高 峰，趙團(tuán)芝，王文軍，章旬立，鄭凌逶

（1.寧波市自然資源生態(tài)修復(fù)和海洋管理服務(wù)中心，浙江 寧波 315000；2.浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，浙江 寧波 315100）

0 引言

城市地面沉降表現(xiàn)為自然與人類(lèi)活動(dòng)作用下，地表土層壓縮變形、標(biāo)高降低，是一種危害較大的緩變型環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害[1-2]，威脅著低海拔城市運(yùn)行安全與可持續(xù)發(fā)展。

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)城市區(qū)域性地面沉降的關(guān)注度很高，在地面沉降調(diào)查與監(jiān)測(cè)、地面沉降特征及分區(qū)、地面沉降發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)、地面沉降影響因素及控制機(jī)理研究、地面沉降緩解與治理措施、地面沉降對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響及法規(guī)制訂等方面[3-6]開(kāi)展了廣泛研究。在地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面，趙團(tuán)芝等[7-8]研究表明InSAR 技術(shù)在監(jiān)測(cè)區(qū)域沉降方面具有可靠性與準(zhǔn)確性。工程建設(shè)活動(dòng)及第一軟土層壓縮變形是寧波市工程性地面沉降的主要原因。選取累計(jì)沉降量、沉降速率、第一軟土層厚度、建筑容積率作為地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，繪制寧波市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖并提出地面沉降防治對(duì)策。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)被認(rèn)為是一種能夠有效管控滑坡、地面沉降、泥石流等災(zāi)害的理論方法。天津[9-10]、江蘇沿海地區(qū)（連云港、鹽城、南通）[11]、南京[12]、滄州[13]、北京[14]和阜陽(yáng)[15]等地，結(jié)合各自地質(zhì)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，建立反映當(dāng)?shù)氐孛娉两堤卣鞯娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系并進(jìn)行區(qū)劃分析，目的是減少地面沉降給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)帶來(lái)?yè)p失[16]。InSAR 技術(shù)能夠在較大的范圍監(jiān)測(cè)地面沉降[17]，但精度低于水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)適用于局部埋設(shè)，地面沉降結(jié)果更加準(zhǔn)確[18]，但由于成本原因布設(shè)數(shù)量有限、覆蓋范圍較小。

本文利用寧波市2017—2020年已有InSAR 監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、基巖標(biāo)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而在較大的區(qū)域范圍內(nèi)相對(duì)可靠地獲取地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析近年地面沉降分布特征和發(fā)展趨勢(shì)，建立寧波市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，編制地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，從而為加強(qiáng)城市地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)管控提供參考。

1 寧波市地面監(jiān)測(cè)情況及沉降特征

1.1 地面沉降監(jiān)測(cè)情況

寧波市歷來(lái)重視地下水監(jiān)測(cè)和地面沉降監(jiān)測(cè)。寧波市地面沉降監(jiān)測(cè)中心始建于1983年，曾是國(guó)內(nèi)第三處較為先進(jìn)的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心；1999年寧波市啟動(dòng)了首期“寧波市區(qū)地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)”項(xiàng)目；2014年在原地面沉降分層標(biāo)的基礎(chǔ)上新建地面沉降監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)范圍覆蓋寧波繞城高速以內(nèi)的中心城區(qū)；同年，寧波啟動(dòng)了基于InSAR 的地面沉降監(jiān)測(cè)工作。本文采用5 m分辨率Radarsat-2 C InSAR 遙感數(shù)據(jù)，使用衛(wèi)星定位校正圖像數(shù)據(jù)，以提高雷達(dá)圖像的準(zhǔn)確性和精度；InSAR數(shù)據(jù)處理主要包括預(yù)處理、差分干涉計(jì)算、時(shí)間/空間域形變估算、形變量計(jì)算等幾個(gè)步驟，最終獲得平均沉降速率和累積沉降量。

1.2 地面沉降特征

對(duì)InSAR 遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與全市400 余處沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，全市2020年平均沉降速率約為5.67 mm/a，年沉降量低于5 mm 的區(qū)域面積為1 457.9 km2。寧波市形成的10 余個(gè)地面沉降帶，大多位于圍墾區(qū)域、城市開(kāi)發(fā)建設(shè)熱點(diǎn)區(qū)域，地面沉降速率如圖1 所示，其中10 余處沉降帶分布見(jiàn)表1。

表1 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃影響因素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源Table 1 Data sources of influencing factors for land subsidence risk zoning

