由于地下水长期超量开采，华北平原已成为世界上超采地下水最严重的地区之一，也是地下水降落漏斗面积最大，地面沉降面积最大、类型最复杂的地区，其中，又以京津冀鲁地区表现最为突出。大面积的地面沉降给当地人民生命财产安全造成了严重威胁，成为制约当地经济可持续发展的重要因素之一。
地面沉降直接导致华北平原滨海低平原地区地面高程资源损失，造成铁路路基下沉、风暴潮灾害加重。由于地面沉降影响泄洪，致使地面长期积水、厂房被淹，经济损失严重；地面的不均匀沉降，导致建筑物受损，大规模市政基础设施被破坏；由于地面沉降，引发了多处地面坍塌和地裂缝地质灾害，直接威胁人民生命财产的安危；由于地面沉降，使区域内经济愈发展，灾害损失愈大，严重制约了社会经济的可持续发展。
为了有效地监测华北平原地面沉降，中国地质环境监测院自2003年开始组织实施“华北平原地面沉降调查与监测”项目，由中国地质环境监测院牵头，组织北京市地质环境监测总站、天津市地质环境监测总站、河北省地质环境监测总站、山东省地质环境监测总站、中国国土资源航空物探遥感中心、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心等单位，合作开展华北平原地面沉降调查和监测工作。通过该项目的实施，查明了华北平原主要地面沉降区的分布范围、形成机理、沉降幅度和沉降速率；建成了以精密水准测量、基岩标、分层标、GPS监测、InSAR监测和地下水监测等为主体的三维地面沉降监测网络。
一、地质环境背景
华北平原是一个大型的沉积盆地，地形平坦，总体地势自西北向东南缓缓倾斜，地面标高由山前100m逐渐下降到滨海2～3m，地面坡降由山前2‰～1‰逐渐过渡到中部平原的1.0‰～0.5‰，至滨海0.3‰～0.1‰。按成因类型、形态特征及水文地质条件可划分为山前冲积洪积倾斜平原、中部冲积湖积平原、滨海冲积海积平原。
华北平原是第四系堆积物厚度较大，成因类型复杂的地区。华北平原区第四系厚度一般为350～550m，由多层交叠的砂、砾石、黏土、亚黏土、亚砂土层组成。第四系粒度自上而下由细→粗→较细，构成了一个较完整的沉积旋回。反映了第四纪以来，地表径流由弱→强→较弱的变化过程。在山前平原地区，因受新构造运动影响显著，升降幅度较大，常形成明显的多阶不完整沉积旋回。一般，第Ⅰ与第Ⅱ含水层组构成一个沉积亚旋回，第Ⅲ与第Ⅳ含水层组构成一个沉积亚旋回。由上而下，含水层粒度从粗到细多次交替，其中以第Ⅲ含水层组粒度最粗。中部平原地区，由于径流变化不太明显，第四系含水岩层从上到下由数个粉砂—细砂—中砂—粗砂的岩性韵律变化段构成。一般仍以第Ⅲ含水层组粒度较粗。滨海平原地区，含水层以粉砂、细砂、中砂为主，岩性韵律变化不明显，但粒度中值依然以第Ⅲ含水层组为大。
华北平原地面沉降地质环境结构受地形地貌、岩相古地理环境以及新构造运动所控制，而且在地理分布上具有明显的分带性。根据各结构分区的物质来源、组成成分、成因类型及水文地质特征等，结合地形地貌和岩相古地理环境的分带性，相应的把华北平原划分为3个地面沉降地质环境结构区：山前平原(Ⅰ区)、中部平原(Ⅱ区)和滨海平原(Ⅲ区)。
二、以往监测情况和存在问题
