基于遙感分析的延安新區(qū)平山造城工程地面沉降及植被恢復(fù)特征研究*

蒲川豪 許 強(qiáng) 趙寬耀 蔣亞楠 郭 鵬 杜鵬川 袁 爽

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059，中國(guó))

0 引 言

黃土是具有水敏性和結(jié)構(gòu)性的區(qū)域性特殊土，在我國(guó)的西北地區(qū)分布廣泛。隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略、“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)以及城市發(fā)展的需要，黃土高原地區(qū)正進(jìn)行一系列重大工程建設(shè)，如平山造城、治溝造地、固溝保塬等，其作用速度和強(qiáng)度遠(yuǎn)超地質(zhì)營(yíng)力，對(duì)其地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響，使得黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱性問(wèn)題進(jìn)一步加劇，并導(dǎo)致災(zāi)變不斷發(fā)生。

延安地處黃土高原的中南部丘陵溝壑區(qū)，城區(qū)密集分布在一個(gè)“Y”字形的主川道中，城市發(fā)展空間不足嚴(yán)重制約著延安的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。因此，延安采取“中疏外擴(kuò)、上山建城”的發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)行平山造城工程從而建造總占地面積為78.5ikm2的新區(qū)(杜光利，2012)。在濕陷性黃土溝壑地區(qū)進(jìn)行規(guī)模如此宏大的巖土工程，其所處工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，濕陷性黃土具有特殊的結(jié)構(gòu)特征和工程特性，同時(shí)又具有超大土石方量、高填方、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜及相互影響因素多等特點(diǎn)，使得延安新區(qū)的工程建設(shè)與災(zāi)害防控問(wèn)題突出。

平山造城工程涉及大量高填方工程，根據(jù)填方區(qū)場(chǎng)地有無(wú)側(cè)限約束條件，可將填方工程分為在新區(qū)“U”型或“V”型溝谷內(nèi)填土的側(cè)限填方，以及填方區(qū)與溝谷交界處的無(wú)側(cè)限填方(黃雪峰等，2014)，工程災(zāi)害類(lèi)型主要分別是地面沉降和填方邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題。對(duì)于延安新區(qū)，地面沉降對(duì)其工程規(guī)劃建設(shè)及未來(lái)持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。已有研究表明，地面沉降包括填方體自身沉降以及原地基的沉降，主要沉降為填方體自身的沉降，施工期沉降主要是土體孔隙氣體壓縮以及排出產(chǎn)生的壓密變形，在施工間歇期及工后沉降主要是土體的排水固結(jié)(葛苗苗等，2017)。高填方沉降受原始地基及填土自身工程性質(zhì)、填方區(qū)幾何形態(tài)、施工工藝技術(shù)、邊界條件及周?chē)牡刭|(zhì)條件等多種因素控制，而非飽和填方體的排氣條件是影響其沉降發(fā)展的關(guān)鍵因素(杜偉飛等，2019)。

對(duì)填方土體的變形特性及濕陷特征研究是確定施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)方式、工后地面沉降預(yù)測(cè)、地基設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。影響壓實(shí)黃土變形特性的因素非常復(fù)雜，許多學(xué)者通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)延安新區(qū)的壓實(shí)黃土變形特性進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)度與含水率是壓實(shí)黃土變形特性的重要影響因素，減小含水率以及增大壓實(shí)度，均能在一定程度上提高土的抗壓縮性(黃雪峰等，2014；李旭東等，2015；孔洋等，2018)。濕陷變形是指黃土在某一壓力作用下變形達(dá)到穩(wěn)定后，由于含水率增加而產(chǎn)生的附加變形(張?zhí)K民等，1990；楊玉生等，2017)。延安新區(qū)不同深度的回填壓實(shí)黃土均有濕陷性，而且均存在峰值濕陷系數(shù)(殷鶴等，2016)，濕陷系數(shù)隨壓力變化存在一個(gè)峰值，隨含水率增加而降低，同時(shí)對(duì)黃土的壓實(shí)可顯著降低濕陷系數(shù)，最終將其轉(zhuǎn)換為非濕陷性黃土(劉穎瑩，2018)。填方土體的強(qiáng)度是影響地面沉降和高填方邊坡穩(wěn)定性的重要因素，因此也有學(xué)者對(duì)延安新區(qū)填方土體的抗剪強(qiáng)度以及變形強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)研究。通過(guò)對(duì)延安新區(qū)回填壓實(shí)黃土在不同條件下的直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明壓實(shí)度、含水率及黏粒含量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響明顯，現(xiàn)場(chǎng)回填壓實(shí)黃土相比室內(nèi)制備的壓實(shí)黃土具有更高的抗剪強(qiáng)度(李旭東等，2018)。通過(guò)對(duì)延安新區(qū)原狀及重塑黃土進(jìn)行一系列控制基質(zhì)吸力的三軸剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)初始干密度和基質(zhì)吸力越大，重塑黃土的剪脹性越顯著，強(qiáng)度越高(高登輝，2016)。

