基于SBAS-InSAR的西安市魚化寨地區(qū)地面沉降與地裂縫時(shí)空演變特征研究*

孫月敏 楊天亮 盧全中④⑤ 劉 聰④⑤ 占潔偉④⑤

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054，中國(guó))(②自然資源部地面沉降監(jiān)測(cè)與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072，中國(guó))(③上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072，中國(guó))(④西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054，中國(guó))(⑤自然資源部地裂縫與地面沉降野外科學(xué)觀測(cè)研究站，西安 710054，中國(guó))

0 引 言

地面沉降和地裂縫是影響城市發(fā)展的兩種典型緩變型地質(zhì)災(zāi)害。世界上許多國(guó)家和地區(qū)，例如中國(guó)、美國(guó)、墨西哥等都出現(xiàn)過地面沉降、地裂縫造成的嚴(yán)重環(huán)境地質(zhì)問題(耿大玉等，2000; 張阿根等，2000; Peng et al.，2020a,2020b; 盧全中等，2021)。我國(guó)的汾渭盆地、河北平原以及長(zhǎng)江三角洲等地區(qū)長(zhǎng)期遭受地面沉降和地裂縫危害，累計(jì)經(jīng)濟(jì)損失超百億(殷躍平等，2005; 盧全中等，2013; 蘭恒星等，2019; 喬建偉等，2020)。

西安地處中國(guó)西北部和汾渭斷陷盆地中部，受臨潼—長(zhǎng)安斷裂的影響，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈(張家明，1990; 朱立峰等，2005; 劉陽等，2020)。自20世紀(jì)50年代末開始，為滿足城市發(fā)展所需的生產(chǎn)生活用水需求，西安市開始大規(guī)模抽取地下水，由此，西安市出現(xiàn)嚴(yán)重的地面沉降和地裂縫現(xiàn)象。西安地面沉降區(qū)共存在14條近平行的地裂縫，這些地裂縫穿越工廠、民房，橫切地下洞室、路基，造成建筑破壞、機(jī)器停轉(zhuǎn)、道路變形、管道破裂，嚴(yán)重制約著西安市的建設(shè)用地使用和城市規(guī)劃(石明，2009)。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)于地面沉降和地裂縫的研究，主要著眼于監(jiān)測(cè)手段、時(shí)序演化、成因機(jī)理等方面(孫剛臣等，2008; 李寧，2010; 王啟耀等，2014; 趙強(qiáng)，2019; 馮文凱等，2020; 蒲川豪等，2020)。在監(jiān)測(cè)研究方面，隨著InSAR技術(shù)的發(fā)展和精度的提高，其已成為水準(zhǔn)測(cè)量、GPS監(jiān)測(cè)和分層標(biāo)監(jiān)測(cè)等傳統(tǒng)城市地表變形研究方法的重要補(bǔ)充。在地面沉降地裂縫時(shí)序演化研究方面，祝意青等(2005)通過對(duì)1972～2002年水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，獲得西安地區(qū)地面沉降發(fā)展規(guī)律，并通過分層標(biāo)數(shù)據(jù)揭示地面沉降與地下水開采具有強(qiáng)的相關(guān)性；張勤等(2009)利用GPS和InSAR測(cè)量技術(shù)研究了2005～2007年西安地區(qū)地面沉降和地裂縫的演化特征，發(fā)現(xiàn)地裂縫和地面沉降在時(shí)空活動(dòng)和分布方面都存在明顯的關(guān)聯(lián)性；Qu et al.(2014)利用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)2005～2012年西安市地面沉降的時(shí)空演變特征進(jìn)行了研究；張建軍等(2017)對(duì)西安市西南郊魚化寨段f4地裂縫活動(dòng)特征及地面沉降現(xiàn)狀進(jìn)行研究，提出淺層承壓含水巖組中的粉細(xì)砂的滲透變形和弱透水層中(特別是淤泥質(zhì)土)釋水壓密是引起地面沉降地裂縫最主要因素，且建筑荷載、地鐵的修建運(yùn)營(yíng)對(duì)地裂縫和地面沉降影響也不容忽視；Peng et al.(2019)基于SBAS-InSAR技術(shù)，對(duì)2012～2018年西安地區(qū)地面沉降和地裂縫的現(xiàn)狀開展了分析，并對(duì)地面沉降、地裂縫與地下水開采之間的關(guān)系進(jìn)行了定性和定量描述。關(guān)于西安市地面沉降與地裂縫的形成機(jī)理，不同學(xué)者持有不同的看法，目前較為公認(rèn)的觀點(diǎn)是構(gòu)造活動(dòng)和地下水過量開采的復(fù)合成因(彭建兵等，2007; Peng et al.，2020a，2020b)。

