江蘇沿海地區地面沉降監測網絡建設與優化

蔡田露，盧 毅，劉明遙，龔緒龍

(1.自然資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇 南京 210049；2.江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210049)

0 引 言

地面沉降是一種緩變性、不可逆的地質災害，是城市化進程中普遍存在的環境地質問題，已成為影響經濟社會可持續發展的重大不利因素(武健強等,2014)。地面沉降會造成城市內澇、建筑物開裂、路基下沉、市政基礎設施破壞等現象(于軍等,2012)。目前，全國有50余個城市120多個地區出現了不同程度的地面沉降,累計地面沉降量>200 mm的地區超過8萬km2，其中長江三角洲、華北平原和汾渭盆地是我國目前地面沉降的三大重點片區(中華人民共同和國土資源部等,2012)。2012年2月20日，隨著《全國地面沉降防治規劃》(2011—2020)的頒布實施，標志著國家層面的地面沉降防治工作全面展開(袁銘等,2016)。

1 江蘇沿海地區地質環境基本特征

江蘇沿海地區包括連云港、鹽城、南通3市，陸域面積3.26萬km2。地處海陸交互地帶，地質條件復雜，受長江、淮河、黃河與黃海相互作用沉積，形成以廣袤濱海平原為主的地貌形態，成陸時間較晚，地質環境相對脆弱。研究區地下水空間分布很不均勻，具有較明顯的地區性特征。其中，分布范圍最廣、開采利用程度最高的是埋深<600 m的松散巖類孔隙含水層組，其含水層次多，厚度變化大，水質多樣，富水性不一，水文地質條件較為復雜。

全區主要開采層為第Ⅲ承壓含水層，該含水層組頂底板分布較為穩定，隔水性良好，水質較好，地層屬于第四系下更新統(Qp1)，主要為河湖、河流相沉積物。含水層巖性大多為灰至灰黃色含礫中粗砂、粗砂、中細砂、細砂等。

含水層頂板埋深在連云港地區多<100 m，鹽城地區多在100～200 m之間，鹽城市區>200 m，南通地區海門—通州—如皋一線以東頂板埋深>200 m，以西<200 m。含水層厚度自北向南、自西向東逐漸增厚，在連云港地區多為0～20 m，灌南一帶>40 m；鹽城地區一般為20～40 m，濱?！穼帯ê痪€以西含水層厚度多為0～20 m，南通地區普遍在40～60 m之間，沿海岸帶及沿江帶局部較薄，為20～40 m，全區最厚處位于海安—弶港一帶，厚度>80 m。

2 江蘇沿海地面沉降歷史及現狀

通過收集研究區歷史水準路線(1985年、2003—2010年、2012—2013年測量的Ⅰ臨無線、Ⅱ連六線、Ⅱ通六線等)，結合區域主采層地下水位動態監測資料(《連云港、南通、鹽城、泰州1980—2012年地下水動態監測年報》《長江三角洲地區(長江以北)環境地質綜合調查評價》)進行分析，結果顯示，江蘇沿海地區地面沉降發生于20世紀80年代，至2016年，累計沉降量>200 mm的漏斗面積近1.4萬km2，形成灌河沿岸—濱?！穼帯}城—大豐、射陽、如東及南通—海門4個大型區域沉降漏斗(圖1)。堆溝港鎮—雙港鎮、響水、阜寧、鹽城、大豐的沉降最為嚴重，累計沉降量均>500 mm，最大沉降中心位于大豐海豐農場，累計沉降量>700 mm。

圖1 江蘇沿海地區1985—2016年累計地面沉降量Fig.1 Accumulated land subsidence in Jiangsu coastal area from 1985 to 2016

2016年以后，隨著地下水禁采工作的逐步推進，原采水型地面沉降重災區的鹽城北部—連云港南部地區地面沉降速率明顯減緩。其中，燕尾港、堆溝港等地區甚至出現小范圍的地面抬升現象，地下水位也出現回升，超采區域大部分回升至限采水位紅線(25 m)以上。

