国土资源遥感, 2020, 32(3): 143-148 doi: 10.6046/gtzyyg.2020.03.19

技术应用

郑州市地面沉降时空演变规律研究

汪宝存,1, 朱琳1, 潘登2, 郭凌飞1, 彭鹏3

1.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院,郑州 450000

2.河南省地质环境监测院,郑州 450016

3.安徽省地质调查院,合肥 230001

Research on temporal and spatial evolution law of land subsidence in Zhengzhou

WANG Baocun,1, ZHU Lin1, PAN Deng2, GUO Lingfei1, PENG Peng3

1. Institute of Surveying, Mapping and Geoinformation of Henan Provincial Bureau of Geo-Exploration and Mineral Development,Zhengzhou 450000, China

2. Henan Geo-Environmental Monitoring Institute, Zhengzhou 450016, China,Zhengzhou 450000, China

3. Geological Survey of Anhui Province, Hefei 230001, China

责任编辑: 张仙

收稿日期: 2019-11-29   修回日期: 2020-03-31   网络出版日期: 2020-09-15

基金资助: 国家自然科学基金仪器专项“面向高陡岩质边坡滑坡机理的查分干涉雷达测量仪”.  61427802
河南省国土资源厅地质科研项目“郑州市地面沉降成因机理及防控措施研究”.  2018-132-11
安徽省自然资源科技项目“基于PS-InSAR的皖北地区地面沉降长时序监测方法研究”.  2016-k-8

Received: 2019-11-29   Revised: 2020-03-31   Online: 2020-09-15

作者简介 About authors

汪宝存(1980-),男,硕士,高级工程师,主要从事基于InSAR的地表形变调查与监测工作。Email: wangbc@cegn.gov.cn。

.

摘要

为查明郑州市地面沉降演变规律,服务城市地面沉降防控工作,选用2007—2017年间合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)数据,结合水准监测结果,获取了郑州市2007—2010年、2012—2013年、2013—2016年和2016—2017年4个时间段的地面沉降分布图,从时间和空间2个角度,分析了郑州市地面沉降演变规律; 利用地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析方法,研究了10 a间地面沉降与城中村演变之间的时空响应关系。研究结果表明,城中村是郑州市地面沉降演变的主导因素,即城中村超采地下水导致地面沉降; 城中村拆迁,地下水抽取减少导致地面沉降变缓甚至出现地面沉降抬升; 因拆迁导致流动人口迁移到远郊的城中村,形成新的流动人口、产业聚集区,进而形成了新的地面沉降区。

关键词： SAR ; 地面沉降 ; 演变规律 ; 城中村

Abstract

The monitoring results in recent years show that land subsidence in Zhengzhou has been developed rapidly. In order to find out the evolution law of Zhengzhou’s land subsidence and serve the prevention and control work of urban land subsidence, the authors selected the synthetic aperture Radar(SAR) data in recent years (2007—2017), compiled the land subsidence distribution maps of Zhengzhou in four periods of 2007—2010, 2012—2013, 2013—2016 and 2016—2017 by combining with the bench-mark monitoring results, and analyzed the evolution law of Zhengzhou’s land subsidence from time and space. By the GIS room analysis method, the authors studied the space-time response relation between land subsidence and urban village evolution in recent years. Research results show that the urban village is the predominant factor in the land subsidence evolution of Zhengzhou, namely, the groundwater abstraction in urban village causes land subsidence; the relocation of urban village and reduction of groundwater abstraction cause slow land subsidence and even uplift of land subsidence; the relocation causes the floating population to move to outer suburbs, which forms a new floating population and industrial accumulation area, and further forms a new ground subsidence area.

