首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 地质学论文 > 地质灾害论文 > 试述2013年-2018年河北省区域沉降监测中ORS网数据的作用

试述2013年-2018年河北省区域沉降监测中ORS网数据的作用

2020-05-30 403 上传者：管理员

摘要：为了分析河北地区长期的沉降状况,采用GNSS技术,结合CORS网多年的数据进行时间序列分析,并制作了河北沉降速率分布图。结果显示河北北部地区地面较为平稳;西部靠近太行山的地区有微小的隆起,平均大约为2mm/a;东南部区域沉降较为严重,平均沉降速率70mm/a,与其他技术手段的结果基本保持一致。通过对重点沉降监测区域的GNSS时间序列分析,进行分析建模,可实现对未来沉降趋势的预测分析。

关键词：
全球定位系统
地质灾害
地面沉降
时间序列
沉降监测
连续跟踪站
加入收藏

1、引言

当前地面形变监测方面已经有多种技术,包括传统的水准测量,新兴的InSAR、三维激光扫描和近景摄影测量等技术。这些监测方法虽然都具备可靠的监测精度,但外业工作量大,且缺乏长期连续监测的可行性,而CORS网观测在科研和工程生产领域的普及,为地表沉降监测提供了长期、连续且稳定可靠的观测资料[1,2]。

华北中南部地区作为粮食主产区,因降水量少,对地下水的依赖严重,同时当地的工业以及水利工程也会对地面应力造成影响[3,4],相关研究显示,未来河北地区将从浅层水到深层水域进行开采[5]。此外,河北区域的地面沉降,必然会牵涉到京沪高铁、南水北调等多项国家重点项目的安全运行,分析河北地区地面沉降,尤其是中南部地区等重点区域有着极其重要的意义。

基于华北地区的地面沉降问题,已有相关学者进行了一定的研究,笔者早在2014年就基于河北CORS网2009年～2012年的数据分析了河北地区的地面沉降,发现了东南部地区的巨大沉降漏斗[6]。张风霜等基于1999年～2009年的陆态网数据分析了天津及其周边的华北地区沉降问题,发现了天津、石家庄、郑州、济南之间的快速沉降区域[7]。赵斌等分析了1999年～2013年的陆态网和山东天津的CORS网数据,表明了以太行山作为西边界、燕山为北边界、苏鲁造山带为东边界,形成的北东-西南走向的长600km、宽300km的沉降带[8]。最近几年华北地区的沉降研究较少。基于此,本文对河北CORS网2013年～2018年的数据进行处理,分析沉降时间序列和河北地区的沉降分布图,得出结论分析原因并预测未来趋势。

2、CORS站点位移时间序列

在时间序列的分析中,由于自然原因或人为原因,时间序列会发生线性、周期或者阶跃等变化,大多数情况是包含多种因素的综合性变化,有学者建立了GNSS每日解分量时间序列参数模型[9]:

y(ti)=a+bti+c·sin(2πti)+d·cos(2πti)+e·sin(4πti)+f·cos(4πti)+Gti+Hti+Kti+Vi(1)

式中ti(i=1……N)为以年为单位的时间。a为序列的平均值,b为线性速率,c、d和e、f分别为年周期和半年周期项的系数,Vi表示观测噪声。

Gti=∑j=1njgiH(ti−Thj)表示了ti时刻,累计的阶跃量。式中Thj是已知的阶跃时间点,gi是待求的阶跃量,H(ti-Thj)是一个分段函数,当ti小于Thj,未发生阶跃,则H(ti-Thj)值为0,当ti大于等于Thj,已发生阶跃,则H(ti-Thj)值为1。

Hti=∑j=1nhhiH(ti−Thj)ti表示了ti时刻,因速度变化导致的累计位移量,由于本文的测站位移距离较小,地质环境一致,故本文不考虑该项。

Kti=∑j=1nkkjexp[−(ti−Thj)tiτj]H(ti−Thj),表示,Thj时刻后,造成的测站位移速度呈指数状衰减,是更加复杂的情况,本文也不予考虑。

依据以上说明,本文的时间序列参数模型如式(2):

y(ti)=a+bti+c·sin(2πti)+d·cos(2πti)+e·sin(4πti)+f·cos(4πti)+Gti+Vi(2)

3、数据来源及数据处理

3.1河北省CORS网概况

河北CORS是由河北省地理信息局负责组织,与河北省气象局、河北省地质环境勘察院等单位共建共享的重点项目。整个系统主要由基准站、控制中心、网络通信及数据发布等部分组成[6]。自2008年开始建设到目前已有80多个参考站,具备稳定可靠运行的能力,目前已经连续运行了近10年,收集了大量的可用数据。

3.2数据处理策略

GAMIT/GLOBK软件由美国麻省理工学院和海洋研究所联合研制的开源软件,作为国际高精度数据处理软件之一,主要被用来处理大规模的GNSS数据。该软件充分考虑大气模型和海洋模型等多种误差模型,利用精密星历,基线解的相对精度可达10-9左右,短基线精度优于1mm[10]。GAMIT是国内CORS的主要数据处理软件,不同的设置对应不同的解算方法,本文使用GAMIT10.5处理基线,解算策略如表1,并使用GLOBK平差以及框架转换。

