王曉賀，段光耀，2，喬一格，白曉潔，易正暉

（1.天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384；2.首都師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，北京 100048）

地面沉降是城市發(fā)展中主要地質(zhì)災(zāi)害之一[1]，地面沉降災(zāi)害的發(fā)生，會(huì)對(duì)城市建筑、道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施造成極大損害，嚴(yán)重威脅著城市居民的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全.針對(duì)城市地面沉降問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沉降的形成機(jī)理機(jī)制[1]、監(jiān)測(cè)方法[2-5]、沉降影響因素以及發(fā)展趨勢(shì)[6-8]等方面進(jìn)行了深入研究.

城市的興起伴隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)在不斷發(fā)展過程中可能伴隨著工廠區(qū)域地面沉降的發(fā)生.廠區(qū)沉降威脅著工廠正常運(yùn)行以及周邊區(qū)域安全，因此研究廠區(qū)沉降趨勢(shì)及原因是十分重要的.近幾年針對(duì)工廠的沉降研究，大多聚焦在廠房修建施工技術(shù)、地基的牢固性以及地面荷載等方面[9-11].根據(jù)現(xiàn)有針對(duì)工廠地面沉降研究表明，不同廠區(qū)地面沉降形成的具體原因不同，采空區(qū)沉降與開采深度、開采厚度以及地形坡度有關(guān)[12]；工業(yè)廠房回填土質(zhì)量缺陷造成廠房地面沉降[13]；采油廠油田儲(chǔ)層變化與地表形變存在復(fù)雜的對(duì)應(yīng)關(guān)系[14].目前針對(duì)工廠尤其是化工廠的沉降時(shí)空分析還不夠，仍然需要繼續(xù)投入精力深入研究.

本文擬研究北京焦化廠廠區(qū)沉降演化趨勢(shì)及沉降原因.基于40 景TerraSAR-X 數(shù)據(jù)和36 景ENVISATASAR 數(shù)據(jù)獲取的沉降結(jié)果，分析工廠區(qū)域沉降具體原因及趨勢(shì).探索北京焦化廠區(qū)域沉降與工廠搬遷時(shí)空的相關(guān)性，以及工廠區(qū)域沉降的演化規(guī)律.

1 數(shù)據(jù)源及研究區(qū)概況

1.1 數(shù)據(jù)源

ENVISAT-ASAR 數(shù)據(jù)是衛(wèi)星搭載的合成孔徑傳感器獲取C 波段雷達(dá)影像數(shù)據(jù)（C 波段波長(zhǎng)為5.63 cm，頻率為5.331 GHz），極化方式是VV，30 m 分辨率；TerraSAR 數(shù)據(jù)是衛(wèi)星搭載合成孔徑雷達(dá)天線獲取X波段雷達(dá)影像數(shù)據(jù)（X 波段的波長(zhǎng)為3.11 cm，頻率為9.6 GHz），極化方式是VV，空間分辨率12 m.數(shù)據(jù)處理使用分辨率為90 m 的SRTM 作為輔助DEM.

1.2 研究區(qū)概況

自20 世紀(jì)50 年代至今，北京地面沉降問題突出，是北京主要地質(zhì)災(zāi)害之一.朝陽(yáng)區(qū)是北京地面沉降較嚴(yán)重地區(qū)，在2004—2015 年最大沉降速率達(dá)到129 mm/a.本文研究區(qū)是朝陽(yáng)區(qū)焦化廠區(qū)域，該廠始建于1958 年，主要以煤為原料生產(chǎn)煤氣、焦炭和煤化工產(chǎn)品. 應(yīng)《北京奧運(yùn)行動(dòng)規(guī)劃》政策要求，焦化廠于2006 年7 月搬遷.本文針對(duì)焦化廠搬遷前后沉降情況做了趨勢(shì)分析，結(jié)合發(fā)展開發(fā)情況分析其沉降原因，研究區(qū)及影像覆蓋區(qū)域如圖1 所示.

圖1 研究區(qū)及影像覆蓋范圍

2 數(shù)據(jù)處理流程

InSAR 數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程如圖2 所示.首先將時(shí)序InSAR 數(shù)據(jù)與外源DEM 進(jìn)行地理配準(zhǔn)，隨后進(jìn)行高相干點(diǎn)的篩選，將最終選取的點(diǎn)列表進(jìn)行迭代分析，去除影像的大氣延遲相位、軌道誤差、地形相位、系統(tǒng)噪聲等，最終獲取形變結(jié)果.

圖2 技術(shù)流程

3 沉降結(jié)果及其精度驗(yàn)證

3.1 沉降結(jié)果

數(shù)據(jù)處理沉降結(jié)果（見圖3）.從沉降速率變化圖可以看出，朝陽(yáng)區(qū)、昌平區(qū)、順義區(qū)以及通州區(qū)北部沉降比較嚴(yán)重，其他地區(qū)相對(duì)穩(wěn)定.