Keywords： SAR ; land subsidence ; evolution law ; urban village

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本文引用格式

汪宝存, 朱琳, 潘登, 郭凌飞, 彭鹏. 郑州市地面沉降时空演变规律研究. 国土资源遥感[J], 2020, 32(3): 143-148 doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.19

WANG Baocun, ZHU Lin, PAN Deng, GUO Lingfei, PENG Peng. Research on temporal and spatial evolution law of land subsidence in Zhengzhou. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2020, 32(3): 143-148 doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.19

0 引言

地面沉降是我国中东部平原、盆地和三角洲等城市地带面临的主要地质灾害,它往往导致大范围的高程损失,局部伴有地裂缝发生。地面沉降防治难度大、损失大,形成后往往难以恢复[1],上海、北京、天津是我国较早开展地面沉降监测和防控的城市[2,3,4,5]。

郑州市地面沉降监测工作开展得比较晚。2007年郭新华等[6]根据实地调查发现郑州市存在地面沉降现象,认为地面沉降已经造成市区及周边地区排水、防汛能力下降、管道爆裂、建(构)筑物下沉等不良后果,急需开展地面沉降监测工作; 汪宝存等[7]、王义梅等[8]和管力等[9]分别利用合成孔径雷达干涉测量(interferometrie synthetic apeture Radar,InSAR)技术获取了郑州市2004—2010年、2012—2013年和2015—2017年3个时间段的地面沉降状况,并初步分析了地面沉降的原因; 夏飞雪等[10]、詹学启等[11]、朱卫民等[12]分别从不同角度分析了京广高铁郑州段存在地面沉降的原因。但是目前关于郑州市的地面沉降分析主要是针对某一个时间段开展的,并未从较长时间序列的角度去动态地分析郑州市地面沉降的演变规律。在近年来的郑州市地面沉降监测工作中,发现地面沉降往往和城中村有着密切的联系,即在地面沉降发育的区域往往存在大量的城中村,城中村拆迁后,该区域的地面沉降往往快速变缓,甚至出现抬升现象。为此,本文利用2007—2017年间合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)数据地面沉降监测结果,结合城中村的演化数据,分析郑州市地面沉降演变规律,进而服务城市地面沉降防控工作。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

郑州市地处中原腹地,黄河下游南岸,河南省中部偏北。位于E113°27'~113°51',N34°36'~35°00'之间,市区面积为1 010.3 km2。郑州市北临黄河,西南部有黄土丘陵与嵩山相接,东南为广阔的黄淮平原,属暖温带-北亚热带过渡型大陆性季风气候区,四季分明。随着郑州市建成区面积不断扩大,附近的村庄不断被纳入到城市建成区中,这些村庄虽坐落在城市建成区,但仍然保留着农村管理方式、制度、生活习惯和社会关系,因此一般被称为“城中村”。在近年的工作中发现,地面沉降这种不良地质问题与城中村有密切的联系。随着城市化进程的加快发展,地面沉降问题日益突出。

1.2 数据源

采用2007—2017年10年间4个时相的SAR数据作为本次地面沉降信息提取的数据源,具体如表1所示。为方便研究将4个时间段分别定义为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ时间段。采用GAMMA软件中的IPTA模块提取4个时相的地面沉降速率图,为便于不同时相监测数据之间的对比,参考点统一选在研究区中部相对稳定的地方。将地面沉降划分为3个等级: [-30,-10) mm/a为轻微区、[-50,-30) mm/a为较重区、<-50 mm/a为严重区[13],制作地面沉降分区图(图1)。利用获取的地面沉降速率图,制作地面沉降变幅图。首先利用地面沉降速率图生成地面沉降栅格图,然后利用后一时相的地面沉降栅格图减去前一时相地面沉降栅格图,将变幅分为急剧下降(<-30 mm/a)、缓慢下降([-30,-20) mm/a)、基本稳定([-20,20) mm/a)、缓慢变缓([20,30) mm/a)、急剧变缓(>30 mm/a)5个等级,生成Ⅱ-Ⅰ,Ⅲ-Ⅱ,Ⅳ-Ⅲ和Ⅳ-Ⅰ4幅地面沉降变幅图(图2)。分别统计地面沉降分区和地面沉降变幅分区的面积(表2和表3)。

