粵東典型區地面沉降時空演化特征及成因分析

施鳳春，唐仲華，陳育斌，朱 奮，葉 珊

(1.中國地質大學(武漢) 環境學院，湖北 武漢 430074；2.廣東省地質環境監測總站，廣東 廣州 510510；3.廣東省環境監測中心，廣東 廣州 510308)

城市地面沉降目前已成為全球性的環境地質問題，是一種不可補償的永久性環境和資源損失[1]。目前，國內外學者對區域地面沉降的研究主要圍繞地面沉降監測方法、時序演化特征、成因機理等方面展開[2-3]。傳統的地表形變沉降監測手段主要包括水準測量和GPS測量，但水準測量方法耗時長、監測范圍有限，GPS測量設備昂貴、維護費用高、監測密度小。相比之下，InSAR測量技術可以獲取大范圍、高精度的地表形變信息[4-5]。張雯等[6]結合水文地質條件、土地利用類型差異研究了北京典型區地面沉降的演化規律；Shi等[7]研究了蘇錫常地區地面沉降的演化規律及形成機制，發現地面沉降與地下水開采具有很強的相關性，主要固結層是軟土層；Chen等[8]采用InSAR測量技術研究了蘭州新區地面沉降的發展規律，闡明了在地質條件控制下該地區地面沉降主要由城市化進程導致；陳蓓蓓等[9]采用InSAR測量技術、多源遙感測量技術揭示了北京平原區地面沉降與地下水演化之間的響應機理，還發現地面沉降與建筑荷載密度之間存在一定的相關關系。

粵東地區在民營經濟快速發展的同時，由于自然和人類活動的影響，形成了不同規模的環境地質問題。其中，汕頭市潮陽區谷饒鎮作為“中國針織內衣名鎮”，自20世紀90年代開始緩慢出現了地面沉降現象，隨著工業化的快速發展，其范圍逐漸擴大、災情逐漸加重，在不同村已逐漸發展成為中—大型的地質災害問題，導致大量民房墻體出現開裂、傾斜以及巷道路面出現裂縫等現象，受災害影響的房屋、人口和經濟損失逐年增多，引起了政府相關部門及學者們的重視。

趙璇琴[10]以汕頭市潮陽區谷饒鎮內的某住宅為例，分析了該住宅區發生地面沉降的原因，發現該地區地面沉降的形成與壓縮土層承載力差和過量抽取地下水有關，這對該地區地面沉降防治具有一定的指導意義。為了更加合理、有效地開展該地區的地面沉降防治工作，有必要進一步研究地面沉降的時空演化特征及成因。為此，本文結合區域水工環地質背景，基于InSAR監測數據和水位數據研究了該地區地面沉降的時空演化特征及其影響因素，以為制定合理的谷饒鎮地面沉降地區災害防治措施以及城市建設規劃提供依據，對粵東地區地面沉降地質災害的研究具有示范意義。

1 研究區地質背景

研究區主要位于粵東汕頭市潮陽區西部的谷饒鎮，包括部分貴嶼鎮、銅盂鎮區域，地理坐標為116°21′10″～116°26′31″E、 23°17′41″～23°22′53″N，處于“潮陽、普寧、揭陽”交界處，面積為48.87 km2，見圖1。該地區屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫暖濕潤，陽光充足，雨水充沛。

圖1 研究區地理位置圖

研究區的含水層巖性為中砂、粗砂，弱透水層以黏土、粉質黏土、淤泥質土為主，含水層呈層狀分布，但巖性分帶較復雜，總體規律是：由山前至平原，含水層顆粒由粗變細，地下水埋深由深變淺，含水層結構由單一的含水層逐漸過渡為多層含水層。根據地層年代、巖性、埋藏條件及地下水補徑排條件，將研究區平原區第四系松散層劃分為潛水-承壓含水層組(Ⅰ)和深層承壓含水層組(Ⅱ)兩個含水層組，典型水文地質剖面(C-C′)見圖2。研究區地層具有較軟弱、松散、土質不均等工程地質特性，容易發生地面沉降等不良地質問題。

圖2 研究區典型水文地質剖面圖

2 研究區地面沉降的時空演化特征分析

研究區地面沉降發展時間長、規模大，但是尚無地面沉降的監測數據，而InSAR測量技術可在短時間內獲取大范圍內包含詳細空間信息的高精度地面沉降數據，適用于未開展系統的地面沉降監測、資料匱乏的地區，可為獲取地面沉降歷史和現狀情況提供依據[11-12]。因此，本次研究采用InSAR測量技術獲取研究區全區不同時期的高程數據。InSAR測量技術對地表的PS點測量分析效果較好，精度可達到毫米級，其中PS點為永久散射體，通常為建筑物、裸露基巖等剛性目標[13-14]。研究區內密集的小平房適合作為永久散射體，可采用PS-InSAR技術提取全區長時間序列的地面變形量。