但是，沿海部分開發節點連云港連云新城、徐圩新區，鹽城的濱海港區、大豐港區，南通洋口港區、通州灣圍填區、呂四港區均出現較為嚴重的地面沉降，年平均沉降量達到30 mm，部分沉降中心沉降速率>50 mm/a(圖2)，對區域內的重大工程建設安全、港口建設與運行等方面產生威脅。同時，海平面的逐年上升(平均上升速率為2.2 mm/a)加劇地面沉降帶來的災害，如何建立并優化地面沉降立體監測還需要開展諸多工作。

圖2 江蘇沿海地區2017—2019年地面沉降速率Fig.2 Land subsidence rate in Jiangsu coastal area from 2017 to 2019

3 江蘇沿海地區地面沉降監測網絡建設

雖然江蘇沿海地區地面沉降監測起步較晚，鹽城、連云港地區在2012年前基本未開展過系統的地面沉降調查，亦未建立地面沉降監測網絡(張杏清等,2015)，但在《全國地面沉降防治規劃》及《江蘇沿海地區發展規劃》持續推進的背景下，結合地面沉降和地下水開發利用現狀、區域地質條件和沿海開發布局，江蘇沿海三市逐漸建成了以基巖標分層標為基準、水準路線為骨架(圖3)、GPS點為節點(圖4)、自動化監測為補充(圖5)、InSAR影像全覆蓋的立體地面沉降監測網絡。整個網絡匯集點、線、面多種監測方法，建立了天空-地表-地下多維監測視角，包含地面沉降態勢掌控及成因機理研究兩大監測目的，覆蓋范圍廣、手段多樣、精確度高，基本實現了區域地面沉降的動態全監測。具體組成情況如表1。

圖3 江蘇沿海地區水準路線分布圖Fig.3 Leveling line monitoring network in Jiangsu coastal area

圖4 江蘇沿海地區地下水GPS監測網Fig.4 GPS monitoring network of underground water in Jiangsu coastal area

圖5 江蘇沿海地區地下水自動化監測網Fig.5 Automatic monitoring network of underground water in Jiangsu coastal area

表1 江蘇沿海地區地面沉降監測網組成Table 1 Land subsidence monitoring network structure in Jiangsu coastal area

4 江蘇沿海地區地面沉降監測網絡優化

4.1 地面沉降監測技術應用特征

4.1.1 水準測量 作為地面沉降監測傳統手段，水準測量法相對成熟、規范，成果數據精度高、可靠性強，一直是地面沉降發育嚴重地區的首選監測手段。然而，由于觀測周期長、工作量大、易受氣候及交通等因素影響，測量成本普遍較高。同時，水準點位大多沿公路布設，極易受周圍交通和建設環境干擾，相對不易保存。

從成果應用來看，水準測量屬于點-線式監測方法，其成果數據對于地面沉降重點區監測具有很強的把控能力，但宏觀上并不足以把握全域性地面沉降態勢。

4.1.2 基巖標分層標測量 基巖標分層標測量是把控區域地面沉降精度不可或缺的手段，是地面沉降監測網的重要組成部分?；鶐r標是埋設在穩定基巖上的水準點，通?？勺鳛樗疁事肪€的起算點，在覆蓋有松散地層的區域內可以更準確地測定地面沉降量，進行水準測量精度的把控。分層標組是埋設在覆蓋層各不同土層中的標點，通過與組內各標點的聯測，得到不同土層的壓縮、膨脹量，從而監測不同深度土層的變形情況，分析地面沉降影響因素及成因機理。但由于標組建設費用高、周期長，因此通常僅布設在地面沉降漏斗中心區，組網密度低，監測成果以單點數據進行呈現，無法實現監測的全覆蓋。

4.1.3 自動化監測 江蘇沿海地區的自動化監測數據主要來自靜力水準測量系統、地下水動態監測系統以及工程分層沉降監測系統三大方面。其中，靜力水準測量系統通過獲取各分層標的標高變化來輔助人工水準測量，利用連通液的原理，通過測量不同儲液罐的液面高度得到各個靜力水準儀豎直方向的差異沉降(圖6)；地下水動態監測系統以及工程分層沉降監測系統則分別通過各含水層水位變化和淺表軟土的分層沉降數據，分析監測區域地面沉降影響因素(圖7)。