圖1 寧波市地面沉降速率概況Fig.1 Overview of land subsidence rates in Ningbo City

對(duì)寧波市2020年不同地面沉降速率范圍的區(qū)域面積占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖2）。

圖2 寧波市地面沉降速率圖Fig.2 Land subsidence rate map of Ningbo City

可以看到：除了水系、地面沉降不易發(fā)區(qū)和基巖山區(qū)以外，沉降速率低于10 mm/a 的區(qū)域面積占比接近88%，全市大部分區(qū)域的地面沉降情況穩(wěn)定、相對(duì)安全。沉降速率在10～20 mm/a 的區(qū)域面積占比為8.63%，沉降速率在20～30 mm/a 的區(qū)域面積占比為2.90%，沉降速率高于30 mm/a 的區(qū)域面積占比為0.42%。鄞州中心區(qū)和東部新城的代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量歷年變化情況顯示，隨著城市開(kāi)發(fā)建設(shè)的逐步完成，2 個(gè)區(qū)域的沉降速率逐漸減緩，近3年沉降速率達(dá)到了歷年的最低水平，但今年的沉降速率相較于全市平均沉降速率水平仍然偏高。

由圖1 和圖2 總結(jié)寧波市地面沉降速率分布特征如下：

（1）濱海區(qū)域沉降速率相對(duì)較大。鄞州瞻岐、北侖梅山島等多處濱海區(qū)域沉降中心的平均沉降速率大于10 mm/a，其中最大值出現(xiàn)在象山新橋鎮(zhèn)圍填海區(qū)域，沉降中心平均沉降速率大于30 mm/a。

（2）城市開(kāi)發(fā)建設(shè)強(qiáng)度較大的區(qū)域沉降速率相對(duì)較大。南部商務(wù)區(qū)、東錢(qián)湖旅游度假區(qū)等區(qū)域沉降中心的平均沉降速率多在20～40 mm/a。

（3）中心城區(qū)沉降速率相對(duì)較大。海曙高橋、江北洪塘等主要沉降中心的沉降速率多在10～30 mm/a。

綜上所述，工程建設(shè)引發(fā)的地面沉降在城市規(guī)劃建設(shè)集聚區(qū)日益凸顯，比如東部新城、鄞州中心區(qū)、奉化主城區(qū)和沿海產(chǎn)業(yè)帶等開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大、地質(zhì)環(huán)境條件脆弱的地區(qū)年度沉降速率較大；大規(guī)模工程建設(shè)活動(dòng)是寧波市地面沉降發(fā)生發(fā)展的主要因素，在后續(xù)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系構(gòu)建中需加以考慮。

2 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

2.1 評(píng)價(jià)體系說(shuō)明

地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)屬于對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的定量化分析過(guò)程。一般采用線性加權(quán)模型，而權(quán)系數(shù)的確定又可通過(guò)層次分析、專(zhuān)家打分或二者綜合得出[19]。地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型通?？杀硎緸椋篒=I危險(xiǎn)性·I易損性，分析災(zāi)害因子的危險(xiǎn)性、承災(zāi)體的脆弱性，根據(jù)地面沉降危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)、易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型開(kāi)展寧波市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究。前人研究[3,7,19]表明地面沉降危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)中具有代表性的因子主要包括：地面累計(jì)沉降量、沉降速率、軟土層厚度、填土厚度、地面建筑荷載、地下水位變化速率、地殼運(yùn)動(dòng)速率等；地面沉降易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)中具有代表性的因子主要包括：地面高程、沉降易發(fā)程度、交通線路分布、人口密度、單位面積GDP、建成區(qū)面積比重、重要水系密度等。

除了地面高程、地面累計(jì)沉降量、沉降速率等常規(guī)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)因子，對(duì)于人口凈流入為正、城市建設(shè)高速發(fā)展的寧波市，城市人口密度、建設(shè)用地比重也應(yīng)被重點(diǎn)考慮。從寧波市不同區(qū)域的地面沉降歷史數(shù)據(jù)來(lái)看，地面沉降速率較高的區(qū)域如市區(qū)、濱海圍墾區(qū)域、城市開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)區(qū)域等，與上述因子密切相關(guān)。

寧波市位于中國(guó)東南沿海的潮汐平原區(qū)，具有深厚軟土層和廣泛分布的松散層，含水層較多；地下水開(kāi)采強(qiáng)度對(duì)地面沉降的影響已深入人心，且多年平均沉降速率預(yù)示著沉降易發(fā)程度，因此對(duì)于寧波市而言，除了地面沉降危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子、易損性評(píng)價(jià)因子，地面沉降易發(fā)程度作為1 個(gè)綜合性評(píng)價(jià)因子十分必要。

