基于SBAS時序分析的大同地面沉降與地下水活動研究

楊成生， 劉媛媛， 敖萌

(長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710054)

基于SBAS時序分析的大同地面沉降與地下水活動研究

楊成生， 劉媛媛， 敖萌

(長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710054)

大同盆地是汾渭盆地北端一個地面沉降較嚴重的區(qū)域，地下水開采是該區(qū)域地面沉降發(fā)生的一個重要原因。然而地下水活動與地面沉降在空間和時間的相關(guān)性卻鮮有研究。為了掌握該地區(qū)地下水活動與地面沉降的內(nèi)在聯(lián)系，該文基于Envisat ASAR數(shù)據(jù)，利用短基線集(small baseline subset,SBAS)-InSAR技術(shù)對大同盆地地面沉降形變特征進行監(jiān)測；同時利用地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究地面沉降中心與地下水位漏斗在空間和時間上的對應(yīng)關(guān)系，定量分析2處地下水位波動與地表形變的關(guān)系。研究表明，地下水開采是大同盆地水源地地面沉降的主要原因，但并非所有的地下水位漏斗都存在地面沉降。該研究成果對指導該地區(qū)地下水開采及控制地面沉降有一定參考價值。

短基線集(SBAS)；地面沉降；InSAR；大同；地下水開采

0 引言

大同盆地是我國汾渭盆地北部一個地面沉降較嚴重的區(qū)域。自20世紀70年代開始，隨著地下水開采量增加，大同市地面沉降逐年加劇[1-2]。地面沉降的發(fā)生，也導致了地裂縫災(zāi)害的加劇，目前大同市已有10余條地裂縫，總長度達34.5 km[3-5]。地面沉降及地裂縫災(zāi)害已導致該地區(qū)經(jīng)濟損失達數(shù)億元[3]。因此，開展對該區(qū)地下水開采與地面沉降關(guān)系的研究，可為減少地質(zhì)災(zāi)害和降低經(jīng)濟損失提供決策支持。

針對大同盆地地下水開采引發(fā)的地面沉降災(zāi)害，國內(nèi)很多學者進行了研究。劉玉海等[1]利用水準數(shù)據(jù)對大同地面沉降進行了分析，結(jié)合地下水開采情況介紹了地下水開采引發(fā)的地面沉降及地裂縫災(zāi)害情況；常玉萍[6]利用地下水觀測資料分析了大同市主要供水源區(qū)地下水的動態(tài)變化趨勢；范建明[7]對地下水開采引發(fā)的大同地面沉降及地裂縫情況進行了描述；高英利[8]對大同地下水超采狀況進行了介紹，并分析了該市地下水開發(fā)利用中存在的問題等。這些研究都充分認識了地下水開采易造成地面沉降，但側(cè)重于對大同地面沉降災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查情況的描述，對地下水位漏斗與地面沉降的空間和時間上對應(yīng)關(guān)系的研究仍較少。為此本文利用覆蓋大同地區(qū)的40景Envisat ASAR數(shù)據(jù)，采用短基線集(small baseline subset，SBAS)-InSAR方法對該地區(qū)地面沉降進行監(jiān)測，并結(jié)合地下水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)對大同盆地地面沉降與地下水位的空間和時間上的對應(yīng)關(guān)系進行研究。同時選取2處水位觀測井數(shù)據(jù)，建立了地下水位波動與地表形變的關(guān)系。本文的研究成果對指導該地區(qū)地下水開采及地面沉降控制具有一定的參考價值。

1 SBAS-InSAR技術(shù)原理

為克服時間、空間去相干以及大氣延遲對常規(guī)InSAR監(jiān)測精度的影響，許多學者對SBAS-InSAR技術(shù)[9-12]進行了研究。該技術(shù)針對覆蓋同一區(qū)域的多個SAR影像按照一定的時間基線和空間基線條件進行干涉組合，并對多個干涉圖解纏后相位進行最小二乘求解，消除解纏粗差，削弱大氣誤差因素的影響，從而更高精度地獲取自起始影像時間到每一景影像獲取時間段內(nèi)的累計地面沉降形變量。

