基于SBAS和IPTA技术的京津冀地区地面沉降监测

京津冀位于华北平原北部地区,地下水的长期超量开采,造成了严重的区域地面沉降,对京津冀区域进行大范围地表形变监测已经成为一个值得关注的问题.基于相邻条带的RADARSAT-2数据,结合小基线集干涉测量技术和干涉点目标分析技术,获取京津冀地区2012-2016年地面沉降场时序信息.基于监测结果对研究区地面沉降发育情况进行初步探讨,并对沉降漏斗的时空演化特征进行分析.研究发现,京津冀地区发生地面沉降的区域较多,地面沉降不均匀性特征明显,地面沉降发育最严重的地区位于北京金盏一带,最大沉降速率达到130 mm·a~(-1);在多个沉降漏斗中,北京金盏沉降漏斗、天津王庆坨沉降漏斗发育最为严重,累计沉降量分别达到661 mm,658 mm.衡水市阜城县、景县沉降漏斗扩张趋势最为剧烈,累计沉降量大于200 mm的面积达到1494 km~2.     

南通市高层建筑荷载对地面沉降的影响

针对长江中下游第四纪松散沉积层地区由高层建筑荷载引发的地面沉降问题,根据土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力动态变化的关系,建立了南通市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维全耦合数学模型.在对模型进行识别、验证的基础上,在地下水停采、仅有高层建筑荷载单独影响的条件下,模拟预测了2010年12月底到2025年12月底每年各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势.结果表明:南通市崇川区最大地面沉降量为55.28 mm,最大地面沉降速率为3.69mm·a~(-1);通州主城区最大地面沉降量为38.87 mm,最大地面沉降速率为2.59 mm·a~(-1);地面沉降量较大地区位于高层建筑荷载密集区.     

天津沿海地区地面沉降及其影响因素

利用GIS空间分析方法, 以1980?2005年大地水准点测量数据为基础, 对天津沿海地区地面沉降的时空分布进行研究, 结果表明整体沉降速率逐渐降低, 并由海向陆递增。影响天津沿海地区地面沉降的主要人为因素是地下水超采, 主要自然因素是软土层次固结。严格限制开采地下水仍是未来一段时期控制地面沉降的有效措施。     

上海市控制地面沉降灾害的成本-效益分析

从 2 0世纪 6 0年代开始 ,上海市就积极开展地面沉降动态监测与研究 ,采取地下水人工回灌、限制地下水开采等有效措施 ,最大限度控制地面沉降 ,已取得显著成效 .控制沉降后 (196 5— 2 0 0 0年 )的年均沉降量从控制沉降前 (192 1— 196 4年 )的 37.93mm锐减至 6 .19mm .运用成本 -效益分析方法 ,对上海市控制地面沉降灾害的费用效益进行了探讨 .结果表明 ,上海市控制地面沉降灾害的投入为 16 .75亿元 ,取得的控制沉降经济效益高达 6 15 9.4 2亿元 ,年均控制沉降效益为 171.10亿元 ,控制 1mm地面沉降的经济效益为 5 .37亿元     

考虑地面沉降约束的地下水模拟优化管理模型

为了解决地面沉降区地下水资源科学管理这一个重要的资源与环境地质问题,基于模拟优化(S-O)模型的思想,建立了考虑地面沉降约束的地下水模拟优化管理模型(SUBGO).模拟模型采用地下水模拟程序MODFLOW-2005中的地面沉降模拟子程序SUB-WT来模拟地面沉降过程.优化模型分别采用遗传算法(GA)和小生境Pareto禁忌遗传混合算法(NPTSGA)分别求解单目标和多目标的优化设计方案.将SUBGO管理模型应用于一个理想场地含水层中地下水开采方案和地面沉降控制的优化设计中,结果表明基于GA的单目标优化和基于NPTSGA的多目标优化均能搜索到全局最优解和全局分布的Pareto最优解,均能够在控制地面沉降的约束条件下,设计合理的地下水开采利用方案.与单目标相比,多目标优化能够为决策者提供多个解作为管理决策方案,同时多目标优化还提高了寻优的计算效率.     