因此，本文構(gòu)建的地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系如圖3 所示。首先考慮地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、人為活動(dòng)等的影響，對(duì)地面沉降易發(fā)程度進(jìn)行分區(qū)，進(jìn)而將地面沉降易發(fā)程度作為地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中的1 個(gè)綜合性評(píng)價(jià)因子，并聯(lián)合地面高程、地面累計(jì)沉降量、沉降速率、城市人口密度、建設(shè)用地比重等5 個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 寧波市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系Fig.3 Land subsidence risk assessment system for Ningbo City

2.2 評(píng)價(jià)體系權(quán)重及分級(jí)

浙江省自然資源廳印發(fā)的《浙江省城市地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)“一張圖”編制技術(shù)指南》根據(jù)浙江省沿海平原地面沉降形成機(jī)理，結(jié)合長(zhǎng)期地面沉降監(jiān)測(cè)成果，通過(guò)“經(jīng)驗(yàn)總結(jié)+專(zhuān)家打分”相結(jié)合的方法，采用如德?tīng)柗品ǎ╠elphi method）或?qū)哟畏治龇ǎ╝nalytic hierarchy process，AHP）來(lái)匯總專(zhuān)家的意見(jiàn)、通過(guò)多輪迭代和反饋，使專(zhuān)家意見(jiàn)逐漸收斂，綜合確定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重及等級(jí)劃定見(jiàn)表2。

表2 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃影響因素權(quán)重及分級(jí)Table 2 Weight and classification of factors influencing land subsidence risk zoning

通過(guò)逐一確定各評(píng)價(jià)因素的等級(jí)，再將各因素等級(jí)分值與其權(quán)重相乘得到單因素分值，最后將各因素分值累加，從而得到地面沉降綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（W），按表3 劃分風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)。軌道交通建設(shè)過(guò)程中地下盾構(gòu)隧道開(kāi)挖也容易引起地面沉降發(fā)生發(fā)展[20-22]，根據(jù)浙江省自然資源廳印發(fā)的《浙江省城市地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)“一張圖”編制技術(shù)指南》，將高鐵、軌道交通等重大工程保護(hù)區(qū)兩側(cè)200 m 范圍劃為地面沉降風(fēng)險(xiǎn)防控帶。

表3 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分表Table 3 Classification table of land subsidence risk zone levels

綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（W）計(jì)算公式如下：

式中：W——地面沉降綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；

aj——j類(lèi)影響因素的權(quán)重；

bj——j類(lèi)影響因素的分值。

2.3 地面沉降易發(fā)程度分區(qū)

以區(qū)內(nèi)第四紀(jì)松散層分布厚度、土層力學(xué)性質(zhì)及空間分布、含水層發(fā)育層數(shù)及富水性、淺部主要壓縮層發(fā)育等為主要因素，開(kāi)展寧波市地面沉降易發(fā)程度評(píng)價(jià)；根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行易發(fā)程度分區(qū)，分為高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)和不易發(fā)區(qū)等四個(gè)級(jí)別。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》（DB33/T 881—2012）[23]，用于地面沉降易發(fā)程度等級(jí)劃分的綜合分值計(jì)算公式為：

式中：A——綜合分值；

σi、τi——分別為地面沉降i項(xiàng)影響因素相應(yīng)的量化指標(biāo)賦分及權(quán)重，參考《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》（DB33/T 881—2012）[23]取值。

地面沉降易發(fā)程度分區(qū)結(jié)果表明：寧波市地面沉降無(wú)高易發(fā)區(qū)，中、低易發(fā)區(qū)主要與區(qū)內(nèi)全新世軟土層厚大、歷史上大量開(kāi)采地下水、局部高強(qiáng)度城市建設(shè)以及沿海圍墾工程等因素有關(guān)。

3 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果與管控建議

3.1 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果

風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃采用的影響因素包括地面高程、易發(fā)程度、地面累積沉降量、沉降速率、城市人口密度和建設(shè)用地比重，各項(xiàng)數(shù)據(jù)的來(lái)源情況見(jiàn)表4。

表4 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃影響因素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源Table 4 Data sources of influencing factors for land subsidence risk zoning

