基于PS-InSAR技術(shù)的珠海市地面沉降監(jiān)測分析

賴 波，江金進，劉 佳

(1.廣東省珠海工程勘察院,廣東 珠海 519000;2.廣東省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊,廣東 珠海 519000)

近些年,珠海市經(jīng)濟發(fā)展迅速,西部中心城區(qū)及周邊平原區(qū)因工程建設活動引發(fā)的地面沉降災害日趨嚴重。段梅[1]、任偉燦[2]、王雙等[3-4]對珠海市地面沉降現(xiàn)狀、影響因素及形成機理進行了分析總結(jié);任偉燦[5]、梁向陽[6]、張琢[7]對珠江三角洲地區(qū)地面沉降特征、防治措施及沉降預測進行了研究;張杏清[8]、高輝等[9]、戴宜韋等[10]運用PS-InSAR技術(shù)開展了珠江三角洲地區(qū)地面沉降監(jiān)測應用研究。以上研究涉及的研究區(qū)面積大且精度較低,針對珠海市地面沉降的詳細監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析成果較少。為查清珠海市地面沉降具體分布范圍及沉降速率,本文采用PS-InSAR技術(shù)進行地面沉降監(jiān)測分析，提取了珠海市地面沉降信息。本次監(jiān)測分析成果與地面實地調(diào)查現(xiàn)象基本吻合,可為珠海市地質(zhì)災害防治規(guī)劃、國土空間規(guī)劃等工作提供科學依據(jù)。

1 珠海市軟土分布概況

珠海市除山地、丘陵及臺地外,地貌單元以沖積平原和海積平原為主。沖積平原主要分布在前山、磨刀門、泥灣門、雞啼門和虎跳門等河道兩側(cè),沉積物以淤泥和淤泥質(zhì)砂為主。海積平原主要分布在沿海海灣、海島周邊和人工圍墾而成的平原區(qū),沉積物以淤泥為主。珠海市軟土按沉積成因可分為濱海相、三角洲相和內(nèi)陸相三類。濱海相軟土主要分布于海積平原的海灣地段和海島周邊,為近代海退所形成的淺海堆積物,分布范圍廣,厚度大,為珠海市最主要的軟土層。三角洲相軟土主要分布在沖積平原的河道兩側(cè)。內(nèi)陸相軟土主要分布于山(臺)前洼地或河谷地段。

珠海市軟土分布較厚地區(qū)主要為珠海西區(qū)(包括白蕉鎮(zhèn)、三灶鎮(zhèn)、紅旗鎮(zhèn)、平沙鎮(zhèn)、南水鎮(zhèn)等)和橫琴新區(qū)中部地區(qū)。軟土多裸露于地表或伏于填土之下,土體結(jié)構(gòu)呈單層或多層結(jié)構(gòu)，成分以灰—深灰色淤泥質(zhì)砂或砂質(zhì)淤泥為主,夾薄層粘土或砂土。軟土厚度一般為8～40 m,最大厚度>50 m,具有近山薄、近海厚的規(guī)律(圖1)。

圖1 珠海市軟土厚度等值線圖Fig.1 Map of the thickness of soft soil in Zhuhai city

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 星載SAR數(shù)據(jù)源

采用31景Sentinel-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行地面沉降形變監(jiān)測分析。該影像數(shù)據(jù)具有短重復周期、大幅寬、多極化等特點,在城市建筑物密集區(qū)的地面沉降監(jiān)測方面效果顯著[11-12]。本次數(shù)據(jù)獲取時間跨度為2017年3月—2018年4月(圖2),采用干涉寬幅(IW)數(shù)據(jù)成像模式,極化方式為VV極化,所處波段為C波段(表1)。

表1 Sentinel-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)信息表Table 1 Sentinel-1 satellite image data information table

2.2 高程數(shù)據(jù)參考

為提高監(jiān)測數(shù)據(jù)精度,需使用精度較高的地面高程模型作為InSAR處理流程中的地形相位去除參考數(shù)據(jù)。本次分析采用美國航空航天局(NASA)提供的SRTM全球高精度DEM產(chǎn)品作為高程參考數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。

2.3 數(shù)據(jù)處理平臺

對獲取的SAR數(shù)據(jù)采用瑞士GAMMA軟件進行干涉處理,提取地面沉降信息。該軟件可分成五個部分：組件式SAR處理器(MSP)、干涉SAR處理器(ISP)、差分干涉和地理編碼(DIFF&GEO)、土地利用工具(LAT)、干涉點目標分析(IPTA)。

2.4 數(shù)據(jù)處理流程

近些年,珠海市為建設宜居宜業(yè)城市,著力開發(fā)西部中心城區(qū),城市化范圍逐步擴大。雖然城市化程度較高,建筑物密集，地物的散射特性好,但珠海市植被覆蓋率普遍較高,加之河網(wǎng)、魚塘密布，形成了較為特殊的地表環(huán)境,因此在數(shù)據(jù)處理時需要進行精細的誤差去除。PS-InSAR數(shù)據(jù)處理可分為4個步驟：數(shù)據(jù)預處理、差分干涉計算、時間/空間域形變估計和形變量計算[13-15],具體數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

圖3 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Flowchart of PS-InSAR data processing