已有研究表明，地裂縫的空間分布與演化特征與地面沉降之間存在顯著相關(guān)性(吳在寶等，1986; Peng et al.，2016)。西安市地面沉降與地裂縫最早均于20世紀(jì)50年代末被發(fā)現(xiàn)(朱慕仁等，1982; 閆文中，1998)，截至2000年，其發(fā)展均經(jīng)歷以下3個(gè)階段：1959～1972年初始發(fā)展階段，1972～1983年加速發(fā)展階段，1983～1997年緩慢發(fā)展階段(朱立峰等，2005; 趙超英等，2009)。隨著地下水開采結(jié)構(gòu)趨于合理以及政府一系列干預(yù)措施的實(shí)施，地面沉降和地裂縫總體變化較之前趨于平緩，前人關(guān)于2000年至今長(zhǎng)時(shí)間序列地面沉降和地裂縫時(shí)空演變規(guī)律的研究相對(duì)較少。

隨著國(guó)內(nèi)大中型城市加速發(fā)展和擴(kuò)張，以及一系列地面沉降與地裂縫治理措施的實(shí)施，城市地面沉降和地裂縫的空間分布呈現(xiàn)出逐年變化，準(zhǔn)確掌握現(xiàn)今城市地面沉降和地裂縫隨城市建設(shè)發(fā)展的時(shí)空演變特征，對(duì)于城市規(guī)劃及災(zāi)害防治具有重要意義。本文以西安市高新區(qū)魚化寨周邊地面沉降和地裂縫活動(dòng)為研究對(duì)象，采用3種不同衛(wèi)星的SAR數(shù)據(jù)，綜合SBAS-InSAR處理結(jié)果及前人研究成果，獲取研究區(qū)1992～2020近30年間地面沉降和地裂縫活動(dòng)的時(shí)空演變規(guī)律，并揭示該區(qū)域地裂縫空間分布現(xiàn)狀及成因機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西安市魚化寨周邊區(qū)域，研究范圍介于108°49′26.57″～108°55′43.83″，34°11′34.51″～34°15′57.82″(圖1)。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12～13.6 ℃，年均降水量563.59 mm。區(qū)域內(nèi)以河流階地為主，覆蓋層多為孔隙發(fā)育的中壓縮性黃土狀土和松散的素填土。水文地質(zhì)條件屬于松散的多層多孔含水層系統(tǒng)，地下水由孔隙潛水、淺層承壓水和深層承壓水組成。承壓含水層含水巖組由第四系中下更新統(tǒng)沖洪積、沖湖積粉質(zhì)黏土與砂、砂礫石層不等厚互層組成(張建軍等，2017，2018)。

截至2020年，區(qū)內(nèi)分布有f4、f5、f6、f7、f8 5條近平行的地裂縫，整體呈NEE走向(圖1)。

圖1 1992～2020年研究區(qū)內(nèi)地裂縫空間分布演化

研究區(qū)屬西安高新區(qū)經(jīng)濟(jì)圈。改革開放至今，高新區(qū)經(jīng)濟(jì)得到了飛速的發(fā)展，大批租房客涌入位于高新區(qū)邊緣的魚化寨，高峰時(shí)居住人口超過20萬，為西安市最大的城中村之一。從谷歌地球歷史影像資料來看(圖2)，自2000年之后，魚化寨村民大興土木，民房建設(shè)速度史無前例，區(qū)內(nèi)建筑物密度顯著提高，并且房屋加蓋情況突出。2018年11月魚化寨正式開始拆遷改造，于2020年基本完成拆遷工作(圖2d)。

圖2 研究區(qū)城市建設(shè)發(fā)展演化(數(shù)據(jù)來源于谷歌地球歷史影像)

2 研究方法

為了揭示1992～2020年間研究區(qū)地面沉降和地裂縫的發(fā)展情況，本文選取來自3個(gè)衛(wèi)星的104景SAR影像，包括4景降軌ERS1/2數(shù)據(jù)(1992.7～1993.3)、33景降軌Envisat數(shù)據(jù)(2003.12～2010.9)和67景Sentinel-1A數(shù)據(jù)(2015.6～2020.8)，3種數(shù)據(jù)的詳細(xì)情況及覆蓋范圍分布見表1和圖3。同時(shí)使用NASA提供的分辨率為30 m的SRTM數(shù)據(jù)作為外部DEM，使用AUX_POEORB精密軌道星歷參數(shù)對(duì)Sentinel-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，采用荷蘭代夫特對(duì)地空間研究中心提供的軌道數(shù)據(jù)對(duì)ERS和Envisat數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

