大港油田地面沉降观测技术设计.docx

摘 要

在社会经济条件下,随着人类的过度开采,地面沉降已经成为全球范围内一种很普遍的现象,由此引起的各种灾害也频频发生，因此，对发生地面沉降的地区进行沉降观测是非常重要的。本文主要介绍了沉降观测的相关知识及大港油田沉降观测的具体作业过程，通过搜集和利用测区内已有的资料，利用Leica DNA03水准仪对规定监测区域内的监测点进行D级GPS测量和一等水准测量。然后通过对测量结果进行整网平差和沉降分析，查明大港油田地面沉降的基本情况，提出具体的建设性意见。由此深刻体现沉降观测的重要性。

关键词：地面沉降；沉降观测；水准测量

ABSTRACT

In the socio-economic conditions, with human over-exploitation, land subsidence has become a global phenomenon of a very common, the disasters caused by land subsidence is also a frequent occurrence , therefore, on the ground settlement occurred in the settlement areas was observed very important. This paper introduces the relevant settlement observation Dagang Oilfield knowledge and observation of the specific settlement processes, through the collection and use of measuring the area of the information available, the use of GPS and Leica DNA03 Level monitoring of the provisions of the monitoring region for first-class standard of measurement. And then measured results through the adjustment and settlement of the whole network analysis, the identification of Dagang Oilfield of the basic situation of land subsidence, specific for their constructive comments. This profound observation reflected the importance of the settlement.

Key words: land subsidence; settlement observation; leveling

目 录
1 任务来源 1
2 沉降观测相关知识 2
2.1 沉降监测控制网的布设 2
2.2 基准点和沉降观测点的设置 2
2.3 观测时间、方法和精度要求 2
3 测区范围及其测区特点 3
4 水准测量 3
4.1 技术依据 3
4.2 已有资料利用情况 3
4.3 水准网概述 3
4.4 作业仪器和方法 4
4.4.1 仪器介绍 4
4.4.2作业方法 5
4.5 整网平差情况及精度分析 6
4.6 沉降分析 8
4.7 结论 9
5 工程完成情况 9
6 作业时间及经费预算 10
6.1 作业时间 10
6.2 经费预算 10
7 上交资料内容 10
8 建议和应采取的措施 11
8.1 建议 11
8.2 国内外防止沉降对策介绍 11
8.3 控制地面沉降，加强管理，严禁超量开采地下水 11
致 谢 12
参考文献 13