研究區的InSAR監測數據來自歐空局Envisat-ASAR降軌數據，本次研究獲取了2015—2018年間的43景影像數據進行地表形變監測，其中一期數據時間序列為2015年8月28日至2018年3月9日，二期數據時間序列為2018年3月9日至2018年9月5日，InSAR監測數據基于永久散射體合成孔徑雷達干涉測量(PS-InSAR)算法，得到了研究區2015年8月28日至2018年9月5日的區域時序地面沉降數據。

2.1 地面沉降的空間分布特征

本文利用PS-InSAR技術原理分析了兩期的InSAR監測影像，分別得到了研究區兩期的地表形變信息。在研究區中，一期InSAR影像(20150828—20180309)識別了93 829個PS候選點，最大地面沉降量為-138.087 mm；二期InSAR影像(20180309—20180905)識別了101 557個PS候選點，最大地面沉降量為-28.600 mm。

采用反距離加權(IDW)方法對PS候選點的地表變形量進行空間插值，分別得到研究區一期、二期地面沉降量空間插值結果，再對兩期地面沉降量空間插值結果進行空間疊加，可獲取研究區累計地面沉降量的空間分布圖，見圖3。

圖3 研究區累計地面沉降量的空間分布圖

由圖3可見，在研究區內存在多個地面沉降中心，谷饒鎮的地面沉降在三鎮中最為嚴重。其中，研究區中部的谷饒鎮溪美村最大累計沉降量達-170 mm，新興村最大累計沉降量達-164 mm，是研究區內地面沉降最嚴重的位置；累計沉降量大于-120 mm的區域均位于谷饒鎮域內，累計沉降量大于-90 mm的區域從谷饒鎮擴大到銅盂鎮的西北部，累計沉降量大于-60 mm的區域由最大沉降中心區域擴大到三個鎮內，說明該區域地面沉降范圍已連成一片，形成了主地面沉降中心，主地面沉降中心的年均沉降速率為-50～-20 mm/a；茂廣—橫山—新坡的地面沉降中心位于研究區的北部、谷饒鎮的中部，該地面沉降中心累計沉降量為-102 mm，年均沉降速率為-30～-10 mm/a；研究區東南部的銅盂鎮東部河攏村的地面沉降中心累計沉降量達-86 mm，年均沉降速率為-29～-10 mm/a。

由此可見，研究區北部和東南部的沉降區域屬次地面沉降中心，中部為主地面沉降中心，總體上表現為存在一個主地面沉降中心、多個次地面沉降中心，地面沉降呈現空間分布不均勻的特征。

2.2 地面沉降的時序演化特征

本次研究獲取了2015年8月28日至2018年9月5日的InSAR監測時序數據，本文將這43幅影像數據分成三個時間段進行時序分析，分別為2015年8月28日至2016年9月3日、2016年9月3日至2017年9月10日、2017年9月10日至2018年9月5日，可近似視為3個整年，簡記為第一時間段(2015.9～2016.9)、第二時間段(2016.9～2017.9)、第三時間段(2017.9～2018.9)，并采用ArcGIS空間分析技術，針對這三個時間段進行統計分析，以探明研究區地面沉降的時序發展規律。

基于研究區三個時間段的地面沉降數據分析，將研究區的年地面沉降量均勻劃分為5個類別，三個時間段的地面沉降空間分布和地面沉降范圍統計結果見圖4和表1。

由圖4和表1可見，研究區內各個時間段地面沉降面積占比最大的是第2類沉降范圍(-20～0 mm)，面積占比均大于60%，且在三個時間段較平穩，其面積占比分別為64.45%、67.32%、60.43%，呈現先增大、后減小的特征,主要分布在研究區的中部主地面沉降中心區；其次是第3類沉降范圍(-40～-20 mm)，其面積占比為20%左右，在三個時間段存在小幅波動，其面積占比分別為22.40%、28.7%、17.68%，在主地面沉降中心呈持續較少的特征;第1類沉降范圍(0～20 mm)的面積占比值波動較大，由7.02%降低到1.02%再上升到18.89%，且地面沉降空間分布位置發生了顯著的變化，由北部呈上升趨勢發展成為西南部呈上升趨勢、北部呈下降趨勢；第4類沉降范圍(-60～-40 mm)在三個時間段呈降低趨勢，其面積占比分別為5.94%、2.87%、2.66%，表明研究區中心的嚴重沉降區的沉降速率在減小，而西南部出現的第4類沉降范圍區緊靠道路，說明受道路動荷載的影響大；第5類沉降范圍(-80～-60 mm)在全區的面積占比最小，三個時間段的面積占比分別為0.19%、0、0.34%，均低于1%，是研究區地面沉降最嚴重的位置，但地面沉降空間分布位置基本未發生變化。

