一种区域地面沉降水准监测网优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及地面沉降监测技术领域，特别是设及一种区域地面沉降水准监测网优 化设计的方法。
【背景技术】
[0002] 地面沉降是在自然和人为因素作用下，由于地表松散未固结±体压缩而引起的地 面高程降低的地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。据统计，目前世界上已 有60多个国家和地区发生地面沉降，包括美国、中国、日本、墨西哥、意大利、泰国、英国、俄 罗斯等。地面沉降已经成为一个全球性的地质环境问题。我国自1921年在上海最早发现地 面沉降W来，目前已有96个城市和地区出现了不同程度的地面沉降问题。主要包括长江= 角洲(上海、苏锡常、杭嘉湖等地区）、华北平原(北京、天津、河北沧州、山东德州等)和汾渭 盆地(西安、太原等）。地面沉降的快速发展已经对运些地区的经济发展造成严重影响。为详 细查明地面沉降的分布特征与演化规律，对地面沉降的发生、发展进行有效监测，在发生地 面沉降的各个国家和地区均十分重视地面沉降监测网络的建设工作，其中水准监测网是目 前地面沉降监测中最为重要的监测手段之一。因此，如何更加合理化的布设地面沉降水准 监测网络，基于最优化理论对监测网进行优化设计，降低监测网维持费用，提高地面沉降监 测精度及控沉工作的经济效益，使有限的资源和投入得到更加合理的配置，是目前国内外 专家学者研究的热点之一。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种区域地面沉降水准监测网优化设计的方法， 使其地面沉降水准监测网的网形和点位布局合理，监测结果准确可靠，从而克服现有地面 沉降水准监测网的不足。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明一种区域地面沉降水准监测网优化设计方法，其特 征在于，包括对工作区内地面沉降水准监测网网形的优化，所述水准监测网网形的优化方 法包括如下步骤：
[0005] (1)参考基准点的稳定性分析通过对工作区内参考基准点历年水准测量资料的收 集、整理与分析，并根据一等水准测量累积误差对工作区内基岩标测量结果的影响，采用平 均间隙法和单点检验法相结合，对所述基岩标的稳定性进行定量评价，得出适合作为工作 区地面沉降附合水准网起算基点的稳定基岩标；
[0006] (2)附合水准网的建立及监测精度分析W步骤（1)得到的多个稳定基岩标为所述 工作区地面沉降附合水准网的起算基点，建立附合水准网；并对所述附合水准网的监测精 度进行验证。
[0007] 作为本发明的一种改进，所述步骤（1)中分析水准测量累积误差对工作区内基岩 标测量结果影响的方法为:采用一等水准测量往返测高差不符值限差公式A = 1.8:VE作为 评价水准测量累积误差的标准，其中K为测量路线的长度，单位km;
[0008] 若基岩标标杆高程变化量大于所对应的测量限差，表明现有的水准测量方法能探 测出所述基岩标的变化量;若基岩标标杆高程变化量小于所对应的测量限差，表明现有的 水准测量方法不能有效探测出所述基岩标的微小形变量，水准测量累积误差对工作区内基 岩标测量结果有较大影响。
[0009] 进一步改进，所述步骤(1)中对基岩标进行稳定性评价的方法为:首先将所述工作 区内的基岩标进行单独构网，采用秩亏自由水准网平差算法，计算出不同周期间各基岩标 的位移量;然后采用平均间隙法对两周期图形一致性进行F检验，若通过F检验，表明所有基 准点均为稳定基准点，若未通过F检验，再利用单点检验法查找不稳定的基准点。
[0010] 进一步改进，所述步骤(2)中建立的附合水准网与之前的自由水准网的衔接方法 为:将建立的所述附合水准网前一期的水准测量资料按照附合水准网形式重新进行平差计 算，W此作为后一期水准测量沉降量的基础值，后一期的水准测量资料只需进行附合水准 网平差处理，其两次附合水准网的水准点高程之差，即为附合水准网的面积沉降量。
[0011] 进一步改进，所述附合水准网的监测精度验证方法为：利用地面沉降监测站内分 层标历年高程变化数据与自由水准网和附合水准网获得的平差高程值变化量进行对比分 析，绘制过程变化曲线，观察自由水准网和附合水准网沉降量与分层标沉降量之间的拟合 关系，并分别计算自由水准网与分层标、附合水准网与分层标沉降量之间的化arson相关系 数。