地面沉降風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算和分析采用柵格計(jì)算方式進(jìn)行。首先將表4 中6 類(lèi)影響因素的源數(shù)據(jù)導(dǎo)入至GIS軟件并進(jìn)行整理；然后分別對(duì)各影響因素的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行柵格劃分，即由矢量形式轉(zhuǎn)為柵格形式（柵格像元大小40 m×40 m），以城市人口密度為例，可得如圖4（a）所示結(jié)果；進(jìn)一步根據(jù)表2 中的分值標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各影響因素的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重新賦值得到如圖4（b）所示結(jié)果；接著利用GIS 軟件中的柵格計(jì)算工具將各影響因素的柵格分值數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的權(quán)重并相加，獲得結(jié)果后根據(jù)表3進(jìn)行地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分；最后對(duì)劃分結(jié)果進(jìn)行矢量化即可得到最終的地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。本文中地理底圖采用國(guó)家最新版 CGCS 2000 大地坐標(biāo)系，成圖的比例尺為 1∶50 000，圖中僅保留必要水系、交通、行政界線、地名等主要地理要素，以不同顏色代表不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果。

圖4 寧波市城市人口密度柵格數(shù)據(jù)圖Fig.4 Grid data map of urban population density in Ningbo City

寧波市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果如圖5 所示，寧波市全域無(wú)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積132.6 km2，占比3.2%；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積2 214.8 km2，占比53.0%；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、水系、基巖山區(qū)以外的區(qū)域，為不易發(fā)區(qū)，面積1 827.9 km2，占比43.8%。相應(yīng)地，本文1.2 節(jié)也對(duì)寧波市2020年不同地面沉降速率區(qū)域的面積占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，沉降速率>20 mm/a 面積占比3.3%、5～20 mm/a 面積占比34.5%、0～5 mm/a 面積占比62.1%。地面沉降速率等監(jiān)測(cè)結(jié)果作為地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，與地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果存在著較強(qiáng)的相關(guān)性。需要注意的是，地面沉降風(fēng)險(xiǎn)也受到軟土層厚度、含水層數(shù)量、人口密度、建設(shè)用地比重等因素的影響，因此風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分結(jié)果與地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果又存在一定的差別。

3.2 管控建議

地面沉降會(huì)對(duì)建（構(gòu)）筑物和各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)影響，造成建筑物地基下沉、房屋開(kāi)裂、道路沉降、地下管線受損，形成的地面沉降漏斗會(huì)降低防洪排澇工程效能，臺(tái)風(fēng)暴雨時(shí)會(huì)造成大面積積水、加劇洪澇災(zāi)害。大面積均勻/不均勻沉降也會(huì)影響城市建設(shè)和資源開(kāi)發(fā)，不利于城市基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)維護(hù)；對(duì)于濱海城市，造成的高程損失會(huì)帶來(lái)海水倒灌等風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)寧波市不同的地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別提出管控建議（表5）。

表5 寧波市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)管控建議一覽表Table 5 Summary of control recommendations for ground subsidence risk zones in Ningbo City

4 結(jié)論

（1）結(jié)合2017—2020年寧波市InSAR 遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用InSAR 技術(shù)在較大范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)地面沉降、利用水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)更為準(zhǔn)確地在局部測(cè)量地面沉降，從而在較大區(qū)域范圍內(nèi)相對(duì)可靠地獲取地面沉降數(shù)據(jù)。結(jié)果表明全市形成的十余個(gè)沉降帶，大多位于圍墾區(qū)域、城市開(kāi)發(fā)建設(shè)熱點(diǎn)區(qū)域。

（2）選取地面高程、沉降易發(fā)程度、地面累計(jì)沉降量、沉降速率、城市人口密度、建設(shè)用地比重等6 個(gè)評(píng)價(jià)因子建立地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系；其中沉降易發(fā)程度為綜合考慮地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、人為活動(dòng)影響后的綜合性評(píng)價(jià)因子。從而根據(jù)寧波市沿海平原地面沉降形成機(jī)理，結(jié)合長(zhǎng)期地面沉降監(jiān)測(cè)成果，采取“經(jīng)驗(yàn)總結(jié)+專(zhuān)家打分”相結(jié)合的方法綜合確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)、權(quán)重、分級(jí)，形成評(píng)價(jià)體系。

（3）地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果表明，寧波市全域無(wú)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比3.2%，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比53.0%，不易發(fā)區(qū)面積占比43.8%；設(shè)置高鐵、軌道交通等重大工程保護(hù)區(qū)兩側(cè)200 m 范圍為地面沉降風(fēng)險(xiǎn)防控帶。在此基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的管控建議如嚴(yán)格執(zhí)行地下水開(kāi)采管理、優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、針對(duì)重大工程開(kāi)展監(jiān)測(cè)及管理等。