华北平原地表形变演化特征与影响因素分析研究

【摘要】：平原区地表大规模形变,可引发区域性地面沉降、地裂缝以及地面塌陷等地质灾害,直接威胁影响建(构)筑物以及生命线系统工程安全稳定运营。以人口密集、经济发达及形变监测历史悠久的华北平原为研究区域,针对大区域多元因素耦合作用下地表形变演化的主控因素识别与成因机理分析问题,依托中国地震局地震行业专项《大华北地区综合地球物理场观测》项目,基于开采-形变体积等量关系、构造-渗流多场流固耦合以与灾害风险评价等基本理论,采用多源背景场信息结构化存储、地统计分析、多场耦合数值模拟与综合评价、多目标优化等研究方法,开展了华北平原地表形变演化特征与影响因素分析研究。研究成果、方法可为区域形变灾害风险识别与减缓防控提供借鉴,同时对区域性工程设施选址、防灾规划编制具有重要意义。本文以华北平原地表形变演化主控因素识别与影响分析主线,通过多源形变背景场信息结构化数据存储设计与实现,构建了华北平原地表形变多源信息影响作用分析数据库;据此结合非参数秩相关、改进主成分法定量刻画了大区域多元因素耦合作用下华北平原地表形变时空演化特征与各因素影响作用关系;在此基础上,建立构造-渗流耦合数值模型进行了多元耦合影响作用下区域及典型形变区地表形变的演化过程,明确各因素对地表形变形成过程的影响以认知形变过程机理;综合形变影响因素与作用过程研究,构建地表形变灾害风险评价模型,将TOPSIS理论与多目标优化模型分别引入形变灾害风险评价以及形变监测网络站点优化研究,获取相对安全风险评价与防控区划结果及针对性监测、管控措施。主要研究工作与成果概述如下:(1)综述了地表形变监测、演化过程与成因机理分析及形变灾害风险评价等领域研究现状,讨论并提出环境岩土工程领域存在问题与关键研究方向。主要梳理地表形变监测手段与华北平原形变监测技术发展历程与问题;通过系统分析地表形变演化与成因分析方面理论、方法研究现状,探讨形变主控因素识别研究的数据支撑有效性为地表形变指标框架梳理归纳做铺垫;结合地表形变灾害风险评价模型与方法评述,讨论指标赋权主观性等问题。(2)综合形变、构造、地层与人类活动等多源背景场构建区域性多源信息影响作用分析数据库,应用地统计分析完成形变演化特征与主控因素识别。明晰了华北平原地表形变影响背景场现状,明确地表形变影响框架筛选原则、流程,设计与实现了构造运动、地质与水文地质、人类活动、形变监测等地表形结构化数据存储,整合40个指标共计113.8万条记录构建华北平原地表形变多源信息影响作用分析数据库。据此分三阶段完成形变演化特征、地下水开采形变体积等量宏观响应研究,辅以典型形变区PS-In SAR反演结果进行成因初判。(3)梳理构造-渗流耦合数值模拟理论,构建区域与典型形变区构造-渗流多场耦合地表形变数值模型,结合4类30种模拟情景,分析多元因素耦合作用形变影响,并完成地表形变影响因素敏感程度与影响作用差异性评价。基于COMSOL构建构造-渗流耦合数值模拟模型,针对构造形式与状态、地层分层与岩性、地下水开采以及综合因素耦合作用设定模拟方案,完成区域与典型形变区地表形变过程数值模拟。结果表明,地表形变量受构造幅度、岩土水位埋深、地下水开采影响显著,另随构造深度、作用角度变小,压缩层比例与土层厚度增大而呈微量增大;耦合作用下位移场形态受地下水开采与断裂构造发育控制,且综合影响略低于各因素形变量总和。经非参数相关与改进主成分方法进行各阶段多元因素敏感程度差异性与影响作用分析,可知,区内形变早期多因继承性构造运动所致,而后期深部地下水开采成为主要影响因素,其与深层水位变差及水位响应程度分别达-0.6661与-0.8321。(4)构建华北平原地表形变灾害风险评价指标体系,应用TOPSIS理论改进AHP方法进行危险性、易损性各维度指标合成进行风险区划,并结合区域线状工程设施、重点城市规划等条件完成风险管控区划研究。据灾害风险要素构成,应用灾害风险评价模型中孕灾环境、致灾因子、暴露程度以及防灾减灾等各构成要素共计19个指标数据与AHP权数组合,基于本文构建的TOPSIS权重优化模型完成偏安全的风险评价,并验证了计算结果与优化目标的一致性;在风险评价结果基础上,结合区内区域性线状工程展布与不同级别城市区划以及区域性调水工程影响确定风险管控区划以针对制定风险管控措施。(5)结合形变对研究区内监测网络站点建设、运行稳定性与监测质量影响,针对性进行选址稳定性与适宜性评价,确定了形变监测站点优化模型与方法。基于改进主成分分析法合成地表形变敏感程度差异性评价结果量化形变易发性,根据《全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》(GB＿T28588-2012)等规范考虑地形、水体、植被、交通等要素进行选址、监测指标进行稳定性评价;据此综合形变灾害风险评价结果、已有站点有效利用以及重点工程运营服务效果定义适宜性并据此构建监测站点优化模型。经监测站点优化,最大插值误差减少约43.4%,其中新增站点稳定性、适宜性均值分别为0.6938与0.5379,且分布可较好兼顾高需求区形变监测需求。考虑多元因素耦合作用下区域性地表形变演化特征与成因机理分析复杂性,依托多源信息耦合数据库量化形变影响因素演化特征与影响作用方式,并借助多元因素耦合作用数值模拟进行形变演化机理分析被正式为有效途径。研究成果可进一步为特定尺度下地表形变时空演化主控因素差异分析及区域性线状工程形变灾害风险评价与防控措施研究具一定理论与现实意义,同时对形变监测网络质量评价与优化分析提供有益参考借鉴。