0.   引言

地面沉降是指在自然或人为因素作用下，地壳表层土体压缩而使得地面标高降低的一种区域性环境地质现象^[1-2]，威胁着人民生活、经济发展和城市的开发建设^[3]。发生地面沉降的原因有：新构造活动产生的构造沉降，软土层的压密，人类活动中过量开采地下水、天然气和石油，以及工程施工造成的土体变形等^[4]。

政府部门和科学人员一直重视地面沉降灾害，无论是在机理、监测还是预测，对地面沉降的研究都很深入，已经可以对其进行定量估算。王伟等^[5]利用GNSS 监测技术建立CORS网进行连续观测，对地面稳定性的变化进行定量分析，成果可为区域规划和地质灾害防治提供技术支持。陈立国等^[6]发现次固结系数与超载增量比呈线性递减关系，得到次固结沉降计算公式。基于基坑降水诱发地面沉降机理分析，可以获得明挖基坑地表沉降预测经验参数，并对地面沉降进行简化计算 ^[7-8]。总的来说，软土固结、荷载力作用以及开采和排放地下水等是大多数软土地区地面沉降的主要诱因。提前发现和有效判定重大地质灾害的潜在威胁并做好防控，是地质灾害防治工作的重中之重^[9]。

最近几年的监测数据显示，广州市南沙区地面沉降发展趋势不断增强。已经引起有关部门的重视，开展了一些监测研究工作：吴龙飞等^[10]根据欧空局（ESA）提供的InSAR沉降监测数据，采用振幅离差指数阈值法获取PS点，在ArcGIS中对所有PS点进行分析，获得沉降速率分布情况及年平均沉降速率。陈玉林等^[11]通过三种不同的基准点方案进行数据处理，即采用区域滤波方法去除共模误差得到稳定性较强的基准点，并以周坐标的重复性（WRMS）作为评价指标，最后与水准测量数据进行对比分析。高磊等^[12]对构建的地面沉降自动化监测网络数据进行采集整理，得到南沙区累计沉降量；张德波^[13]引入层次分析—综合指数模型，通过MAPGIS空间叠加功能得到南沙区地面沉降易发性分布情况；陈小月^[14]和陈运坤等^[15]对南沙区软土分布及特征进行分析，发现南沙区软土厚度和地面沉降速率整体上成正相关，并就此对城市防灾减灾提出合理建议。目前，针对南沙区地面沉降的研究主要集中在地面沉降观测数据的处理方法、地面沉降成因中软土厚度和分布及成因的简单分析，而没有考虑软土固结变形、荷载作用以及地下水的影响等因素对地面沉降影响的量化研究。

本文旨在对南沙区地质条件进行分析的基础上，结合地面沉降监测数据，研究该区地面沉降时空演化规律及成因，从机理上分析计算各因素对地面沉降的影响程度，为该区地面沉降防治提供技术服务。

1.   研究区地质概况

研究区及附近地势总体上向南东倾斜，地貌多为三角洲平原，还有低山、丘陵分布在三角洲前缘及西北部地带，中部则是低丘及台地，平原上河流交错纵横，水塘零散分布（图1）。平原上地面平坦开阔，地势低洼，地面标高−0.2～0.7 m的低平原约占三角洲面积的76%。南部为海岸带，是区内海陆相互作用最强烈的地带，具有海岸线长、海岸曲折和岛屿众多的特点。

图  1  研究区及周边地形地貌图

Figure  1.  Topography of research area and surrounding area

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研究区松散岩类是第四系更新统、全新统冲积层、冲洪积层，海陆交互相及海积层。更新统以冲积相为主，岩性由砂卵砾石、砂、粉质黏土、黏土等组成；全新统多为海河混合相，前缘以海相为主；河谷平原及山前地带则为冲积相及冲洪积相，主要由黏土或粉土组成。岩土体主要土层和岩石垂向上分布情况见表1—2。