圖6 徐圩分層標沉降量數據曲線(基準點：2017-09-04)；Fig. 6 Settlement amount curve of Xuwei layerwise mark(from September 4,2017)

圖7 徐圩分層標孔隙水壓力監測孔水位Fig.7 Monitoring pore water level of pore water pressure of Xuwei layerwise mark

所有自動化監測數據通過現場的數據采集儀，經GSM無線通訊網傳輸到遠程數據終端，供用戶進行數據查看與下載。長期測試表明，自動化監測設備只要供電穩定并維護到位就可以確保連續、實時、高精度的數據采集。因此，自動化監測是當前單點連續性動態監測的最好手段(何曉業,2006)。

4.1.4 分布式光纖監測 分布式光纖監測較傳統方法最大的優點是能夠連續、準確和直觀地測出光纖沿線任一點的應變情況(盧毅等,2014)，同時光纖結構簡單，施工和維護方便，性價比很高(圖8)。從使用情況看，光纜封裝材料的改進與施工工藝的完善已極大程度提升了傳感光纜的成功率，但由于其監測效果與光纜和地層的耦合程度密切相關，如何更好地提升傳感光纜的土體耦合性以及自身的應變傳遞效率是進一步推廣該技術的關鍵(盧毅等,2016)。

圖8 徐圩地區光纖孔初始應變分布圖Fig.8 Initial strain distribution of the buried depth and fiber holes in Xuwei

4.1.5 GPS監測 相較于發展較早的平面位置定位優勢，近年來GPS對高程分量的獲取逐漸得到認可。與傳統水準測量相比，GPS技術具有觀測周期短、適合全天候作業、測站間無需通視、儀器操作簡單、提供三維地心坐標等優點(王曉梅等,2003)。因此，GPS監測可以作為初步把握沉降總體發育形勢的便捷手段。由于受到氣候、電離層、對流層、空氣、電磁波、衛星狀態等監測條件干擾和數據解算方法的限制，GPS在垂向監測中的精度一般為5～10 mm。對于沉降速率較小或監測精度要求較高的中心城區，單一的GPS成果并不能滿足需求。

4.1.6 InSAR監測 合成孔徑雷達干涉(InSAR)測量是近年來快速發展起來的地面沉降監測技術(周玉營等,2017)，在數據源良好、數據處理精細的情況下，可達到毫米級的監測精度(圖9)。

圖9 2019年灌南亞邦新村養殖場InSAR監測成果(a)與中心點時序變化曲線(b)Fig.9 InSAR monitoring results (a)and time series curve of central point in a livestock farm (b)in the New Yabang Village of Guannan in 2019

InSAR監測具有很強的時效性，可在短時間內獲取大范圍的地面沉降信息，且監測過程不受天氣等外界環境因素制約，自動化程度高，在沉降資料匱乏的地區不失為高效率、高精度獲取全域地面沉降現狀的最佳方法。同時，對于建筑物密集的城市，由于監測點散射特性穩定，可以減少絕大多數的時間失相干，因此在城市地面沉降監測中得到了良好的應用和推廣。

從監測效果來看，InSAR監測與水準測量、GPS測量總體趨勢一致，特別是影像分辨率在5 m以上的高分辨率InSAR監測，其反演精度可以達到5 mm左右，已逐漸成為地面沉降監測的成熟手段。針對工程跨地區、走向不一的重大線性工程(如鹽通鐵路)，亦或地面沉降中心不斷偏移的經濟新區的沉降監測，InSAR監測因其面上全覆蓋的優勢，表現出很強的可行性及實用性。但是，InSAR監測精度需要積累大量的數據作為保證，且缺乏統一的評定指標。此外，對于冰雪、植被覆蓋區域，由于目標相干性差，也在一定程度上影響了InSAR監測的效果(晏王波等,2017)。

