一種區域地面沉降水準監測網優化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及地面沉降監測技術領域，特別是設及一種區域地面沉降水準監測網優 化設計的方法。
【背景技術】
[0002] 地面沉降是在自然和人為因素作用下，由于地表松散未固結±體壓縮而引起的地 面高程降低的地質現象，是一種不可補償的永久性環境和資源損失。據統計，目前世界上已 有60多個國家和地區發生地面沉降，包括美國、中國、日本、墨西哥、意大利、泰國、英國、俄 羅斯等。地面沉降已經成為一個全球性的地質環境問題。我國自1921年在上海最早發現地 面沉降W來，目前已有96個城市和地區出現了不同程度的地面沉降問題。主要包括長江= 角洲(上海、蘇錫常、杭嘉湖等地區）、華北平原(北京、天津、河北滄州、山東德州等)和汾渭 盆地(西安、太原等）。地面沉降的快速發展已經對運些地區的經濟發展造成嚴重影響。為詳 細查明地面沉降的分布特征與演化規律，對地面沉降的發生、發展進行有效監測，在發生地 面沉降的各個國家和地區均十分重視地面沉降監測網絡的建設工作，其中水準監測網是目 前地面沉降監測中最為重要的監測手段之一。因此，如何更加合理化的布設地面沉降水準 監測網絡，基于最優化理論對監測網進行優化設計，降低監測網維持費用，提高地面沉降監 測精度及控沉工作的經濟效益，使有限的資源和投入得到更加合理的配置，是目前國內外 專家學者研究的熱點之一。
【發明內容】
[0003] 本發明要解決的技術問題是提供一種區域地面沉降水準監測網優化設計的方法， 使其地面沉降水準監測網的網形和點位布局合理，監測結果準確可靠，從而克服現有地面 沉降水準監測網的不足。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明一種區域地面沉降水準監測網優化設計方法，其特 征在于，包括對工作區內地面沉降水準監測網網形的優化，所述水準監測網網形的優化方 法包括如下步驟：
[0005] (1)參考基準點的穩定性分析通過對工作區內參考基準點歷年水準測量資料的收 集、整理與分析，并根據一等水準測量累積誤差對工作區內基巖標測量結果的影響，采用平 均間隙法和單點檢驗法相結合，對所述基巖標的穩定性進行定量評價，得出適合作為工作 區地面沉降附合水準網起算基點的穩定基巖標；
[0006] (2)附合水準網的建立及監測精度分析W步驟（1)得到的多個穩定基巖標為所述 工作區地面沉降附合水準網的起算基點，建立附合水準網；并對所述附合水準網的監測精 度進行驗證。
[0007] 作為本發明的一種改進，所述步驟（1)中分析水準測量累積誤差對工作區內基巖 標測量結果影響的方法為:采用一等水準測量往返測高差不符值限差公式A = 1.8:VE作為 評價水準測量累積誤差的標準，其中K為測量路線的長度，單位km;
[0008] 若基巖標標桿高程變化量大于所對應的測量限差，表明現有的水準測量方法能探 測出所述基巖標的變化量;若基巖標標桿高程變化量小于所對應的測量限差，表明現有的 水準測量方法不能有效探測出所述基巖標的微小形變量，水準測量累積誤差對工作區內基 巖標測量結果有較大影響。
[0009] 進一步改進，所述步驟(1)中對基巖標進行穩定性評價的方法為:首先將所述工作 區內的基巖標進行單獨構網，采用秩虧自由水準網平差算法，計算出不同周期間各基巖標 的位移量;然后采用平均間隙法對兩周期圖形一致性進行F檢驗，若通過F檢驗，表明所有基 準點均為穩定基準點，若未通過F檢驗，再利用單點檢驗法查找不穩定的基準點。
[0010] 進一步改進，所述步驟(2)中建立的附合水準網與之前的自由水準網的銜接方法 為:將建立的所述附合水準網前一期的水準測量資料按照附合水準網形式重新進行平差計 算，W此作為后一期水準測量沉降量的基礎值，后一期的水準測量資料只需進行附合水準 網平差處理，其兩次附合水準網的水準點高程之差，即為附合水準網的面積沉降量。
[0011] 進一步改進，所述附合水準網的監測精度驗證方法為：利用地面沉降監測站內分 層標歷年高程變化數據與自由水準網和附合水準網獲得的平差高程值變化量進行對比分 析，繪制過程變化曲線，觀察自由水準網和附合水準網沉降量與分層標沉降量之間的擬合 關系，并分別計算自由水準網與分層標、附合水準網與分層標沉降量之間的化arson相關系 數。