SBAS-InSAR技術(shù)原理為假定在時間t1,t2,…,tN內(nèi)獲得同一區(qū)域N幅SAR影像，根據(jù)干涉組合條件，在短基線距的條件下形成M幅干涉條紋圖，且有N/2≤M≤N(N-1)/2。對于任意干涉圖i，在去除平地及地形相位影響后，第x個像素的干涉相位可表示為[10-11]

δφx,i=φx,i(tB)-φx,i(tA)≈δφdef,x,i+δφε,x,i+δφα,x,i+δφn,x,i,

(1)

式中：δφx,i為干涉圖i(i=1,2,…,M)第x個像素的干涉相位；tA,tB(tA

(2)

式中：dx,i(tA)和dx,i(tB)分別為第x個像素對應(yīng)于tA和tB時刻的形變量；λ為雷達波長；R為斜距；B⊥為垂直基線；△z為DEM高程差；θ為入射角。假定不同干涉圖間的形變速率為vj,j+1，則tA至tB間的累積形變相位可表示為

(3)

對M幅干涉條紋圖進行三維時空相位解纏即可求出不同SAR獲取時間的形變速率[12]。此時，任意2個時刻tA至tB間的累積形變可表示為

(4)

式中：vk,k+1表示在tk至tk+1期間的地表平均形變速率；tk和tk+1為tA至tB期間的任意2個時刻。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

本文收集了覆蓋大同地區(qū)的40景Envisat ASAR數(shù)據(jù)，Track為2075，F(xiàn)rame為2799，時間跨度為2003—2010年(表1)。

表1 Envisat ASAR數(shù)據(jù)列表(Track 2075，F(xiàn)rame 2799)Tab.1 Envisat ASAR data list(Track 2075，F(xiàn)rame 2799)

為了獲取可靠的地表形變監(jiān)測結(jié)果，本文選取時間間隔小于700 d和基線空間垂直分量小于500 m的差分干涉圖進行處理；在此基礎(chǔ)上再對差分干涉圖進行篩選，選取97個具有較高質(zhì)量的差分干涉圖；然后對其進行短基線集時間序列分析處理。干涉圖基線垂直分量分布網(wǎng)見圖1。

SBAS方法干涉處理時，采用空間分辨率更高的ASTER GDEM來去除地形相位。有關(guān)研究[13]認為，對于一個穩(wěn)定的高相干點，其相位標準差1.0是較合理的值。為此，本文在解算過程中對選取的高相干點相位標準差進行計算，并將相位標準差大于1.0的像素點作為不穩(wěn)定點舍棄。同時根據(jù)大氣相位的時空特性對相干點上的大氣延遲相位進行分離，并將分離出的大氣延遲相位從差分干涉圖中去除，最終得到大同盆地2003—2010年時間序列的形變結(jié)果(圖2)。從圖2可以看出，除大同煤田以外，各相干點的速度標準差均很小，說明相干點上的形變速度較為穩(wěn)定，估算形變速度值較可靠。

圖1 SBAS-InSAR基線網(wǎng)Fig.1 Configurations of InSAR pairs used for SBAS processing

圖2 大同盆地InSAR時間序列形變的年平均速率(左)及其標準差(右)(P1—P1’為垂直斷裂的剖線位置; W1,W2代表地下水位監(jiān)測井位)Fig.2 Annual average rate(left) of the Datong basin derived from InSAR time series and its standard deviation(right)

2.2 地面沉降結(jié)果分析

從圖2可以看出，大同盆地的主要沉降中心發(fā)生在城北白馬城、城南大同機車廠、新技術(shù)開發(fā)區(qū)和懷仁縣。除了新經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)沉降中心外，這些沉降中心均為大同市的主要水源地。另外在大同煤田開采區(qū)存在不同程度的開采沉降。結(jié)果表明，城北白馬城水源地、大同機車廠和新經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)沉降中心已成為大同盆地三大主要沉降區(qū)。新技術(shù)開發(fā)區(qū)是1992年由山西省人民政府批準成立的省級開發(fā)區(qū)，2000年以后大興建設(shè)，并于2010年經(jīng)國務(wù)院批準為國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，該區(qū)域的地面沉降與城市建設(shè)有較大關(guān)系。