圖4 研究區三個時間段的地面沉降空間分布圖

表1 研究區三個時間段的地面沉降范圍統計結果

在研究區三個時間段的地面沉降量統計中，主地面沉降中心的溪美村、新興村都是研究區地面沉降最嚴重的區域，年地面沉降量在-80～-50 mm范圍內；兩個次地面沉降中心的最大年沉降量呈減小趨勢，北部橫山—新坡次地面沉降中心的最大年沉降量由-54 mm降為-18 mm，東部河攏村次地面沉降中心的最大年沉降量先增大后減小，均在-30 mm以內。整體上看，研究區的地面沉降速率呈減小趨勢，其變化的不均勻性較大，即不均勻地面沉降演化趨勢明顯，仍在持續變形中。

本文選取了經過主地面沉降中心東西方向剖面1-1′ 、南北方向剖面2-2′的兩條剖面(位置分布見圖3)，用來分析研究區地面沉降速率在不同位置的變化程度，見圖5。

圖5 研究區不同時間段的地面沉降量剖面圖

由圖5可見，剖面1-1′表明了地面沉降中心的沉降速率平均減小約-8 mm/a，第二時間段地面沉降中心的沉降速率與第一時間段接近，第三時間段的地面沉降中心向西偏移，華光村的地面沉降速率增大，西側輕微沉降區域的地面沉降速率隨著向東偏移而增大，東側區域的地面沉降速率隨著向東偏移而減??；剖面2-2′ 表明了地面沉降中心的沉降速率平均減小約-10 mm/a，第二時間段相對于第一時間段，北側區域的地面沉降速率相對穩定，南側區域的地面沉降速率約減少了-7 mm/a，第三時間段相對于第二時間段，北側區域的地面沉降速率減少了約-20 mm/a，南側區域的地面沉降速率相對穩定。

由此可見，研究區整體上表現為主地面沉降中心向西偏移，西側區域的地面沉降速率變化不大，其他區域的沉降速率均不同程度地在減小。

3 研究區地面沉降的影響因素分析

城市地面沉降是一個復雜的、多因素綜合作用的環境地質現象[15]。相關勘察報告顯示，谷饒鎮的地面沉降主要是由于工程地質條件差、建筑基礎淺、過度抽取地下水造成的。

3.1 地面沉降與壓縮土層的關系分析

土體固結變形是地面變形的直接原因，通常地表形變是由于黏性土層的壓縮造成的[16]。研究區的巖性空間分布不均，砂層和黏性土層相互交互、結構復雜，為了更好地對研究區不同壓縮土層在平面分布以及工程地質性質上的垂向差異進行分析，本次研究將具有相同的地質時代和沉積環境的壓縮土層劃分為同一壓縮土層組，研究區內共有兩個壓縮土層組，基于收集的鉆探資料對各層組厚度的空間分布規律和巖土性質進行描述，得到研究區兩個壓縮土層組厚度在空間的分布圖，以及不同深度壓縮土層組的物理力學特征值，見圖6和表2。

第一壓縮土層組(Q4壓縮土層組)廣泛分布于整個研究區，整體呈現由西向東逐漸變厚的特征，厚度由溪美村的18 m降為山聯村的6 m,主要巖性為黏土、粉質黏土和淤泥質土，其中淤泥質土呈高壓縮性、流塑狀態， 黏土和粉質黏土為低-中壓縮性、 以塑性變形為主。第二壓縮土層組(Q3壓縮土層組)分布于整個研究區，該壓縮土層組由西北至東南逐漸加厚，厚度由新厝村的35 m降為東洋社區的12 m,主要巖性為黏土、粉質黏土，隨著深度的加深，其壓縮性由中降至低，以塑性變形為主。第一壓縮土層組的厚度小于第二壓縮土層組，但其土體的孔隙比更大、壓縮性更高、工程力學性質更差。

圖6 研究區壓縮土層組厚度的空間分布圖

表2 研究區不同深度壓縮土層組的物理力學特征值

在實際研究過程中，針對不同的沉降地區從不同的深度進行取樣，分析土體孔隙比與壓強的相關關系，可反映出不同壓強對土體可壓縮性的影響強弱。通過室內壓縮試驗，選取了兩組有代表性的土樣壓縮試驗數據進行分析，即在華光村和頭埔村的3個不同深度進行取樣，分別為埋深為4～5 m的淤泥質土、9～15 m的黏土1、40～45 m的黏土2，得到研究區(華光村和頭埔村)不同深度土體孔隙比與壓強的關系曲線，見圖7。