表  1  土体工程地质单元分类

Table  1.  Classification of soil engineering geological units

土体类型		岩性类型
黏性土		黏性土、粉质黏土
粉土		粉土
砂土		粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂
碎石土		圆砾、角砾、卵石、碎石
特殊类土	残坡积土	黏性土、砂质黏性土、 砾质黏性土
		粉土
	人工填土	素填土、杂填土、冲填土
	淤泥类土	淤泥质砂土、淤泥质土、淤泥

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表  2  岩体工程地质岩性组分类

Table  2.  Classification of engineering geological lithologic group of rock mass

岩性组	岩性综合体	岩性类型
侵入岩 岩性组	花岗岩， 闪长岩综合体	似斑状黑云母二长花岗岩，细粒花岗岩， 细粒细斑状黑云母二长花岗岩，花岗 闪长岩，片麻状花岗岩，伟晶岩
混合岩、 片麻岩岩性组	混合岩综合体	花岗混合岩，混合岩
	片麻岩综合体	花岗片麻岩，片麻岩
含膏盐红层 碎屑岩岩性组	−	砾岩，砂砾岩，粉—细砂岩，细砂岩， 含砾中—粗砂岩，泥岩，泥质粉砂岩， 灰岩，泥灰岩，灰质泥岩，凝灰岩

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地下水类型主要为松散岩类孔隙水，其次是基岩裂隙水。含水层一般为砂、砂卵砾石，厚度4.04～15.84 m，局部地区达21.38～36.36 m，富水性一般，局部地区较为丰富；地下水位埋深为0.02～3.58 m，局部地区高出地表0.05～0.43 m，年变化幅度小于3 m。基岩裂隙水包括红层裂隙水、块状岩类裂隙水，单井涌水量为12～272 m³/d。

地下水补给来源主要包括大气降雨入渗补给、地表水（含灌溉渗漏）入渗补给以及侧向径流补给三个方面。地下水总体上由北西向南东流，水力坡度不大，径流方式主要为水平循环。

地下水排泄方式有潜流排泄、向河流排泄、蒸发和植物蒸腾排泄。区内低山丘陵大都以泉的方式向附近沟谷排泄补给地表水；在平原和丘陵的交接地带，第四系孔隙水接受来自基岩裂隙水的侧向补给或地下潜流补给；位于平原区的地下水水位较浅，地下水排泄以蒸发和侧向补给河水为主。

2.   地面沉降分布特征

2.1   数据来源

数据来源主要有InSAR监测数据和水准监测数据，广东省地质测绘院于2019年9—10月开展了广州市南沙区约800 km²范围的地面沉降InSAR监测工作，获取了南沙区2018年1月—2019年10月的地表形变速率，得出广州市南沙区多个重点沉降区域的长时序、大范围地表形变监测结果，揭示了近年来重点区域的地表沉降状况。本次获取了覆盖南沙区的60景Sentinel-1 SAR影像数据如表3所示。

表  3  收集到的珠江三角洲地区Sentinel-1数据

Table  3.  The collection of sentinel-1 data of pearl river delta

模式	入射角/（°）	分辨率	幅宽/km
条带成像	20～45	5 m×5 m	80
干涉成像	29～46	5 m×20 m	250
超幅宽	19～47	5 m×40 m	400
波浪	22～35，35～38	5 m×5 m	20×20

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水准监测路线为1个闭合环路线以及2条附合水准路线，共41个点。其中XJC001—XJC015为埋石监测点，后经调查发现，S111省道及万顷沙镇南面房屋沉降较大，因此在这些位置加密水准监测点，其中XJC016、XJC018、XJC019为墙脚标，XJC017为已有的水闸水准监测点，XJC020、XJC021、XJC022、XJC023为临时监测道路的道路水准标。布设好的水准监测点闭合环位置如图2所示，两条附合水准路线如图3所示。

图  2  万顷沙横沥监测点位及路线

Figure  2.  Monitoring points and route of Wanqingsha Hengli

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图  3  两条附合水准路线（XJY01—XJY02、XJY02—XJY01）