华北平原在本次监测中范围界定为黄河以北、太行山以东的约14万km2，包括京、津、冀、鲁等省(市)，区内较为全面系统的区域地质工作开始于20世纪50年代，先后开展过1：5万、1：20万和1：25万不同比例尺图幅的区域地质调查工作，以及遥感和物探工作，基本查明了区域基岩地质和第四纪地质条件。区内水文地质研究程度较高，先后开展了1：20万区域水文地质普查，以农田浇水、地下水、地热为主的水文地质勘察，区域地下水资源计算与评价，地下热水和矿泉水勘查等工作。围绕中心城市工业发展规划区带相继开展了1：2.5万～1：5万水文地质、工程地质、环境地质综合勘察和供水水源地水文地质勘察，以及针对存在的水文地质、环境地质、地面沉降问题，开展的专题性调查研究和评价工作。
华北平原是我国发生地面沉降现象最具典型意义的地区之一。华北平原地面沉降调查与监测项目开展之前，该区域未开展过全区性的地面沉降调查与监测工作，有关省市虽然做了一些相应的工作，但进度很不平衡。北京地区地面沉降工作起步较晚，1984年编制的《北京市地面沉降调研报告》，初步分析了沉降区的水文地质、工程地质条件、地下水开采量及水位变化等因素对地面沉降的影响；分析了地下水水位下降漏斗与地面沉降漏斗的对应关系；1985年确定了八王坟地面沉降监测站基岩标、分层标、地下水水位观测孔、孔隙水压力观测孔的设计及施工方案。据此设计方案，于1990年建成了北京市第一个地面沉降监测站——八王坟地面沉降监测站，虽然该站在1998年四环建设时被占用，但其分层标沉降量观测资料为研究北京市东郊地区地面沉降形成机理和发展趋势奠定了基础。
天津市地面沉降勘查工作开始于20世纪七八十年代，工作内容主要有：地下水开采量调查、水位观测、水文工程地质孔施工、基础地质孔施工、分层标建设、人工回灌试验场建设等，共完成钻探进尺23 000m。基本查明了引起地面沉降的原因、沉降的主要层位、地层结构、水文地质工程地质条件等，这些工作的开展为机理研究，以及为1985年后制订控沉措施和水源转化、调整地下水开采层位、开采方案等提供了可靠依据；同时也为其他地区地面沉降工作的开展，提供了经验和大批重要的具有参考价值的资料。
天津市地面沉降专项水准测量始于1973年，在地面沉降相对严重的天津市区、塘沽区、汉沽区、大港区及海河下游区布设了一、二等精密水准监测网。1985年，将地面沉降专项水准监测的范围扩大，在天津市区、塘沽、汉沽、大港及海河下游地区面积1635km2的范围内布设一、二等精密水准监测网。水准网包含3000km的水准路线和1400多个水准点。其中，1000km为作为骨干网的一等水准路线，其余为二等及少量三等加密路线。水准复测从每年的10月开始，11月结束。每年由天津市测绘院对当年的测量结果进行平差计算，以网中位于宝坻的天津市水准原点(基岩点)为不动点，推算高程，并与上年比较，求出各水准点一年来的沉降值，并绘制沉降等值线图，作为采取相应控沉措施的依据。
河北平原地面沉降的研究起步较晚。20世纪70年代以前，主要进行水文地质条件的勘察，从70年代到80年代中期，在进行水资源评价的基础上，进行过少量的环境水文地质研究，在80年代中期以后主要是针对超采地下水引起的环境地质问题进行了多项勘察、监测和科研工作，但对与地面沉降有关的水文地质条件、工程地质条件、地层和地裂缝等方面的研究程度不深，没有建立有效的地面沉降监测网络。
三、监测目的与工作内容
为使地面沉降危害程度降到最低，开展地面沉降调查监测，查明主要地面沉降区的分布范围、形成机理、沉降幅度和沉降速率；通过GPS监测网和高精度水准点网获取水准点测量资料；通过地下水动态观测网获取地下水水位分层观测资料；通过地面沉降分层监测获取各土层的变形数据；通过资料收集获取地面沉降研究所需要的其他参数值。以获取的各种数据为基础建立基岩构造模型、松散沉积结构模型、地下水系统结构模型、地面沉降模型，从而建成华北平原地面沉降监测预警预报系统，为制订地面沉降防治规划提供必要的前提和基础，为华北平原地区内各省市的建设规划提供基础资料和科学依据，为华北平原地区各城市和人民生命财产安全提供地面沉降预警预报信息。
