海河流域重点区域地面沉降分析
【摘要】海河流域地处京津及华北大部地区的咽喉要地，河流错综复杂，各地区沉降不一致，产生了河道淤塞、扭曲。海河流域区域经济发展迅猛快速，地面沉降给国民经济的发展和人民生产安全带来了严重的隐患。为此，研究河流和水工建筑物的沉降规律以及地区区域性的沉降特点十分重要。本文根据三期针对于海河流域重点区域的统一高程测量数据，进行分析统计，找出沉降变化规律，为水利规划设计，水利工程建设、管理和防洪抗灾提供重要的基础数据。
【关键词】地面沉降；高程测量；变化规律
1、前言
地面沉降会给人类工程经济活动和生存环境产生极大的危害，也会给水利工程造成极大的危害。河流和水闸跟随地面一同下沉，下沉速率不一样，大大降低了河流的泄洪功能和抗风暴潮能力，造成堤防和闸体的水位和过水能力变化，影响堤防和闸体的防洪和抗灾能力。根据海河流域1989年与2002年以及2010年三期水准测量资料对比，天津、沧州、德州三地区均存在地面沉降，产生了很明显的沉降漏斗。定期对河流、堤防、水闸进行沉降监测，为水利规划设计，水利工程建设、管理和防洪抗灾提供重要的基础数据。
2、沉降分析资料
2.1 资料来源
海河流域高程测量主要分为三个阶段：
第一阶段是海河水利委员会于1983年决定在国家一、二等水准网的基础上，进行海河流域的水准测量，将全流域的高程系统统一到1985国家高程基准。测量工作从1985年5月～1989年5月完成，共施测二等水准路线562km，施测三等水准支线281条计1141.3km，连测了227个水文站、152座大中型水工建筑物的基本水准点。将国家在海河流域布设的133条二等水准路线的观测资料和其他系统48条二等以上水准路线资料，在国家一等水准网10个环内分别组成10个结点平差单元和11条附合路线，进行二等水准的平差计算，形成一个海河流域二等水准点成果。根据国家一、二等水准点和海河流域已测二等水准点成果，组成22个结点平差单元和96条附合路线，进行三等水准的平差计算。此项工作建立了海河流域1985国家高程基准的高精度高程控制网系统。简称1989年高程。
第二阶段为2000-2002年布设的海河流域京津沉降区及漳卫南运河系堤防水准测量，测量范围主要包括京津沉降区的北运河系、永定河系、子牙河系及漳卫南运河系等的主要河段，共施测水准路线4490km。本次测量使得海河流域平原地区的部分河道第一次获得了宝贵的沉降资料，初步掌握了河道的沉降状况，为河道整治、水工建筑物运行管理、规划设计提供了科学依据。简称2002年高程。
第三阶段是2009-2010年。对于已布设的水准路线，尽量沿原路线布设，新增路线尽量沿河道或堤防布设。为了资料的完整和延续，此次测量还增加了1989年已做的滦河系、徒骇马颊河系。海河流域重点区域高程测量包括海河、滦河和徒骇马颊河三大水系，滦河、北三河、永定河、大清河、子牙河、漳卫南运河和徒骇马夹河七大河系，10条骨干河流，二等水准线路44条，三等水准线路1条。二等水准路线总长度7070Km，引测检测54公里。三等水准路线总长度74Km。简称2010年高程
整个海河流域经过这三阶段的高程测量，基本完善了海河流域各河系和水工建筑物的高程资料，丰富了沉降分析的对比成果。
2.2 联测的闸站库情况
水准路线沿靠近河道的道路及村庄布设，河道上的水文站、闸管所等水工建筑物的高程基准点都连测于水准路线中。为了观察水工建筑物的沉降情况，第三期连测的水准点尽量与1985年至1989年连测的一致。新增的水文站、闸等一并连测于路线中。
2.3 2010年至2002年至1989年三期统计
2010年至2002年至1989年三期海河流域高程测量，历经21年，本次沉降分析工作尽量收集和查找原水准埋石点的数据和实地点位，保证水准点高程成果的比对。然而经过21年的变化发展，很多地方发生了变化，很多点也被破坏。经过查找，2010年第三期高程测量沿用了原1989年所做高程测量中95个点，根据各河系沿用的相同的点进行比对，可以绘制出2010年至2002年至1989年三期水准点沉降图和高程比较表。
3、沉降分析
3.1 沉降分析图
3.2 一等水准点沉降分析
分布在测区内的国家一等点的沉降变化量不一致。1989-2010期间最大年沉降量43毫米，平均年沉降量17毫米。2010-2002最大年沉降量47毫米，平均在1989-2010期间年沉降量28毫米。有明显的下沉加速趋势。最大沉降点是Ⅰ石济56基，年沉降量43毫米。平均年沉降量14毫米。2010年与2002年比较还是Ⅰ石济56基沉降最大，最大年沉降量40毫米。平均年沉降量14.5毫米。如下表1和表2表统计结果。
3.3河道沉降变化量大小区间分析
1989-2010年21年间，有很多水准点已经被破坏，或者丢失，相同点较少，可比较的点的数量有限，根据统计找到9条河系中的95相同点。通过上表看出按河道沉降变化量所占比例统计年均沉降量超过20mm占78.6%，按路线沉降变化量所占比例统计年均沉降量超过20mm占66.6%，由此可以看出海河流域的河道沉降现象已非常严重。