表1   所采用的SAR图像

Tab.1  SAR image

时段卫星图像数
量/景		空间分
辨率/m		时间
ⅠENVISAT-120202007年9月—2010年10月
ⅡTerraSAR-X1732012年9月—2013年9月
ⅢRadarsat-215302013年9月—2016年2月
ⅣRadarsat-21252016年2月—2017年2月

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图1

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图1   郑州市地面沉降分区

(图中环线从内往外为二环、三环、四环)

Fig.1   Map of land subsidence division of Zhengzhou City


图2

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图2   郑州市地面沉降变幅图

(图中环线从内往外为二环、三环、四环)

Fig.2   Map of land subsidence amplitude of Zhengzhou City


表2   地面沉降分区面积

Tab.2  Area of land subsidence division(km2)

时间段轻微区较重区严重区总面积
Ⅰ302.552.85.9361.2
Ⅱ540.570.134.9645.5
Ⅲ336.267.832.3436.3
Ⅳ498.825.80.3524.9

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表3   地面沉降变幅分区面积

Tab.3  Area of land subsidence amplitude(km2)

时间段急剧
下降		缓慢
下降		沉降加剧
总面积		缓慢
变缓		急剧
变缓		沉降变缓
总面积
Ⅱ-Ⅰ32.965.097.915.08.123.1
Ⅲ-Ⅱ1.914.816.730.710.240.9
Ⅳ-Ⅲ1.218.619.836.758.094.7
Ⅳ-Ⅰ9.450.660.042.535.377.8

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2 地面沉降演变规律

2.1 研究思路

调查表明,只有当城中村聚集了大量的人口,并且超采地下水才能引发地面沉降; 如果城中村拆迁,外来人口迁移,不再抽取地下水,地面沉降将停止发展。但是实际的调查显示不是每个城中村都一直聚集大量的人口,也不是每个城中村都抽取地下水,这就给研究城中村和地面沉降之间的关系带来了很大的干扰。为了剔除干扰,首先利用InSAR技术获取郑州市地面沉降分布图,在此基础上制作地面沉降变幅图,分析郑州市地面沉降演变规律,然后提取郑州市城中村拆迁演变的数据,利用地理信息系统(geographic information system,GIS)面和点相交功能,提取出不同时间段地面沉降区,以及地面沉降变幅加剧、变缓区的城中村,结合地下水开采的情况,分析城中村和地面沉降的之间的关系。

2.2 地面沉降演变规律

根据表2、表3可以看出,在时间维上,研究区地面沉降发展可以划分成3个阶段,Ⅱ-Ⅰ为地面沉降快速发展期,沉降轻微区、较重区、严重区的面积均明显增大,沉降量<-10 mm/a的面积从361.2 km2增长到645.5 km2,增长了78.7%,沉降加剧总面积为97.9 km2; 沉降变缓总面积为23.1 km2,比沉降加剧总面积少74.8 km2。Ⅲ-Ⅱ为地面沉降相对稳定期,沉降较重区、严重区面积小幅下降,沉降轻微区面积减少204.3 km2,沉降量<-10 mm/a的面积从645.6 km2减少到436.3 km2,减少了32.4%; 沉降加剧总面积为16.7 km2,沉降变缓总面积为40.9 km2,比加剧面积多24.2 km2。Ⅳ-Ⅲ为地面沉降急剧变缓期,虽然沉降轻微区面积增加了162.6 km2,但是沉降较重区、严重区总面积从100.1 km2急剧减少到26.1 km2,减少了73.9%,沉降加剧总面积为19.8 km2; 沉降变缓总面积为94.7 km2,比沉降加剧总面积多74.9 km2。Ⅳ-Ⅰ也是地面沉降急剧变缓期,沉降较重区、严重区总面积从58.7 km2急剧减少到26.1 km2,减少了55.5%。