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 地面沉降現(xiàn)狀

根據(jù)InSAR技術(shù)獲取的珠海市2017—2018年高精度地表形變圖(圖4)可知,珠海市主要分布2個地面沉降區(qū),即斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降區(qū)和平沙地面沉降區(qū)。斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降區(qū)沉降中心速率為30 mm/a,造成該地區(qū)沉降速率大的原因是其東西兩側(cè)均為河道(東側(cè)為西江,西側(cè)為黃楊河和坭灣門水道),形成的軟土較厚,成分以灰—深灰色淤泥質(zhì)砂或砂質(zhì)淤泥為主,加上后期工程建設加大地表荷載和城區(qū)居民抽取地下水,造成地面沉降速率過快。平沙地面沉降區(qū)沉降中心速率為10 mm/a,其沉降速率較大原因是其西側(cè)為黃茅海,區(qū)域內(nèi)軟土較厚,成分同樣以灰—深灰色淤泥質(zhì)砂或砂質(zhì)淤泥為主,且沉降區(qū)內(nèi)分布一處溫泉旅游勝地,該旅游勝地抽取地下水可能是其發(fā)生沉降的主要原因之一。

圖4 珠海市2017—2018年地面沉降監(jiān)測形變圖Fig.4 Deformation map of land subsidence monitoring in Zhuhai city from 2017 to 2018

實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，西部中心城區(qū)及其周邊地區(qū)地勢平坦,該地區(qū)地面沉降范圍約3.9 km2，人類工程活動以城市建設、市政建設為主。新建工程開展前一般采取了有效的軟基處理措施來消弱地面沉降的產(chǎn)生,但紅旗鎮(zhèn)部分工業(yè)園區(qū)地面沉降十分明顯，主要表現(xiàn)為場區(qū)地坪開裂、市政道路起伏、市政管線變形等(照片1、照片2)。

照片1 地坪開裂Photo 1 Current situation of floor cracking

照片2 市政管線變形Photo 2 Deformation of municipal pipeline

3.2 地面沉降機理分析

根據(jù)《地面沉降干涉雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程》(DD 2014—11)關于地面沉降嚴重程度的分級要求(表2)來看，珠海市地面沉降嚴重程度較高地區(qū)面積約0.5 km2,主要分布于高欄港經(jīng)濟區(qū)南水鎮(zhèn)以南地區(qū),存在2個沉降中心;地面沉降嚴重程度中等地區(qū)面積約14 km2,主要分布于斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)和高欄港經(jīng)濟區(qū)南水鎮(zhèn),其中斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)沉降區(qū)面積約11 km2,存在3個沉降中心,呈北西向串珠狀分布;高欄港經(jīng)濟區(qū)南水鎮(zhèn)沉降區(qū)面積約2 km2,存在2個沉降中心,呈北東向啞鈴狀分布；地面沉降嚴重程度較低面積約128 km2，其中面積最大的沉降區(qū)為斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降區(qū),共存在5個沉降中心;其次為平沙地面沉降區(qū),其它各區(qū)零星分布(圖5)。

圖5 珠海市InSAR地面沉降監(jiān)測速率分布圖Fig.5 Map of the monitoring rate of InSAR ground subsidence in Zhuhai city

表2 地面沉降嚴重程度分級Table 2 Grading the severity of ground subsidence

通過PS-InSAR地面沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，珠海市地面沉降空間分布以點源地面沉降為主,大部分地區(qū)(包括香洲區(qū)、橫琴新區(qū)、高新區(qū))地面沉降趨于穩(wěn)定。沉降速率最大地區(qū)位于高欄港經(jīng)濟區(qū)南水鎮(zhèn),年均沉降速率達到50 mm/a，該地區(qū)廣泛分布海陸交互相的淤泥質(zhì)砂或砂質(zhì)淤泥,目前仍處于土地自重沉降狀態(tài),其完全沉降穩(wěn)定需要較長時間；該地區(qū)存在兩個地面沉降漏斗中心,并且漏斗間存在連通現(xiàn)象。斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降速率最大達到30 mm/a,存在多個沉降中心,其中沉降速率在10～30 mm的地區(qū)已經(jīng)連通,說明該地區(qū)同樣存在多個地面沉降漏斗連通成片趨勢。

通過地面沉降時間序列圖(圖6)可知，珠海市地面沉降存在季節(jié)性變化,白蕉鎮(zhèn)、南水鎮(zhèn)沉降區(qū)地表形變在2017年7月—9月均出現(xiàn)抬升或減緩現(xiàn)象,可能為梅雨季節(jié)降水補給引起的地表抬升現(xiàn)象,但隨著周邊人為抽取地下水,地表形變逐漸恢復至原有沉降趨勢。

圖6 珠海市地面沉降時間序列圖Fig.6 Time series of ground subsidence in Zhuhai city

綜上所述，珠海市形成地面沉降的原因主要分為內(nèi)因和外因兩個方面，其中軟土分布較厚、物理力學性質(zhì)差是發(fā)生沉降的內(nèi)因，外因主要包括人為抽取地下水導致水位下降、上覆荷載增大、固結(jié)處理措施不當?shù)葞讉€方面。珠海市地面沉降發(fā)生的范圍與軟土分布范圍高度穩(wěn)合，沉降深度與軟土的高含水量、孔隙比、高壓縮性等有緊密聯(lián)系。而人類工程活動對地面沉降的影響主要表現(xiàn)在抽排地下水、填土加載、建筑物加載和機械動荷載等情況[16-17]。

4 結(jié)論

本文采用PS-InSAR技術(shù)對獲取的珠海市31景Sentinel-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行形變監(jiān)測分析,提取了珠海市地面沉降信息，顯示珠海市主要分布斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)和平沙2個地面沉降區(qū),其中斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降區(qū)沉降中心速率為30 mm/a，平沙地面沉降區(qū)沉降中心速率為10 mm/a。對地面沉降機理進行了簡要分析,認為沉降區(qū)軟土分布較厚、物理力學性質(zhì)差是引起地面沉降的內(nèi)因，而人為活動抽排地下水、工程建設增大上覆荷載等是外因，可為珠海市地質(zhì)災害防治規(guī)劃、國土空間規(guī)劃等提供科學依據(jù)。