四、监测实施和结果
华北平原地面沉降调查与监测项目于2003年启动，至2008年12月项目共计完成了1：5万重点区域地面沉降调查13 903km2，1：10万区域地面沉降调查5100km2，1：25万区域地面沉降调查68341km2；地下水开采量调查10341km2；水准测量5553.8km；分层标测量1290组·次；钻探总进尺4235m；地球物理综合勘探150km；建立了基岩标5座、分层标组7座、GPS基准站5座、GPS观测墩152座，补充埋设水准标石36座；完成了华北平原沧州、天津和德州等重点沉降区地面沉降InSAR技术示范监测；完成了沧州、饶阳和保定等重点地面沉降和地裂缝区综合物探调查150km；GPS监测386点·次。
采用的监测方法介绍如下。
1.水准测量
华北平原地面沉降监测与调查按照《国家一、二等水准测量规范》(GB12897—91)、《测绘产品质量评定标准》(CH1003—91)、《测绘产品检查验收规定》(CH1002—91)等技术规范要求，分4年时间对地面沉降严重的天津武清、天津—沧县、唐山、沧州—衡水及德州等地开展了一等或二等水准测量，共计完成水准测量5281km。水准测量结果翔实地反映了华北平原地面沉降重点区域的沉降情况，为其他手段监测结果提供了良好的对比依据。
2.地面沉降GPS监测
华北平原地面沉降GPS监测网由5座固定基准站(图8-1 至图8-3)和152座监测墩(图8-4)组成。5座固定基准站分布在北京、天津、沧州与唐海4地，152座监测墩分布在华北平原地面沉降重点区域，具体分布情况见图8-5。
图8-1 北京GPS基准站
GPS固定基准站都采用钢筋混凝土结构现场浇铸施工，柱石顶端安装天线强制对中装置，东、南、西、北4侧各安放1个不锈钢水准标志。
图8-2 天津宝坻与汉沽GPS基准站
图8-3 沧州兴济镇基站、唐海四农场基站
图8-4 北京北齐家GPS监测墩BJ05
GPS监测墩均埋设永久性的标石，基本骨架网的GPS标石安装强制对中标志，以减少GPS测量的对中误差。埋设时坑底填以砂石，捣固夯实或浇灌混凝土底层，标石现场浇注。
5座固定基准站24h全天候工作，取得的数据能够自动传输到控制中心服务器，为本单位或者其他需要的单位提供数据下载。
华北平原地面沉降GPS监测网布设等级为C级，其各相邻GPS点间最小距离为5km，最大距离为40km，平均距离10～20km。由于区内各省市GPS监测网建设进度不一，运行的周期也未统一。
北京从2005～2007年共开展了4期GPS监测，其中2005年为2期，2006年和2007年各1期。监测使用14台双频Trimble GPS接收机对14个监测点进行联测，观测模式为相对静态测量。所得GPS测量结果与分层标监测和人工水准监测数据对比，误差较小。以第四期GPS测量的数据为例，14个数据中有8个数据与地面沉降专门测量的数据差值在10mm以内，只有2个数据差值﹥20mm，基本反映了区域地面沉降的变化趋势。
天津于2005年4～11月对区内33个GPS观测点进行了测量，并根据测量结果绘制了测量期内的地面沉降分析图，该图基本反映出天津市地面沉降总体趋势。计算精度由于受解算数据时段的限制受到一定的影响，通过联算几年的数据积累，可以对观测结果进行整体GLOBK平差处理，以提高GPS监测和数据处理精度。