大港油田地面沉降观测技术设计

地面沉降现象与人类活动密切相关。尤其是近几十年来，人类过度开采石油、天然气、地下水等直接导致了今天全球范围内的地面沉降。在我国，由于各大中城市都处于巨大的人口压力之下，地下水的过度抽采更为严重，导致大部分城市出现地面沉降，在沿海地区还造成了海水入侵。产生地面沉降虽然与许多因素有关，但导致地面沉降灾害的主要原因是人类工程经济活动。这个问题已经具有世界性的普遍意义。目前，全球已知的重要表层沉降地区有150个以上的城市。美国、日本和墨西哥分布最多，东京最大沉降达到4.3m，最严重达到10m。中国有50多个城市存在不同程度的地面沉降问题，上海市从1921年发现地面下沉开始，到1965年止，最大的累计沉降量已达2.63m，影响范围达400平方公里。有关部门采取了综合治理措施后，市区地面沉降已基本上得到控制。从1966年 ~ 1987年22年间，累积沉降量36.7mm，年平均沉降量为1.7mm。天津市从1959~1982年间最大累计沉降量为2.15m,1982年测得市区的平均沉降速率为94mm。目前，最大累计沉降量已达2.5m，沉降量100mm以上的范围已达900平方公里。就油田地区而言，整个大港油田区域内沉降量与地下水开采量有很大关系。地下水开采较多的地方，地面沉降变化较大；地下水开采较少的地方，地面沉降变化较小。以2000年来说，地下水年开采量最大的四口井为27#、28#、29#和30#，而位于该地区的大港009的沉降量达98mm，为2000年最大值。由此说明地下水开采对地面沉降产生直接影响。大港油田位于天津南测，天津地区每年都有一定量的沉降，经过近期的沉降监测，以及天津地区最新监测成果表明，油田的沉降变化因受板块运动的影响，总体上符合天津地区板块的运动规律，观测结果与天津地区沉降监测数据是一致的。地面沉降会引起严重的环境问题。例如，沿海的海面相对上升，沿海低洼地区潮水倒灌，盐湖低地泛滥，防洪系统效益降低，城市地下管道被破坏，建筑物的安全受到威胁等等。除此之外地面沉降还会对产能建设、地面建设、经济社会等带来负面影响。因此，为了防止灾害的发生，需要在沉降区进行经常性的沉降观测工作，提供精密数据以建立环境资料档案，
1 任务来源大港油田集团公司是我国油田的主要支柱，为我国经济建设作出了重大贡献，随着油田的开发和建设，在进行油田基础工程和地形图更新中发现地面出现在面积沉降，在1999年至2001年大港油田设计院和河北省第二测绘院联合对油田北大港地区进行了地面沉降连续监测，取得了初步结果， 查明了港东、港西、港中地区地面沉降变化，沉降速度十分惊人。受大港油田集团公司委托，河北省第二测绘院2008年继续对北大港地区进行沉降监测，为油田提供地面沉降准确的数据，为油田建设服务。这次水准监测的目的是查明大港油田地面沉降的基本情况，经复测后提供这一地区地面沉降及各种精确数据及年度变量，为今后监测间隔和沉降研究提供依据。
2 沉降观测相关知识
2.1
在沉降监测之前，为了消除区域性的地面沉降影响，必须妥善布置基准点、工作基点和沉降监测点的三级布点，或布设水准基点和沉降监测点的两级布点。对于建筑物较少的测区，宜将基准点连同监测点按单一层次布设；对于建筑物多且分散的测区，宜按两个层次布网，即由基准组成的控制网，监测点与所连测的监测点组成扩展网。根据监测精度要求，沉降监测控制网应布设成网形最合理、测站数最少的监测环路，亦可布设成附合水准路线，或布设成闭合水准路线。
2.2 基准点和沉降观测点的设置
2.3 观测时间、方法和精度要求
大量开采地下水、地下水溶性气体或石油等时，

±
±

≤±0.15

±
±

≤±0.30

±
±

≤±0.60

±2.0
±

1.4

3 测区范围及其测区特点
本测区位于东经117°19"～117°33"，北纬38°37"～38°46"，东临渤海，西毗大苏庄农场，北接北大港水库，南靠青静黄排水渠及子牙新河。测区内交通发达，道路密布，路面大部分为沥青路面，但测区内各种油田设施及油井密集。引、排水渠纵横交叉，养鱼池较多，作业时间内经常遇到风、雨、雾的天气影响，测量工作遇到了较大的困难。
本测区隶属天津市大港区管辖，测区属温带大陆性季节气候，年平均气温12°C，受海洋气候影响，春旱多风，夏热多雨，秋高气爽，冬冷干燥。
4 水准测量
4.1 技术依据
（1）GB 12897～91《国家一、二等水准测量规范》。
4.2 已有资料利用情况
（1）2007年新埋监测点及物探点点之记(点数51个，由河北省第二测绘院提供)。
（2）2007年大港油田区地面沉降图（由河北省第二测绘院提供）。
（5）2007年大港油田地面沉降点点之记（由河北省第二测绘院提供）。
4.3 水准网概述
水准路线起始于天津李七庄基岩点，闭于海兴县小山基岩点，布设水准网以2001年大港油田沉降监测网布网图作参考，由于施工等各种原因，少数监测点的已丢失，新埋设了五十个水准观测点，新布的水准网在原网的基础上作了部分修改。
（2）大港油田区域约120平方公里范围内，布设了10个闭合环，17个结点，共计113个
监测点组成的沉降网（详见大港油田地面沉降布网图）。平均两点间距离约1.7km，总路线
长约197 km,见图1。

图1 沉降观测水准网图
第1环闭和差 W=-0.61mm 限差W允=7.30mm
第2环闭和差 W=-0.35mm 限差W允=7.00mm
第3环闭和差 W=-2.60mm 限差W允=8.85mm
第4环闭和差 W=0.11mm 限差W允=8.44mm
第5环闭和差 W=1.33mm 限差W允=10.50mm
第6环闭和差 W=-2.12mm 限差W允=12.66mm
第7环闭和差 W=0.93mm 限差W允=9.86mm
第8环闭和差 W=0.20mm 限差W允=10.14mm
第9环闭和差 W=0.86mm 限差W允=13.63mm
第10环闭和差 W=0.74mm 限差W允=10.04mm
4.4 作业仪器和方法
4.4.1 仪器介绍