表1 3種SAR數(shù)據(jù)基本參數(shù)

圖3 研究區(qū)及SAR影像覆蓋范圍

利用SARscape軟件，基于SBAS-InSAR模塊對(duì)獲得的3種SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。第1步，通過設(shè)置合適的時(shí)間和空間基線閾值，獲得滿足要求的干涉相對(duì)。接下來，使用SRTM 30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)消除地形相位的影響，生成差分干涉圖。3種數(shù)據(jù)源均采用Goldstein方法濾波，采用最小費(fèi)用流法進(jìn)行相位解纏。經(jīng)過SBAS兩次反演，估算并去除大氣及殘余地形造成的誤差后，得到研究區(qū)年均沉降速率及時(shí)序地表變形結(jié)果。

3 結(jié) 果

3.1 研究區(qū)地面沉降和地裂縫活動(dòng)特征

3.1.1 地面沉降速率及沉降區(qū)的時(shí)空演化

圖4 1992～2020研究區(qū)平均沉降速率圖(地裂縫分布為2017年分布情況)

3.1.2 地裂縫時(shí)空變化特征

結(jié)合圖4及已有研究成果(張勤等，2009; 彭建兵，2012; 張建軍等，2018)，繪制1992～2020年研究區(qū)內(nèi)地裂縫空間演化圖(圖1)。從圖1中可以看出，時(shí)間上，本研究區(qū)內(nèi)地裂縫多為2000年之后發(fā)現(xiàn)或出露的裂縫；空間上，研究區(qū)內(nèi)地裂縫總體呈沿走向方向擴(kuò)展的趨勢(shì)，自東向西不斷擴(kuò)展。

從整個(gè)西安地裂縫發(fā)展階段來看，2000～2010年，屬于西安地裂縫特別是西安南郊地區(qū)地裂縫加速活動(dòng)的時(shí)期(彭建兵，2010)。盡管該階段西安市主管部門采取黑河供水、禁采地下承壓水等一系列措施減輕地面沉降和地裂縫災(zāi)害的影響，但由于該階段西安南郊城中村外來人口大幅增加，使得本階段南郊地下承壓水仍處于大幅度抽取狀態(tài)，導(dǎo)致地裂縫的超?；顒?dòng)，呈現(xiàn)圖1中的發(fā)展趨勢(shì)。獲得的InSAR結(jié)果(圖4)也可以驗(yàn)證以上描述。

從圖4b可以觀測(cè)到，相較于20世紀(jì)90年代，2005～2010年間，f4、f5、f6、f8地裂縫兩側(cè)均有明顯的差異沉降現(xiàn)象，差異沉降的不斷累積使得該區(qū)域地裂縫活動(dòng)速率增加。從圖4c中可以看出，f7地裂縫兩側(cè)差異沉降明顯，可能導(dǎo)致地裂縫的異?；顒?dòng)，與之前的調(diào)查結(jié)果基本吻合。

3.2 魚化寨地面回彈情況分析

為詳細(xì)研究魚化寨地面回升特點(diǎn)及機(jī)制，利用2018～2020年獲取的33景Sentinel-1A數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得魚化寨周邊區(qū)域2018～2020年間的平均沉降速率(圖5)。

圖5 2018～2020年研究區(qū)年平均沉降速率圖

如圖6所示，將2003年來兩個(gè)沉降漏斗中心點(diǎn)處的累計(jì)沉降量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于未獲得研究區(qū)內(nèi)2010～2015年間的InSAR數(shù)據(jù)，故本文利用已有研究結(jié)果歸納總結(jié)區(qū)內(nèi)2010～2015年間地面沉降情況(Qu et al.，2014; Peng et al.，2019)。從圖6及InSAR方法得到的時(shí)序沉降可知，在2018年11月之后，魚化寨周邊區(qū)域地面開始出現(xiàn)回彈。分析原因是因?yàn)樵?018年西安市政府為解決魚化寨沉降問題，在該區(qū)進(jìn)行拆遷和城中村改造，徹底關(guān)停了自備井。將處理過的地表水注入地下含水層，人工補(bǔ)給地下水的回灌措施(陜西華采招標(biāo)有限公司，2018)，也使地面沉降速率減緩直至地面回彈。

圖6 沉降中心累積沉降量(TerraSAR數(shù)據(jù)參考Peng et al.，2019)

