經(jīng)常坐京津城際高鐵的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，高鐵在經(jīng)過(guò)天津的楊村或北京的亦莊附近時(shí)，往往會(huì)降速，從將近時(shí)速300公里變成時(shí)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(yíng)地區(qū)的田野里，你有可能會(huì)看到地面上裂開(kāi)了一個(gè)大口子。

為什么高鐵會(huì)降速？地面會(huì)裂口子？其實(shí)這都是地面沉降“惹的禍”。假如你能“透視”大地，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)是世界上最大的地下水降落漏斗，發(fā)生地面沉降的面積達(dá)到7萬(wàn)平方公里。

“京津冀地區(qū)地面沉降主要是由于過(guò)量開(kāi)采地下水引起的。但其他因素如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地表荷載、土體自然固結(jié)和有機(jī)質(zhì)氧化也會(huì)導(dǎo)致地面沉降。”首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院副教授張有全告訴記者，當(dāng)高鐵經(jīng)過(guò)地面沉降區(qū)域，尤其是不均勻地面沉降地區(qū)，會(huì)導(dǎo)致部分地段路基和橋梁變形，威脅著高鐵的運(yùn)行安全。

首都師范大學(xué)區(qū)域地面沉降研究團(tuán)隊(duì)，在課題負(fù)責(zé)人首都師范大學(xué)宮輝力教授帶領(lǐng)下，長(zhǎng)期開(kāi)展遙感與水文地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科交叉研究。近年來(lái)，他們綜合InSAR(雷達(dá)干涉測(cè)量)、GRACE重力衛(wèi)星與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)、模型，創(chuàng)造性地提出“多元場(chǎng)耦合”的區(qū)域地面沉降理論與方法，系統(tǒng)揭示了京津冀區(qū)域地面沉降機(jī)理與調(diào)控機(jī)制，在京津冀地面沉降防控與重大工程防災(zāi)減災(zāi)中取得良好應(yīng)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(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)選中，“京津冀地面沉降多元場(chǎng)耦合模型與調(diào)控機(jī)制研究”項(xiàng)目榮獲一等獎(jiǎng)。

悄無(wú)聲息的地面沉降

地面沉降嚴(yán)重威脅地表建筑、地下管線(xiàn)、高鐵運(yùn)行和防洪等城市安全，緩慢的地面沉降常常不被大家發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)局部不均勻沉降問(wèn)題比較突出，并誘發(fā)地裂縫等次生災(zāi)害、對(duì)房屋、道路等造成明顯的破壞時(shí)，我們才會(huì)直接感受到它的存在。

“但這種悄無(wú)聲息的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題會(huì)對(duì)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(guān)的措施可能經(jīng)常發(fā)生在身邊。”首都師范大學(xué)區(qū)域地面沉降研究團(tuán)隊(duì)成員潘云教授告訴記者。

比如說(shuō)，地面沉降會(huì)對(duì)地表建筑和地下管線(xiàn)等基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞影響，并且會(huì)導(dǎo)致河床和河口嚴(yán)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(qū)海水入侵和風(fēng)暴潮災(zāi)害等風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上已有150多個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)生地面沉降，包括美國(guó)、日本、墨西哥、荷蘭和意大利等。地面沉降已經(jīng)成為一個(gè)全球性的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

自從20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著地下水開(kāi)采量的不斷增加，北京市地面沉降不斷加劇，目前已經(jīng)形成了東郊八里莊—大郊亭、東北郊—來(lái)廣營(yíng)、昌平沙河—八仙莊、大興榆垡—禮賢和順義平各莊5個(gè)沉降區(qū)。特別是1999年—2007年連續(xù)9年干旱期間，大量開(kāi)采地下水，進(jìn)一步加劇了地面沉降的發(fā)展。最新的遙感監(jiān)測(cè)顯示，北京局部地區(qū)的沉降中心速率達(dá)到11厘米/年。

因此，在南水北調(diào)、京津冀一體化背景下，迫切需要揭示區(qū)域地面沉降驅(qū)動(dòng)機(jī)理及災(zāi)變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地面沉降科學(xué)調(diào)控和重大工程防災(zāi)減災(zāi)，促進(jìn)京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

沉降監(jiān)測(cè)不再“盲人摸象”

對(duì)于地面沉降的研究，我國(guó)多個(gè)院所機(jī)構(gòu)先后開(kāi)展過(guò)大量工作，并取得豐碩的成績(jī)。傳統(tǒng)測(cè)量方法是通過(guò)大面積精密水準(zhǔn)測(cè)量和少量分層標(biāo)獲得的。“這些傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段往往是沿路鋪設(shè)，雖然精度高，但非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且只知道一個(gè)點(diǎn)的情況。”首都師范大學(xué)區(qū)域地面沉降研究團(tuán)隊(duì)成員朱琳教授說(shuō)。

分析清楚成因機(jī)理和災(zāi)變模式，再去指導(dǎo)工程防災(zāi)與規(guī)劃，就不再是單一學(xué)科視角處理問(wèn)題，而是有預(yù)見(jiàn)性的“對(duì)癥下藥”。

如今遙感技術(shù)發(fā)展迅速，不同平臺(tái)、不同模式的衛(wèi)星可以全天時(shí)對(duì)地進(jìn)行觀測(cè)。能不能將傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法和日新月異的遙感衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)？能不能將遙感技術(shù)、水文地質(zhì)和土力學(xué)等學(xué)科整合起來(lái)研究，實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉？

