利用時序InSAR分析城市地面沉降

張星星

【摘 要】山西太原市清徐縣是山西一個地面沉降較嚴重的區(qū)域，城鎮(zhèn)化發(fā)展和地下水開采是該區(qū)域地面沉降發(fā)生的一個重要原因。為了監(jiān)測該地區(qū)地面沉降的及其誘因，該文基于哨兵數(shù)據(jù)，利用短基線集（smallbaselinesubset，SBAS）-InSAR技術(shù)對交城-清徐縣地面沉降形變特征進行監(jiān)測;定量分析4處沉降漏斗及其原因。研究表明，城鎮(zhèn)化和地下水開采是該區(qū)域地面沉降的主要誘因。該研究成果對指導(dǎo)該地區(qū)地下水開采及合理城鎮(zhèn)化發(fā)展并控制地面沉降有一定參考價值。

【關(guān)鍵詞】SBAS-InSAR;地面沉降;時空分析

地面沉降包括地陷和地面下沉，指地面的下沉運動或者垂直變形，其特征表現(xiàn)為地下松散地層壓縮固結(jié)。主要是由自然因素和人類活動引起，進入20世紀以來，近年來我國的地面沉降呈現(xiàn)大面積區(qū)域性擴展，其影響范圍廣、防治難度大、形成之后往往難以恢復(fù)。一方面，地面沉降破壞了土地的自然狀態(tài)，降低了土地的使用價值;另一方面，水平移動和不均勻沉降會破壞地基的穩(wěn)定性，導(dǎo)致沉降區(qū)域內(nèi)建筑物、工程、水利、交通設(shè)施、農(nóng)田等產(chǎn)生裂縫和扭曲形變，威脅人民生命財產(chǎn)安全，給生產(chǎn)和生活帶來很大影響[1]。至2015年底全國有94個市425個區(qū)縣地面沉降大于10mm/a，沉降面積高達12萬平方千米，其中9省24市發(fā)生了50mm/a的嚴重沉降，影響面積達5860平方千米，由此造成的損失更是無法估算[2]。與發(fā)達國家相比，我國地面沉降現(xiàn)象發(fā)生晚、發(fā)展快、缺乏有效控制措施，年沉降速率大[3]。例如我國地面沉降災(zāi)害發(fā)育最嚴重的北京平原地區(qū)，在1992-2014年間，最大沉降速率由48mm/a增加到152mm/a，沉降面積也由265.41平方千米增加到433.25平方千米。針對地面沉降災(zāi)害日趨嚴重的情況，如何有效監(jiān)測和控制災(zāi)害的發(fā)展是十分迫切的工作，且對后續(xù)災(zāi)害治理具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

一、研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省清徐縣與交城縣交界處，地勢西北高，東南低，呈西陡向東緩展布，依次分為中低山區(qū)、山前洪積扇、傾斜平原和沖擊平原，山區(qū)和平川分別約占總面積的1/3和2/3;沒有明顯的丘陵區(qū);土壤分為山地褐土、草甸土兩個類型。境內(nèi)海拔差異較大，山區(qū)800米以上，北部最高點廟前山高達1841米，平原780米以下，南部最低點汾河出境口常豐一帶僅753米，相對高差1088米。

二、實驗結(jié)果分析

（一）數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

本文收集了覆蓋研究區(qū)域的29景哨兵數(shù)據(jù)進行研究區(qū)的地面沉降監(jiān)測，時間跨度為2018-2019年，哨兵數(shù)據(jù)空間分辨率為520，軌道重訪周期為12天，且存檔數(shù)據(jù)豐富，可以很好的應(yīng)用于地面形變監(jiān)測。

由于原始數(shù)據(jù)量較大，處理起來比較繁瑣，因此將29景原始哨兵影像數(shù)據(jù)進行裁剪得到研究區(qū)域，選取時間基線閾值為40天和空間基線閾值為160m，共生成100對小基線差分干涉對，得到時空基線連接圖;小基線集（SBAS-InSAR）技術(shù)是一種在傳統(tǒng)InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，通過時間序列對形變進行監(jiān)測的方法，有效克服了時空失相干以及大氣效應(yīng)的影響，真正做到長時間、高精度、高效率地監(jiān)測地面沉降。該技術(shù)主要包括3個部分：選擇主影像并自由組合基線較短的主從影像對;生成不同時間序列的干涉圖子集;利用奇異值分解法進行數(shù)據(jù)反演得到歷史形變量。