虽然很多水准点被破坏，但从有限的相同的标石点的三期高程差值比对，和每两期计算的年均沉降量对比可以看出，河道沉降趋势非常明显，沉降量也非常大。子牙新河左右岸、永定河左右岸、永定新河左右岸、南运河等沿海区域沉降尤其明显。从图1地表沉降分析等值线图也可以看出，在河北的沧州、廊坊地区，山东的德州地区，天津进洪闸等区域存在明显沉降漏斗区。
3.4闸、站、库沉降分析
以京津唐地区11个大型闸、站、库的高程比较为例，可以看出从2002年到2010年仅8年间，天津独流减河进洪闸（Ⅱ津唐10）就下沉了0.52米，年下沉65毫米，沉降变化很大。从表中可以看出其它闸的下沉也很明显，如天津的西河闸、九宣闸、陈官屯闸、韩村闸等。水闸的下沉已经成为一个普遍现象，我们应如何分析、对待、预防地表下沉对水工建筑物造成不利的影响，已经是一个不能回避的课题。
4、沉降原因分析
4.1 一等水准点沉降原因分析
第三期（2010年）水准测量历时2年，作为已知点引用的一等点有16个，连测一等点15个，计算时以天津基岩标京津35为主要参考点。从了解的几个大项目如京沪高铁二等水准测量、引黄入京等项目测量结果来看，基岩标的沉降比较小，因为地表对其影响较小。山区的一等点沉降较小，而靠近沿海及靠近德州、沧州等漏斗地区沉降变化很大。
4.2 二等水准点沉降原因分析
二等水准点沉降原因错综复杂，一方面是三期高程测量期间水准点标石变动、局部地表变化以及地壳垂直运动的影响，另一方面是三期高程测量水准网用于平差的观测数据及其归算改正项差异的影响。
（1）地面沉降和标石自身的不稳定性影响：三期二等水准标石100%都埋设在地表土层中，它不可避免地受到非结构或人为因素而产生的地表垂直运动的影响，地面沉降是一种区域性的缓变型地质灾害，京津及周边地区又是地面沉降较为严重的区域之一，沿渤海湾经济区均为沉降速率较大区域，势必造成水准标石的不稳定。
（2）地下水的不合理开采的影响：地下水的不合理开采是海河流域地面沉降的主要诱因。地面沉降是在一定的地表面积内由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。在大港地区、沧州地区、德州地区，过度开采石油、天然气、固体矿产、地下水等直接导致了地表沉降。
（3）因采用国家一等水准点起算而产生的影响：国家一等水准点也大部分埋设于地面表层中，也易受到地表下沉的影响而同样下沉。根据发布的一等水准点的高程为基准点起算对二等水准点计算直接产生误差，从而导致二等水准点的高程不准确。
5、结束语
通过海河流域高程测量项目，我们获取了很多成果，也发现了很多问题。针对我们发现的问题，特提出以下几点建议，供各位专家思考。
（1）国家一等点
经过这次水准测量，发现了很大部分国家一等点下沉很严重，尤其是京津沧州德州等沿海区域。例如：德州附近的Ⅰ石济56基，1988年到2010年，这二十一年间，下沉了将近1米，在2002年到2010年，8年中下沉了有0.318米，下沉趋势明显，沉降率达到了每年5厘米。Ⅰ绥津81这个点，1989年到2010年，这二十一年间，下沉了将近半米，在2002年到2010年，8年中下沉了有26厘米，沉降趋势也明显加快。据我们了解，这些沿海区域，经过多年的经济发展，有很多国家一等点遭到破坏，点位已经丢失。就Ⅰ绥津81这个点所在的北塘地区而言，我们所能使用的只有这个点，其他的点都已被破坏。由于找不到高等级起算点，一些建筑施工单位甚至是采用一些很低等级的水准点或者是采用假定高程施工，导致高程基准混乱，影响工程质量。
（2）从上述的几个图表看到，海河流域京津地区地表下沉严重，并且有加速下沉趋势，从整体上看就象一个大漏斗中间又套着几个小漏斗。很典型的是天津地区进洪闸“Ⅱ津唐10”，实际原来是一等点，因为连年沉降，在2002年连测，降到二等使用。1989年到2010年，该点下沉了将近1.4米，在近8年中，也下沉了半米多。由此推断整个进洪闸是不是也下沉得同样多？那么其它类此情况，别的站、闸、库的沉降又有多么严重呢？我们苦于没有更多的历史数据来证明这些站、闸、库的沉降情况，对于那些使用不同高程系统甚至自己独立系统的水工建筑物设施更无法分析。
参考文献
[1]李东东，冯晓洲，某地区地面沉降调查分析.土工基础，2011.6
[2]刘予，叶超，贾三满.北京市平原区地面沉降区含水岩组和可压缩性划分.城市地质，2007.2
[3]张阿根，魏子新.中国地面沉降.上海科学技术出版社，2005.2
作者简介
余宣兴 中水北方勘测设计研究有限责任公司 高级工程师
赵淑屏 中水北方勘测设计研究有限责任公司 工程师
朱明新 中水北方勘测设计研究有限责任公司 工程师
刘永波 中水北方勘测设计研究有限责任公司 工程师