協同創新揭示京津冀地面沉降之謎
本報記者 申 明
經常坐京津城際高鐵的人會發現，高鐵在經過天津的楊村或北京的亦莊附近時，往往會降速，從將近時速300公里變成時速150公里左右。
讓我們將目光從亦莊往北延伸50公里，在北京高麗營地區的田野里，你有可能會看到地面上裂開了一個大口子。
為什么高鐵會降速？地面會裂口子？其實這都是地面沉降“惹的禍”。假如你能“透視”大地，你就會發現京津冀地區是世界上最大的地下水降落漏斗，發生地面沉降的面積達到7萬平方公里。
“京津冀地區地面沉降主要是由于過量開采地下水引起的。但其他因素如構造運動、地表荷載、土體自然固結和有機質氧化也會導致地面沉降。”首都師范大學資源環境與旅游學院副教授張有全告訴記者，當高鐵經過地面沉降區域，尤其是不均勻地面沉降地區，會導致部分地段路基和橋梁變形，威脅著高鐵的運行安全。
首都師范大學區域地面沉降研究團隊，在課題負責人首都師范大學宮輝力教授帶領下，長期開展遙感與水文地質學等多學科交叉研究。近年來，他們綜合InSAR(雷達干涉測量)、GRACE重力衛星與傳統監測、模型，創造性地提出“多元場耦合”的區域地面沉降理論與方法，系統揭示了京津冀區域地面沉降機理與調控機制，在京津冀地面沉降防控與重大工程防災減災中取得良好應用，顯著提升了京津冀地面沉降防控能力。在2016年度北京市科學技術獎評選中，“京津冀地面沉降多元場耦合模型與調控機制研究”項目榮獲一等獎。
悄無聲息的地面沉降
地面沉降嚴重威脅地表建筑、地下管線、高鐵運行和防洪等城市安全，緩慢的地面沉降常常不被大家發現，只有當局部不均勻沉降問題比較突出，并誘發地裂縫等次生災害、對房屋、道路等造成明顯的破壞時，我們才會直接感受到它的存在。
“但這種悄無聲息的地質環境問題會對我們的生活造成巨大影響，地下水壓采、高鐵減速、建筑抗浮等與地面沉降相關的措施可能經常發生在身邊。”首都師范大學區域地面沉降研究團隊成員潘云教授告訴記者。
比如說，地面沉降會對地表建筑和地下管線等基礎設施造成破壞影響，并且會導致河床和河口嚴重淤積，使河流作用大為降低，降低城市的防洪能力，增加沿海地區海水入侵和風暴潮災害等風險。
據統計，目前世界上已有150多個國家和地區發生地面沉降，包括美國、日本、墨西哥、荷蘭和意大利等。地面沉降已經成為一個全球性的地質環境問題。
自從20世紀60年代以來，隨著地下水開采量的不斷增加，北京市地面沉降不斷加劇，目前已經形成了東郊八里莊—大郊亭、東北郊—來廣營、昌平沙河—八仙莊、大興榆垡—禮賢和順義平各莊5個沉降區。特別是1999年—2007年連續9年干旱期間，大量開采地下水，進一步加劇了地面沉降的發展。最新的遙感監測顯示，北京局部地區的沉降中心速率達到11厘米/年。
因此，在南水北調、京津冀一體化背景下，迫切需要揭示區域地面沉降驅動機理及災變規律，實現區域地面沉降科學調控和重大工程防災減災，促進京津冀地區經濟社會可持續發展。
沉降監測不再“盲人摸象”
對于地面沉降的研究，我國多個院所機構先后開展過大量工作，并取得豐碩的成績。傳統測量方法是通過大面積精密水準測量和少量分層標獲得的。“這些傳統監測手段往往是沿路鋪設，雖然精度高，但非常費時費力，而且只知道一個點的情況。”首都師范大學區域地面沉降研究團隊成員朱琳教授說。
分析清楚成因機理和災變模式，再去指導工程防災與規劃，就不再是單一學科視角處理問題，而是有預見性的“對癥下藥”。
如今遙感技術發展迅速，不同平臺、不同模式的衛星可以全天時對地進行觀測。能不能將傳統監測方法和日新月異的遙感衛星對地觀測技術結合起來？能不能將遙感技術、水文地質和土力學等學科整合起來研究，實現學科交叉？