（二）地面沉降結(jié)果分析

研究區(qū)2018年4月-2019年3月年地表沉降形變速率。：研究區(qū)的沉降范圍主要集中在四個區(qū)域（圖3（b）），分別是P1（夏家營鎮(zhèn)），P2（夏家營村），P3（賈兆村），P4（油房堡村），沉降形變速率在-50～-20mm/a（正值表示地表上升，負值表示地表下降）。夏家營鎮(zhèn)和夏家營村的沉降范圍為-50～-20mm/a，是整個研究區(qū)沉降最為嚴重的地方，年平均沉降速率達到-50mm/a，工業(yè)區(qū)以及居民小區(qū)都集中在該地區(qū)，工業(yè)用水以及生活用水都需要地下水，地下水開采嚴重以及地面負荷的增加是夏家營鎮(zhèn)沉降漏斗形成的主要原因;油房堡村沉降漏斗位于研究區(qū)的東北方向，該區(qū)域的年平均沉降速率達到-40mm/a，近年來城鎮(zhèn)化發(fā)展較為迅速，城市擴張以及城鎮(zhèn)化建設(shè)是該地區(qū)地表沉降的主要原因。賈兆村的年平均沉降速率在-40～-20mm/a之間，處于比較穩(wěn)定的階段。

（三）研究區(qū)地表沉降時空變化分析

利用時序特征點分析研究區(qū)的地表沉降能夠較為直觀地看出各特征點以及重點區(qū)域的沉降時空變化過程，選擇四處不同沉降區(qū)域進行時序特征分析，結(jié)果如下：總體來看研究區(qū)域地表沉降不均勻較為明顯，賈兆村、夏家營鎮(zhèn)和油房堡村沉降相對穩(wěn)定，最大累積沉降為15mm。夏家營村出現(xiàn)明顯的沉降漏斗，最大累積沉降量分別達到22mm。如果長期人為地、大量地開采地下水，會容易導(dǎo)致地下水位下降，從而導(dǎo)致孔隙水壓力的降低，土壤層的有效應(yīng)力會増加，松軟土層就會被壓縮、產(chǎn)生形變，從而引發(fā)地面沉降。另一方面，從中可以看出，研究區(qū)地面沉降較為嚴重夏家營鎮(zhèn)和夏家營村的主要分布有一些工廠廠房和住宅區(qū)樓房。工業(yè)區(qū)廠房的存在說明地下水會被大量開采，人為地集中開采地下水這一行為導(dǎo)致了地表發(fā)生形變。同時，住宅區(qū)的分布則說明高建筑物密度的增加導(dǎo)致了地表表面負荷增加，也會導(dǎo)致地面沉降。因此這可以看出城市化進程也是導(dǎo)致研究區(qū)地面沉降的一個原因。研究結(jié)果可以看出，夏家營村城區(qū)沉降較為明顯，出現(xiàn)明顯的沉降漏斗，特征點沉降量成逐年增加趨勢，研究時段內(nèi)該區(qū)域的最大累積沉降達到22mm;夏家營村沉降區(qū)的沉降量隨時間變化慢慢增加，該地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展較為迅速，工業(yè)和生活用水基本來自地下水的開采，過度開采地下水和工業(yè)的快速發(fā)展是該地區(qū)沉降的主要原因。

三、結(jié)論

研究采用SBAS-InSAR技術(shù)對交城-清徐縣交界處的29幅哨兵影像數(shù)據(jù)進行處理，揭示了研究區(qū)2018-2019年的地表沉降時空變化特征，得到如下結(jié)論。2018-2019年研究區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯的不均勻沉降，賈兆村和油房堡村地表沉降相對平穩(wěn)，平均沉降速率-30～-20mm/a。夏家營鎮(zhèn)和夏家營村是研究區(qū)區(qū)兩個最大沉降漏斗，年平均沉降速率分別達到了-50～-20mm/a。研究區(qū)地下水的過度開采、地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)是研究區(qū)區(qū)地表沉降的主要因素，同時也是導(dǎo)致該地區(qū)地表沉降范圍和幅度不斷增大的主要原因。將SBAS-InSAR處理結(jié)果應(yīng)用于城市地表沉降的監(jiān)測能有效防止地表沉降過大導(dǎo)致的各種危害，給我們提前預(yù)警做好準備。

【參考文獻】

[1]劉國林，張連蓬，成樞，江濤，合成孔徑雷達干涉測量與全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合監(jiān)測礦區(qū)地表沉降的可行性分析，測繪通報，（2005）10-13.

[2]張玲，全國地面沉降InSAR調(diào)查與監(jiān)測工程進展介紹，國土資源遙感，（2017）91-91.

[3]秦同春，程國明，王海剛，國際地面沉降研究進展的啟示，地質(zhì)通報，37（2018）503-509.

[4]李偉軒，時序InSAR技術(shù)的地面沉降監(jiān)測應(yīng)用研究，in，西安科技大學(xué)，2019.