圖3 沉降結(jié)果

3.2 精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證可靠性，本文分別采用2011 年和2008年的二等水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果與PS-InSAR 測(cè)量結(jié)果相比較. 使用BJ008、BJ026、BJ027、BJ029、BJ030、BJ034 六個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)作為依據(jù)，以每個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)為中心，分別建立一個(gè)半徑為100 米的圓形緩沖區(qū)，將緩沖區(qū)內(nèi)所有PS 點(diǎn)沉降量的均值設(shè)為InSAR 測(cè)量結(jié)果. 水準(zhǔn)點(diǎn)所處位置見圖4. 將TerraSAR 影像與ASAR 影像的結(jié)果分別與水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證，最大絕對(duì)誤差分別為9.16、9.87 mm；最小絕對(duì)誤差為1.26、1.03 mm；標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為4.25、5.24 mm. 兩者絕對(duì)偏差在10 mm/a 以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)離差在6 mm/a 以內(nèi).

圖4 精度驗(yàn)證

4 工廠搬遷與地面沉降分析

城市地面沉降受多種因素影響，本文主要研究大型工廠的運(yùn)行以及搬遷對(duì)當(dāng)?shù)氐孛娉两档挠绊懗潭?東南郊化工區(qū)包括北京化工二廠、北京玻璃二廠、北京染料總廠和北京煉焦化學(xué)廠等企業(yè).

4.1 東南郊化工區(qū)沉降空間分析

東南郊化工區(qū)是以1958 年化工二廠在大郊亭建廠開始形成的，化工區(qū)在1958 年開始利用開采地下水，這是北京地下水初期開采階段.

化工區(qū)內(nèi)有多個(gè)工廠，工廠位置分布見圖5.本文將位置臨近的幾個(gè)工廠作為一個(gè)工廠區(qū)域，即工廠區(qū)域1、工廠區(qū)域2、工廠區(qū)域3、工廠區(qū)域4.焦化廠位置距離其他工廠較遠(yuǎn)且占地面積大，作為單獨(dú)的一個(gè)工廠區(qū)域研究.

圖5 工廠區(qū)域位置

為了對(duì)工廠的地面沉降展開空間分析，先對(duì)東南郊化工區(qū)里的工廠進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，得到不同區(qū)域的沉降情況，然后進(jìn)行空間分析. 首先做0～100 m、100～200 m、200～300 m、300～500 m、500～1000 m 五級(jí)緩沖區(qū)，即對(duì)五個(gè)工廠區(qū)域中心分別做多環(huán)緩沖區(qū).然后對(duì)其多環(huán)緩沖區(qū)進(jìn)行賦值，0～100 賦值5、100～200 賦值4、200～300 賦值3、300-500 賦值2、500～1000 賦值1.然后對(duì)五個(gè)多環(huán)緩沖區(qū)做疊加分析、綜合評(píng)價(jià)，賦值后疊加值范圍在1～10，數(shù)值越大重疊度越高.將疊加區(qū)域分為五個(gè)等級(jí)如圖6 所示：數(shù)值9～10 為第一等級(jí)，數(shù)值7～8 為第二等級(jí)，數(shù)值5～6 為第三等級(jí)，數(shù)值3～4 為第四等級(jí)，數(shù)值1～2 為第五等級(jí).

圖6 分級(jí)情況

將五個(gè)級(jí)別區(qū)域沉降點(diǎn)分別求均值，做折線圖如圖7 所示并進(jìn)行比較分析.

圖7 均值折線圖

由圖7 可以看出不同區(qū)域的沉降情況：五級(jí)區(qū)域＜四級(jí)區(qū)域＜三級(jí)區(qū)域≤二級(jí)區(qū)域＜一級(jí)區(qū)域.在研究分析過程中發(fā)現(xiàn)五級(jí)重疊區(qū)域內(nèi)有座立交橋如圖6 所示.立交橋是五方橋，位于北京東五環(huán)，跨越京沈高速，在2005 年修建完成，可能會(huì)對(duì)該區(qū)域沉降有所影響.

由立交橋沉降量（見圖8）可以看出：2004 年到2010 年，立交橋年沉降量整體上呈增大趨勢(shì)；2004年沉降量是29 mm；2005 年立交橋建成期沉降量是42 mm；2006 年是41 mm，沉降的趨勢(shì)是增大的.

圖8 立交橋沉降量

2005 年建成之后相較建成之前沉降速率減小，在建設(shè)過程中，受工程施工因素影響導(dǎo)致04 年至05 年沉降量增大.在橋梁建成后05 年至06 年沉降量沒有太大變化，之后06 年至07 年沉降速率加快，具體沉降可能與橋梁樁基結(jié)構(gòu)、動(dòng)靜荷載等因素相關(guān).