圖 1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location map of Yan’an New District

許多學(xué)者對(duì)延安新區(qū)的回填壓實(shí)黃土的壓縮變形、濕陷特性以及強(qiáng)度特征進(jìn)行了大量的研究，但在濕陷性黃土溝壑地區(qū)實(shí)施平山造地，建設(shè)城市新區(qū)少有先例，因此對(duì)于此類(lèi)工程的災(zāi)害特征、防控原則等幾乎沒(méi)有開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究?？紤]到平山造城是未來(lái)土地資源短缺地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展的必然趨勢(shì)，不可避免地會(huì)遇到一系列地質(zhì)災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。基于此，本文基于SBAS-InSAR技術(shù)以及結(jié)合遙感數(shù)據(jù)處理對(duì)延安新區(qū)平山造城工程工后地面沉降及植被恢復(fù)特征進(jìn)行了分析，并對(duì)平山造城工程的沉降影響因素及防控原則進(jìn)行初步探討，為此類(lèi)工程的規(guī)劃建設(shè)以及災(zāi)害動(dòng)態(tài)防控提供參考依據(jù)。

1 平山造城工程概況

延安新區(qū)平山造城工程位于陜西省延安市清涼山北麓、寶塔山東南以及鳳凰山西側(cè)的黃土溝壑地帶，是通過(guò)“削山、填溝、造地、建城”，將黃土溝壑地區(qū)整理成新區(qū)建設(shè)用地(圖 1)。計(jì)劃用10年時(shí)間，最終整理出78.5ikm2的新區(qū)建設(shè)面積，從而建造一個(gè)兩倍于目前城區(qū)的新城(杜光利，2012)。按照“依托老城，沿川展開(kāi)，整流域治理”的原則，確定了延安新區(qū)北區(qū)、東區(qū)及西區(qū)3大片區(qū)。其中，北區(qū)的規(guī)劃面積為38ikm2，東區(qū)規(guī)劃面積為32.3ikm2，西區(qū)規(guī)劃面積為8.2ikm2。延安的“平山造城”工程是目前世界上在濕陷性黃土溝壑地區(qū)規(guī)模最大的巖土工程，在世界建城史上也少有先例。延安新區(qū)(北區(qū))一期項(xiàng)目已于2012年4月17號(hào)正式開(kāi)工建設(shè)，因此后面主要依據(jù)延安新區(qū)北區(qū)(后文簡(jiǎn)稱延安新區(qū))的平山造城工程為研究對(duì)象，以原始地形分水嶺為研究區(qū)邊界(圖 1)。

研究區(qū)出露的主要地層為第四系黃土，但是受地表水等作用的影響，黃土厚度變化較大，一般為10～100im之間，最大厚度可達(dá)150im。根據(jù)其沉積時(shí)間，黃土由老到新依次分為中更新統(tǒng)離石黃土、上更新統(tǒng)馬蘭黃土以及全新統(tǒng)坡積層和洪積層。在研究區(qū)西南和東南側(cè)深切河谷處出露有延河一級(jí)階地，二元結(jié)構(gòu)較清晰，上覆馬蘭、離石黃土，下伏基巖為侏羅系砂巖、泥巖。

如此宏大的平山造城工程建設(shè)相當(dāng)于在黃土溝壑地區(qū)進(jìn)行一次“大手術(shù)”，其中潛藏了許多的不確定風(fēng)險(xiǎn)。由于延安新區(qū)平山造城工程地處濕陷性黃土地區(qū)，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，而濕陷性黃土具有特殊的結(jié)構(gòu)特征和工程特性，同時(shí)又具有超大土石方量、高填方、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜及相互影響因素多等特點(diǎn)，在水和外部荷載作用下極易導(dǎo)致土體濕陷變形，從而造成填方工程和地基的不均勻沉降甚至邊坡失穩(wěn)。研究延安新區(qū)平山造城工程工后地面沉降及植被恢復(fù)特征，及其沉降機(jī)理與防控原則，是延安新區(qū)工程建設(shè)中一項(xiàng)亟需解決的重要現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2 研究方法