图8-5 华北平原地面沉降GPS监测墩与分层标分布图
河北省对区内91座 GPS 观测墩分别进行了8次 GPS 测量，其中2004年1次，2005年2次，2006年3次，2007年2次。根据这些测量结果绘制了河北平原地面沉降图。
另外，5座GPS基准站自建成运行以来，取得了大量的监测数据，经与水准测量监测数据比较，高程变化误差在5mm以内。由于基准站数量太少，反映的还只是点上的变化，但其效果要比GPS观测墩监测数据更加平稳和快捷。
3.地面沉降InSAR监测
2003～2009年，华北平原地面沉降调查与监测项目利用InSAR技术，已分别完成了天津、沧州、德州以及天津滨海地区，地跨3 省1 市4个SAR图幅(1万km2)约4万km2范围内2004～2009年的地面沉降调查和监测(图8-6)。查明了工作区内沉降区(漏斗)的空间分布和变化状况，发现了数个年沉降量超过10cm的沉降漏斗和重点沉降地带。
图8-6 监测区范围示意图
考虑到SAR数据获取时成像质量以及覆盖范围存在偏差等问题，数据处理工作采用分区分时段的策略进行，将工作区分为4个子区，按照各子区的SAR影像进行差分干涉测量处理，对各子工作区采用基于多时相差分干涉纹图获取地表沉降速率，按照差分干涉图序列的时间跨度，研究各地区地面沉降的时间特征和空间扩展状况。利用各子工作区处理数据，提取了华北平原德州天津地面沉降区2004～2009年约4万km2覆盖区的地面沉降信息，生成了《华北平原德州-天津地面沉降区年度地面沉降速率图》。利用InSAR监测，查明了工作区内沉降区(漏斗)的空间分布和变化状况，发现了数个年沉降量超过10cm的沉降漏斗和重点沉降地带。并利用可获取的工作区地面水准测量资料对InSAR数据处理结果进行了精度检验和对比分析，表明利用InSAR技术进行区域性地面沉降调查与连续监测效果显著。
4.基岩标与分层标监测
华北平原地面共有8座基岩标与16 组分层标，分别位于北京、天津、唐山、沧州和衡水等地，各标分布位置如图8-5所示。
5.监测结果
通过空中、地表、地下的立体监测，查明在华北平原14万km2的调查范围内，﹥2000mm的沉降面积达930.4km2；﹥1000mm的沉降面积达6236.5km2；﹥500mm的沉降面积达30 202.9km2；﹥200mm的沉降面积达64 296.6km2。北京地区主要沉降中心为东八里庄—大郊亭、通州区、朝阳区来广营、昌平区沙河—八仙庄、顺义区平各庄、大兴区，最大累计沉降量分别为0.765m、0.536m、0.826m、1.106m、0.475m、0.791m；天津地区主要沉降中心为塘沽、汉沽、市区、武清，中心最大累计沉降量分别为3.25m、3.11m、2.96m、2.898m；河北地区主要沉降中心为沧州、任丘、河间、献县、肃宁、冀枣衡、唐海、廊坊，最大累计沉降量分别为2.518m、1.17m、1.311m、1.336m、1.138m、1.314m、0.846m、0.6m；山东德州沉降区，最大累计沉降量达1.081m。本项目调查和监测结果显示，华北平原不同区域的沉降中心仍在不断发展，并且有连成一片的趋势(图8-7)。
本次工作，采用了多种手段进行地面沉降调查与监测，通过比较发现基岩标测量、分层标监测、精密水准测量是最可靠的方法。InSAR监测虽然精度能达到5mm，但在处理工程中需要水准测量结果的配准，因此InSAR监测适合与水准测量和GPS结合。GPS监测从目前来看，结果不是非常理想，本项目监测精度大概在11mm左右。
图8-7 华北平原地面沉降现状图