王　勇，劉嚴萍，胡樂銀

(1. 天津城建大學 地質(zhì)與測繪學院，天津 300384；2. 大地測量與地球動力學國家重點實驗室，湖北 武漢 430077；3. 天津城建大學 經(jīng)濟與管理學院，天津 300384；4. 北京市地震局，北京 100080)

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基于GPS的北京市2007-2012年地面沉降變化研究*

王勇1,2，劉嚴萍3，胡樂銀4

(1. 天津城建大學 地質(zhì)與測繪學院，天津 300384；2. 大地測量與地球動力學國家重點實驗室，湖北 武漢 430077；3. 天津城建大學 經(jīng)濟與管理學院，天津 300384；4. 北京市地震局，北京 100080)

摘要:利用經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)方法處理2007-2012年的北京GPS數(shù)據(jù)，并通過與地下水埋深比較分析近年來的地面沉降。首先通過2007-2012年的年沉降速率，發(fā)現(xiàn)北京沉降中心連片，形成了中東部的沉降漏斗。DSQI累積沉降量達到510 mm，DSQI、CHAO、NLSH三站點的年沉降速率分別為85 mm/a，41.7 mm/a和20 mm/a。其次采用EMD方法提取DSQI、NLSH的垂向序列的趨勢項，分析其沉降趨勢。最后，對地下水埋深和GPS站點沉降趨勢之間的關(guān)系進行了對比分析，地面沉降變化趨勢與地下水水位變化具有較好的一致性，地下水水位變化是地面沉降發(fā)生發(fā)展的主要誘因。

關(guān)鍵詞:GPS；地面沉降；經(jīng)驗模態(tài)分解；地下水；北京

地面沉降是大多數(shù)城市最常見的地質(zhì)災害，它導致地面建筑及地下設(shè)施損壞。有必要監(jiān)測地面沉降以便獲取有關(guān)這些緩變性地質(zhì)災害變形信息，掌握其變形規(guī)律，了解地面沉降、地裂縫災害的變形機理，為城市減災防災提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。

針對不同區(qū)域的地面沉降，國內(nèi)外學者開展了一系列區(qū)域地面沉降監(jiān)測技術(shù)研究，驗證了GPS可用于地面沉降監(jiān)測，取得了較好的研究成果[1-13]?；鶞收镜拇怪蔽灰茣r間序列表明，GPS測站垂直位移包含幅度大的年周期變化[14]。連續(xù)GPS測量技術(shù)是目前地面沉降監(jiān)測較為有效的一種技術(shù)。

由于連續(xù)多年降水較少和大量抽取地下水，北京市地面沉降嚴重。本文將通過北京2007-2012年GPS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，獲得GPS站點的垂向坐標時間序列，分析北京市近年來沉降變化。利用經(jīng)驗模態(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)方法對沉降較大站點的垂向序列進行分解，獲得沉降趨勢。將站點沉降趨勢與地下水位變化進行比較，研究沉降與地下水位變化的對應(yīng)關(guān)系。

1研究區(qū)概況與實驗數(shù)據(jù)處理

截至2011年底，北京市發(fā)生區(qū)域地面沉降的面積達到4 273 km2，平均年沉降量23.4 mm，最大年沉降量128.2 mm。沉降區(qū)分為北部沉降區(qū)和南部沉降區(qū)。累計沉降量大于100 mm的區(qū)域面積達到3 904 km2，大于500 mm的區(qū)域面積達到1 094 km2[15]。

北京市GPS連續(xù)觀測網(wǎng)由14個站點組成(站點名稱見表1)，2007年起至今的GPS觀測數(shù)據(jù)較為完整。本文的研究數(shù)據(jù)選擇北京GPS網(wǎng)14個站點和IGS提供的BJFS站點的觀測資料進行分析。下載2007-2012年IGS提供的GPS站點(BJFS、KUNM、LHAZ、SHAO、URUM、WUHN、XIAN、IRKT、KIT3)資料，利用GAMIT/GLOBK 10.4解算IGS站點與北京GPS資料。數(shù)據(jù)解算設(shè)置如下：衛(wèi)星星歷為IGS提供的精密星歷，采樣間隔30 s，解算模式為RELAX模式，按天解算，解算時間為UTC 00:00-24:00。參考框架采用ITRF05。解算獲得的GPS站點坐標在水平方向和垂直方向的精度為2 mm和5 mm左右。本文研究地面沉降變化，因而選擇垂向序列進行分析。