從地面沉降與周圍的活動斷裂依附關(guān)系來看，大同盆地的地面沉降明顯受口泉斷裂和大同-陽高斷裂控制，其形變發(fā)生沿斷裂展布。圖3是沿圖2中斷裂影響明顯的P1—P1’剖面提取的高程信息。

圖3 口泉斷裂垂直剖線圖Fig.3 Profile line perpendicular to the Kouquan fracture

由圖3可知，形變以海拔1 200 m為界，兩側(cè)存在明顯的差異形變特征。該處正是口泉斷裂的位置，表明該斷裂影響了區(qū)域地面沉降的走向。

圖4為提取的盆地內(nèi)5處典型區(qū)域的形變時間序列結(jié)果，分別位于白馬鎮(zhèn)、大同機車廠、新經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、懷仁縣以及穩(wěn)定參考區(qū)域。從圖4的形變趨勢來看，白馬城、大同機車廠、新技術(shù)開發(fā)區(qū)和懷仁縣在2003—2010年間累計沉降量分別達到120 mm，90 mm，65 mm和70 mm，平均年沉降速率分別約為17 mm/a，13 mm/a，9 mm/a和10 mm/a，其中白馬城和機車廠沉降嚴重，而穩(wěn)定參考區(qū)基本穩(wěn)定。從形變趨勢上分析，白馬城與大同機車廠在2003—2010年間形變速率較為穩(wěn)定，呈近線性變化特征；而新技術(shù)開發(fā)區(qū)和懷仁縣的地表形變則主要分為3個階段： 2003年11月—2005年7月期間基本保持穩(wěn)定，2005年7月—2006年11月間形變緩慢，2007年以后形變加速。

圖4 特征點累計形變時間序列曲線Fig.4 Accumulation deformation time series curves for feature points

2.3 地面沉降與地下水位關(guān)系分析

根據(jù)統(tǒng)計，截至2006年，大同盆地地下水水量比1977年損失了39%，其主要原因是不合理的農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)用水造成地下水開采過度[14]。

為了對比大同盆地地下水位開采漏斗與地面沉降中心的關(guān)系，本文將2010年地下水位等值線與相應(yīng)地區(qū)的地面沉降分布圖進行疊加，如圖5所示。

圖5 2010年地下水開采漏斗與地面沉降疊加圖

(左上角為地形灰度圖，范圍為圖2中參考區(qū)域)

Fig.5 Overlay of groundwater mining funnel and ground subsidence in 2010

從圖5可以看出，大同盆地地下水位開采漏斗與地面沉降中心在空間分布上具有一定的對應(yīng)關(guān)系，尤其是在城北白馬城水源地及城西十里河水源地，這說明地下水開采是大同盆地地面沉降產(chǎn)生的主要原因之一。

為了進一步分析地面沉降與地下水位的對應(yīng)關(guān)系，本文沿圖5中P2—P2’剖面提取2010年的地面沉降值和地下水位值，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，二者具有較好的一致性，地下水位漏斗也恰好是沉降中心；但并不是所有的地下水位漏斗都存在地面沉降。如圖5中4個地下水位漏斗，僅2個存在明顯的地面沉降。

本文收集了大同盆地2處地下水位觀測井2008—2010年的地下水位觀測數(shù)據(jù)。觀測井位置分布見圖2中W1和W2。為了分析地面沉降與地下水位在時間上的對應(yīng)關(guān)系，本文提取了這2處的地面形變時間序列結(jié)果。從圖4特征點形變時間序列也可以看出，大同盆地的地面沉降存在明顯的線性趨勢形變，因此本文在研究地面沉降與地下水位在時間上的對應(yīng)關(guān)系時，利用回歸模型對2008年12月—2010年9月的形變速率進行了線性擬合，并從形變時間序列中去除該線性趨勢形變。最終對分離出的地表形變波動與地下水位變化在時間上的對應(yīng)關(guān)系進行了分析，結(jié)果見圖7。

