6月1日，天津某小区出现的大面积地面沉降引起持续关注。在小区内部及附近多处路面发生沉降、部分地下停车场出现墙体裂痕、渗水。对周边居民生活、生命财产、土地使用、基础设施、建筑物、地下管道和城市的环境造成严重的危害。
（图片来源于网络）
地面沉降是由于不同原因导致地下土层压实、沉降而引起地面下降的现象。它可以分为自然和人为两种类型。自然地面沉降是由地壳运动、地震、冰盖退缩、流水侵蚀等自然因素引起的，而人为地面沉降则是由人类活动，如建筑物重量、地下水开采和沉降置换等引起的。
地面沉降的影响可谓是全方位的，形成原因也存在多样性和复杂性，难预测、难预防。一方面，我们要通过采取一些有效的措施来避免和缓解地面沉降的影响，比如：合理利用地下水资源、采取防沉降技术、加强土地管理、规范施工行为等。另一方面，要加强对于城市地面沉降的机制、演化过程的研究工作，防患于未然。
基于三维地质模型的数值模拟分析是城市地面沉降研究中的一种重要方法，这种方法结合了地质学、力学、数学建模等多种学科的理论，可以帮助科学家和工程师们理解地面沉降的机理，预测地面沉降的发展趋势，制定相应的预防和缓解措施。
具体流程
01 地质模型构建
通过采集地质勘探资料和人工测量数据，建立准确的三维地质模型。这一步是进行数值模拟分析的基础，只有构建准确的地质模型，才能更加真实地反映地下地质情况和地质变化对地面沉降的影响。
（重庆部分地区三维地质模型）
02 数值模型建立
利用数值方法求解地质物理方程组，建立各种数学模型，并进行数学计算。例如，采用有限元法、有限差分法等数值方法，模拟出地面沉降的变化规律。
03 力学分析
运用力学、流体动力学等理论，对地下渗流、地层压实等物理过程进行分析。基于三维地质模型，考虑渗透系数和多孔弹性参数、不同岩层的密度、几何参数等因素，建立针对特定问题的数学模型。力学分析对于预测地下水位变化和工程活动对地下水环境造成的影响具有重要的作用。
（地应力模拟）
04 模拟结果响应
将计算结果与现场监测数据进行比较，评估模拟结果的可靠性，验证和修正数值模型，进一步优化其精度和实用性。如果模拟结果得到验证，就可以在实践中应用该模型，为防治地面沉降问题提供帮助。
应用优势
01 可视化展示地质背景信息
通过对地质数据进行处理，建立三维地质模型，可以从多个方向上分析地下的地质情况。这为城市基建、规划设计提供了准确的地下空间信息，从而有效规避风险区域，减少地面沉降发生概率。
（三维地质模型Web可视化与共享）
02 岩土的应力、应变和位移分布
可以通过分析岩土的力学特性，推算出在地面沉降过程中土壤的应力、应变和位移分布情况。通过分析这些物理量的变化，可以预测地面沉降的方向、速度和范围。
03 建筑物沉降情况和影响范围
地面沉降对建筑物造成的影响比较大，建筑物沉降情况是地面沉降模拟的重要问题之一。数值模拟可以分析建筑物的负载作用及其对土壤的影响，从而预测建筑物沉降的程度和方向。
04 模拟城市地下管道变化
地下管道的变化也是地面沉降模拟中需要考虑的一个因素。地面沉降会导致地下管道的变形或破坏，从而给城市的供水、排水、燃气和通讯等基础设施造成影响。通过数值模拟，可以分析地下管道的变化情况，提前发现并进行相应的管道维护等措施。
某城市地质三维模型
蓝色：地铁 红色：管线 紫色：道路、桥、地下停车场
05 分析地球物理场的变化
地面沉降也会导致地球物理场的变化，例如地下水位的变化、地形的变化（地面开裂或挤压破裂）等。通过数值模拟，可以具体分析这些物理场的变化情况，例如，预测和控制地下水位的变化，基于应力应变分析演算地面开裂、挤压破裂影响范围等。从而减少地面沉降的风险，避免可能带来的范围广、影响大的城市工程灾害。
06 仿真模拟链生灾害影响
通过基于三维地质模型的力学数值模拟分析，可以预测某些灾害事件发生的概率及其链生灾害，为城市防灾减害、赈灾救灾工作提供有力支持。
（海拉尔表面塌陷模拟）
（梨树断陷局部恢复模拟）
数值模拟分析已成为国际上研究地质问题的重要方法。基于三维地质模型的数值模拟分析，为城市地面沉降的研究提供了新的思路和方法，通过构建准确的地质模型和建立相应的数学模型进行分析，可以提供一种更为深入、全面和科学的研究手段，为地面沉降的防治提供科学依据。为解决地面沉降相关问题提供数据支持。
展望倡议
现如今，标准化的CIM（城市信息建模）和BIM（建筑信息建模）模型在城市规划建设管理以及工程项目实施过程中发挥着日益重要的作用。然而城市建设需要的不仅仅是建筑和基础设施，同时需要充分考虑地质环境因素。因此，在建筑物和城市规划的设计过程中，三维地质模型也应该被作为基础模型加以考虑和纳入。模型不仅要能看（模型融合可视化），还要能用（可视化交互、数值模拟分析等）。