图2 Leica DNA03电子水准仪
测量仪器用的是Leica DNA03电子水准仪，如图2,仪器号334078, 电子水准仪具有光学水准仪无可比拟的优点。与光学水准仪相比，它具有速度快、精度高、自动读数、使用方便、能减轻作业劳动强度、可自动记录存储测量数据、易于实现水准测量内外业一体化的优点。目前电子水准仪采用的自动电子读数方法有以下三种：相关法，几何法，相位法，徕卡DNA03电子水准仪采用的是相关法读数。
电子水准仪的望远镜光学部分和机械结构与自动安平水准仪基本相同。部件较自动安平水准仪多了调焦发送器、补偿器监视、分光镜和线阵探测器4个部件。
相关法读数的基本原理是将线阵探测器获得的水准尺上的条码图像信号（即测量信号），通过与仪器内预先设置的“已知代码”（参考信息）按信号相关方法进行比对，使测量信号移动以达到两信号最佳符合，从而获得标尺读数和视距读数。
4.4.2作业方法
(1)进入测区前，对Leica DNA03水准仪按《水准测量规范》中的内容要求分项进行了检验与校正，仪器精度良好，i角＜2″，仪器的其它各项检校均符合要求，测量中用的水准尺为两排分划的线条式因瓦合金标尺，在测量前对标尺的1米真长进行了检校，检校结果均符合规范要求，测量中记簿均用电子记簿，电子记簿等程序已经生产部门严格检核，测站观测方法用光学测微法。
(2)测量中水准路线采用单路线往返观测，从始至终均使用同一类型的仪器，为了保证精度，测量过程中，除非个别地方（机关，单位等不能打钉的地方），大部分都采用尺桩，在每一区段内，同一测段的往测与返测均分别在上，下午进行，在观测时间上，太阳正午前后按设计书要求放宽为2小时（即上午测至11点，下午从13点开始测量）。
(3)水准测量的各项限差均符合设计书和GB12897-91的要求。
(4)对基岩水准点和基本水准标石均测定了上下标志的高差。
(5)测区北侧大港001基本点与I津柳14进行了联测，南侧I津柳16与I津柳20基点进行了联测。
(6)往返测高差不符值，环闭合差和检测高差较差的限差均不超过GB 12897-91和设计书的要求。
(7)观测过程中对一小部分限差超限的测段均进行了重测。
(8)在观测中大港045基，大港049，大港108由于施工被破坏末联测。
(9)在观测中大港021基，大港023位于高压线下，GPS做了过渡点。
(10)新增补的点在成果表中给予了说明。
4.5 整网平差情况及精度分析
(1)水准成果表，见表2。
表2 水准成果表
2008年高程
备注
2008年高程
备注
大港001基
3.408
新埋
大港067
1.059

大港002
2.250

大港068
1.262

大港003
2.341

大港069
0.823

大港004
1.411

大港070
2.335

大港005基
1.732
新埋
大港072
1.253

大港006基
1.072
新埋
大港073
1.262

大港007
0.201
新埋
大港074
0.814
新埋
大港008
0.325

大港075
1.291

大港009
0.606

大港077
2.029

大港011
0.917

大港078
1.716

大港012基
0.179

大港079基
2.303
新埋
大港013
0.537

大港080
2.709

大港014
-0.014
新埋
大港081
1.573
新埋
大港015
0.326

大港083
3.338

大港016
-0.071

大港084
1.495

大港017基
0.393

大港085
3.158

大港018
-0.163
新埋
大港086
3.663
新埋
大港019
0.005

大港087
3.474
新埋
大港020
0.481

大港088
3.267

大港021
0.173

大港089
1.725

大港022
1.140

大港090
2.286

大港023
0.693

大港091
1.761

大港024
0.591

大港092
1.709

大港025
1.143

大港093
1.880
新埋
大港026
1.891
新埋
大港094
2.522

大港028
2.431
新埋
大港095
3.176
新埋
大港029
1.819

大港096
3.526

大港030基
1.592

大港097
3.738
新埋
大港033
2.289

大港098
2.189

大港034
1.770
新埋
大港099
3.709

大港035
2.940
新埋
大港100
2.356
新埋
大港038基
0.961
新埋
大港101
2.540
新埋
大港039
0.228

大港102
2.674
新埋
大港041
2.708

大港114
3.600
新埋
大港042
1.391

大港108
1.710
新埋
大港043
1.345

大港109
1.202
新埋
大港044
0.915

大港110
2.097
新埋
大港046
2.035
新埋
大港107
1.140

大港047
1.152
新埋
大港113
1.529
新埋
大港048
0.785
新埋
I津柳16
3.676
新埋
大港050基
2.503
新埋
WT4002
2.859

