水影响较小。北京市的最大形变速率为-133 mm/a,天津市西南部最大形变速率为-81 mm/a,但天津支线经过了2个沉降区,应当引起相关部门的重视。本文重点分析了南水进京后北京市地面沉降的时序形变特征,结合相关资料分析得知,南水北调工程有效补充了北京地区地下水储量,显著遏制了北京市地面沉降的发展态势。     

采用升降轨Sentinel-1数据监测北京城市副中心地面沉降

通州区作为北京城市副中心,地面沉降对其城市建设和发展会产生潜在的影响.采用2019年1月至2020年2月升、降轨Sentinel-1数据,基于SBAS-InSAR技术提取通州区高精度地表形变信息,运用GIS空间分析方法,结合地下水和土地利用类型数据,综合分析通州区地面不均匀沉降的原因.结果表明:升、降轨SAR数据获取的通州区地面沉降数据具有较好的一致性,存在不均匀地面沉降特征,北部、西北部地区沉降速率偏高,有明显的沉降漏斗;通州区地面沉降具有季节性变化特征,四季中夏季累计沉降量最大;地下水漏斗区与地面沉降区的位置基本一致,水位埋深变化与沉降量变化具有相似的趋势;建设用地规模不断地扩大,对地面沉降产生重要的影响.     

采用时序InSAR技术监测北京地铁网络沿线地面沉降

随着北京轨道交通的日益完善,地铁成为人们日常出行的重要交通工具,监测和治理地铁工程沿线地面沉降成为保障线性工程正常运营的一项重要基础性工作。本文基于55景覆盖北京地区的3 m高分辨率TerraSAR-X数据,采用时序InSAR分析技术获取2010年4月至2016年12月地铁网络沿线的地面沉降形变信息,系统分析了北京地铁网络沿线地面沉降时空演变规律。同时,结合Peck公式将InSAR监测结果进行建模,以7号线磁器口-广渠门内站区段为例,估算地面沉降槽的空间发展特征。研究发现：北京市地铁线路沿线表现出不同程度的形变,形变严重的路段主要集中在东部及东北部区域,最大沉降速率超过了100 mm/a;相对于其他线路,4号、10线整体情况比较稳定,14号、亦庄线次之,6号、7号线不均匀沉降最为严重;此外,地铁在不同建设时期路段表现出不同的形变特征,施工期路段较运营期沉降严重;7号线磁器口与广渠门内站间沉降槽的宽度和最大值沉降值在2010-2016年呈现增加趋势,沉降槽最大宽度约达180 m。     

基于多源数据融合的北京市人口时空动态分析

高精度、动态、空间化的人口数据是科学核算城市资源环境压力、促进人口合理调控的重要参考依据。研究首先以2012和2017年北京市常住人口统计信息为基础,融合夜间灯光、土地利用、道路网络等数据,依据用地类型、VANUI指数对街道分割成的区域进行分类和分级,并在此基础上构建人口空间化模型,制备2期100 m格网尺度的人口空间化数据。验证表明,模型误差在10%以内;与已有成果对比分析发现,人口空间化数据整体与局部精度均有提升。最后,基于该数据分析北京市人口分布的时空动态变化特征,揭示其影响因素。结果表明:① 格网单元上的人口平均数量在-2542~190之间变化,以-500~500人为主。② 2期人口空间分布均呈“内密外疏”格局,且减少人口主要聚集于城六区,2012—2017年间减少近21万人;③ 首都功能核心区减少人口最为显著,减少量占城六区减少量的62%;④ 二三环间减少人口最多,共减少近11万人,减少量占城六区减少量的52%;⑤ 与城六区接壤的城郊街道,人口呈现增加趋势,可能形成新的人口聚集区。北京市人口时空变化特征与首都功能定位、产业升级转型、人口疏解政策实施等因素密切相关,该研究可为北京市未来人口空间合理布局与人口疏解政策完善提供定量化的科学依据。     

黄河流域山东段县域绿色发展效率时空分异及影响因素研究

基于DEASBM模型,运用空间自相关分析和地理探测器软件研究黄河流域山东段县域绿色发展效率的时空分异特征及影响因素。结果表明：2010—2020年黄河流域山东段整体绿色发展效率呈现下降趋势,从最优下降至中等。从时序特征来看,黄河流域山东段县域绿色发展效率变化差异显著,可分为持续降低、持续增长、稳定不变、先升后降、先降后升5种变化类型。从空间分布来看,2010年县域绿色发展效率空间分布呈随机态势,2015年和2020年空间集聚特征较为显著。高—高集聚区与热点区分布具有一致性,低—低集聚区与冷点区分布具有一致性,均主要分布在济南都市圈,且面积不断增大,济南市都市圈县域间绿色发展效率高低分化显著。黄河流域山东段县域绿色发展效率影响因子交互作用呈非线性增强效应。     