圖7 水位觀測井水位變化與地表形變關(guān)系Fig.7 Relationship between groundwater level change and surface deformation fluctuation at the monitoring well

本文采用2008年12月—2010年9月的InSAR數(shù)據(jù)，主要考慮到該時間段內(nèi)SAR影像獲取密度較大，形成的干涉組合較多，基線垂直分量小(圖1)，因此該時間段內(nèi)的InSAR監(jiān)測結(jié)果相對可靠。圖7也同樣反映了地表形變的波動和地下水位的變化具有大致相同的趨勢。圖7(左)顯示測井水位具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，而地表形變的波動也反映了較強的季節(jié)性變化規(guī)律；而圖7(右)反映的測井水位變化的季節(jié)性規(guī)律不明顯，但反映出該處水位有回升趨勢，而地表形變也有回升趨勢，表明隨著地下水位的回升，地面沉降有減緩趨勢。

為了進一步分析地面形變隨地下水位波動的變化規(guī)律，本文對水位觀測井W1和W2的地下水位分別減去初始地下水位1 009.0 m和1 035.6 m，并利用回歸模型對地下水位波動與地表形變進行回歸分析，如圖8所示。

圖8 地下水位波動與地表形變變化關(guān)系Fig.8 Relationship between groundwater level fluctuation and surface deformation change

由于觀測井W1的地下水位變化較大，其反映的地面形變隨地下水位波動的變化規(guī)律較明顯；而觀測井W2的地下水位變化較小，其所反映的變化規(guī)律不明顯。

3 結(jié)論

本文利用SBAS時序分析方法對大同盆地2003—2010年間的地表形變進行了監(jiān)測，分析了地下水位波動與地表形變速率變化之間的關(guān)系，取得如下結(jié)論：

1)大同盆地的主要沉降中心發(fā)生在城北白馬城、城西大同機車廠、新技術(shù)開發(fā)區(qū)和懷仁縣，其中城北白馬城和城西大同機車廠為大同市的水源地，地下水開采是其地面沉降發(fā)生的主要原因。

2)地下水位漏斗與地表形變的空間對應(yīng)關(guān)系表明二者具有較好的一致性，但并非所有的地下水位漏斗都存在地面沉降。

3)本文通過對地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)與地表形變結(jié)果的分析，建立了地下水位波動與地表形變的回歸模型。

4)本文揭示了該地區(qū)地下水位變化與地表形變間的影響規(guī)律，對指導地下水開采和防治地面沉降具有一定的參考價值。

需要說明的是，研究中用到的SAR數(shù)據(jù)時間采樣密度還相對較稀疏，所用地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)還偏少，今后還需收集更多的地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)、融合多源傳感器SAR數(shù)據(jù)獲取高時間密度的地表形變信息，對地下水位變化與地面形變間的影響規(guī)律做更深入的研究。

[1] 劉玉海,陳志新,牛富俊.大同市地面沉降特征及地下水開采的環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報,1999,9(2):155-160. Liu Y H,Chen Z X,Niu F J.Characteristics of land subsidence and environmental geology effects induced by groundwater exploration in Datong City[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,1999,9(2):155-160.

[2] 昝雅玲.大同市區(qū)地下水開采與地裂縫形成的關(guān)系[J].中國煤田地質(zhì),2006,18(6):26-29. Zan Y L.Relation between ground fissure formation and ground water mining in urban Datong[J].Coal Geology of China,2006,18(6):26-29.

[3] 李樹德,袁仁茂.大同地裂縫災(zāi)害形成機理[J].北京大學學報:自然科學版,2002,38(1):104-108. Li S D,Yuan R M.The formation mechanism of ground fissure in Datong City[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2002,38(1):104-108.

[4] 呂繼峰.大同市地下水開采對地裂縫活動的影響[J].內(nèi)江科技,2004,25(3):79-80. Lü J F.The influence on ground fissures activities by groundwater exploitation[J].Neijiang Science and Technology,2004,25(3):79-80.