2.1 目視解譯數(shù)據(jù)源及內(nèi)容

研究區(qū)所使用的影像數(shù)據(jù)主要為歷史多期(包括2012年1月、2013年1月、2014年3月、2015年5月、2015年10月、2016年11月、2017年11月、2018年6月)Google Earth光學(xué)遙感影像，空間分辨率為0.48im。

對(duì)延安新區(qū)平山造城工程基本特征的解譯基于ArcGis 10.1人機(jī)交互平臺(tái)進(jìn)行精細(xì)化人工目視解譯，在前期詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查以及前人資料上，依據(jù)2012年的遙感影像解譯出延安新區(qū)原始地形的分水嶺、溝谷發(fā)育特征、流域分區(qū)等，然后依據(jù)2013年及以后的遙感影像對(duì)平山造城工程總范圍、建筑工程的范圍及分布、工程邊坡的分布特征等進(jìn)行詳細(xì)解譯。選取挖、填方工程界限明顯的典型遙感影像(如2013年1月)，依據(jù)此影像對(duì)挖填方工程進(jìn)行詳細(xì)的解譯，以此分析挖填方工程與建筑工程分布關(guān)系等。

2.2 基于資源三號(hào)衛(wèi)星立體像對(duì)的DEM數(shù)據(jù)提取原理

資源三號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首顆民用三線陣高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星，其配備三線陣測(cè)繪相機(jī)和多光譜相機(jī)，包括2.1im空間分辨率的正視全色相機(jī)，3.5im分辨率的前后視相機(jī)，以及一臺(tái)空間分辨率為5.8im的多光譜相機(jī)，幅寬52ikm。資源三號(hào)衛(wèi)星三線陣立體相機(jī)可以進(jìn)行同軌成像，避免了由于異軌影像時(shí)間差異而不能很好匹配的缺陷(蘭穹穹等，2015)。

立體像對(duì)提取DEM的原理可以簡(jiǎn)單理解為在天空中不同位置的兩個(gè)或者多個(gè)已知坐標(biāo)的傳感器(相當(dāng)于人的雙眼)對(duì)同一個(gè)地面點(diǎn)進(jìn)行拍攝，當(dāng)天空中傳感器的位置確定了之后，就會(huì)在地面點(diǎn)形成一個(gè)夾角，夾角越小說(shuō)明拍攝的地物點(diǎn)高程越低，反之，夾角越大地物點(diǎn)高程就越高。當(dāng)解算出所有地面點(diǎn)的坐標(biāo)值后，就得到了數(shù)字高程模型。如圖 2所示，攝影基站S1和S2相當(dāng)于人的雙眼，A、B、C分別是地面上的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，而b則是空間攝影基線。A、B、C 3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在S1、S2上分別形成像點(diǎn)a1、b1、c1以及a2、b2、c2，通過(guò)幾何關(guān)系就可以解算出A、B、C 3點(diǎn)的空間位置(王樹(shù)根，2009；李陽(yáng)，2015)。

圖 2 基于立體像對(duì)提取DEM原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of extracting DEM based on stereo image pair

目前國(guó)內(nèi)外大部分遙感軟件都基于立體像對(duì)提取DEM的原理開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的DEM提取模塊，而且提取過(guò)程簡(jiǎn)單、高效，精度不斷提升。本文利用TitanImage8.0軟件(試用版)中的DEM提取工具，數(shù)據(jù)為資源三號(hào)衛(wèi)星的前視數(shù)據(jù)和后視數(shù)據(jù)，以及包含有理函數(shù)信息的RPC文件。依據(jù)資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在延安新區(qū)一共能夠獲取到2013年、2015年、2016年及2017年4期DEM數(shù)據(jù)，以在地理空間數(shù)據(jù)云獲取的原始地形DEM數(shù)據(jù)為參照對(duì)象，基于遙感影像處理軟件ENVI5.3自動(dòng)尋找同名點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，提高DEM數(shù)據(jù)的可靠性。