基于PS-InSAR和GIS的北京平原区建筑荷载对地面沉降的影响

北京平原区地面沉降问题日益突出,成因复杂,既包括人为地下水开采和城市建筑荷载作用,又包括自然土体固结和活动构造影响。地下水开采和建筑荷载是重要的驱动因素。如何提取区域尺度建筑载荷,评价其对地面沉降影响,是地面沉降灾害防治工作需要开展的重要环节。本文以简化后的容积率表征建筑载荷,首先利用PS-InSAR技术获取研究区地面沉降信息,然后使用GIS空间分析的方法提取出同等地下水开采影响下的不均匀沉降分布,其次采用阴影长度法提取了研究区建筑体高度,最终结合空间分析和回归分析方法研究建筑容积率与地面沉降之间的关系。主要研究结论：① 北京地区地面沉降比较严重,沉降速率大于30 mm/a的区域占比21.08%;② 地下水开采同等影响下的不均匀沉降区呈H形分布于平原区中部和北部;③ 阴影长度法能够较准确的评估出建筑容积率,可用于区域尺度静载荷的提取与分析;④ 在地质条件相似、水位变化相同的局部区域内,地面沉降速率与建筑容积率具有一定相关性,但相关系数较低。     

地下水化学组成的时空聚类分析与多级嵌套水流系统识别

水文地球化学是识别地下水流系统的重要方法,然而区域尺度上多级嵌套地下水流系统的复杂性使地下水化学组成的分析和解释难度增加。以鄂尔多斯北部盆地湖泊集中区典型的胡同察汗淖地下水流系统为例,基于丰水期和枯水期3个期次不同深度地下水样品的物理化学数据,应用时空聚类与主成分分析方法,揭示地下水化学组成的空间分布特征、变化规律及其作用机制,分析水化学时空聚类结果对多级嵌套地下水流系统划分的可行性。该聚类结果将地下水样品分为3类,其中C1为以Na-HCO₃型为主的深层地下水,具有偏负的氢氧同位素组成（δD < -70‰,δ18O < -9‰）和极低浓度的NO₃-;C2为Ca-HCO₃为主的浅层地下水,具有偏正的氢氧同位素组成（δD > -70‰,δ18O > -9‰）和高浓度的NO₃-;而C3呈无优势阳离子、δD和δ18O变化范围大且显著线性相关等深、浅地下水混合特征。呈南北条带分布在苏贝淖-胡同察汗淖排泄区的C2和部分C3水化学组成有一定的季节变化。研究验证了研究区受地形和湖泊排泄控制的浅层局部和深层区域地下水流系统的空间分布,识别了苏贝淖-胡同察汗淖排泄区受浅循环和深循环共同影响的强烈作用带,证明了水化学时空聚类方法识别多级嵌套地下水流系统的可行性。      

基于时序InSAR的京津高铁北京段地面沉降监测

京津高铁是中国第一条高速运行的城际铁路,其安全运行对轨道的平顺性有着严格的要求。地面沉降,尤其是不均匀地面沉降会引起部分路基和桥梁变形,威胁着高速铁路的运营安全。合成孔径雷达干涉测量技术可以大范围监测地表形变,对高速铁路沿线地面沉降具有较好的监测能力。本文以45景高分辨率TerraSAR-X 数据为基础,采用 PS-InSAR技术监测京津高铁北京段沿线地面沉降,获取京津高铁北京段沿线地面沉降的分布信息,从动静载荷视角结合北京地区地下水、断裂带、地质条件和含水层系统介质等数据,综合分析高铁沿线不均匀地面沉降的原因,为京津高铁的安全运营提供技术支撑。研究结果表明：京津高铁北京段沿线地面沉降发展在空间上存在一定差异性,北京南站至十里河区间,年沉降速率小于10 mm/a; 至十八里店区间,年沉降速率在10~40 mm/a范围内浮动;过亦庄站至东石村以东区间,最大年沉降速率达到90 mm/a;至永隆村以西,年沉降有所缓解,往东至坨堤村,沉降较为稳定,年沉降速率小于10 mm/a。地下水超采是沿线区域地面沉降的主要因素,动静载荷共同作用下对地面沉降产生一定的影响,沿线地面沉降一定程度上受到南苑—通县断裂带和旧宫断裂带构造控制,沉降量较大的路段位于粘土层较厚的大兴迭隆起。     

Spatial-temporal characteristics of land subsidence corresponding to dynamic groundwater funnel in Beijing Municipality,China

Due to long-term over-exploitation of groundwater in Beijing Municipality,regional groundwater funnels have formed and land subsidence has been induced.By combining a groundwater monitoring network,GPS monitor-ing network data,radar satellite SAR data,GIS and other new technologies,a coupled process model based on the dy-namic variation of groundwater and the deformation response of land subsidence has been established.The dynamic variation of groundwater funnels and the land subsidence response process were analyzed systematically in Beijing.Study results indicate that current groundwater funnel areas are distributed mainly in the southwest of Shunyi District,the northeast of Chaoyang District and the northwest of Tongzhou District,with an average decline rate of groundwa-ter level of 2.66 m/yr and a maximum of 3.82 m/yr in the center of the funnels.Seasonal and interannual differences exist in the response model of land subsidence to groundwater funnels with uneven spatial and temporal distribution,where the maximum land subsidence rate was about-41.08 mm/yr and the area with a subsidence rate greater than 30 mm/yr was about 1637.29 km2.Although a consistency was revealed to exist between a groundwater funnel and the spatial distribution characteristics of the corresponding land subsidence funnel,this consistency was not perfect.The results showed that the response model of land subsidence to the dynamic variation of groundwater was more revealing when combining conventional technologies with InSAR,GIS,GPS,providing a new strategy for environmental and hydrogeological research and a scientific basis for regional land subsidence control.     

