北京地区地面沉降三维形变及演化机理研究

北京典型沉降区长期过量开采地下水，区域地下水漏斗形成与地面沉降发展已近60年历史，加之城市浅表层空间开发利用、城市发展建设中的钢筋混凝土静载荷、城市立体交通网络形成的动载荷等的急剧变化，引发了一系列区域环境地质问题，严重威胁着城市安全。. 针对上述问题，开展地面沉降三维形变及演化机理研究。结合不同尺度、不同周期的区域水循环过程，集成、优化由GPS、INSAR技术与地面、地下监测网构成的立体监控网络，将INSAR技术的最新进展与水准测量、分层标以及地下水观测网等常规技术方法相结合，提高形变监测精度。开展遥感、测绘、水文地质等学科的交叉研究，采用GIS空间分析、地下水数值模拟等技术方法，开展基于地面形变场、地下水流场相互作用的空间数据挖掘，揭示多层含水层系统演化与地面三维形变的互馈机理；量化研究地下水超采、自然沉降、动静载荷对区域地面不均匀沉降的实际贡献，为区域地面沉降调控提供科学依据。

针对北京长期超量开采地下水、城市近地表空间开发利用、动静载荷逐年迅速增加等引发的区域地面沉降问题，采用融合PS－小基线InSAR干涉测量技术提取北京平原地面沉降形变信息。研究结果表明北京地区地面沉降速率差异性很大，最大年沉降速率约为136mm/a，主要分布在朝阳东部、顺义西部、昌平东南部、通州西北地区，沉降漏斗连成一片。采用GIS空间分析方法，研究时间序列不均匀沉降演化规律，表明浅地表空间利用的复杂情况在一定程度上影响着区域的不均匀沉降态势，空间利用情况越简单，沉降的梯度相对越小，不均匀沉降趋势越小。.研究多视角临轨SAR影像参考基准转换及数据融合技术，识别匹配的相关点，拼接相邻图幅干涉测量结果，解决测量数据一致性与尺度问题，获取大尺度区域地面沉降监测信息。.采用高分辨率TerraSAR-X数据，研究多重阈值约束下相位相干性与信息论相结合的序列干涉像对选择相干目标的方法，获取京津高铁沿线高精度的地表形变信息及其分布特征；提取高精度地下线性交通沉降三维形变信息。以最优化理论为支撑，采用GIS空间分析、数值模拟与地下水动态分区技术相结合，开展区域地面沉降监测网优化方法研究，建立面向水文地质过程的区域地面沉降监测网。.结合地下水位监测信息与地面沉降三维形变结果，分析地面沉降响应趋势与地下水流场相关性，揭示地面沉降发生较为严重的地区也正是水位埋深较深的地区，主要分布在顺义天竺地区、朝阳地区及通州西北处，说明北京地区地下水流场变化与地面沉降空间展布具有较好的一致性。综合地面沉降监测结果与水文地质资料，揭示复杂环境条件下地面沉降成因机制，表明北京市地面沉降空间分布具有明显构造控制特性；地面沉降空间分布与可压缩粘性土层厚度具有显著相关性，粘性土层累计厚度越大地区，压缩总量也越大。结合InSAR地面沉降监测信息与IBI遥感建筑指数表明，载荷密度与沉降不均匀性存在正相关关系，尤其在高沉降速率地区显示较为明显。高密度建筑群使得局部地面荷载增加，各单体建筑的附加沉降互相叠加，对区域性地面沉降的贡献不容忽视的问题。.利用GRACE重力卫星监测人类活动和气候变化综合影响下陆地水储量变化的能力，揭示华北平原人类活动影响下流域水循环演化规律。利用改进的梯度算法优化转移概率矩阵模型参数，构建三维地质体随机模型，建立三维地下水流—土应力场耦合模型， 系统揭示含水层系统演化与地面沉降互馈作用机理。