Figure  3.  Two attached leveling lines （XJY01—XJY02、XJY02—XJY01）

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2.2   地面沉降分布特征及演化规律

经过外业概算和平差计算对数据网进行处理，再根据测段距离反向配赋平差，以平差的结果作为最终成果，计算所得的数据精度可靠。

部分监测点监测初期（2012—2013年）和监测末期（2019年10月）的累计沉降量的曲线见图4，监测时期内的年平均沉降量速率见图5。

图  4  沉降量曲线图

Figure  4.  Settlement curve

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图  5  年平均沉降量柱状图

Figure  5.  Bar chart of annual average settlement

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从图5中可以明显看出JC014号点沉降严重，年平均沉降量达到了42.7 mm。另外，JC012、JC019、JC040自有监测数据以来，沉降量超过100 mm，且年平均沉降量超10 mm/a。对比发现，通过水准点监测的成果和InSAR监测成果基本吻合。

根据广州市南沙区2015—2019年历年地表形变速率图（图6），研究区内地面沉降随着时间呈现阶段性发展。

图  6  南沙区2015—2019年地表形变速率图

Figure  6.  Surface deformation rate of Nansha District over the years from 2015 to 2019

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数据表明，2015年研究区内地面沉降主要分布在南沙明珠湾开发区和龙穴街道出海口养殖场区域，其最大年平均沉降速率超过30 mm/a，局部超过40 mm/a；2016年研究区内地面沉降主要分布在龙穴街道出海口养殖场区域，见图6（e），其最大年平均沉降速率超过20 mm/a；2017年研究区内地面沉降主要分布在龙穴街道出海口养殖场区域、珠江街道八涌和十涌之间的义和围村工地区域、南沙明珠湾开发区，其最大年平均沉降速率超过20 mm/a；2018年研究区内地面沉降主要分布在龙穴街道出海口养殖场区域、南沙明珠湾开发区，其最大年平均沉降速率超过30 mm/a；2019年研究区内地面沉降主要分布在龙穴街道出海口养殖场区域、珠江街八涌和十涌之间的义和围村工地区域、珠江街道周边区域和南沙明珠湾开发区，其最大年平均沉降速率超过40 mm/a，局部超过60 mm/a。受施工建设的影响，2015年南沙街道中部、2016年东涌镇东部及南部突然出现较大范围的沉降，见图6（e），并且高层建构筑物大都采用钻孔灌注桩或静压式预制桩，监测后期基本无沉降。

对监测范围内形变量级较大、范围较广的区域初步分析其成因，得到InSAR监测成果及其原因（表4）。

表  4  InSAR监测成果及其原因分析

Table  4.  InSAR monitoring results and cause analysis

年份	具体原因分析		综合分析
2015	万顷沙镇红港村围垦区域主要受软土固结作用，南沙街道摊位村、地铁4号线锦州站附近受荷载影响较为严重		监测时期内均存在沉降的新垦镇、珠江出海口前沿的养殖场区域主要受软土固结等地质条件影响，拟开发建设用地的工程施工及城镇内的建筑设施都会造成地表形变，并且分布在江河沿岸的大部分形变较大沉降点及其外围区域，在一个水文年内受地下水水位变动较为明显
2016	仅在该年发生的东涌镇、鱼窝头镇、万洲村一带受施工建筑影响，沉降的形变区域较大
2017	沿西南江边分部的养殖场附近受地下水影响发生沉降，大岗镇施工区域受建筑荷载较为严重
2018	南沙街道环市中大道中、金沙路和市南大道三路环绕区域受地面荷载和地下水水位的共同影响
2018— 2019	大岗镇庙青村围和珠江街道智隆村的围垦区域、及南沙区中东部城镇建筑区域主要受地面荷载及可压缩土层的影响，少部分区域受地下水水位影响，珠江街道均和围村工地、黄阁村沙仔村施工区域的则主要受可压缩土层影响