3.3 結(jié)果精度驗(yàn)證

由于缺乏水準(zhǔn)測(cè)量、GPS等精確測(cè)量數(shù)據(jù)，因而無法準(zhǔn)確獲得InSAR結(jié)果與實(shí)際變形值的誤差。本文采用與前人研究結(jié)果對(duì)比及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查兩種方法對(duì)InSAR結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

將本文上述結(jié)果與劉琮琮(2011)、彭建兵(2012)及彭米米等(2018)的研究結(jié)果相對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在空間范圍和變化趨勢(shì)上是一致，側(cè)面驗(yàn)證了本文結(jié)論的可靠性。

通過實(shí)地調(diào)查，魚化寨沉降中心處存在明顯的地面沉降現(xiàn)象(圖7a，圖7b)，與InSAR結(jié)果吻合。通過對(duì)同一地點(diǎn)不同時(shí)間的實(shí)地照片與InSAR結(jié)果的對(duì)比分析，判斷InSAR結(jié)果與實(shí)際情況的符合程度。圖7a，圖7b均可看出，地裂縫兩側(cè)存在明顯的差異性沉降，相對(duì)于2013年的變形結(jié)果，2020年觀察到的累計(jì)沉降量增大。從沉降量及沉降速率角度，圖7c，圖7d可以看出，沉降中心外圍在2013～2020年間地表變形微弱，原有裂縫不再擴(kuò)展，與InSAR結(jié)果一致。

圖7 研究區(qū)地面變形特征

4 討 論

4.1 地面沉降與地裂縫的關(guān)聯(lián)關(guān)系

為確定地面沉降與地裂縫的空間分布關(guān)聯(lián)關(guān)系，沿剖面線P1-P1′(圖4b)、P2-P2′(圖4c)提取出2005～2010、2015～2020年間研究區(qū)地面累積沉降量和地裂縫之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，具體見圖8。

圖8 沿剖面線P1-P1′(2003～2010)和P2-P2′(2015～2020)的地面累積沉降量和地裂縫關(guān)聯(lián)關(guān)系

從圖4、圖8中可以看出，研究區(qū)內(nèi)，地面沉降槽被限制在兩條地裂縫之間，地裂縫兩側(cè)存在明顯的差異形變。以上現(xiàn)象表明，西安地面沉降與地裂縫具有一定的伴生關(guān)系，具體表現(xiàn)為：西安市地下承壓水的過量開采導(dǎo)致了地面沉降的迅速發(fā)展，而地面沉降的差異性形變破壞了土壤表面張力，從而加劇了地裂縫的活動(dòng)；另一方面，形成后的地裂縫破壞了地下水流系統(tǒng)的完整性，控制了地面沉降槽水平方向的發(fā)展。此外，結(jié)合InSAR地面沉降速率計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)魚化寨沉降中心仍在擴(kuò)大，因而f4地裂縫還存在向西延伸的可能，具體推測(cè)延伸趨勢(shì)見圖1。

4.2 人類活動(dòng)對(duì)地面沉降和地裂縫活動(dòng)的影響

選取魚化寨沉降區(qū)和電子城沉降區(qū)的沉降中心特征點(diǎn)A和B，結(jié)合SBAS-InSAR技術(shù)及前人研究結(jié)果(Peng et al.，2019)，可獲得區(qū)內(nèi)1992～2020年間沉降中心的變化情況，從而可以用于分析區(qū)內(nèi)沉降中心的時(shí)空演變情況以及在此過程中人類活動(dòng)對(duì)地面沉降和地裂縫活動(dòng)的影響。

圖9 魚化寨、西高新地下水位動(dòng)態(tài)變化曲線圖(董英等，2019)

圖10 沉降中心逐年沉降速率變化圖(虛線框內(nèi)數(shù)據(jù)參考Peng et al.，2019)

隨著城市不斷向四周擴(kuò)展，原先的荒地逐漸變?yōu)樾碌某两抵行?，魚化寨地區(qū)便是典型的例子。2003～2015年，魚化寨地區(qū)沉降迅速增加，增幅較大，可以大致分為穩(wěn)定發(fā)展階段(2003～2010)和快速發(fā)展階段(2010～2015)。據(jù)劉琮琮(2011)調(diào)查顯示，2002～2007年間，魚化寨附近興建了大量成片的住宅區(qū)，各住宅區(qū)的容積率和建筑密度都很高，這一階段，城市建設(shè)對(duì)該區(qū)地面沉降的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。

自2010年來，隨著高新區(qū)城中村改造工作的加速進(jìn)行，大批房客涌入魚化寨，導(dǎo)致用水量急劇增加(圖9)。大量地下水開采使該區(qū)域成為西安市地下水開采最嚴(yán)重的地區(qū)，隨之引起嚴(yán)重的地面沉降現(xiàn)象。在2015年后，魚化寨沉降中心沉降速率逐年明顯放緩，并出現(xiàn)地面回彈現(xiàn)象。