大港051
1.363
新埋
WT4003
2.899
新埋
大港052
0.219
新埋
WT4007
3.182
新埋
大港053
0.529
新埋
WT4008
2.579
新埋
大港054
3.143
新埋
WT4009
1.116
新埋
大港055
0.275
新埋
WT4010
0.804
新埋
大港056
0.694

WT4011
1.775

大港057
0.702

WT4015
0.758

大港058
0.510

WT4016
5.353

大港059
0.423

WT4017
2.418
新埋
大港060
0.063
新埋
WT4020
2.695
新埋
大港061
0.358
新埋
WT4021
1.890

大港062基
0.425

WT4022
2.605

大港063
0.285

WT4023
2.593
新埋
大港064基
1.239

WT4024
1.891
新埋
大港065
1.660

WT4025
2.284
新埋
大港066
0.786

(1)平差采用武汉测绘科技大学编纂的科傻通用软件包整网平差。
(2)水准网平差计算按独立网进行平差，起算点为李七庄基岩点，按支水准路线推算至I津柳14，实际平差时以I津柳14点为水准网中的起算点整网平差。
(3)水准网中的精度情况
最大点位误差（大港051，大港052，大港056，大港057，）=1.02mm
最小点位误差（大港001基）=0.4mm
最大点间误差（大港059—大港058）=0.51mm
最小点间误差（WT4020—WT4021）=0.1mm
每公里高程测量的高差中误差: 0.25
每公里水准测量的偶然中误差 0.004mm
每公里水准测量的全中误差 0.014mm
4.6 沉降分析
(1)通过2001年和2008年的平差成果可以发现在具有可比性的63个点中， 最大的沉降点是位于南部地区的大港088号点，沉降值为-0.332m，沉降值最小的是位于东北部的大港098号点，沉降值为-0.014m，油田平均沉降值为-0.088m，如图3。
(2)位于压气站东侧的沉降点中，大港093，大港095，大港097为新埋设的新点。在具有可比性的沉降点中，沉降值最大的为大港092，沉降值为-0.037 m，沉降值最小的为大港098，沉降值为-0.014 m，平均沉降-0.027m，相比油田整体平均沉降-0.088m少了0.061m，如图4，说明该地区相比整个油田沉降的幅度要小。
图4 压气站东侧沉降分析图
(3)位于港东地区的沉降点中,沉降值最大的点位是大港088,沉降值为-0.332m，沉降值最小的点位是大港098,沉降值为-0.014m，平均沉降-0.050m，较油田平均沉降-0.088m要小
一些，如图5。
图5 港东地区沉降分析图
(4)位于港中地区的沉降点中,沉降值最大的点位是大港023,沉降为-0.098m，沉
降值最小的点位是大港043,沉降值为-0.040m，平均沉降-0.071m，较油田平均沉
降-0.088m要小一些，如图6。

沉降值最大的点位是大港107,沉降值为-0.245m，沉降值最小的点位是大港021,沉降值为-0.091m，平均沉降-0.161m，较油田平均沉降-0.088m要大
一些，如图7。
图7 港西地区沉降分析图

