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ABSTRACTIn 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12 沉降观测相关知识22.1 沉降监测控制网的布设22.2 基准点和沉降观测点的设置22.3 观测时间、方法和精度要求23 测区范围及其测区特点34 水准测量34.1 技术依据34.2 已有资料利用情况34.3 水准网概述34.4 作业仪器和方法44.4.1 仪器介绍44.4.2作业方法54.5 整网平差情况及精度分析64.6 沉降分析84.7 结论95 工程完成情况96 作业时间及经费预算106.1 作业时间106.2 经费预算107 上交资料内容108 建议和应采取的措施118.1 建议118.2 国内外防止沉降对策介绍118.3 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19591982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，0.150.300.602.01.43 测区范围及其测区特点本测区位于东经1171911733，北纬38373846，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12C，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 1289791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=10.04mm4.4 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0671.059 大港0022.250 大港0681.262 大港0032.341 大港0690.823 大港0041.411 大港0702.335 大港005基1.732 新埋大港0721.253 大港006基1.072 新埋大港0731.262 大港0070.201 新埋大港0740.814 新埋大港0080.325 大港0751.291 大港0090.606 大港0772.029 大港0110.917 大港0781.716 大港012基0.179 大港079基2.303 新埋大港0130.537 大港0802.709 大港014-0.014 新埋大港0811.573 新埋大港0150.326 大港0833.338 大港016-0.071 大港0841.495 大港017基0.393 大港0853.158 大港018-0.163 新埋大港0863.663 新埋大港0190.005 大港0873.474 新埋大港0200.481 大港0883.267 大港0210.173 大港0891.725 大港0221.140 大港0902.286 大港0230.693 大港0911.761 大港0240.591 大港0921.709 大港0251.143 大港0931.880 新埋大港0261.891 新埋大港0942.522 大港0282.431 新埋大港0953.176 新埋大港0291.819 大港0963.526 大港030基1.592 大港0973.738 新埋大港0332.289 大港0982.189 大港0341.770 新埋大港0993.709 大港0352.940 新埋大港1002.356 新埋大港038基0.961 新埋大港1012.540 新埋大港0390.228 大港1022.674 新埋大港0412.708 大港1143.600 新埋大港0421.391 大港1081.710 新埋大港0431.345 大港1091.202 新埋大港0440.915 大港1102.097 新埋大港0462.035 新埋大港1071.140 大港0471.152 新埋大港1131.529 新埋大港0480.785 新埋I津柳163.676 新埋大港050基2.503 新埋WT40022.859 大港0511.363 新埋WT40032.899 新埋大港0520.219 新埋WT40073.182 新埋大港0530.529 新埋WT40082.579 新埋大港0543.143 新埋WT40091.116 新埋大港0550.275 新埋WT40100.804 新埋大港0560.694 WT40111.775 大港0570.702 WT40150.758 大港0580.510 WT40165.353 大港0590.423 WT40172.418 新埋大港0600.063 新埋WT40202.695 新埋大港0610.358 新埋WT40211.890 大港062基0.425 WT40222.605 大港0630.285 WT40232.593 新埋大港064基1.239 WT40241.891 新埋大港0651.660 WT40252.284 新埋大港0660.786 (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（WT4020WT4021）=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 0.014mm4.6 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。参考文献 杨松林.测量学M.北京：中国铁道出版社，2002:187-188.2 潘正风，杨正尧，程效军，等.数字测图原理与方法M.武汉：武汉大学出版社, 2004:62-63.3 栾元重,吕法奎,班训海.动态变形观测与预报M.北京：中国农业科学技术出版社, 2007:50-51.4 郭宗河,董宇阳,郑进凤.测量学实用教程M.北京：中国电力出版社, 2006:311-312.5 李天文.现代测量学M.北京：科学出版社, 2007:262-266.6 侯建国,王腾军.变形监测理论与应用M.北京：测绘出版设, 2008:138-140，7-8.7 张正禄.工程测量学M.武汉：武汉大学出版社, 2005:175-176.8 张勤.GPS测量原理及应用M.北京：科学版社, 2005:5-6，228-235.9 郭宗河.浅谈建设监理中的测量工作J.测绘科技通讯,1996,(4):33-35.10 张正禄.工程的变形分析与预报方法研究进展J.测绘信息与工程,2002,(5):37-39.11 岳建平.大坝安全监测专家系统研究.测绘通报J,2000,(6):7-9.12 邱斌,朱建军,贺跃光,等.GPS在大地及工程变形观测中的应用J.矿冶工程,2002,22(2):16-19.13 张小红,李征航,汪志明,等.GPS定位技术在不同领域的应用J.测绘信息与工程,2001,(2):10-13.14 Langley R B.(99).The GPS receiver:an introduction.GPS World.Vo 1 2.No.1:50-53.15 Leick A.1990.GPS satellite surveying.John Wiley&Sons,NewYork.