2.3 SBAS-InSAR原理

SBAS-InSAR技術(shù)是基于多主影像的一種InSAR時(shí)間序列分析方法，利用較短的時(shí)空基線干涉對(duì)來(lái)提取地表形變時(shí)間序列(Chaussard et al.，2014)，極大限度地避免了由時(shí)空基線過(guò)長(zhǎng)而引起的失相干現(xiàn)象，同時(shí)減小了地形對(duì)差分的影響(張靜等，2018)。SBAS-InSAR技術(shù)基本原理：首先對(duì)覆蓋某個(gè)地區(qū)不同時(shí)間段的多景SAR影像計(jì)算時(shí)間和空間基線，選擇合適的時(shí)間基線和空間基線閾值進(jìn)行干涉組合；然后對(duì)形成的干涉對(duì)進(jìn)行差分干涉處理以及相位解纏；最后根據(jù)干涉圖形成子集的情況，對(duì)所有干涉圖組成的相位方程采用奇異值分解法(SVD)或者最小二乘法獲取形變時(shí)間序列。在實(shí)際處理中常會(huì)采用高斯濾波器進(jìn)行時(shí)空濾波，去除大氣延遲的影響從而分離出非線性形變，估算的低頻形變以及非線性形變的總和即為整個(gè)研究區(qū)的地表形變信息(朱建軍等，2017)。

為了獲取延安新區(qū)平山造城建設(shè)工后地表變形特征，本文選取時(shí)間范圍為2017年12月1日至2018年12年20日的32景C波段(5.63icm) Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)延安新區(qū)平山造城工程范圍內(nèi)的地表形變時(shí)間序列進(jìn)行提取分析。采用分辨率為30im的SRTM DEM數(shù)據(jù)用作外部DEM數(shù)據(jù)以去除干涉圖的地形相位。SBAS-InSAR技術(shù)處理流程主要包括差分干涉對(duì)的選擇與生成，選擇相干點(diǎn)目標(biāo)，干涉紋圖的相位解纏以及延安新區(qū)地表形變時(shí)間序列的獲取(Samsonov et al.，2011)。

2.4 NDVI

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，歸一化差分植被指數(shù))是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，可以準(zhǔn)確反映地表植被覆蓋狀況，其與植被覆蓋有關(guān)且與植被分布密度呈線性相關(guān)。目前，基于SPOT/VEGETATION以及MODIS等衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)提取的NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)已經(jīng)在各區(qū)域的植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、土地利用及植被覆蓋變化檢測(cè)、宏觀植被覆蓋分類(lèi)和凈初級(jí)生產(chǎn)力估算等研究中得到了廣泛的應(yīng)用(徐新良，2018)。

植物由于其葉子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，在紅光波段(R)具有較強(qiáng)的吸收特征，但對(duì)近紅外波段(NIR)反射強(qiáng)烈，而且對(duì)近紅外波段的反射隨著植被增加而增加。因此可依據(jù)兩個(gè)波段反射率的數(shù)學(xué)變換來(lái)描述植被狀況(NDVI)：

(1)

表 1 延安新區(qū)流域面積統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistics of Yan’an New District watershed area

編號(hào)123456789101112131415總面積/km2面積/km24.160.462.661.140.543.752.010.650.852.671.1410.474.710.554.6040.37

式中：NIR和R分別為近紅外波段和紅波段處的反射率值；NDVI值隨植被覆蓋度增大而增大(孫家抦，2013)。為了分析延安新區(qū)平山造城工程對(duì)植被環(huán)境的影響，選取延安新區(qū)多期(2013年7月30日、2015年8月29日、2018年5月25日)高分一號(hào)遙感影像進(jìn)行NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)的提取，定量分析延安新區(qū)的植被覆蓋變化特征。

圖 3 延安新區(qū)流域分布圖Fig. 3 Watershed distribution of the Yan’an New District

3 結(jié)果與分析

3.1 平山造城工程基本特征研究

延安新區(qū)原始地形呈黃土高原丘陵溝壑地貌，溝谷水系發(fā)育，地形以梁、峁為主。工程范圍多以分水嶺為界，因此按分水嶺和水系的展布特征可將延安新區(qū)所處區(qū)域分為15個(gè)流域(圖 3)，每個(gè)流域中含有多級(jí)支溝，總流域面積為40.37ikm2，最大流域?yàn)?2號(hào)流域，面積為10.47ikm2，約占總流域面積的26%(表 1)。從空間分布上看，延安新區(qū)的西部地區(qū)主要分布著相對(duì)中小型的流域，數(shù)量多面積小，地形條件復(fù)雜，工程地質(zhì)問(wèn)題突出。

延安新區(qū)平山造城工程范圍包括平山造城總范圍(即挖填方工程總范圍)以及建筑工程總范圍。選取典型遙感影像對(duì)延安新區(qū)平山造城工程總范圍進(jìn)行逐年解譯(圖 4)?？梢悦黠@看出，平山造城工程范圍變化呈現(xiàn)出從12號(hào)流域向周?chē)鷶U(kuò)展，后期逐漸向北東方向擴(kuò)展，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查，延安新區(qū)工程范圍內(nèi)的西南地區(qū)多已經(jīng)進(jìn)行了邊坡防護(hù)工程。