根据图1、图2和表2、表3可以看出,从空间维上,研究区地面沉降也可以划分为3个阶段,Ⅰ时间段,地面沉降均匀分布,在研究区的北部、东北部、东部、南部和西部存在5个沉降区; Ⅱ,Ⅲ时间段,地面沉降南部变缓,北部加剧,地面沉降空间分布差异较小,在第Ⅰ时间段存在的北部沉降区和东北部沉降在第Ⅱ时间段合并成了一个大的沉降区,但是到第Ⅲ时间段沉降变缓; 同时在第Ⅰ时间段存在的南部沉降区在Ⅱ,Ⅲ时间段不再存在; 第Ⅳ时间段,北部沉降区消失、沉降向郊区扩展,在Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ时间段一直存在的北部沉降区突然消失,地面沉降向东部、西部、南部快速扩展。从整体上地面沉降从市区往郊区迁移,即从二环向三环、四环不断发展。

3 城中村与地面沉降的关系

3.1 城中村的演变特点

郑州市作为河南省省会,近年来经济发展迅速,吸引了大量的流动人口。因为城市房租较高,大量的流动人口选择在城中村居住,以位于研究区北部的高皇寨村为例,该村2012年原有居民仅有1 800人左右,而在此居住的流动人口达到了13万人[14]。城中村的存在带来了大量的社会问题,为此郑州市在20世纪末就启动了城中村的拆迁改造工作,郑州市的拆迁改造工作经历了4个阶段,第一阶段(1998—2002年)为摸索阶段,第二阶段(2003—2008年)为形成阶段,第三阶段(2009—2011年)为调整阶段,第四阶段(2012年—)为冲刺阶段[15]。

据2007年统计研究区内共有城中村830个,利用多期次的高分遥感影像结合实地调查走访,查明了2007—2017年间城中村拆迁的过程(图3),在这期间共有544个城中村完成拆迁。从图中可以看出城中村的数量不断减少,拆迁过程和王元亮[15]的研究基本吻合,在空间上基本为先城区后郊区的顺序。截止到2017年底三环内已经没有城中村,尚存城中村240个,且基本都在四环以外。

图3-1

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图3-1   郑州市城中村拆迁过程

(图中环线从内往外为二环、三环、四环)

Fig.3-1   Process of urban villageremovalin Zhengzhou City


图3-2

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图3-2   郑州市城中村拆迁过程

(图中环线从内往外为二环、三环、四环)

Fig.3-2   Process of urban villageremovalin Zhengzhou City


3.2 城中村与地面沉降的关系

利用地理信息系统技术,提取出不同时间段地面沉降轻微区、较重区、严重区,以及地面沉降变幅加剧、变缓区的城中村,来分析城中村和地面沉降的之间的关系。表4为不同沉降分区内城中村的数量,其中城中村的数量为在所在时间段内一直存在的村庄数量。从表4可以看出除第Ⅳ时间段严重沉降区内无城中村分布,在4个时间段的各级沉降区内均分布大量的城中村。在第Ⅳ时间段无城中村分布的区域位于研究区的东部,根据城中村演化结果(图3)该区域曾经也有城中村的分布,城中村拆迁后,该地在第Ⅳ时间段正在进行大规模的城市建设,由于该区域浅层地下水位埋深较浅[16],基坑建设大量抽排地下水,导致该区域出现了比较严重的地面沉降现象。

Tab.4   Number of urban village in land subsidence division(个)

时间段轻微区较重区严重区
Ⅰ218345
Ⅱ3143120
Ⅲ192509
Ⅳ194190

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表5反映的是地面沉降变幅区内城中村的演变特点,在地面沉降急剧下降、缓慢下降区城中村的保有率均高于70%,且急剧下降区村庄保留率大多高于缓慢下降区; 在沉降减缓区城中村的保有率大多低于35%,且急剧变缓区村庄保有率全部不高于缓慢变缓区,在Ⅳ-Ⅲ时间段缓慢变缓区村庄保有率虽然高达75%,但是调查发现该区域内在第Ⅲ时间段内共有18个城中村完成拆迁,这些村庄对该时间段内的地面沉降仍然有较大的贡献,因此导致了该区域沉降变缓。