上海陆域地区地下水采灌与地面沉降的时空特征

上海市地面沉降防治已有显著成效,但在空间格局上地表变形的不均匀性较显著,地面沉降防治管理进入了分区管控的新时期.为配合分区管控,利用长时间序列的水位、地下水开采、分层标三类监测数据,结合区域地面沉降模型,探讨地下水采灌与地面沉降的时空特征.上海市经历了两次长时间大范围的地下水开采,每次旋回分别经历开采量从增加到逐渐减少(甚至回灌)两个阶段.第一旋回的时段是1860-1971年,地下水开采于1963年达到年度最大净抽水量,开采集中在核心区的浅部土层,导致了较严重地面沉降.第二旋回的时段是1972年至今,地下水开采于1998年达到年度最大净抽水量,开采层位集中在第四承压含水层.从1998年至2005年,此层逐渐减少地下水开采,未大量回灌,但地下水位抬升显著,说明此层地下水补给条件良好. 2006-2011年间,各土层的压缩已经大幅减小,宝山、嘉定和核心区的深部土层均有回弹,浅部土层虽然没有抬升,但压缩速率较小,最大沉降速率处于浦东区,为2.61 mm·a~(-1).     

深层地下水回灌对高架桩基长期沉降的影响

以上海地区高架道路桩基础为例,采用控制地下水流量的流-固耦合方法分析了季节性变化的地下水开采及回灌作用下的桩基长期沉降特征.数值分析表明,地下水的季节性抽灌使得高架及大地变形发生波动性变化,区域地面沉降略小于高架沉降,但变形趋势一致.采用流-固耦合方法对上海地区典型高架桩基实例进行数值模拟,所得分析结果与实测结果基本吻合,高架桩基在上部荷载和深层回灌耦合作用下出现隆沉变化,其长期沉降受深部土层隆沉位移的影响更大.通过分析回灌参数,得到深层回灌荷载影响高架桩基变形的基本规律,为高架桩基长期沉降的预测分析提供了参考.     

考虑非饱和区变形的基坑降水沉降分析

传统的基坑降水渗流沉降耦合分析中,通常未考虑非饱和区的变形以及土体的非线性特征.本研究基于非饱和土有效应力理论,考虑土体孔隙特征及渗透性随应力状态的动态变化,建立了基坑降水饱和—非饱和渗流沉降耦合模型.利用Flex PDE软件编制计算程序,对一典型基坑降水模型进行了计算分析.分析结果表明,渗流—变形耦合效应会对地下水渗流场的分布造成一定影响,而孔隙度、饱和渗透系数变化对地面沉降的影响则具有时间效应;基坑降水初期,地面沉降速度较快,降水中应该引起格外重视.     

基于KELM地面沉降替代模型的地下水多目标管理模型研究

基于核函数极限学习机(Kernelextreme learning machine,KELM)方法建立地下水-地面沉降耦合的替代模型,与混合多目标算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II,NSGAII)相耦合,实现在地面沉降约束下(沉降速率和地下水位红线)地下水资源合理开发利用和地面沉降防控减灾的多目标优化.以三维均质多层含水系统中抽水引发的地面沉降算例为对象,采用MODFLOW-2005中的地面沉降模拟子程序(Subsidence for the water table,SUB-WT)模拟地面沉降过程,基于KELM方法,采用线下和线上两种模式建立替代模型,分别构建了基于线下地面沉降替代模型的多目标管理模型(KELM model based multi-objective optimization model for land subsidence management,KELMMOLS)和基于自适应(线上)替代模型的多目标管理模型(Adaptive KELMMOLS,AKELMMOLS).模拟优化结果显示:(1)基于线上模式训练的替代模型的模拟精度更高,拟合相关系数达0.9988以上,基本接近SUB-WT模拟模型的评价精度;(2)KELMMOLS优化求解效率提高了15倍,但其搜索的Pareto解的质量最差,AKELMMOLS求解效率提高了3倍,同时保证了优化解的收敛性和精度.     

曹妃甸新区PS-InSAR技术沉降监测及分析

随着曹妃甸新城的快速发展，地面沉降现象越来越引人重视，为分析该区域的沉降特征与原因，利用2019年2月至2021年12月共35景Sentinel-1A影像，基于PS-InSAR技术，获取了曹妃甸新区的地表沉降信息，提取特征点累计沉降量并分析沉降区域时空变化特征。结果显示：研究区整体区域沉降，主要沉降区位于西南方向，形变速率集中在-32.30～-3.48 mm/a;形变最严重区域位于唐山湾生态城，最大沉降量超过170 mm,形变区域面积较大且未达到稳定状态，未来仍会继续下沉。监测区的沉降主要与地下水开采、建筑设施荷载及吹填土自身压缩固结有关。     

地面沉降变形非线性完全耦合数学模型

基于多孔介质有效应力原理的渗流-变形耦合,考虑孔隙度、渗透率非线性变化,建立三维地面沉降变形完全耦合数学模型,并给出了模型的有限差分解法.该模型可以刻画地下水开采、建筑物荷载、基坑降水等作用下的三维地下水渗流场和地层变形位移场,分析地面沉降的三维变化与非线性特征,为地面沉降研究与防治提供技术手段.     