圖7 華光村和頭埔村不同深度土體孔隙比與壓強的關系曲線

由圖7可見，研究區淺層土體的壓縮性較大，深層土體的壓縮性小，主地面沉降中心區淺層土體的壓縮性明顯高于一般沉降區淺層土體，深層土體的壓縮性在不同位置基本一致且壓縮性小，說明在相同壓力條件下，主地面沉降中心區的沉降量更大。

3.2 地面沉降與建筑荷載的關系分析

隨著大量人口向城市聚集以及城市的大規模建設，建筑物對地面沉降的影響作用逐漸凸顯，建筑物荷載的變化成為引發城鎮地面沉降的一個重要因素。本次收集的研究區建筑用地的資料顯示，建筑物在谷饒鎮整體分布較為密集，區內的建筑物多為低層建筑，層高為2～3層。通過對研究區建筑用地的空間位置分布與累計地面沉降量(即總地面沉降量)進行疊加分析發現(見圖8)，研究區內的密集建筑物基本位于主沉降區-30 mm累計地面沉降量等值線以內；在累計地面沉降量大于-60 mm的范圍內，68%的面積有建筑物覆蓋；在累計地面沉降量大于-120 mm的范圍內，基本無建筑荷載。由此可見，建筑荷載是引起研究區地面沉降的重要因素，但不是造成嚴重地面沉降的主要原因。

圖8 研究區建筑用地的空間位置分布與總地面沉降量疊加圖

3.3 地面沉降與開采地下水的關系分析

圖9 谷饒鎮紡織洗染廠數量統計圖

研究區中的谷饒鎮地面沉降問題最為嚴重，與大量開采地下水的關系十分密切。在谷饒鎮內有2 000多個紡織洗染廠密集分布，其空間分布數量見圖9。其中，在華光村、上堡村紡織洗染廠的數量最多，超過500個，主要分布在主地面沉降中心區附近。這些紡織洗染廠的用水來源主要是地下水開采，其中第四系覆蓋層的松散孔隙水是開采地下水資源的主要來源之一。由于大面積開采地下水，破壞了地下水資源的天然分布狀態，造成地下水水位急劇下降，成為谷饒鎮地面沉降發生的重要誘發因素。

通過對研究區2016年末枯水期不同層位含水層的地下水等水位線與總地面沉降量進行疊加分析(見圖10)，發現研究區地下水水位受人為活動的影響大，不符合天然狀態下的流場分布，其中潛水-承壓含水層組(Ⅰ)地下水等水位線的降落漏斗位于溪美-新厝村，其空間位置與研究區地面沉降嚴重區相吻合；深層承壓含水層組(Ⅱ)在研究區不存在地下水等水位線的降落漏斗，但是其與研究區東側地面沉降嚴重區相對應的是地下水的低水位區。

圖10 研究區不同層位含水層的地下水等水位線與總地面沉降量疊加圖

4 結論與建議

(1) 粵東典型區谷饒鎮的地面沉降在2015年9月至2018年9月期間內的最大年均地面沉降速率為-53.71 mm/a，最大累計地面沉降量為-173.14 mm；研究區中部谷饒鎮的新厝、溪美、華光村是主地面沉降中心，向外逐漸擴大并連成一片；全區地面沉降速率基本呈減小趨勢，主地面沉降中心的沉降速率減小幅度大。

(2) 研究區地面沉降受自然和人為因素的共同影響，引起研究區地面沉降的物質條件是巖土體松散、土質不均；研究區第四系地層在垂向上主要分為兩層壓縮土層組，盡管第一壓縮土層厚度小于第二壓縮土層，但其工程力學性質差，其影響不能忽略；建筑荷載是引起研究區地面沉降的一個重要因素，但不是造成研究區嚴重地面沉降的主要原因；大量開采地下水是研究區地面沉降的主要誘發因素，其中潛水-承壓含水層組(Ⅰ)地下水等水位線的降落漏斗、深層承壓含水層組(Ⅱ)地下水的低水位區與研究區地面沉降嚴重區的空間位置相吻合。

(3) 目前粵東典型區谷饒鎮的地面沉降研究還處于初級階段，建議今后要加強地面沉降的監測工作，并開展相關的機理研究與模擬預測，以為制定合理的谷饒鎮地面沉降地質災害防治方案提供依據。