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3.   地面沉降影响因素的贡献量估算

研究区的地面沉降主要受三个因素的影响，分别是可压缩土层、地下水水位、复杂人类活动，为了分析各因素对地面沉降的影响大小，下面定量估算各因素引起的地面沉降量。

3.1   土层固结及固结量的计算分析

可压缩土层是南沙区地面沉降形成的地质条件，包括填土厚度、软土厚度与顶板埋深以及空间分布情况。并且很多新近填土没有进行压密，会发生较大的自重压密固结作用；南沙区的新垦、横沥、万顷沙、南沙港区分布有厚度20～40 m的软土，最厚的地方能达到55 m，总体上呈现为从内陆到河口、从北向南软土厚度逐渐变大的趋势，且其变形以塑性变形为主。

根据有效应力原理可知，孔隙水压力的改变会造成有效应力变化，从而改变土体的应力状态，产生形变量。由一维固结理论，得出砂层和压缩土层的沉降量计算方法。

式中：S——砂层沉降量/mm；

${\gamma }_{{\rm{w}}}$——水的容重/（kN∙m⁻³）；

$ \Delta h $——砂层中地下水位的下降值/m；

H_砂——砂层厚度/m；

E——砂层弹性模量/MPa；

S_∞——压缩土层沉降量/mm；

a——压缩土层的压缩系数/（MPa⁻¹）；

e₀——压缩土层的初始孔隙比；

H_黏——压缩土层厚度/m。

根据2018年1月—2019年10月南沙区的地面沉降监测数据，形变量级较大的区域主要分布在河流沿岸、施工区域、围垦区域和一部分城区。对这些在重点研究区内的6个沉降较大的区域进行分析，其不同区域编号对应分布位置如表5和图7所示。

表  5  沉降点计算统计信息表

Table  5.  Statistical information of settlement point calculation

区域编号	土地利用类型	地处位置
1	出海口养殖场	新垦镇、珠江出海口前沿的养殖场区域
2	城区建筑区域	龙穴街道龙穴村鸡抱沙北路北东方向
3	城区建筑区域	万顷沙镇十三涌和十四涌之间的主镇区
4	施工区域	珠江街道八涌和十涌之间的义和围村
5	城区建筑区域	珠江街五涌周边区域
6	施工区域	南沙明珠湾

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图  7  南沙区枯水期地下水水位埋深及沉降点分布图

Figure  7.  Distribution map of groundwater level lines and settlement points during dry season in Nansha

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在这6个沉降严重区域分别取3个点，根据Terzaghi计算公式，计算对应的地表沉降量。其中发生固结土层的土工实验参数见表6。对照InSAR监测数据的监测时期即对应的年平均沉降速率图，计算2018—2019年的地表沉降量，其它所用到的根据钻孔数据生成地质模型数据和计算结果。

表  6  可压缩土层土工试验参数表

Table  6.  Geotechnical test parameters of compressible soil

岩性名称	取样埋深/m	初始孔隙比	压缩系数/（MPa−1）	压缩模量/MPa	液限/%	塑限/%	塑性指数	液性指数
人工填土（粉土）	0～9.4	0.890～0.910	0.41～0.51	4.34～4.63	30.00～36.65	21.80～23.25	8.20～13.63	0.71～1.01
淤泥质土	0～25.0	1.038～1.550	0.64～1.03	2.70～3.35	32.40～45.83	17.50～28.48	14.90～18.61	1.27～1.57
黏土（粉质黏土、砂质黏土）	2.8～32.5	0.910～1.210	0.34～0.43	4.83～6.02	41.23～41.31	23.92～24.94	16.33～17.99	0.33～0.41
注：执行标准为GB/T50123−2019、DT−92（固结实验快速法）。

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3.2   地面沉降与地下水变化的关系

（1）地下水位空间分布特征

从现有数据得南沙区当地基本无开采井开采地下水，但发生固结的软土层会受到施工过程中基坑排水、以及地下水周期性变动的影响。可知地下水位受到人为活动影响大，然后对照模拟所得出的地下水等水位线图所描述的流场分布，基本符合天然状态下的流场分布，即随地势总的起伏趋势和边界水位线的埋深深度呈现由西北向东南逐渐减小的趋势，并且描绘枯水期的水位埋深（图7）。其中，等水位线两侧分布的凹线分别受上、下横沥河和珠江口的影响，中部由蕉门水道和珠江贯穿。