[5] 任建國,龔衛(wèi)國,焦向菊.山西大同市地裂縫的分布特征及其發(fā)展趨勢[J].山西地震,2004(3):39-42. Ren J G,Gong W G,Jiao X J.Distribution characteristics of ground fissure in Datong and its development trend[J].Earthquake Research in Shanxi,2004(3):39-42.

[6] 常玉萍.大同市區(qū)供水水源區(qū)地下水動態(tài)分析[J].山西水利科技,2004(3):72-74. Chang Y P.Ground water regime analysis in water supply area of Datong City[J].Shanxi Hydrotechnics,2004(3):72-74.

[7] 范建明.大同市區(qū)地下水超采引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題與相應(yīng)對策研究[J].地下水,2003,25(1):19-20. Fan J M.The study on the environmental and geographic problems and counter measures against over-tapping of city ground water of Datong[J].Ground Water,2003,25(1):19-20.

[8] 高英利.大同市水資源開發(fā)利用的建議與措施[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2013(10):1-3,41. Gao Y L.Suggestions and measures for Datong City water resources development and utilization[J].Water Conservancy Planning and Design,2013(10):1-3,41.

[9] Lanari R,Mora O,Manunta M,et al.A small-baseline approach for investigating deformations on full-resolution differential SAR interferograms[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2004,42(7):1377-1386.

[10]Berardino P,Fornaro G,Lanari R,et al.A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2002,40(11):2375-2383.

[11]Usai S.A least squares database approach for SAR interferometric data[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2003,41(4):753-760.

[12]Hooper A.A multi-temporal InSAR method incorporating both persistent scatterer and small baseline approaches[J].Geophysical Research Letters,2008,35(16):L16302.

[13]Hooper A,Segall P,Zebker H.Persistent scatterer InSAR for crustal deformation analysis,with application to Volcán Alcedo,Galápagos[J].Journal of Geophysical Research,2007,112(B7):B07407.

[14]Samake M,Tang Z H,Hlaing W,et al.Assessment of groundwater pollution potential of the Datong Basin,northern China[J].Journal of Sustainable Development,2010,3(2):140-152.

(責任編輯： 邢宇)

Study of land subsidence and groundwater activity using SBAS time-series analysis

YANG Chengsheng, LIU Yuanyuan, AO Meng

(CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China)

The Datong Basin located at the northern end of the Fenwei Basin is a serious land subsidence area. The groundwater exploitation is an important factor responsible for the land subsidence. However, the study of the correlation between the groundwater activities and the land subsidence in this area is very insufficient. In order to investigated the relationship between the groundwater and the land subsidence, the authors monitored the characteristics of Datong land subsidence deformation by using small baseline subset(SBAS) InSAR technique with Envisat ASAR images. At the same time, the corresponding spatial-temporal relations between the ground subsidence center and the groundwater funnel were studied. Two models illustrating relationships between the ground subsidence and the groundwater funnel were built. The research shows that underground water exploitation is a major factor responsible for land subsidence in Datong; nevertheless, not all the underground water exploitation can cause land subsidence. This study has a good reference value for guiding the production and control of the underground water exploitation and land subsidence.

small baseline subset(SBAS); ground subsidence; InSAR; Datong; groundwater exploitation

2013-12-17；

2014-04-23

國家自然科學基金項目(編號： 41304016，41274004，41372375及41274005)、地震專項基金項目(編號： 201208009)、國家“973計劃”項目(編號： 2014CB744703)及陜西省自然科學基礎(chǔ)研究項目(編號： 2014JQ5185)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.20

楊成生,劉媛媛,敖萌.基于SBAS時序分析的大同地面沉降與地下水活動研究[J].國土資源遙感,2015,27(1):127-132.(Yang C S,Liu Y Y,Ao M.Study of land subsidence and groundwater activity using SBAS time-series analysis[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1):127-132.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0127-06

楊成生(1982-)，男，博士，主要從事InSAR地面沉降等研究。 Email： ycsgps@163.com。