圖 4 延安新區(qū)工程范圍變化圖Fig. 4 Extension of the projects in Yan’an New District

圖 5 工程建設(shè)范圍隨時(shí)間變化曲線Fig. 5 Variations of engineering range with time

利用ArcGis軟件對(duì)延安新區(qū)平山造城總面積及建筑工程總面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其隨時(shí)間變化曲線如圖 5。延安新區(qū)平山造城總面積從2012年工程開(kāi)工隨時(shí)間呈先急劇增加，至2015年增大的趨勢(shì)逐漸趨緩，截至2018年6月延安新區(qū)(北區(qū))工程范圍總面積已達(dá)22.31ikm2。而又由遙感影像解譯可知延安新區(qū)建筑工程始于2013年，且至2014年建筑工程同樣急劇增加，延安新區(qū)平山造城工程總范圍與建筑范圍隨時(shí)間變化規(guī)律具有較好的一致性，但是相對(duì)平山造城總范圍，建筑范圍隨時(shí)間變化呈現(xiàn)一定的滯后性，即建筑范圍急劇增加階段相對(duì)平山造城總范圍滯后約2ia，這段時(shí)間是填方體的自然沉降固結(jié)期(圖 5)。

圖 6 延安新區(qū)建筑范圍分布圖Fig. 6 Construction scope distribution of Yan’an New District

由2013年1月時(shí)的Google Earth影像可以清晰解譯出填方范圍，此時(shí)平山造城工程范圍主要位于12號(hào)流域(圖 4a)，填方面積約3.17ikm2，占12號(hào)流域的33%，填方體區(qū)域沿著溝谷展布，山脊挖方和溝谷填方與流域水系呈明顯的相關(guān)性(圖 6)。以12號(hào)流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，依據(jù)此流域內(nèi)的填方范圍分析與后期建筑工程分布的關(guān)系。將填方區(qū)域與建筑工程范圍疊加后可以發(fā)現(xiàn)早期(如2015年10月)建筑工程主要沿原始地形分水嶺處集中分布(圖 6a)，少量分布在填方區(qū)域之外的兩條支溝中間，由遙感影像可以看出此時(shí)填方區(qū)域主要為草地。從2018年6月時(shí)的建筑工程分布圖可以看出建筑工程的分布同樣與原始地形特征有關(guān)(圖 6b)，表現(xiàn)為建筑工程主要分布在原始地形分水嶺處以及填方區(qū)之外的挖方區(qū)，但此時(shí)已有部分建筑在填方體上修建。

3.2 平山造城工程沉降特征研究3.2.1 平山造城工程潛在災(zāi)害隱患單元

延安新區(qū)建設(shè)場(chǎng)地填方區(qū)面積大，填方體厚度大，黃土對(duì)水的特殊敏感性和多孔性、大孔隙結(jié)構(gòu)特性又使得其具有較強(qiáng)的濕陷特征，因此在后期工程建設(shè)中將會(huì)出現(xiàn)諸多因挖、填方區(qū)域分布所造成的不可預(yù)見(jiàn)的工程災(zāi)變問(wèn)題。依據(jù)填方區(qū)場(chǎng)地有無(wú)側(cè)限約束，可將潛在災(zāi)害隱患類(lèi)型分為在新區(qū)“U”型或“V”型溝谷內(nèi)填土的側(cè)限填方處的地面沉降問(wèn)題，以及填方區(qū)與溝谷交界處的無(wú)側(cè)限填方的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。

平山造城工程范圍內(nèi)的地形相對(duì)其他區(qū)域較平坦，總體呈現(xiàn)西北高東南低的趨勢(shì)，工程范圍的分布與變化受地形影響明顯。基于資源三號(hào)衛(wèi)星立體像對(duì)提取的多期分辨率為5im的數(shù)字高程模型(DEM)，通過(guò)對(duì)多期DEM數(shù)據(jù)差分處理分析，可以明顯看出DEM差分結(jié)果與Google Earth影像解譯的填方范圍基本一致(圖 6，圖 7a)，驗(yàn)證了DEM數(shù)據(jù)的可靠性。挖填方工程的分布與水系緊密相關(guān)，填方工程主要沿著溝谷展布，挖方工程主要沿原始地形分水嶺展布，挖、填方體最大厚度均超過(guò)90im，是潛在的地面沉降高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(圖 7)。