針對(duì)此情況，將去除立交橋沉降點(diǎn)的五級(jí)區(qū)域（以下稱為五級(jí)其他區(qū)域）與立交橋區(qū)域及整個(gè)五級(jí)重疊區(qū)域進(jìn)行均值對(duì)比如圖9 所示. 比結(jié)果表明：立交橋區(qū)域沉降＞整個(gè)五級(jí)重疊區(qū)域＞五級(jí)重疊其他區(qū)域. 立交橋地表沉降的因素有很多，比如施工方法、樁基結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件等[15-16]. 立交橋?qū)υ摰貐^(qū)地面沉降影響較大，考慮去除該區(qū)域的沉降點(diǎn)，對(duì)五級(jí)區(qū)域重新進(jìn)行均值分析，均值結(jié)果如圖10 所示.

圖9 第五級(jí)區(qū)域分區(qū)沉降均值

圖10 五級(jí)區(qū)域沉降均值

對(duì)比圖10 與圖7，去除立交橋區(qū)域沉降點(diǎn)后，四級(jí)區(qū)域沉降與五級(jí)區(qū)域有了明顯的區(qū)分，四級(jí)區(qū)域沉降大于五級(jí)區(qū)域.五個(gè)級(jí)別區(qū)域內(nèi)沉降對(duì)比結(jié)果是：五級(jí)＜四級(jí)＜三級(jí)≤二級(jí)＜一級(jí)，即五級(jí)區(qū)域是相對(duì)沉降最小區(qū)域，一級(jí)區(qū)域最為嚴(yán)重.

在工廠的空間分布上，工廠位置聚集區(qū)域沉降比較嚴(yán)重.空間上位于研究范圍東北角五方橋的建設(shè)對(duì)研究區(qū)地面沉降有很大影響.進(jìn)一步總結(jié)該區(qū)域沉降演化規(guī)律，工廠分布密集區(qū)沉降嚴(yán)重.

結(jié)合研究區(qū)工廠發(fā)展情況以及沉降情況，分析工廠分布越密集，區(qū)域沉降越嚴(yán)重的原因可能與地下水開采、工廠運(yùn)營(yíng)等因素有關(guān).工廠運(yùn)營(yíng)需要開采地下水，地下水位的下降會(huì)帶來沉降.工廠越多，地下水開采量越大，沉降也就越嚴(yán)重.工廠的停產(chǎn)會(huì)減少地下水的開采，進(jìn)而影響沉降.根據(jù)查閱資料和文獻(xiàn)得知，北京焦化廠2004—2007 年期間，工廠運(yùn)營(yíng)用水多以地下水開采為主.基于此，本文以焦化廠為例討論工廠搬遷、運(yùn)營(yíng)及地下水對(duì)區(qū)域地面沉降的影響.

4.2 焦化廠區(qū)域沉降時(shí)序分析

北京焦化廠在2006 年7 月15 日開始停產(chǎn)，2007年徹底停產(chǎn)搬遷，2008 年之前搬遷完成.焦化廠主廠區(qū)占地約147.3 hm2，在工廠搬遷后該區(qū)域進(jìn)行了發(fā)展規(guī)劃，一部分作為風(fēng)貌協(xié)調(diào)區(qū)進(jìn)行綜合開發(fā)建設(shè)，成為房地產(chǎn)開發(fā)地，打造成為城市文化藝術(shù)活動(dòng)區(qū)；一部分規(guī)劃為7 號(hào)線焦化廠車務(wù)段；一部分遺留作為核心保護(hù)區(qū)，將工廠舊址遺留保護(hù)作為工業(yè)遺址公園發(fā)展成為游覽地，本節(jié)主要研究焦化廠區(qū)域沉降長(zhǎng)時(shí)序演化規(guī)律.焦化廠區(qū)域沉降序列如圖11 所示.

圖11 焦化廠區(qū)域沉降均值

由圖11 可以看出，該區(qū)域地面沉降量持續(xù)增加，不同時(shí)間段沉降變化不一樣，2004—2006 年地面沉降可能與工廠運(yùn)營(yíng)主要開采地下水有關(guān). 對(duì)該區(qū)域地下水做插值，提取工廠區(qū)域地下水埋深數(shù)據(jù).地下水埋深提取結(jié)果見表1.地下水?dāng)?shù)據(jù)來自北京水資源公報(bào).

表1 地下水埋深

將地下水埋深與沉降做對(duì)比，結(jié)果如圖12 所示.

圖12 地下水與沉降量對(duì)比

分析圖11-12 得出以下結(jié)論.