在首都師范大學(xué)良好的科研平臺(tái)支撐下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)具有遙感、水文和地質(zhì)等不同專(zhuān)業(yè)背景成員之間的密切合作，以及與北京市水文地質(zhì)大隊(duì)等單位的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，開(kāi)展多學(xué)科交叉研究。

其中，通過(guò)重力衛(wèi)星提供區(qū)域水文變化，為課題組提供了研究方向。重力衛(wèi)星以其獨(dú)特的視角，是目前唯一能夠直接觀測(cè)地下水儲(chǔ)量變化的遙感手段。2002年發(fā)射的GRACE是首次實(shí)現(xiàn)用低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式測(cè)量地球重力場(chǎng)的重力衛(wèi)星，由兩顆低軌衛(wèi)星組成。它就像“一桿秤”，當(dāng)衛(wèi)星飛過(guò)重力異常區(qū)域時(shí)，K波段微波測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量?jī)深w衛(wèi)星間的距離和距離變化率來(lái)“秤”出地球質(zhì)量的變化。在華北平原，這種地球質(zhì)量的變化主要是由于地下水消耗引起的。

“通過(guò)這桿秤，可以為水文研究提供與眾不同的數(shù)據(jù)來(lái)源，是目前唯一能夠直接觀測(cè)地下水儲(chǔ)量變化的遙感手段。”潘云說(shuō)。

課題組面向京津冀協(xié)同發(fā)展，首次利用GRACE重力衛(wèi)星探測(cè)到華北平原內(nèi)部地下水儲(chǔ)量變化差異，并首次通過(guò)獨(dú)立手段證實(shí)了深層地下水過(guò)量開(kāi)采的現(xiàn)狀，為區(qū)域地下水資源管理、地面沉降防控提供了重要依據(jù)。

“以前就像盲人摸象，關(guān)注的只是一個(gè)一個(gè)的測(cè)量點(diǎn)，只是點(diǎn)狀的，無(wú)法從全局去分析數(shù)據(jù)。如今，我們通過(guò)水文變化，摸清了地面沉降變化規(guī)律。”朱琳說(shuō)。

通過(guò)多年研究，課題組據(jù)此提出并建立區(qū)域地面沉降多元場(chǎng)耦合模式，突破了區(qū)域地面沉降影響因素復(fù)雜、互饋機(jī)制不清的關(guān)鍵難點(diǎn)。解決了遙感現(xiàn)象與沉降機(jī)理彼此孤立的關(guān)鍵問(wèn)題，首次系統(tǒng)揭示京津冀地面沉降演化規(guī)律與驅(qū)動(dòng)機(jī)理。并且首次通過(guò)毫米、厘米和亞米級(jí)協(xié)同校正，實(shí)現(xiàn)了多孔介質(zhì)區(qū)域地面沉降多尺度、變分辨率多場(chǎng)數(shù)據(jù)高精度同化，突破了區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)要素不足、驗(yàn)證尺度單一等關(guān)鍵難點(diǎn)，形成了京津冀區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。在京津冀地面沉降防控與重大工程防災(zāi)減災(zāi)中取得良好應(yīng)用，顯著提升了京津冀地面沉降防控能力。

為京津冀建設(shè)保駕護(hù)航

課題組提出的多元場(chǎng)耦合模式理論與方法已入選聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)新方法紅皮書(shū)、重要成果專(zhuān)輯，獲UNESCOHELP項(xiàng)目特殊貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，受邀在巴黎氣候大會(huì)和UNESCO Kovacs水科學(xué)峰會(huì)等國(guó)際會(huì)議做主題報(bào)告。部分關(guān)鍵技術(shù)被美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)、弗吉尼亞理工大學(xué)等國(guó)際同行采用。

新技術(shù)方法為全國(guó)地面沉降防治部際聯(lián)席會(huì)議提供支持，成果在中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(zhì)大隊(duì)等單位取得良好應(yīng)用，為南水北調(diào)、國(guó)家體育場(chǎng)(鳥(niǎo)巢)、北京未來(lái)科學(xué)城、京津/京沈高鐵、首都新機(jī)場(chǎng)和北京城市副中心等重大工程防災(zāi)減災(zāi)提供重要科學(xué)依據(jù)。

針對(duì)老百姓擔(dān)心的高鐵安全問(wèn)題，張有全告訴記者，采用課題研究成果，結(jié)合京沈客專(zhuān)建設(shè)需要，根據(jù)高鐵沿線(xiàn)地面沉降不同驅(qū)動(dòng)力及土體分層壓縮特性差異，提出了有利于防災(zāi)減災(zāi)的軌道基礎(chǔ)類(lèi)型、和水文調(diào)控方案及力學(xué)補(bǔ)強(qiáng)措施。

此外，針對(duì)地面沉降研究中地下水開(kāi)采量獲取困難，課題組進(jìn)行了華北平原GRACE衛(wèi)星重力信號(hào)泄露校正，將GRACE監(jiān)測(cè)分辨率從20萬(wàn)平方公里提高到5萬(wàn)平方公里，首次發(fā)現(xiàn)了中東部平原區(qū)深層地下水消耗的重力異常，并且通過(guò)衛(wèi)星重力水均衡量化了農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)地下水消耗的影響。

“隨著南水北調(diào)來(lái)水逐漸成為重要供水水源，以及北京市在再生水利用、節(jié)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(duì)于地下水的變化具有一定的滯后性，且壓縮形變很難恢復(fù)。所以，北京市地面沉降仍將是未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)需要重點(diǎn)防控的重大地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。”潘云說(shuō)。