在重点研究区内（图1），根据2018—2019年应力期末期模拟的等水位线图（图8）与考虑地面沉降影响下的等水位线图（图9）叠加分析，可以观察到其地下水等水位线分布基本一致。可以据此推断位于重点研究区内的地面沉降变化规律是基本一致的，并且根据南沙区的水文地质条件，地面沉降一定会受到地下水水位埋深的影响，所以其变化规律与地下水水位变化有相关性。

图  8  地下水等水位线图

Figure  8.  Groundwater contour map

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图  9  地面沉降影响下的地下水等水位线图

Figure  9.  Groundwater contour map under the influence of land subsidence

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（2）水位动态变化特征

在2018年1月—2019年1月的模拟期中，根据含水层Ⅰ某一区域（单元格编号：15262）的地下水水位和地面沉降动态数据，分别计算每日的地下水水位相较昨日变化量的绝对值，以及日均沉降变化量，得到图10的变化结果。

图  10  含水层Ⅰ地下水位变化及平均沉降速率曲线图

Figure  10.  Aquifer Ⅰ groundwater level change and average settlement rate curve

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从2月开始地下水水位有较明显变动，受枯水期影响到4月份变化幅度超过0.01 m/d，且地面沉降的平均变化量为0.325 mm/d。地面沉降量在10月份又出现一次较大的变动，平均沉降变化量为0.37 mm/d，其峰值出现时间和地下水水位变化基本一致。就拟合情况而言，在水位变化最大的时期，沉降速率也上升至最大值，且滞后性不明显，结合其他区域的水动态与沉降变化情况，说明南沙区大部分地区存在着良好的水力关系。

3.3   建筑荷载引起的沉降量计算分析

研究区内建筑物密集且类型基本一致，可采用等效影响荷载计算方法来估算研究区的建筑荷载值，首先需要根据土体自重应力和附加应力的关系确定荷载的影响深度，再计算全区的等效荷载。

3.3.1   建筑荷载下土体自重应力和附加应力计算

（1）不同状态下的土体自重应力计算

地基土通常是以不同岩性、不同物理状态的多个土层成层分布的，进行自重应力计算时，需要分层计算。对于第i层土处的自重应力计算公式为：

式中：${\sigma }_{{\rm{cz}}}$——土的自重应力/N；

n——建筑荷载下的土层数；

$ {\gamma }_{i} $——第$ i $层土的重度，地下水以下为有效重度、水位以上为天然重度/（N∙m⁻³）；

$ {H}_{i} $——第$ i $层土中计算应力点处的厚度/m。

（2）矩形均布荷载下的附加应力计算

研究区内的基底应力可以视作矩形面积竖向均布荷载，受矩形均布荷载的地基土层，在形心处的附加荷载应力最大，形成的沉降量也最大。

首先计算矩形角点下地基土体的附加应力，如式4。

式中：${\sigma }_{{{\rm{z}}}}$——土的附加应力/N；

$ {K}_{{\rm{s}}} $——矩形均布荷载角点下的应力分布系数；

$ p $——矩形均布荷载/N。

3.3.2   等效影响荷载计算

对于单个、分散的建筑物，受影响的垂向土层深度及水平范围有限，当各范围值低于莫伊标准时，便忽略不计。当大量建筑物密集分布时，形成了附加荷载的累积效应，影响的范围和深度得到了加强，等同于施加给土体一个连续分布的大面积荷载，即等效影响荷载。

根据圣维南原理^[16]，对于某一深度进行等效影响荷载计算为：

式中：$ q $——密集建筑物的等效影响集度；

$ {q}_{i} $——单体建筑物的荷载集度；

$ {A}_{i} $——单体建筑的覆盖面积/m²；

$ A $——密集建筑物的覆盖面积/m²。

根据中华人民共和国国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001），取2 kPa作为住宅楼面设计均布荷载的标准值，对各个区域进行计算。