表5   地面沉降变幅区内城中村的数量

Tab.5  Number of urban village in land subsidence amplitude

时间段急剧下降区缓慢下降区缓慢变缓区急剧变缓区
前一时
段/个		后一时
段/个		保有
率/%		前一时
段/个		后一时
段/个		保有
率/%		前一时
段/个		后一时
段/个		保有
率/%		前一时
段/个		后一时
段/个		保有
率/%
Ⅱ-Ⅰ171271413278105506233
Ⅲ-Ⅱ33100131185500400
Ⅳ-Ⅲ111001111100867519632
Ⅳ-Ⅰ1099054387026282528

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上述分析表明,城中村和地面沉降之间有着紧密的联系,在地面沉降区往往分布着大量的城中村,城中村拆迁后往往导致地面沉降变缓。

3.3 城中村、地下水以及地面沉降之间的关系

选择研究区北部的沉降区来分析城中村、地下水以及地面沉降之间的关系。该沉降区在第Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ时间段一直是研究区最大的沉降区,但是在第Ⅳ时间段沉降突然变缓,局部甚至出现抬升的现象,该区域同时也是郑州市城中村密集分布的区域,也是近年来重点开发的区域,因此具有很好的代表性。根据郑州市地下水动态监测报告[16],该区域的中深层(80~350 m)一直存在一个地下水降落漏斗,将2013—2017年间该区域的降落漏斗进行叠加,利用其最大范围统计了该区域内的城中村和地面沉降情况(表6和表7)。

表6   降落漏斗范围内2013—2017年间城中村的数量

Tab.6  Number of urban village in cone of depression between 2013 and 2017

年份地下水位
埋深/m		地下水降落
漏斗面积/km2		当年拆掉
的村庄/个		当年一直存
在的村庄/个
2013年75.9152.91556
2014年64.1133.61739
2015年60.188.02415
2016年55.785.196
2017年53.376.524

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表7   降落漏斗范围内地面沉降分区面积

Tab.7  Area of land subsidence division in cone of depression(km2)

时间段轻微区较重区严重区
Ⅲ57.836.029.8
Ⅳ44.71.80

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从表6可以看出,随着城中村的不断减少,对地下水的开采也不断减少,导致该区域的地下水位埋深不断减少,平均每年减小4.5 m; 地下水降落漏斗面积也不断减少,从152.9km2减少到76.5 km2。从表7可以看出第Ⅲ时间段由于当时存在的城中村数量较多,地面沉降相对比较严重,到第Ⅳ时间段由于城中村数量急剧减少地面沉降也急剧变缓,沉降严重区和沉降较重区的面积分别从29.8 km2和36.0 km2急剧减少到0 km2和1.8 km2。

4 结论

本文依据2007—2017年间SAR数据获取了郑州市地面沉降的分布特征,分析了地面沉降的时空演变规律,在研究城中村演变规律的基础上结合地下水监测数据分析了郑州市地面沉降的原因,获得了以下2点认识:

1)郑州市地面沉降在时间和空间维上均可以分为3个阶段,在时间维上分别为快速发展期、相对稳定期和急剧变缓期; 在空间维上分别为均匀分布期、南部变缓北部加剧期、急剧变缓向郊区扩展期。

2)城中村是郑州市地面沉降演变的主导因素,即城中村超采地下水导致地面沉降; 城中村拆迁,地下水开采减少导致地面沉降变缓甚至出现地面沉降抬升; 因拆迁导致流动人口迁移到远郊的城中村,形成新的流动人口和产业聚集区,进而形成了新的地面沉降区。

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Dou J F, Tian J H, Pan D, et al.

Report on groundwater dynamic monitoring in Zhengzhou(2007—2017)

[R].Zhengzhou:Henan Geo-Environmental Monitoring Institute, 2015.

[本文引用: 2]

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