表1　北京GPS連續(xù)觀測網(wǎng)站點

圖1　2007-2012年北京市地面沉降

(a) DSQI (b) CHAO (c) NLSH圖2　GPS站點2007-2012年U方向的變化

2北京市2007-2012年沉降變化

為獲得北京市近年來的地面沉降變化，利用GPS站點垂向序列獲得站點的地面沉降的年沉降速率。圖1為2007-2012年北京地面沉降的年沉降速率。

由圖1可知，在2007-2012年期間，北京地面沉降從最初的整體南北分區(qū)狀態(tài)，沉降中心快速發(fā)展，到2011年和2012年，北京市的地面沉降中心區(qū)域演變?yōu)橹胁考皷|部。DSQI、CHAO兩站點的地面沉降下沉速度和累計沉降量最大，兩站點位于沉降漏斗中心。從所屬行政區(qū)來看，DSQI屬于朝陽，CHAO屬于順義。根據(jù)楊勇所做的北京平原區(qū)地下水水位與地面沉降的關(guān)系研究中可知，北京沉降漏斗中心主要分布在朝陽區(qū)的黃港、長店至順義的米各莊一帶[16]。本文所作結(jié)果與文獻[16]較為吻合，北京目前形成朝陽至順義的地面沉降漏斗中心。北京市東部地區(qū)地層以交互沉積的粘性土、砂類土為主，多年來地下水抽采量較大，該地區(qū)的沉降速率和沉降區(qū)范圍還在不斷擴大。在北京GPS站點中，DSQI、NLSH和CHAO三個站點的沉降變化最大。其中，最大的累積沉降發(fā)生在DSQI站，達到510 mm；CHAO累計沉降為250mm；NLSH累積沉降為120 mm。DSQI、CHAO、NLSH在2007-2012年期間的年沉降速率分別為85 mm/a，41.7 mm/a和20 mm/a。

3基于經(jīng)驗模態(tài)分解的沉降變化趨勢分析

對于沉降較大的DSQI、CHAO、NLSH三個站點，繪制其2007-2012年U(垂向)方向時間序列圖，如圖2所示。由圖2可看出，DSQI、CHAO、NLSH站點U方向的變化顯著，呈明顯下降趨勢。GPS垂向坐標序列顯示了一定程度的波動，坐標序列包含大體存在以年為單位(或更小時間單位)的周期性變化和趨勢性變化。為了確定站點的變化趨勢，需要對站點垂向序列進行周期項分解和趨勢項提取。

采用經(jīng)驗模態(tài)分解方法對GPS站點垂向序列進行分解。經(jīng)驗模態(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)理論由Norden E. H.等人提出，該理論可對非平穩(wěn)數(shù)據(jù)平穩(wěn)化處理，將復雜信號分解為有限個本征模態(tài)函數(shù)(IMF)和趨勢項，各IMF分量包含原信號不同時間尺度的局部特征[17]。經(jīng)驗模態(tài)分解的理論及實現(xiàn)過程見文獻[18]。

由于CHAO站數(shù)據(jù)缺失較多，因而僅對DSQI、NLSH兩站點的坐標序列進行EMD分解。分解后得到多個IMF分量(周期項)和殘余項(趨勢項)，其中紅線標識部分直觀顯現(xiàn)了2007-2012年U(垂線)方向的變化趨勢(圖3)。由圖3可以看出，DSQI、NLSH站點的趨勢項變化與圖2的U方向序列均呈現(xiàn)下沉趨勢，其中DSQI站點的趨勢更為明顯，該站點的趨勢項值遠大于各IMF分量，趨勢項變化超過500 mm；NLSH趨勢項變化也超過了80 mm。

(a) DSQI

(b) NLSH圖3　站點IMF分量與趨勢項

4GPS沉降趨勢與地下水埋深比較

2001年以來北京連續(xù)干旱，2001-2010年(除2008年外)的年降水量均小于多年平均降水量，而地下水供水量仍處于高位運行，地下水超采嚴重[14]。隨著開采深度和開采量的增加，深層地下水水位下降加快。雖然北京2010年的降水量有所上升，但仍未超過多年平均降水量，區(qū)域地下水整體上繼續(xù)呈現(xiàn)下降態(tài)勢，尤其是中深層承壓水和深層承壓水下降幅度較大，同期的地面沉降不論在沉降面積還是沉降量上均有不斷增加的趨勢。

通過北京水資源公報提供的北京市2006-2011年的水資源和地下水供水情況統(tǒng)計可知，近年來的北京市平均年降水量和水資源低于多年平均值；水埋深仍然在下降，而總用水量卻呈現(xiàn)逐年增加趨勢。