北京东部区域地面沉降现状及其发展趋势预测

东部沉降区是北京地面沉降比较严重的沉降区之一.该区域是北京市未来发展的重点地区之一,包括了CBD及其东扩区,通州新城.通过对该区域内大量地面沉降历史观测数据、地下水位历史观测数据以及近几年的监测成果进行整理,分析总结了该区域内地面沉降发生、发展的特点及规律,并建立了适用于不同地层在多层地下水动态变化条件下的地面沉降计算方法,编制了计算程序.分析与计算结果表明:1)研究区的地面沉降总体上呈现自西向东,自北向南发展的趋势,由一个沉降中心逐渐出现多个沉降中心.2)近几年研究区的地面沉降呈现出沉降面积迅速扩大、沉降速率加快的发展趋势.3)未来5年内研究区西部地区地面沉降比较稳定,地面沉降继续向东部与南部移动.     

21世纪我国沿海地区地面沉降防治问题

 沿海地区为我国政治、经济、科技、文化的重要区域 ,但地势低平 ,生态环境极其敏感和脆弱 ,是自然灾害的高风险区 ,而区域性地面沉降更加剧了该地区生态环境的脆弱性 ,并引发一系列资源、环境、经济、社会问题。区域性地面沉降已成为21世纪我国沿海地区实现可持续发展面临的重大战略问题。沿海地区生态环境和社会经济特征世界上一半以上的人口和大、中城市云集在沿海地区。我国有长达18000km的海岸线 ,沿海地区有广阔的滨海平原和河口三角洲 ,土地面积占全国总面积的14% ,而人口却占全国总人口的40 %.我国约65 %的工业总产值、55%的国民生产总值及70%的大中城市均分布在沿海地区。     

大规模植被恢复对黄土高原生态水文过程的影响

黄土高原退耕还林工程实施以来,大量坡耕地被转化为草地和林地,植被恢复效果显著,水土流失得到了有效控制.但是,由于植被剧烈变化,导致部分区域水资源供需矛盾进一步加剧.针对上述问题,本研究采用定位观测与模型模拟相结合的方法,在考虑植被恢复对地表水热过程影响的基础上,将双源蒸散发模型与遥感技术相结合实现尺度转化,构建考虑植被动态变化的区域尺度蒸散发模型,分析大规模植被恢复后黄土高原蒸散发、降水、径流量的变化趋势,明晰植被重建对生态水文过程的影响.结果表明,退耕还林(草)工程实施后,黄土高原全区降水以5. 16mm·a~(-1)的速率增加,而植被恢复最剧烈的16个子流域河川径流量呈不断下降趋势,平均降幅为-1. 45mm·a~(-1).受植被恢复与重建的影响,研究区蒸散发以4. 39mm·a~(-1)的速率增加,植被恢复导致的冠层蒸腾上升是蒸散发增加的主要因素.基于上述结果,我们建议应当加强对黄土高原雨水资源潜力的利用,缓解植被剧烈变化导致的水资源消耗,并根据不同植被类型的蒸散耗水规律和区域土壤水分植被承载力,提出基于土壤水资源消耗补给平衡的植被恢复策略,以期为黄土高原生态恢复可持续发展和黄河流域水资源高效利用提供科学支撑.     

地面沉降对地下水时空响应及其非工程控沉

针对潍北平原地面沉降问题,建立地面沉降流固耦合三维数值模型,从宏观的角度探讨潍北平原在未来一段时间内区域性地面沉降的发展规律,考虑到地下水开采与地面沉降的相互关系,量化地下水开采对其的负面影响.研究结果表明:潍北平原地区沉降漏斗中心主要分布在寿光市营里镇东部和广陵乡北部;保持2019年地下水开采量,潍北平原未来10年内的沉降仍呈继续发展和增加态势,2029年最大累积地面沉降量将高达565.42 mm,年均增长率为38.97 mm/a,沉降中心未发生转移;随着地下水开采量的减少,地面沉降发育程度明显得到缓解,随之持续减小,地面沉降的减缓趋势则会逐渐趋于平缓;当减采量控制在10%与30%之间时,地面沉降灾害的减缓效果较佳.     