4.3 地面沉降與地裂縫成因機(jī)制分析

由搜集到的鉆孔資料可知，研究區(qū)地層分布情況如下：上層為粉質(zhì)黏土夾細(xì)砂層，厚度約100 m，下層為粗砂，分布有3層承壓含水層，承壓含水層之間為粉質(zhì)黏土形成的相對(duì)隔水層(圖11)。

圖11 抽水引起地面沉降與地裂縫形成機(jī)理及發(fā)展過程示意圖

自然狀態(tài)下，各含水巖組地下水補(bǔ)給和排泄保持平衡，地下水位相對(duì)穩(wěn)定，地面沉降和地裂縫活動(dòng)性較低，且地裂縫多呈隱伏狀態(tài)(圖11a)(彭建兵，2012)。在過量抽取地下承壓含水層的影響下，研究區(qū)內(nèi)形成魚化寨、電子城兩個(gè)沉降中心。根據(jù)有效應(yīng)力原理，隨著孔隙水的排出，作用在承壓含水層內(nèi)粗砂上的有效應(yīng)力增加，砂層壓密。另一方面，由于研究區(qū)內(nèi)承壓含水層與黏性土層形成不等厚互層結(jié)構(gòu)，在開采地下水時(shí)，承壓含水層減壓，黏性土層中的孔隙水在壓力差的驅(qū)動(dòng)下向砂層滲流，孔隙水壓力降低的同時(shí)，有效應(yīng)力增加，黏性土層產(chǎn)生固結(jié)。由于以上因素的綜合影響，在地面表現(xiàn)為地面沉降(圖11b)(彭建兵，2012; 祝意清等，2005)。

曹偉忠(2012)通過對(duì)西安地鐵工程可行性研究階段地鐵線路沿線地裂縫勘察資料分析得出，由于地裂縫的隔水作用，西安地裂縫兩盤地下水位大部分是上盤地下水位較下盤高，故人們?cè)谶x擇抽水井的位置時(shí)，出于成本考慮，會(huì)優(yōu)先選擇地下水位高的地方即地裂縫的上盤(閆育鋒，2014)。上盤抽水活動(dòng)導(dǎo)致地裂縫兩盤水動(dòng)力條件不平衡，且隨著兩側(cè)地面沉降速率差異的增大，原有斷層面上發(fā)生應(yīng)力集中。隨著抽水活動(dòng)的繼續(xù)及城市建設(shè)造成的地面荷載加大，應(yīng)變進(jìn)一步累積，先前存在的斷層發(fā)生重新激活并開始滑動(dòng)或形成新的裂縫，延伸至地表形成地裂縫。地表裂縫的生成又會(huì)加劇裂縫兩盤的不均勻沉降(圖11b，圖11c)。

隨著一系列防治措施的實(shí)施，例如地下水回灌工作的開展(圖11d)，區(qū)內(nèi)地下水位線有所回升，地面沉降和地裂縫垂直變形活動(dòng)減弱。

5 結(jié) 論

借助SBAS-InSAR方法對(duì)104景SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得1992～1993、2003～2010、2015～2020、2018～2020年西安市魚化寨周邊年均地面沉降速率，并對(duì)魚化寨周邊區(qū)域1992～2020年間地面沉降和地裂縫空間演化和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，獲得的結(jié)論如下：

(2)在地下水過量開采的誘發(fā)作用下，研究區(qū)內(nèi)地裂縫多為2000年之后發(fā)現(xiàn)或出露的裂縫，且裂縫呈現(xiàn)沿走向自東向西發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)地裂縫兩側(cè)發(fā)生明顯的差異沉降現(xiàn)象。

(3)過量抽取地下承壓含水層是造成研究區(qū)地面沉降的主要原因。同時(shí)，大規(guī)模的城市建設(shè)及密集的高層建筑所造成的建筑物荷載也會(huì)對(duì)城市地面沉降的發(fā)生產(chǎn)生促進(jìn)作用。

(4)地面沉降和地裂縫具有伴生關(guān)系，兩者的時(shí)空演變規(guī)律相近。地裂縫發(fā)育于地面沉降槽的北側(cè)邊緣，限制了地面沉降槽向北擴(kuò)展，且隨地面沉降槽的發(fā)展而延伸；地面沉降槽的發(fā)展限制于相鄰兩地裂縫之間，表現(xiàn)為長(zhǎng)軸方向與地裂縫方向近平行的橢圓形。