在首都師范大學良好的科研平臺支撐下，項目團隊通過具有遙感、水文和地質等不同專業背景成員之間的密切合作，以及與北京市水文地質大隊等單位的產學研用協同創新，開展多學科交叉研究。
其中，通過重力衛星提供區域水文變化，為課題組提供了研究方向。重力衛星以其獨特的視角，是目前唯一能夠直接觀測地下水儲量變化的遙感手段。2002年發射的GRACE是首次實現用低低衛衛跟蹤模式測量地球重力場的重力衛星，由兩顆低軌衛星組成。它就像“一桿秤”，當衛星飛過重力異常區域時，K波段微波測距系統通過測量兩顆衛星間的距離和距離變化率來“秤”出地球質量的變化。在華北平原，這種地球質量的變化主要是由于地下水消耗引起的。
“通過這桿秤，可以為水文研究提供與眾不同的數據來源，是目前唯一能夠直接觀測地下水儲量變化的遙感手段。”潘云說。
課題組面向京津冀協同發展，首次利用GRACE重力衛星探測到華北平原內部地下水儲量變化差異，并首次通過獨立手段證實了深層地下水過量開采的現狀，為區域地下水資源管理、地面沉降防控提供了重要依據。
“以前就像盲人摸象，關注的只是一個一個的測量點，只是點狀的，無法從全局去分析數據。如今，我們通過水文變化，摸清了地面沉降變化規律。”朱琳說。
通過多年研究，課題組據此提出并建立區域地面沉降多元場耦合模式，突破了區域地面沉降影響因素復雜、互饋機制不清的關鍵難點。解決了遙感現象與沉降機理彼此孤立的關鍵問題，首次系統揭示京津冀地面沉降演化規律與驅動機理。并且首次通過毫米、厘米和亞米級協同校正，實現了多孔介質區域地面沉降多尺度、變分辨率多場數據高精度同化，突破了區域地面沉降監測要素不足、驗證尺度單一等關鍵難點，形成了京津冀區域標準系統。在京津冀地面沉降防控與重大工程防災減災中取得良好應用，顯著提升了京津冀地面沉降防控能力。
為京津冀建設保駕護航
課題組提出的多元場耦合模式理論與方法已入選聯合國教科文組織(UNESCO)新方法紅皮書、重要成果專輯，獲UNESCOHELP項目特殊貢獻獎，受邀在巴黎氣候大會和UNESCO Kovacs水科學峰會等國際會議做主題報告。部分關鍵技術被美國麻省理工學院(MIT)、弗吉尼亞理工大學等國際同行采用。
新技術方法為全國地面沉降防治部際聯席會議提供支持，成果在中國地質環境監測院、天津市控制地面沉降工作辦公室和河北省地勘局第四水文工程地質大隊等單位取得良好應用，為南水北調、國家體育場(鳥巢)、北京未來科學城、京津/京沈高鐵、首都新機場和北京城市副中心等重大工程防災減災提供重要科學依據。
針對老百姓擔心的高鐵安全問題，張有全告訴記者，采用課題研究成果，結合京沈客專建設需要，根據高鐵沿線地面沉降不同驅動力及土體分層壓縮特性差異，提出了有利于防災減災的軌道基礎類型、和水文調控方案及力學補強措施。
此外，針對地面沉降研究中地下水開采量獲取困難，課題組進行了華北平原GRACE衛星重力信號泄露校正，將GRACE監測分辨率從20萬平方公里提高到5萬平方公里，首次發現了中東部平原區深層地下水消耗的重力異常，并且通過衛星重力水均衡量化了農業灌溉對地下水消耗的影響。
“隨著南水北調來水逐漸成為重要供水水源，以及北京市在再生水利用、節約用水方面的努力，北京市的地面沉降情況有可能得到改善。但是，地面沉降對于地下水的變化具有一定的滯后性，且壓縮形變很難恢復。所以，北京市地面沉降仍將是未來相當長一段時間內需要重點防控的重大地質環境問題。”潘云說。