延安新區(qū)平山造城工程建設(shè)中，無(wú)論是削山、填溝、造地甚至建城，都會(huì)涉及到黃土邊坡。因此，黃土邊坡穩(wěn)定性對(duì)于延安新區(qū)平山造城工程的整個(gè)過(guò)程都尤為重要，利用典型遙感影像對(duì)工程范圍內(nèi)已有的工程邊坡進(jìn)行解譯，分析邊坡分布特征，可以為邊坡災(zāi)害防控提供依據(jù)。

圖 7 延安新區(qū)地形變化圖Fig. 7 Topographic changes of Yan’an New Districta. 2001年～2013年11月17日地形變化圖；b. 2013年11月17日～2015年5月12日地形變化圖；c. 2015年5月12日～2017年10月13日地形變化圖；d. 2001年～2017年10月13日地形變化圖

延安新區(qū)工程邊坡幾乎分布于整個(gè)工程范圍的邊界處，其中主要以西部溝壑地區(qū)為主(圖 8)。延安新區(qū)工程邊坡類(lèi)型可以分為分布在溝谷兩側(cè)和分水嶺處經(jīng)過(guò)人工削方、放坡等工程處理而形成的削方邊坡，以及填方區(qū)域與溝谷交界處的填方邊坡。

延安新區(qū)的西南地區(qū)溝谷相對(duì)發(fā)育，而且單個(gè)流域范圍小，地形地貌條件相對(duì)復(fù)雜，在此地區(qū)主要分布著沿溝谷兩側(cè)且與溝谷走向一致的人工削方邊坡。在每個(gè)流域的溝谷與平山造城工程交叉處為填方范圍，因此在交叉處主要分布著人工填方邊坡。在延安新區(qū)的北部地區(qū)還分布著在分水嶺周?chē)?jīng)人工削方而形成的削方邊坡。

圖 8 延安新區(qū)工程邊坡分布圖Fig. 8 Distribution of artificial slope in Yan’an New District

圖 9 研究區(qū)2017～2018年形變速率圖Fig. 9 Average 2017～2018 map of ground deformation rate in Yan’an New District

3.2.2 平山造城區(qū)地面沉降特征分析

3.3 平山造城工程植被恢復(fù)特征研究

圖 10 延安新區(qū)NDVI值變化圖Fig. 10 Variation of NDVI inYan’an New District

通過(guò)NDVI提取結(jié)果可知，延安新區(qū)植被覆蓋情況逐年增加，植被分布情況也隨時(shí)間逐漸均勻(圖 10)。在2013年7月時(shí)延安新區(qū)正值挖填方工程，植被覆蓋差，NDVI值范圍主要為0～0.25，僅在小范圍區(qū)域超過(guò)0.5，平均值為0.023(圖 10a)；至2015年8月，延安新區(qū)的植被覆蓋明顯增加，主要分布在主要造城區(qū)以及工程邊界處，NDVI值范圍主要為0～0.5，整個(gè)工程范圍內(nèi)NDVI平均值0.076，相比2013年NDVI平均值增長(zhǎng)230%。工程范圍邊界處的NDVI值最大，范圍為0.5～0.75，植被恢復(fù)明顯(圖 10b)；延安新區(qū)2018年5月的NDVI值范圍主要為0.125～0.625，NDVI平均值為0.105，相比2015年增長(zhǎng)38%，其中邊坡工程段的植被恢復(fù)程度最大，相比2015年增長(zhǎng)了50%(圖 10c)。雖然延安新區(qū)工程建設(shè)對(duì)植被環(huán)境造成了一定程度的破壞，但是延安新區(qū)建設(shè)重視城區(qū)綠化率建設(shè)，2013～2018年延安新區(qū)NDVI平均值增長(zhǎng)近4.57倍，植被分布情況也逐漸均勻(圖 10d)，逐步實(shí)現(xiàn)了植被環(huán)境的修復(fù)和合理配置。從現(xiàn)有的植被恢復(fù)情況上看，延安新區(qū)建設(shè)過(guò)程中一系列綠化措施有利地緩解了西北地區(qū)自然環(huán)境較為惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱的問(wèn)題(段漢明，2001)。

圖 11 研究區(qū)地面沉降的影響因素Fig. 11 Factors affecting land subsidence in the study areaa. 2017～2018年地面沉降與原始地形的關(guān)系；b. 2017～2018年地面沉降與道路建筑的關(guān)系；c. 工程邊坡處2017～2018年地面沉降；d. 工程邊坡處2018年NDVI值