CORS网基线解算策略表1

3.3数据解算

以河北CORS网自2013年～2018年的数据为基础,以ITRF2008框架作为参考基准分析河北地区的地面沉降。使用GAMIT10.5进行基线处理、GLOBK进行平差并将其转换至ITRF2008框架。

为了将解算结果转换至ITRF框架,本文选择BJFS、CHAN、JFNG、SUWN、SHAO、ULAB六个IGS站进行联测。CORS及IGS站分布如图1所示,图中三角形表示IGS站。

图1河北CORS网及IGS站分布

为节约时间,本文分4个子网进行处理,子网与子网之间有若干均匀分布的公共点,之后对4个子网通过公共点融合平差,并将IGS点作为控制点,得出基于ITRF2008框架下单日解,提取每个站点的单日解,最终求得各个站点的时间序列。数据处理的流程如图2所示。

图2数据处理流程图

4、结果分析

4.1时间序列的预处理

CORS网数据处理并生成时间序列之后,首先对站点时间序列进行预处理,剔除掉数据断断续续的站点以及噪声较大的站点。有些站点的时间序列平整,而有些站点由于维修或迁站等原因,在时间序列中有阶跃现象。本文基于式(2)编程来对时间序列进行处理,首先拟合时间序列,然后移去阶跃参数,生成新的时间序列后删除误差超过一定阈值的点,得到一个平滑干净的时间序列。比对部分站点处理前后的时间序列如图3所示。

图3部分站点的时间序列处理前后对比图

从图3中LFYQ点的处理可知,前后两次的时间序列趋势一致,说明对时间序列的拼接不会对时间序列的研究造成影响,拼接结果较为合理。

4.2地面沉降分析模型

通过站点的预处理的时间序列趋势,分别计算每一站点在竖直方向上的变化速率。基于离散的站点,采用插值法,计算河北省区域内的地面沉降分布,并绘制沉降分布图,如图4所示。另外,为更直观地反映主要沉降区域每年的沉降速率变化情况以及更好地预测未来沉降情况,选择东南区域的若干个重要站点绘制了每年沉降速率的折线统计图,如图5所示。

从4图可以看出,河北北部及西北大部分较为平稳,石家庄西部地区靠近太行山的地区有轻微上升,上升速率约为2mm/a,此外,东南区域大部分地区仍有明显的沉降漏斗,平均沉降速率约为70mm/a,最大沉降速率约为90mm/a,与文献[6]、[7]、[8]的研究结果基本一致,在沧州、廊坊以及天津的交界处区域有一个沉降速率较快的漏斗区域,沉降速率甚至超过了衡水地区。

图4河北地区地面沉降分布图

图5东南区域重要站点的各个年份的沉降速度

图5展示了东南沉降区域部分站点的连续多年的沉降速率折线图,从图中可知大部分站点2014年的沉降速率达到了最大值,之后速率逐渐变小,2017年到2018年沉降速率再次略微增加。

5、结语

本文处理了河北CORS自2013年～2018年的长期连续观测数据,分析了连续6年的CORS站点坐标时间序列,结果显示河北省北部地区地面较为平稳,西部靠近太行山的地区有微小的隆起,平均大约为2mm/a,而河北地区近几年中部及南部依然有一定的沉降,东南区域的沉降漏斗仍然存在,且其沉降速度最大可达90mm/a,与2013年之前的观测结果基本一致。通过绘制东南区域重点测站的年平均沉降速率折线图可知,2014年的沉降速率达到了最大值之后速度减缓,而2017年后沉降速率又有了再次增大的趋势,其原因可能是近年来各种大型工程项目的实施对地下水大量抽取减小了基岩的承载能力。

参考文献:

[1]杨建图,姜衍祥,周俊等.GPS测量地面沉降的可靠性及精度分析[J].大地测量与地球动力学,2006,26(1):70~75.

[2]周元华,谢荣安,朱小灵.GPS地面沉降监测网主要误差分析及削弱方法研究[J].测绘通报,2016(7):73~76.

[3]费宇红.京津以南河北平原地下水演变与涵养研究[D].南京:河海大学,2006.

[4]王贵玲,陈浩,蔺文静等.河北省京津以南平原区未来30年地下水供需预测[J].干旱区资源与环境,2006,20(6):63~68.

[5]王贵玲,蔺文静,刘花台等.太行山前倾斜平原区地下水位动态特征分析及其趋势预测——以河北省栾城县为例[J].水文地质工程地质,2004,31(1):19~23.

[6]吴文坛,田挚,李辛铭.一种基于河北CORS的地面沉降监测方法[J].测绘科学,2014,39(4):64~67.

[7]张风霜,薄万举.GPS结果应用于地面沉降研究初探[J].测绘科学,2012,37(4):37~39.

[8]赵斌,聂兆生,黄勇等.大规模GPS揭示的华北地区现今垂直运动[J].大地测量与地球动力学,2014,34(5):35~39.

[9]黄立人.GPS基准站坐标分量时间序列的噪声特性分析[J].大地测量与地球动力学,2006,26(2):31~33.

[10]王晶.基于GAMIT的高精度基线解算方法及其在汶川地震分析中的应用[D].武汉:武汉大学,2010.

吴文坛,石建峰,覃业韬,郧海鲲,陆晓璇.基于CORS网的河北省2013年-2018年区域沉降监测[J].城市勘测,2020(01):105-108.