[0012] 进一步改进，还包括对地面沉降水准监测网的点位进行优化，所述水准监测网的 点位优化方法包括如下步骤：
[0013] A、现有水准点的现状调查与评价；
[0014] B、点位优化方法绘制所述工作区内地面沉降综合影响因素分区图，根据所述地面 沉降综合影响因素分区图布设水准点位，保证每个分区中均有水准点分布。
[0015] 进一步改进，所述步骤B中地面沉降综合影响因素分区图的绘制方法为:先分别绘 制所述工作区内的水文地质单元分区图、地下水位下降速率分区图和可压缩层总厚度分区 图，基于GIS空间叠置分析功能，将所述水文地质单元分区图、地下水位下降速率分区图和 可压缩层总厚度分区图进行系统叠加，得到地面沉降综合影响因素分区图。
[0016] 进一步改进，所述水文地质单元分区图是由地形地貌图、含水层结构特征图和地 下水系统分区图叠加而成；
[0017] 所述地下水位下降速率分区图是根据所述工作区地面沉降监测站内多年分层地 下水动态监测资料，确定工作区地面沉降主要贡献层位，利用该层位上的多年水位观测点 动态监测数据，采用Arcgis软件中空间分析模块的Kriging插值算法，插值得到所述地下水 位下降年速率分区图；
[0018] 所述可压缩层总厚度分区图是利用所述工作区内的各类钻孔进行地层岩性、厚 度、年代及物理力学性质的统计，并将不同层位上压缩层的厚度值分别配赋到工作区各钻 孔属性中，采用Arcgis软件中空间分析模块的Kriging插值算法进行空间插值计算，得到不 同层位上压缩层厚度空间分布图，然后将工作区内各钻孔不同层位上压缩层组顶底板之间 的厚度进行累加计算得到可压缩层总厚度，同时重复上述属性配赋及Kriging插值工作，进 而得到工作区可压缩层总厚度分区图。
[0019] 进一步改进，所述步骤B还包括二次优化步骤，即对重点地面沉降区优化后的水准 监测点进行加密设计。
[0020] 进一步改进，还包括步骤C，对点位优化后的水准监测网进行精度评价，所述精度 评价方法为:采用克里金插值误差的方差作为水准监测网优化前后精度评价的指标。
[0021] 采用上述的技术方案，本发明至少具有W下优点：
[0022] 1.本发明通过对工作区内已有的参考基准点(基岩标)进行稳定性分析，得出适合 作为工作区地面沉降附合水准网起算基点的稳定基岩标，进而建立的附合水准网监测结果 有效减小了水准测量累积误差效应的影响，提高了测量精度。
[0023] 2.本发明采用秩亏自由水准网平差算法联合平均间隙法和单点检验法对地面沉 降监测站内基岩标稳定性进行定量评价，弥补了平均间隙法和单点检验法各自的缺陷，提 高了不稳定点的检测效率。
[0024] 3.本发明通过叠加所述工作区内的水文地质单元分区图、地下水位下降速率分区 图和可压缩层总厚度分区图=要素图，得到所述工作区内地面沉降综合影响因素分区图， 并根据所述地面沉降综合影响因素分区图布设水准点位，保证每个分区中均有水准点分 布，从而将水准点的布设与地质环境背景相结合，使水准点的空间分布更趋合理化。
[0025] 4.本发明将测绘学、数理统计学与地质学相结合，开展了基岩标稳定性评价、地面 沉降水准监测网网形优化设计、水准监测点点位优化设计方法研究，解决了目前区域地面 沉降水准监测网存在的问题，同时形成一套完整的区域地面沉降水准监测网优化设计方 案，不仅有利于系统掌握工作区地质构造的稳定程度，而且对于更好的理解地面沉降成因 机理，提高地面沉降水准测量的精度及理论研究水平，建立科学有效的地面沉降预测模型 具有重要意义。
【附图说明】
[0026] 上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，W下 结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0027] 图1是本发明区域地面沉降水准监测网优化设计方法的技术流程图；
[0028] 图2是本发明实施例中北京平原区7座地面沉降监测站的分布图；
[0029] 图3是本实施例中王四营站内分层标F1-7及水准测量历年沉降曲线；
[0030] 图4是本实施例中望京站内分层标F2-7及水准测量历年沉降曲线；
[0031 ]图5是本实施例中天竺站内分层标F3-10及水准测量历年沉降曲线；
[0032] 图6是本实施例中平各庄站内分层标F5-7及水准测量历年沉降曲线；
[0033] 图7是本实施例中张家湾站内分层标F6-7及水准测量历年沉