运用时序InSAR技术监测合肥市地面沉降及断裂活动

基于覆盖合肥地区的24景Sentinel-1A数据,采用PS-InSAR和SBAS-InSAR时序处理方法获取2017-11~2019-10合肥市城区及周边地面形变分布信息,分析主城区地面沉降的时空演化规律,获取地铁网络沿线地表形变空间分布图。结果表明,合肥市地铁线路沿线发生不同程度形变,形变严重区域主要集中在西部及西南部,最大沉降速率达到35 mm/a。对池河-西山驿断裂形变场进行宏观分析,并结合时空同步的跨断层水准数据进行对比验证,认为2种数据的垂直形变监测结果具有一致性,推测数据的垂直升降变化可能受断层拉张和挤压交替控制。     

水准测量网监测在德州市地面沉降中的应用

山东地面沉降灾害以鲁北平原最为严重,在德州地区的地面沉降已对当地人民的正常生产和生活构成了威胁,并制约了当地经济的可持续发展。通过建立水准测量网络及监测运行,查明了德州市地面沉降的规模和范围,研究成果表明工作区均存在地面沉降现象,截至2010年,德城区由于地下水开采强度大,地面沉降幅度最大,目前地面累计沉降量为-1186.9～-636.9mm,多年平均沉降速率为59.35mm/a,形成了以市区西北部为中心的地面沉降盆地。超量开采深层地下水是造成大规模地面沉降的重要因素。     

滨州市地面沉降成因浅析

截至2016年4月,滨州市地面沉降量超过20mm的面积达到了2 881km2,约占全市面积的30%,地面沉降灾害日益严重。为查明滨州市地面沉降现状和沉降成因,采用二等水准测量、地下水位监测、钻探取样、测试分析、地下水开采量调查等方法,对比2005年5月、2008年8月、2012年9月、2014年10月、2015年5月、2016年4月等多期二等水准测量数据和水位数据,从点、线、面3个方面进行了累计沉降量和沉降速率的分析,并从山前冲积、洪积平原水文地质单元区和黄河冲积平原水文地质单元区的水文地质特征、地层结构及其力学性质方面进行了滨州市地面沉降成因分析,基本查明了滨州市地面沉降现状及其演变特征,揭示了超量抽取地下水造成地下水位下降和具有较大压缩性的地层结构是影响该区地面沉降的2个主要因素。     

Comprehensive analysis and artificial intelligent simulation of land subsidence of Beijing, China

Mechanism and modeling of the land subsidence are complex because of the complicate geological background in Beijing, China. This paper analyzed the spatial relationship between land subsidence and three factors, including the change of groundwater level, the thickness of compressible sediments and the building area by using remote sensing and GIS tools in the upper-middle part of alluvial-proluvial plain fan of the Chaobai River in Beijing. Based on the spatial analysis of the land subsidence and three factors, there exist significant non-linear relationship between the vertical displacement and three factors. The Back Propagation Neural Network (BPN) model combined with Genetic Algorithm (GA) was used to simulate regional distribution of the land subsidence. Results showed that at field scale, the groundwater level and land subsidence showed a significant linear relationship. However, at regional scale, the spatial distribution of groundwater depletion funnel did not overlap with the land subsidence funnel. As to the factor of compressible strata, the places with the biggest compressible strata thickness did not have the largest vertical displacement. The distributions of building area and land subsidence have no obvious spatial relationships. The BPN-GA model simulation results illustrated that the accuracy of the trained model during fifty years is acceptable with an error of 51% of verification data less than 20 mm and the average of the absolute error about 32 mm. The BPN model could be utilized to simulate the general distribution of land subsidence in the study area. Overall, this work contributes to better understand the complex relationship between the land subsidence and three influencing factors. And the distribution of the land subsidence can be simulated by the trained BPN-GA model with the limited available dada and acceptable accuracy.     

济南城市四维动态地质信息系统构建研究

近20多年,济南泉水流量逐渐衰竭,泉水断流时有发生,为保护泉水,恢复泉水喷涌,塑造济南城市形象,该次研究基于50多年的济南地下水勘查、试验和研究成果,实现对城市多源、海量、多期次、多比例尺、异构地质数据的有效管理,然后建立不同地质数据的专业模型,实现对模型时空展布特征的三维可视化再现,并提供对模型的专业处理与分析。最后,从二维三维等水文地质概念模型出发,加入时间维度,由历史积累的时空关系,反映济南城市地下水的时空变化规律,在三维地质模型的基础上实现地下水动态监测数据的嵌入,构成地下水四维地质信息系统,在其空间表征的基础上,介绍了城市地下水的形成,泉水的分布、成因、演化以及泉水断流的原因、保泉供水的对策措施等,引导城市地下水的保护和发展,为政府决策提供参考。