4.2 地面沉降監測技術綜合評價

隨著地面沉降影響因素的不斷增加，地面沉降中心不斷變化，單一監測方法已難以實現全區地面沉降動態特征的把控。為此，因地制宜地建立一套高效、可靠的立體監測網絡體系成為地面沉降監測優化工作的重點。綜合對比分析江蘇沿海地區所布設的監測技術手段，從監測精度、監測密度、覆蓋范圍、監測頻率、監測工作量、監測成本等多個方面進行綜合評價(表2)。

表2 地面沉降監測方法綜合評價Table 2 Comprehensive evaluation of land subsidence monitoring methods

(1)監測精度方面，雖然自動化監測及光纖監測理論精度較高，但由于監測點位離散分布，因此傳統的水準測量方法對于有高精度地面沉降監測需求的區域仍是不可替代的手段。隨著高分辨率衛星數據源的引入，大大提升了InSAR監測的反演精度，使其在如今的地面沉降現狀監測中具有很大的優勢。

(2)監測頻率方面，自動化監測具備<1 min的數據自動化獲取頻率，可實現無間斷的地面沉降動態監測。

(3)監測范圍及點位密度方面，InSAR監測是唯一由點構面的地面沉降監測方式，可用于空白區的初探或者高覆蓋面的持續地面沉降動態監測。

(4)監測自動化程度方面，InSAR監測、自動化監測在數據獲取階段人工依賴度低。

(5)后期的數據處理方面，InSAR監測和光纖監測仍處于不斷探索及快速發展階段，故對相應技術人員的要求更高。

(6)成本投入方面，因基巖標分層標建設涉及鉆探成本，工程分層沉降監測、地下水動態監測以及光纖監測則需要開挖布設，水準測量及GPS監測需要點位建設，故前期成本較高。在后期監測使用與維護方面，精密水準測量因工作量巨大導致成本居高不下，InSAR監測所涉及的數據編程購置費用不菲，而光纖監測由于需要昂貴監測設備的支持，監測成本總體偏高。相比而言，自動化監測屬于1次投入連續產出的低成本監測方式。

4.3 地面沉降監測網絡現狀評估

綜上，對于不同因素引起的動態地面沉降現象，多方法融合監測技術將突破單一方法的局限性，發揮各自的優勢，揚長避短，提高監測精度，降低監測成本。以江蘇沿海地區為例，綜合考慮3市的歷史工作程度、自然地理特征、人類活動狀況、沉降成因機理等因素，選用不同方法組合，以實現監測效益的最大化。

(1)對于連云港、鹽城的監測空白區，首先通過GPS監測快速掌握地面沉降宏觀態勢，再利用InSAR監測數據進一步確定沉降漏斗位置，還可以根據InSAR衛星存檔數據獲取地面沉降歷史動態信息，研究演化規律。

(2)對于鹽城市區及大豐周邊等歷史重點沉降區或連云港濱海開發區，可通過布設精密水準來提高沉降監測精度。

(3)對于射陽、徐圩等沉降漏斗中心，適當布設1～2組分層標，對于把握分層標組周邊地面沉降垂向動態、提高總體監測精度都有良好的效果。

(4)對于如南通這樣已有一定地面監測基礎的地區，可通過InSAR的面上控制，結合其他單點測量手段亦或地面沉降跡象調查，對監測成果進行校核(圖10)。

圖10 江蘇沿海地區地面沉降監測網絡Fig.10 Land subsidence monitoring network in Jiangsu coastal area

4.4 地面沉降監測網絡優化與建議

目前，江蘇沿海三市監測網絡已趨于完善，地面沉降歷史與現狀也基本掌握。在防治地質災害，保障經濟社會可持續發展的形勢下，對地面沉降的監測與防控工作應當趨向于常態化。因此，未來的工作開展必須緊密結合“三極、一帶、多節點”的城市空間布局框架，著重關注重要開發節點，全面提升沉降監測的時效性，對江蘇沿海地區的地面沉降監測網絡進行進一步的優化與完善。

