經(jīng)常坐京津城際高鐵的人會發(fā)現(xiàn)，高鐵在經(jīng)過天津的楊村或北京的亦莊附近時，往往會降速，從將近時速300公里變成時速150公里左右。

讓我們將目光從亦莊往北延伸50公里，在北京高麗營地區(qū)的田野里，你有可能會看到地面上裂開了一個大口子。

為什么高鐵會降速？地面會裂口子？其實這都是地面沉降“惹的禍”。假如你能“透視”大地，你就會發(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7萬平方公里。

“京津冀地區(qū)地面沉降主要是由于過量開采地下水引起的。但其他因素如構(gòu)造運動、地表荷載、土體自然固結(jié)和有機質(zhì)氧化也會導(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)過地面沉降區(qū)域，尤其是不均勻地面沉降地區(qū)，會導(dǎo)致部分地段路基和橋梁變形，威脅著高鐵的運行安全。

首都師范大學(xué)區(qū)域地面沉降研究團(tuán)隊，在課題負(fù)責(zé)人首都師范大學(xué)宮輝力教授帶領(lǐng)下，長期開展遙感與水文地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科交叉研究。近年來，他們綜合InSAR(雷達(dá)干涉測量)、GRACE重力衛(wèi)星與傳統(tǒng)監(jiān)測、模型，創(chuàng)造性地提出“多元場耦合”的區(qū)域地面沉降理論與方法，系統(tǒng)揭示了京津冀區(qū)域地面沉降機理與調(diào)控機制，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)獎評選中，“京津冀地面沉降多元場耦合模型與調(diào)控機制研究”項目榮獲一等獎。

悄無聲息的地面沉降

地面沉降嚴(yán)重威脅地表建筑、地下管線、高鐵運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)局部不均勻沉降問題比較突出，并誘發(fā)地裂縫等次生災(zāi)害、對房屋、道路等造成明顯的破壞時，我們才會直接感受到它的存在。

“但這種悄無聲息的地質(zhì)環(huán)境問題會對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)隊成員潘云教授告訴記者。

比如說，地面沉降會對地表建筑和地下管線等基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞影響，并且會導(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。

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

自從20世紀(jì)60年代以來，隨著地下水開采量的不斷增加，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—來廣營、昌平沙河—八仙莊、大興榆垡—禮賢和順義平各莊5個沉降區(qū)。特別是1999年—2007年連續(xù)9年干旱期間，大量開采地下水，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)動機理及災(zāi)變規(guī)律，實現(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)社會可持續(xù)發(fā)展。

沉降監(jiān)測不再“盲人摸象”

對于地面沉降的研究，我國多個院所機構(gòu)先后開展過大量工作，并取得豐碩的成績。傳統(tǒng)測量方法是通過大面積精密水準(zhǔn)測量和少量分層標(biāo)獲得的?！斑@些傳統(tǒng)監(jiān)測手段往往是沿路鋪設(shè)，雖然精度高，但非常費時費力，而且只知道一個點的情況。”首都師范大學(xué)區(qū)域地面沉降研究團(tuán)隊成員朱琳教授說。

分析清楚成因機理和災(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)科視角處理問題，而是有預(yù)見性的“對癥下藥”。

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

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

其中，通過重力衛(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)星以其獨特的視角，是目前唯一能夠直接觀測地下水儲量變化的遙感手段。2002年發(fā)射的GRACE是首次實現(xiàn)用低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式測量地球重力場的重力衛(wèi)星，由兩顆低軌衛(wèi)星組成。它就像“一桿秤”，當(dāng)衛(wèi)星飛過重力異常區(qū)域時，K波段微波測距系統(tǒng)通過測量兩顆衛(wèi)星間的距離和距離變化率來“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。

“通過這桿秤，可以為水文研究提供與眾不同的數(shù)據(jù)來源，是目前唯一能夠直接觀測地下水儲量變化的遙感手段?！迸嗽普f。

課題組面向京津冀協(xié)同發(fā)展，首次利用GRACE重力衛(wèi)星探測到華北平原內(nèi)部地下水儲量變化差異，并首次通過獨立手段證實了深層地下水過量開采的現(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)注的只是一個一個的測量點，只是點狀的，無法從全局去分析數(shù)據(jù)。如今，我們通過水文變化，摸清了地面沉降變化規(guī)律?！敝炝照f。

通過多年研究，課題組據(jù)此提出并建立區(qū)域地面沉降多元場耦合模式，突破了區(qū)域地面沉降影響因素復(fù)雜、互饋機制不清的關(guān)鍵難點。解決了遙感現(xiàn)象與沉降機理彼此孤立的關(guān)鍵問題，首次系統(tǒng)揭示京津冀地面沉降演化規(guī)律與驅(qū)動機理。并且首次通過毫米、厘米和亞米級協(xié)同校正，實現(xiàn)了多孔介質(zhì)區(qū)域地面沉降多尺度、變分辨率多場數(shù)據(jù)高精度同化，突破了區(qū)域地面沉降監(jiān)測要素不足、驗證尺度單一等關(guān)鍵難點，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耦合模式理論與方法已入選聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)新方法紅皮書、重要成果專輯，獲UNESCOHELP項目特殊貢獻(xiàn)獎，受邀在巴黎氣候大會和UNESCO Kovacs水科學(xué)峰會等國際會議做主題報告。部分關(guān)鍵技術(shù)被美國麻省理工學(xué)院(MIT)、弗吉尼亞理工大學(xué)等國際同行采用。

新技術(shù)方法為全國地面沉降防治部際聯(lián)席會議提供支持，成果在中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、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)大隊等單位取得良好應(yīng)用，為南水北調(diào)、國家體育場(鳥巢)、北京未來科學(xué)城、京津/京沈高鐵、首都新機場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)。

針對老百姓擔(dān)心的高鐵安全問題，張有全告訴記者，采用課題研究成果，結(jié)合京沈客專建設(shè)需要，根據(jù)高鐵沿線地面沉降不同驅(qū)動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)類型、和水文調(diào)控方案及力學(xué)補強措施。

此外，針對地面沉降研究中地下水開采量獲取困難，課題組進(jìn)行了華北平原GRACE衛(wèi)星重力信號泄露校正，將GRACE監(jiān)測分辨率從20萬平方公里提高到5萬平方公里，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，并且通過衛(wèi)星重力水均衡量化了農(nóng)業(yè)灌溉對地下水消耗的影響。

“隨著南水北調(diào)來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相當(dāng)長一段時間內(nèi)需要重點防控的重大地質(zhì)環(huán)境問題?！迸嗽普f。