21世纪我国沿海地区地面沉降防治问题

沿海地区为我国政治、经济、科技、文化的重要区域 ,但地势低平 ,生态环境极其敏感和脆弱 ,是自然灾害的高风险区 ,而区域性地面沉降更加剧了该地区生态环境的脆弱性 ,并引发一系列资源、环境、经济、社会问题。区域性地面沉降已成为２１世纪我国沿海地区实现可持续发展面临的重大战略问题。一、沿海地区生态环境和社会经济特征世界上一半以上的人口和大、中城市云集在沿海地区。我国有长达１８０００ｋｍ的海岸线 ,沿海地区有广阔的滨海平原和河口三角洲 ,土地面积占全国总面积的１４% ,而人口却占全国总人口的４０ %。我国约６５ %的工业…     

基于Modflow的地面沉降与地下水流耦合模型程序实现

在总结前人地下水流模型与地面沉降模型基础上,考虑孔隙率与渗透系数变化之间的相关性,建立了地下水流与地面沉降耦合模型.通过改进国际上通用的Modflow源程序,实现两者之间耦合作用,并模拟这一过程.通过典型算例对改进的程序进行验证,结果表明:考虑参数变化的沉降速率变化较快,其主要原因在于,抽取地下水引起水位下降,造成土体压缩、孔隙度和渗透率降低.渗透率降低使得含水层产生了水力梯度和渗透力,可能会导致地面沉降加速下沉.因此,非线性水力特性是流固耦合的交互作用基础,不应该被忽视.该结果进一步验证了改进的程序可以模拟耦合过程,研究成果可为地面沉降与地下水流动耦合模拟研究提供技术支持.     

地下水抽取对溶洞稳定性影响的流-固全耦合分析

岩溶区抽取地下水导致水位被迫下降将诱发溶洞坍塌及地面沉降等灾害,其实质是流场和力场相互作用的结果。为精确评判溶洞稳定性和沉降风险性,需构建流-固耦模型模拟地下水抽取过程中的流场和力场的时空分布。基于连续介质力学推导给出流-固全耦合控制方程,结合渗透率关系、应力-应变关系等本构方程给出闭合数学描述,通过经典算例验证模型有效性后分析全耦与传统解耦计算的差异。以深圳市场地工程地质条件为背景,根据勘察参数,计算分析不同抽水速率、洞径、洞形等多个关键因素下孔压、应力和塑性区的时空分布,阐述多物理场作用下岩溶塌陷及地面沉降的力学破坏机制,并基于灰色理论对各影响因素敏感性大小进行分析。结果表明：在重点分析土体渗流时,耦合作用不可忽视;与勘察结果一致,水力压降造成的应力集中是形成地面沉降和溶洞坍塌的主要因素;地面沉降对抽水速率、洞径和洞形更为敏感,溶洞稳定性对抽水速率和洞径更为敏感。研究成果可为岩溶塌陷防治提供参考。     

基于SBAS技术的天津市地面形变特征分析

地面沉降是一种普遍存在的地质灾害,天津是我国地面沉降较为严重的城市之一,对地面形变特征的研究,有助于了解地面沉降分布,合理进行城市规划。基于覆盖天津地区的Sentinel-1升轨和降轨数据,使用改进的小基线时序干涉测量方法获取卫星视线向（line of sight,LOS）向形变速率场,针对沿海地区大气影响严重等问题,引用InSAR通用大气校正在线服务（Generic Atmospheric Correction Online Service for InSAR , GACOS）模型去除大气误差影响。从获取的天津地区形变速度场可以看出,天津市区内形变量相对较小,市区周边的静海区、西青区存在一定的形变漏斗,最大LOS向形变量约-40mm/a;武清区和北辰区形变量最大,有一个范围和形变量级都较大的形变漏斗,形变漏斗中心为武清区王庆坨镇,其最大LOS向形变量在升轨和降轨结果中分别为80mm/a和99.2mm/a,结合该区域土地利用情况,发现主要是由于产业园密集建设,导致工业和生活用水过度导致地下水超采。从形变结果可以看出,后续需要对存在形变漏斗的区域进行科学用水管理和合理城市规划,从而有效改善区域形变的影响。     

高层建筑荷载、地下水开采与地面沉降耦合研究

针对城市化进程中高层建筑不断增加,由地下水开采和高层建筑荷载叠加作用共同引发的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系推广到黏弹塑性,并考虑孔隙度、渗透系数、土体变形参数随有效应力的动态变化关系,建立高层建筑荷载、地下水渗流与地面沉降有限元数值模型,详细研究了地下水开采及高层建筑荷载叠加影响下的地面沉降特征.结果表明:地下水开采和高层建筑荷载叠加作用下的地面沉降存在耦合效应,由地下水开采和高层建筑荷载叠加作用引起的地面沉降值小于同一条件单独抽水和仅存在高层建筑荷载作用下地面沉降值之和.耦合效应随着地下水开采层位埋深的变大而减弱.沉降初期,线性叠加效应明显,随着时间的延长,耦合效应趋于稳定.