4.4.1 調整監測頻率 隨著2014年《江蘇省地下水壓采方案》啟動的地下水井逐年填封工作的持續推進，近年來，歷史采水型地面沉降的高發區沉降速率明顯趨緩，沉降面積逐漸減小。鹽城陳家港鎮、連云港堆溝港鎮等部分區域甚至出現小范圍抬升。因此，對于這類地面沉降防控效果良好的地區，可以適當降低水準測量、GPS監測等傳統監測手段的工作頻率，將原本1次/a調整為2～5年1次，從而減少人力物力的投入。

4.4.2 加強自動化監測 對于地面沉降速率變化平穩但又具備長期監測需求的城市發展中心區，如鹽城市區及大豐區、南通如皋等，可在部分軟土及含水砂層較厚的區域適當增加自動化監測設備的投入，在保證常態化監測的同時降低維護及運行成本。

4.4.3 增加InSAR監測 在連云港徐圩新區、連云新城，鹽城射陽港、南通洋口港、通州灣等新興城區、港口港城、沿海堤壩亦或圍填海區域，因存在較厚的淺部欠固結軟土，在開發程度增加的情況下極易發生地面沉降，且沉降中心會隨著工程建設等人類活動強度的變化而發生轉移。因此，一些固定點位的監測方法已不能完全滿足動態監測的需求，應適當增加InSAR監測的投入比例，以達到全域覆蓋的監測效果，并在局部沉降中心區布設一等水準測量來實現精準控制。

4.4.4 完善成因機理研究 目前，地面沉降的影響因素已逐漸從單一向混合型轉變，而常規手段測量出的地表形變信息僅能夠反映沉降的歷史及現狀，并不具備成因屬性。為了從根本上、源頭上開展地面沉降的防治工作，需要在明確區內地質條件、產業布局等背景下，進一步摸清地下水位變化規律和沉降主要壓縮層等因素。所以，在江蘇沿海地區的重要開發節點及沉降中心區域應持續開展分層標測量、光纖監測、工程分層沉降監測以及地下水動態監測。

例如，在地下水監測工作薄弱區域或有地下水開采需求的局部地區，應適當增加地下水監測網絡的覆蓋密度，特別關注主采層的地下水位動態變化，以求把握地下水與地面沉降的耦合關系。在工程建設集中區，可布設多個工程分層沉降及光纖監測點，利用分層監測的方法，進一步確定沉降主要影響層位，分析成因機理，從而更好地制定地面沉降防治區劃，提出相應的防控措施。

5 結 論

(1)江蘇沿海地區地面沉降監測網的建設經歷了一個從無到有、從單一方法到多法融合的發展過程。截至目前，區域上已建成由一等水準、GPS、基巖標分層標、InSAR、自動化、分布式光纖等多技術融合的立體監測網絡，并根據區內的地質地貌條件及社會經濟發展狀況，在部分重要節點增加了地下水動態監測與工程分層沉降監測，以探索江蘇沿海地區地面沉降影響因素及占比，基本滿足了地面沉降研究中各個層次(不同區域、不同精度、不同土層、不同含水層)的研究需求，不僅填補了區域地面沉降監測的空白，也為我國沿海地區資源環境監測網絡的構建提供了參考。

(2)自實施全區地面沉降防控措施以來，大豐及其周邊區域沉降速率總體得到控制，但由于連云港南部—鹽城北部區域城市化進程的不斷推進，地面沉降漏斗隨之轉移。因此，在今后的監測中，應根據地區差異性需求來調整各監測手段的投入，在滿足監測需求的前提下，優先選取自動化及物聯網傳輸設備，以降低監測成本，節省人力物力，取得監測效益的最大化，為經濟社會可持續發展提供詳盡的基礎數據支撐。

(3)根據沿海大開發的戰略框架及空間布局，對于灘涂框圍區、港口港城的地面沉降監測應在今后的工作中加強部署。與此同時，針對重大線性工程(如高速公路、鐵路、地鐵、油氣管線等)沿線，在工程前期勘探、中期建設及后期投入運營早期應適當增加監測頻率，逐步優化、完善信息的互聯互通，構建全天候、全方位、高精度的實時動態監測網絡。