4.7 结论
从以上数据对比分析可清楚的看到,整体上地面沉降在2001年到2008年在沉降速度上有所减缓，但个别地方沉降值还是比较大。港西地区沉降最大，港中地区和港东地区相对小一些，但绝对值也很大，应当注意并采取有效措施，避免由于地面沉降对地表建筑和地下设施如管线，电缆等造成破坏，引起大的损失.
5 工程完成情况
(1)本次沉降观测任务共对113个监测点进行了一等水准测量。
(2)水准测量情况
水准路线起始于天津李七庄基岩点,闭于海兴县小山基岩点,布设水准网以2001年大港油田沉降监测网布网图作参考,由于距上次测绘时间较长，许多监测点的丢失及增补,新布的水准网在原网的基础上作了部分修改。
在大港油田区域内约120平方公里范围内, 我院使用水准仪Leica DNA03（仪器号334078），采用单路线往返观测的方法，布设了10个闭合环,17个结点,共计113个监测点组成的沉降网。平均两点间距离约1.7km,总路线长约197.412 km。
6 作业时间及经费预算
6.1 作业时间
作业人员从2008年5月15日开始进驻测区，2008年10月15日结束监测工作。
6.2 经费预算
作业期间动用汽车一部,司机1人,水准测量人员13人,后勤1人，共15人。以上人员中有工程师4人、助理工程师4人、技术员5人。
汽车（油）：100元/天/辆*5月*1辆=15300元 ，维修450元/次/辆*4次*1辆=1800
元 ，过桥费100元/次/辆*80*1辆=8000元，汽车总费用：25100元；
仪器:租用水准仪1000元/台/月*5月*1台=5000元 ，计算机2台*5000元=10000元，仪器总费用：15000元；
施工人员工资：工程师1700元/月/人*5月*4人=34000 ，助理工程师1600元/月/人
*5月*4人=32000元 ，技术员1500元/月/人*5月*5人=37500元 ，司机1300元/月/人*5月*1人=6500元 ，后勤1200元/月/人*5月*1人=6000元 ，补贴200元/人/月*15人*5月=15000元，施工人员总费用：131000元；
住房：房租540元/月*5月=2700元 ，水电费100元/月*5月=500元，住房总费用：3200元；
整理资料费用：纸张500元 ，油印费200元 ，打印机1000元 ，复印机800元，整理资料总费用：2500元；
经费总支出：412700元
7 上交资料内容
(1)仪器检验资料 1本
(2)水准观测手簿 1本
(3)一等水准平差计算手薄 1本
(4)技术总结 1本
(5)数据光盘（图形文件、平差成果）5张
(6)大港油田沉降图 2张
(7)水准点点之记 1本
(8)水准点观测网图 20张
(9)水准点成果表 10本
(10)大港油田地面沉降分析报告 1本
(11)竣工报告1本
8 建议和应采取的措施
8.1 建议
(4)油田地面沉降监测是一个长期的工作，不能间断。为保持此项工作的连续性，今后应继续监测。
8.2 国内外防止沉降对策介绍
目前，国内外在监测和防止地面沉降上取得成功的例子有很多，如日本大鳄平原为防止地面沉降而控制地下水抽取量；意大利的波河流域在地面沉降控制中应用了全球定位系统；委内瑞拉利用全球定位系统测量西部油田的地面沉降等。防止地面沉降最为有效的方法应是人工补给地下水，在这方面我国上海走在了世界的前列。上海地面沉降综合研究及控制水平目前在国际上首屈一指。上海水文地质大队首创了运用人工回灌的方法控制地面沉降，并在此基础上发展了冬灌夏用和夏灌冬用等一整套完整的方法。自1966年以来，上海的地面沉降已基本得到控制。近年来，上海对地下水资源进行保护性开发成效显著，实现了使地下水位上升以达到控制地面继续沉降的目的。此外，上海在地面沉降规律、机理、实验研究、预测预报、控制措施等方面也不断取得新的突破，在世界上率先建立了健全的监测网络，28座综合监测站和1150个水准点覆盖全市范围，同时引进了GPS卫星定位系统、兴建了计算机自动监测站，实现了监测网络观测、数据采集和传输的信息化管理。
8.3 控制地面沉降，加强管理，严禁超量开采地下水
致 谢
本论文是在X老师的悉心指导下完成的。本篇文章从初具构思，到筛选代表性资料，形成初稿，到反复修改各稿，最后定稿，这一过程使我对地面沉降形成的原因以及沉降观测的具体作业过程有了更深刻的了解，从中学到很多东西，在此谨向在我论文的写作过程中所给予细心指导和帮助的老师表示深深的敬意和诚挚的谢意。老师的点评使我受益菲浅，给我的论文写作指明了方向，使我的论文能够顺利完成同时，感谢所有在学习期间教授过我的老师，是他们的正确指导让我对所学的知识有了更深刻的认识和应用。
借此机会，特向所有关心和帮助过我的人们，致以最真诚的谢意。

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