4 討 論

4.1 平山造城工程地面沉降影響因素

延安新區(qū)的主要沉降區(qū)域集中分布在12號(hào)及13號(hào)流域的填方區(qū)域內(nèi)，而且填方區(qū)域的沉降速率明顯高于挖方區(qū)等其他區(qū)域。地面沉降分布與原始地形呈明顯的相關(guān)性(圖 11a)，越靠近原始溝谷中心，地面沉降速率越高，即表明填方體厚度越大，地面沉降現(xiàn)象越顯著。此外，主要地面沉降區(qū)與建筑范圍以及交通公路的分布也具有一定的相關(guān)性(圖 11b)，位于填方區(qū)內(nèi)的建筑及公路對(duì)應(yīng)的地面沉降速率更高，而且主要沉降區(qū)域沿填方區(qū)內(nèi)的建筑及公路展布。相比填方區(qū)的地表變形，分布著主要建筑工程的挖方區(qū)地面沉降現(xiàn)象反而不明顯。原狀黃土由于在歷史形成過(guò)程中所形成的特殊結(jié)構(gòu)，如土體細(xì)微顆粒間接觸點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間物理化學(xué)作用所形成的膠結(jié)等，使得原狀黃土往往具有較好的力學(xué)性質(zhì)。在填方工程中，由于填土過(guò)程中的重塑，改變了自然可壓縮性黃土的物理性質(zhì)(如大孔隙、結(jié)構(gòu)松散、濕陷性等)(Chen et al.，2018)，從而使得填土區(qū)重塑黃土中的大孔隙在自重、降雨、建筑以及循環(huán)交通荷載等作用下被壓縮。而其下伏原狀黃土又具有明顯的次固結(jié)特性(郅彬等，2018)，在上覆填土荷載作用下也會(huì)產(chǎn)生一定的壓縮變形，最終在填土和原狀黃土的共同壓縮變形下導(dǎo)致大量的地面沉降，而填方體厚度是決定地面沉降分布與大小的主要控制因素(董琪等，2016)。此外，在工程建設(shè)后，原始水文地質(zhì)條件的改變，包括壓實(shí)黃土堵塞原始地下水排泄通道從而造成地下水位上升等，都會(huì)引起高填方體和原始黃土地基的進(jìn)一步附加沉降。

另外，基于InSAR形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，延安新區(qū)的工程邊坡大多處于穩(wěn)定狀態(tài)，地面變形速率在10imm·a-1范圍內(nèi)，僅在延安新區(qū)西部邊界區(qū)域的工程邊坡存在局部的不均勻沉降(圖 11c)。通過(guò)NDVI結(jié)果可知，延安新區(qū)工程邊坡的植被恢復(fù)情況明顯，在2015～2018年邊坡工程段的植被增長(zhǎng)50%(圖 11d)，說(shuō)明植被覆蓋對(duì)于延安新區(qū)工程邊坡的穩(wěn)定具有一定的影響。

4.2 平山造城地面沉降防控原則

延安新區(qū)大規(guī)模的挖填方工程帶來(lái)大量建設(shè)用地的同時(shí)，也極易引發(fā)一系列的地質(zhì)問(wèn)題。根據(jù)前文對(duì)平山造城工程動(dòng)態(tài)演變、沉降特征及沉降影響因素的分析，平山造城工程地面沉降可以從工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)4個(gè)階段進(jìn)行綜合災(zāi)變防控。

工程規(guī)劃階段，由于地面沉降主要受填方工程的控制，因此早期建筑選址應(yīng)盡量避免填方區(qū)域和挖填方交界處，優(yōu)先選擇原始地形分水嶺等挖方區(qū)域。

