基于InSAR与机器学习的兰州市地面沉降监测与建筑物风险隐患评估
兰州作为位于中国黄土高原地区的代表性城市，受到地质条件、降水、震陷和工程建设等各种因素的影响，各类地质灾害频发，尤其是由地面沉降导致的地面塌陷、建筑物开裂和倾斜事故已发生上百起，是威胁兰州市主城区基础设施和建筑结构安全的主要地质灾害。然而引发地表沉降的原因极为复杂，获取长时间序列的沉降信息有助于掌握各类地质灾害的变化规律，为地面沉降防治工作的开展提供指导方向。基于此，本文使用InterferometricSyntheticApertureRadar（InSAR）技术监测兰州市主城区从2014年10月26日至2021年12月12日地面沉降状况，结合兰州市地下水位、地层岩性、地质断层、建筑荷载、轨道交通等数据，详细分析兰州市地面沉降的影响因素与作用模式。在此基础上，使用机器学习的方法预测兰州市未来地面沉降的风险等级，同时加入了兰州市建筑物矢量化数据，得到精确到以建筑物为单元的沉降风险等级。本研究取得的主要研究成果如下： （1）沉降规律：兰州市的年平均形变速率范围为-18.74~12.78mm/yr，在监测时段内，兰州市大部分沉降区以线性沉降为主，沉降区域主要分布在黄河沿线、铁路沿线和城区边缘村镇。主要发生沉降的区域为城关区东部、安宁区铁路沿线、西固区南部和七里河城区，沉降面积分别占各自行政区面积的38.76％、43.46%、32.50%和51.77%。 （2）沉降成因：地下水位下降导致地面沉降，兰州市在2015-2017年间出现部分区域地下水超量排空，最严重的区域在近两年内地下水位下降1m，同时地表沉降了14.61mm。兰州市黄土区域分布有大量大幅沉降，其余压缩性中等的土壤发生小幅度大面积沉降。兰州市地面升降与地质断层的运动有关，在雷坛河断层和金城关断层两侧出现地面运动相反的状态。兰州市大部分铁路路段均发生了沉降，沉降达最高达到-11.68mm/yr。同时，超过一半的超高层建筑区也出现了沉降漏斗。 （3）沉降预测：随机森林模型分析表明影响兰州市地表沉降的因素按照重要程度排序为地面沉降速率（权重0.498）、地面累积沉降量（权重0.213）、降水影响（权重0.054）、断层分布（权重0.062）、地层岩性（权重0.035）、高层建筑（权重0.026）、到河流的距离（权重0.036）和铁路建设（权重0.076）。兰州市未来的极高风险沉降区面积为22.02km2，高风险沉降区面积为54.47km2，未来沉降风险最大的区域为城关区和七里河区。全市位于极高风险区的楼房共51163栋，约有44.47%的砖木结构房、51.36%的老旧房以及52.78%的超高层建筑具有极高的沉降风险，威胁到民众的生命财产安全。大面积的变形结果很好的揭示出了兰州市的建筑安全隐患，对未来城市开发与建设提供了重要依据。
地面沉降;InSAR;机器学习;建筑物;风险隐患;地下水
中国地震局兰州地震研究所
硕士
固体地球物理学
武震
2023
中文
P642.26
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）