[0012] 進一步改進，還包括對地面沉降水準監測網的點位進行優化，所述水準監測網的 點位優化方法包括如下步驟：
[0013] A、現有水準點的現狀調查與評價；
[0014] B、點位優化方法繪制所述工作區內地面沉降綜合影響因素分區圖，根據所述地面 沉降綜合影響因素分區圖布設水準點位，保證每個分區中均有水準點分布。
[0015] 進一步改進，所述步驟B中地面沉降綜合影響因素分區圖的繪制方法為:先分別繪 制所述工作區內的水文地質單元分區圖、地下水位下降速率分區圖和可壓縮層總厚度分區 圖，基于GIS空間疊置分析功能，將所述水文地質單元分區圖、地下水位下降速率分區圖和 可壓縮層總厚度分區圖進行系統疊加，得到地面沉降綜合影響因素分區圖。
[0016] 進一步改進，所述水文地質單元分區圖是由地形地貌圖、含水層結構特征圖和地 下水系統分區圖疊加而成；
[0017] 所述地下水位下降速率分區圖是根據所述工作區地面沉降監測站內多年分層地 下水動態監測資料，確定工作區地面沉降主要貢獻層位，利用該層位上的多年水位觀測點 動態監測數據，采用Arcgis軟件中空間分析模塊的Kriging插值算法，插值得到所述地下水 位下降年速率分區圖；
[0018] 所述可壓縮層總厚度分區圖是利用所述工作區內的各類鉆孔進行地層巖性、厚 度、年代及物理力學性質的統計，并將不同層位上壓縮層的厚度值分別配賦到工作區各鉆 孔屬性中，采用Arcgis軟件中空間分析模塊的Kriging插值算法進行空間插值計算，得到不 同層位上壓縮層厚度空間分布圖，然后將工作區內各鉆孔不同層位上壓縮層組頂底板之間 的厚度進行累加計算得到可壓縮層總厚度，同時重復上述屬性配賦及Kriging插值工作，進 而得到工作區可壓縮層總厚度分區圖。
[0019] 進一步改進，所述步驟B還包括二次優化步驟，即對重點地面沉降區優化后的水準 監測點進行加密設計。
[0020] 進一步改進，還包括步驟C，對點位優化后的水準監測網進行精度評價，所述精度 評價方法為:采用克里金插值誤差的方差作為水準監測網優化前后精度評價的指標。
[0021] 采用上述的技術方案，本發明至少具有W下優點：
[0022] 1.本發明通過對工作區內已有的參考基準點(基巖標)進行穩定性分析，得出適合 作為工作區地面沉降附合水準網起算基點的穩定基巖標，進而建立的附合水準網監測結果 有效減小了水準測量累積誤差效應的影響，提高了測量精度。
[0023] 2.本發明采用秩虧自由水準網平差算法聯合平均間隙法和單點檢驗法對地面沉 降監測站內基巖標穩定性進行定量評價，彌補了平均間隙法和單點檢驗法各自的缺陷，提 高了不穩定點的檢測效率。
[0024] 3.本發明通過疊加所述工作區內的水文地質單元分區圖、地下水位下降速率分區 圖和可壓縮層總厚度分區圖=要素圖，得到所述工作區內地面沉降綜合影響因素分區圖， 并根據所述地面沉降綜合影響因素分區圖布設水準點位，保證每個分區中均有水準點分 布，從而將水準點的布設與地質環境背景相結合，使水準點的空間分布更趨合理化。
[0025] 4.本發明將測繪學、數理統計學與地質學相結合，開展了基巖標穩定性評價、地面 沉降水準監測網網形優化設計、水準監測點點位優化設計方法研究，解決了目前區域地面 沉降水準監測網存在的問題，同時形成一套完整的區域地面沉降水準監測網優化設計方 案，不僅有利于系統掌握工作區地質構造的穩定程度，而且對于更好的理解地面沉降成因 機理，提高地面沉降水準測量的精度及理論研究水平，建立科學有效的地面沉降預測模型 具有重要意義。
【附圖說明】
[0026] 上述僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，W下 結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明。
[0027] 圖1是本發明區域地面沉降水準監測網優化設計方法的技術流程圖；
[0028] 圖2是本發明實施例中北京平原區7座地面沉降監測站的分布圖；
[0029] 圖3是本實施例中王四營站內分層標F1-7及水準測量歷年沉降曲線；
[0030] 圖4是本實施例中望京站內分層標F2-7及水準測量歷年沉降曲線；
[0031 ]圖5是本實施例中天竺站內分層標F3-10及水準測量歷年沉降曲線；
[0032] 圖6是本實施例中平各莊站內分層標F5-7及水準測量歷年沉降曲線；
[0033] 圖7是本實施例中張家灣站內分層標F6-7及水準測量歷年沉