工程設(shè)計(jì)階段，盡管建筑工程建設(shè)時(shí)間相對(duì)挖填方工程有2ia的滯后期，但是由2017～2018年新區(qū)地面沉降特征可以看出，目前填方區(qū)仍存在大量持續(xù)的不均勻沉降。因此，建議填方區(qū)在沉降穩(wěn)定之前可以進(jìn)行一些綠化工程，直到填方體沉降穩(wěn)定后才在其上進(jìn)行建筑工程的建設(shè)。同時(shí)，壓實(shí)黃土不具備原狀黃土的特殊大孔隙結(jié)構(gòu)，不具有產(chǎn)生濕陷變形的基本條件，但大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)壓實(shí)黃土仍然具有濕陷性(陳開(kāi)圣，2006)，甚至還有研究認(rèn)為在相同干密度和含水率條件下，填方過(guò)程中土層的反復(fù)壓實(shí)作用不足以完全消除黃土的濕陷特征，壓實(shí)黃土的壓縮性和濕陷性還要大于原狀黃土(伍石生等，1997；Chen et al.，2018)。因此，在此階段還可以設(shè)計(jì)防止地表水入滲和地下水位上升的綜合控水系統(tǒng)，因地制宜地提出虹吸排水、豎井、地下廊道、盲溝等綜合排水措施，防止過(guò)量濕陷沉降以及產(chǎn)生潰散性失穩(wěn)的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)，從而防治由于地下水位不斷升高而導(dǎo)致的濕陷沉降、滑移、潰散性失穩(wěn)破壞，以及內(nèi)部侵蝕等災(zāi)變發(fā)生(金艷麗等，2007；許強(qiáng)等，2016；Xu et al.，2019)。

工程施工階段，對(duì)平山造城工程的全過(guò)程進(jìn)行多元立體監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握填方區(qū)的地表及深部變形、地下水、土壓力、水壓力等的基本量值及其發(fā)展演化特征及趨勢(shì)，并及時(shí)通過(guò)調(diào)整優(yōu)化原工程設(shè)計(jì)方案，避免和防治工程災(zāi)變的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)信息化施工和反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)，并基于監(jiān)測(cè)結(jié)果依據(jù)數(shù)值模擬、深度機(jī)器學(xué)習(xí)等手段進(jìn)一步對(duì)工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，設(shè)計(jì)綜合排水系統(tǒng)、利用壓(夯)實(shí)等手段保證填土壓實(shí)度以及適當(dāng)減緩填筑速度可有利于減小工后沉降量，而合理布設(shè)排氣通道則可減少達(dá)到沉降穩(wěn)定所需的時(shí)間(杜偉飛等，2019)。

工程運(yùn)營(yíng)階段，進(jìn)一步完善多元立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平山造城工程的長(zhǎng)期持續(xù)觀測(cè)，結(jié)合多元立體綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果，持續(xù)分析研究地面沉降在內(nèi)外動(dòng)力作用下(降雨、外部荷載等)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，充分考慮工程建筑物的承災(zāi)能力，建立地面沉降時(shí)-空預(yù)警模型及其相應(yīng)的工程調(diào)控應(yīng)對(duì)策略和機(jī)制。

5 結(jié) 論

遙感影像記錄有不同時(shí)期的工程范圍和分布特征，利用歷史多期遙感影像可以對(duì)工程的宏觀分布規(guī)律及其隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行分析，從而對(duì)以后的工程選址和災(zāi)害防控提供參考依據(jù)。本文基于遙感數(shù)據(jù)分析結(jié)合SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)延安新區(qū)平山造城工程地面沉降及植被恢復(fù)特征進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)依據(jù)水系、分水嶺的展布將延安新區(qū)工程范圍分為15個(gè)流域，其中最大的12號(hào)流域?yàn)橹饕斐菂^(qū)，建筑工程面積隨時(shí)間的變化滯后挖填方工程約兩年，此間隔時(shí)間為填方體的自然沉降固結(jié)期。

(2)利用資源三號(hào)衛(wèi)星立體像對(duì)提取的延安新區(qū)DEM分辨率可達(dá)5im，差分處理分析得到填方區(qū)域沿著原始地形的溝谷展布，延安新區(qū)挖、填方體最大厚度均超過(guò)90im。

(3)延安新區(qū)平山造城工程潛在災(zāi)害隱患類(lèi)型分為地面沉降和邊坡失穩(wěn)兩類(lèi)。延安新區(qū)2017～2018年最大沉降速率達(dá)45imm·a-1，主要地面沉降區(qū)域集中分布在12號(hào)及13號(hào)流域的填方區(qū)域內(nèi)，主要建筑工程所處的挖方區(qū)地面沉降反而不明顯，工程邊坡僅在延安新區(qū)西部邊界區(qū)域存在局部的不均勻沉降。

(4)延安新區(qū)2013～2015年NDVI平均值增長(zhǎng)230%，2015～2018年增長(zhǎng)50%，植被分布逐漸均勻，逐步實(shí)現(xiàn)了植被環(huán)境的修復(fù)和合理配置。

(5)填方工程中黃土的重塑及其物理性質(zhì)的改變是填方區(qū)地面沉降主要內(nèi)在因素，而填方體厚度是地面沉降分布與大小的主要控制因素。