綜合分析各種原因表明，北京地面沉降的主要原因是地下水的提取，其他因素引起的地面沉降量很小，可以忽略不計[19]。由于對應(yīng)GPS站點的地下水埋深具體數(shù)值不能以有效的途徑獲得，本文以GPS站點所在行政區(qū)地下水埋深數(shù)據(jù)代替，進行GPS沉降趨勢與地下水埋深的比較。

由圖4可知，NLSH和DSQI所處的行政區(qū)地下水埋深在2006-2012年期間基本上是下降的。NLSH地下水埋深下降趨勢逐漸減緩，2011年和2012年地下水埋深相同。NLSH的GPS沉降變化趨勢與地下水埋深變化一致，也是逐漸減緩。DSQI地下水埋深在2009年到2010年時下降，在2011年又開始回升。DSQI的GPS沉降變化趨勢也顯示了這一變化過程。NLSH和DSQI位于北京平原的中下部，該區(qū)域地層結(jié)構(gòu)復雜，含水層和隔水層交錯，含水層間水力聯(lián)系較弱。這些特點，均有利于地面沉降的發(fā)生，并使得區(qū)內(nèi)地面沉降對地下水的開采較為敏感。

(a) NLSH

(b) DSQI圖4　沉降變化趨勢與地下水埋深的比較

地面沉降速率和沉降的大小受地下水位下降速率和下降的幅度限制。由圖4可以看出，地面沉降與地下水位變化密切相關(guān)。當?shù)叵滤幌陆邓俾蕼p小時，沉降速率減緩；當?shù)叵滤怀两邓俾首兇髸r，沉降速率增大。研究區(qū)地面沉降隨地下水開采強度而變化，超量開采和連續(xù)多年的降水量偏少導致地下水位下降是引起地面沉降的主要原因。由于降水量減少與城市化擴張，導致地下水有效補給減少，從而間接導致了地下水的長期過量開采，地面沉降加速。

5結(jié)論

利用北京2007-2012年GPS數(shù)據(jù)，本文分析了北京市近年來的地面沉降變化，并將EMD獲取GPS沉降趨勢與地下水埋深進行比較。地面沉降變化趨勢與地下水水位動態(tài)變化具有良好的一致性，地下水水位變化是地面沉降發(fā)生發(fā)展的主要誘因。北京城市規(guī)模繼續(xù)擴大，地下水資源不能及時補充和外部供水限制(如南水北調(diào)推遲2014年進京等)，過度開發(fā)地下水和地面沉降控制的矛盾將繼續(xù)存在一段時間。

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GPS-based Research on Changes of Land Subsidence in Beijing from 2007 to 2012

Wang Yong1, 2, Liu Yanping3and Hu Leyin4

(1.SchoolofGeologyandGeomatics,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China; 2.StateKeyLaboratory

ofGeodesyandEarth’sDynamics,Wuhan430077,China; 3.SchoolofEcomomicsandManagement,

TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China; 4.BeijingEarthquakeAdministration,Beijing100080,China)

Abstract:GPS data of Beijing from 2007 to 2012 are processed by Empirical Mode Decomposition (EMD) method and are compared with bury of groundwater to analyze the land subsidence in recent years. Firstly, according to the yearly land subsidence velocity during 2007-2012, settlement center in Beijing is discovered to be formed together as a Middle East settlement funnel. DSQI cumulative settlement reached 510mm, yearly land subsidence velocities of DSQI, CHAO, NLSH stations are respectively 85 mm/a, 41.7 mm/a and 20 mm/a. Secondly, trend terms in vertical trend sequence of DSQI and NLSH station are extracted according to EMD method to analyze the subsidence trend. Finally, the relation between bury of groundwater and subsidence trend of GPS stations is comparative analyzed. According to the comparison, it is found that subsidence trend is consistent well with the change of groundwater depth, and the groundwater level change is the main inducement of the occurrence and development of land subsidence.

Key words:GPS; land Subsidence; Empirical Mode Decomposition; groundwater; Beijing

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2015.02.003

中圖分類號：P228.4；X4

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2015)02-0011-05

作者簡介：王勇(1978-)，男，江西寧都人，博士，教授，主要從事GPS應(yīng)用研究. E-mail: wangyongjz@126.com

基金項目：大地測量與地球動力學國家重點實驗室開放基金(SKLGED2013-5-5-E)；河北省自然科學基金(D2015209024)

收稿日期：*2014-09-24修回日期：2014-11-14