（1）工廠停產(chǎn)前2004—2005 年地下水埋深增大，相對(duì)應(yīng)2005 年沉降量增大.2006 年末地下水埋深較2005 年減小，沉降量較2005 年減小.2004—2006 年焦化廠處于運(yùn)營(yíng)時(shí)期，工廠用水主要開采大量地下水，導(dǎo)致該地區(qū)地下水位降低，因此2004—2006 年工廠運(yùn)營(yíng)時(shí)期地面沉降比較嚴(yán)重.

（2）2006 年末地下水回升，2006—2008 年地下水水位沒有發(fā)生變化.焦化廠在2006 年7 月停產(chǎn)，地下水的開采減少，因此2006—2008 年期間地下水位變化小，該區(qū)域沉降理論上減小，事實(shí)上沒有減小.地面沉降相對(duì)地下水響應(yīng)有延遲，2006—2008 年地下水位下降減緩了，但是之前水位降低帶來的沉降還沒有完全完成，后續(xù)還會(huì)有沉降持續(xù)產(chǎn)生.焦化廠東南角化工橋工程建設(shè)2008 年完工，橋梁的建設(shè)伴隨著基坑工程施工，對(duì)該區(qū)域沉降造成一定影響.

（3）2009—2010 年地下水埋深增大即地下水位降低，且2010 年該區(qū)域開始進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，年末地下水埋深較2009 年降低1.7 m，隨之區(qū)域沉降增大.

化工橋位置見圖13.需要說明的是研究區(qū)東側(cè)以及東南角的沉降情況，2004 年該地區(qū)還屬于村莊、農(nóng)田，2005 年開始遷入工廠，這部分地區(qū)不斷建設(shè)工廠，村子搬遷建設(shè)房地產(chǎn)、購(gòu)物廣場(chǎng)等.該地區(qū)屬于不斷施工建設(shè)，沉降相對(duì)嚴(yán)重.

圖13 化工橋位置

焦化廠在2011—2015 年沉降情況（見圖14），由圖14 可以得出焦化廠區(qū)域在2011 年至2015 年沉降量呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢(shì)，最大沉降速率是86.36 mm/a，累積沉降量為360 mm.

圖14 焦化廠2011—2015 沉降均值

2010 年以后該區(qū)域開始開發(fā)建設(shè)，染料廠舊址（焦化廠西北側(cè)）在2010 年開始建設(shè)商品房，2012 年7 號(hào)線車務(wù)段焦化廠站開始動(dòng)工建設(shè)，地鐵施工會(huì)加劇區(qū)域沉降. 2013 年焦化廠舊址開始開發(fā)建設(shè)，在2015 年該區(qū)域尚未完成開發(fā)建設(shè). 在2010—2015 年期間該工廠區(qū)域一直處于開發(fā)建設(shè)階段，地鐵施工、工程施工等是該階段區(qū)域沉降的主要原因，因此沉降持續(xù)增加.

5 結(jié)論

研究采用PS-InSAR 技術(shù)處理北京2004—2015年數(shù)據(jù)，對(duì)焦化廠區(qū)域工廠搬遷前、工廠搬遷后以及再開發(fā)不同時(shí)段的沉降過程，通過長(zhǎng)時(shí)序的沉降時(shí)空分析得出以下結(jié)論.

（1）工廠在空間分布上影響地面沉降，工廠位置分布越聚集，對(duì)該區(qū)域地面沉降影響程度越大.工廠建設(shè)位置可以合理規(guī)劃，減少大量聚集.

（2）在研究區(qū)內(nèi)兩個(gè)立交橋的建設(shè)施工以及通行同樣影響著區(qū)域地面沉降.

（3）在時(shí)間上分析化工區(qū)地面沉降演化規(guī)律，工廠的搬遷相比空間分布沉降影響要明顯.工廠搬遷前后區(qū)域沉降變化及原因?yàn)椋孩俟S搬遷前后區(qū)域沉降變化主要原因是停產(chǎn)前工廠用水量大，過量開采地下水造成沉降；②2006 年7 月停產(chǎn)后工廠區(qū)域停止開采地下水，沉降變化在2006 年底隨之減??；③工廠搬遷后舊址在不同開發(fā)階段沉降變化速率不同，在閑置未開發(fā)階段地下水水位幾乎不發(fā)生變化，沉降變化減??；④開發(fā)階段由于工程施工影響，工廠區(qū)域沉降持續(xù)增大.

焦化廠的搬遷與該區(qū)域沉降具有相關(guān)性，工廠大量開采地下水是沉降的主要因素，地下水開采及工程施工影響區(qū)域沉降，控制地下水開采以及改善工程施工技術(shù)能有效減小區(qū)域沉降.