3.3.3   计算压缩层深度及压缩量

建筑荷载对地基土体的影响深度是有限的，当增大到某一深度时，附加应力就会小到可以忽略的数值，即未改变土体的应力状态、不产生形变问题，此时将这一深度视为临界深度，在这一深度之上的土层才会发生沉降变形。参照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），当附加应力与自重应力的比值为1∶10时的深度，并将这一深度值视为建筑荷载的压缩深度值。

参照土地利用类型分区，划分出建筑用地荷载区、正在开发建设区及其他不会发生或者沉降可以忽略不计的区域。根据建筑荷载分布下的沉降分布情况（图11），有5个沉降中心（①—⑤）位于建筑用地，受建筑荷载的影响范围较广。综合考虑地面沉降和建筑荷载类型， 64%的沉降区域受建筑用地和拟建设用地影响（其中建筑用地占46%，拟建筑用地占18%），其他因素用地占36%。

图  11  建筑荷载分布与沉降等值线图

Figure  11.  Contour map of building load distribution and settlement

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3.4   地面沉降主要因素影响程度对比分析

如前所述，南沙区地面沉降主要因素是可压缩土层、地下水水位和地面荷载，在3.1—3.3节的基础上，就地面沉降较为严重的6个沉降计算点来看，通过数学模型计算主要因素所造成的地面沉降结果见表7^[17]。

表  7  沉降点主导因素影响程度的沉降量分析表

Table  7.  Settlement analysis table of influence degree of dominant factors of settlement point

区域编号	地面沉降总量/（mm·a−1）	可压缩土层/（mm·a−1）	主导因素 面积占比/%	地下水水位/（mm·a−1）	主导因素 面积占比/%	地面荷载/（mm·a−1）	主导因素 面积占比/%
1	112.56~127.03	84.51~95.97	75.43	17.60~19.20	15.24	10.45~11.86	9.32
2	92.9~101.36	34.43~38.26	37.55	13.20~14.64	14.66	43.83~48.70	47.79
3	111.27~121.92	51.17~56.40	46.24	1.28~2.40	1.62	57.70~63.60	52.14
4	91.96~100.02	45.91~51.74	49.74	22.80~24.80	24.85	22.61~25.48	25.40
5	118.96~129.46	55.62~61.50	47.40	9.60~12.00	8.86	51.34~56.76	43.75
6	107.66~117.02	69.76~75.63	64.43	9.40~11.30	9.26	28.50~30.89	26.31

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结合分析结果，编号1的出海口养殖场所在区域，位于南沙区东南部，软土层厚度较大，主要受可压缩土层的影响较大，比重为75.43%，沉降量在84.51～95.97 mm/a之间；编号2、3和5城区建筑区域，主要受可压缩土层和地面荷载的共同影响，尤其是3号区域受地面荷载影响比重为52.14%，沉降量在57.70～63.60 mm/a，而受地下水水位影响较小，跟含水层厚度有关；编号4和6的施工区域主要受可压缩土层的影响，比重分别为49.74%、64.43%。

4.   结论

（1）研究区存在多个地面沉降区，沉降速率最大的区位于珠江街道均和围村，部分沉降区年平均沉降速率超过60 mm/a。沉降区最多的是大岗镇，主要沿江边分布，个别区域年平均沉降速率均超过60 mm/a，其余区域均有零星沉降点分布。

（2）研究区地面沉降主要受自然和人为因素的影响，对沉降严重的6个沉降区分别计算量各因素对地面沉降的贡献量。出海口养殖场所在区域，年均沉降量较大，且沉降量在112.56～ 127.03 mm/a，主要受可压缩土层的影响，所占比重在75%以上；城区建筑区域，主要受可压缩土层和地面荷载的共同影响，比重为84.24%～98.86%，而受地下水水位影响较小，跟含水层厚度有关；施工区域主要受可压缩土层的影响，比重为49.74%～64.43%。

（3）建议完善地面沉降监测网络并加强监察措施，在沉降严重区加密InSAR监测及水准监测；在工作区内增加不同含水层的地下水动态监测井，密切关注地下水位动态变化规律。