基于SBAS-InSAR技術(shù)的新疆WLL水庫沉降監(jiān)測與分析

張紅忠 黃 靜 崔 龍 阿布都沙拉木·托爾遜 馬立平

1 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊市農(nóng)大東路311號(hào)，830052 2 新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊市農(nóng)大東路311號(hào)，830052 3 新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊市揚(yáng)子江路241號(hào)，830000

近年來， 隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，新型傳感器不斷涌現(xiàn)， InSAR技術(shù)作為一種新型對(duì)地觀測手段，具有精度高、覆蓋范圍廣、全天時(shí)、全天候等優(yōu)勢，被越來越多地應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測、人工建筑物沉降監(jiān)測及滑坡監(jiān)測等方面[1-4]。2002年Berardino等[5]提出小基線集差分干涉測量時(shí)序分析技術(shù)(SBAS-InSAR)，該技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，在大區(qū)域、長時(shí)序的地面沉降監(jiān)測領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，監(jiān)測精度可達(dá)mm 級(jí)[6-8]。

新疆WLL水庫于2005年建成并投入使用，經(jīng)過數(shù)年運(yùn)營，水庫北側(cè)大壩出現(xiàn)較大沉降變形，給水庫安全運(yùn)營帶來極大隱患。為保障大壩安全，WLL水庫自建庫以來持續(xù)采用水準(zhǔn)測量方式進(jìn)行大壩沉降監(jiān)測，但水準(zhǔn)監(jiān)測范圍小、頻次低、周期長、成本高、工作強(qiáng)度大。將InSAR技術(shù)引入WLL水庫大壩沉降監(jiān)測工作，是目前解決傳統(tǒng)沉降監(jiān)測問題的最佳方案。本文基于SBAS-InSAR技術(shù)獲取WLL水庫及周邊區(qū)域地表沉降信息，分析地表沉降影響因素與規(guī)律，可為地表沉降治理和安全事故預(yù)防提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)簡介

新疆WLL水庫距阜康市城區(qū)西約15 km、216國道北約5 km，整個(gè)水庫呈馬蹄形，面積約為23.8 km2，是建在低液限粉土地基上的碾壓式均質(zhì)土壩平原水庫。水庫周圍地形以戈壁為主，周邊分布有工業(yè)區(qū)、住宅小區(qū)以及部分耕地。為消除軌道誤差及地形起伏帶來的影響，使用歐空局ESA提供的精密軌道數(shù)據(jù)(定位精度優(yōu)于5 cm)和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)JAXA發(fā)布的高精度全球DEM數(shù)字地面模型AW3D30(水平分辨率30 m，高程精度5 m)，選取2017-03-14～2020-10-24共48景Sentinel-1A影像作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 精度驗(yàn)證

2.1 內(nèi)符合精度驗(yàn)證

使用相同數(shù)據(jù)源，采用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行解算，獲取研究區(qū)沉降信息。將PS-InSAR沉降速率與SBAS-InSAR沉降速率進(jìn)行求差處理，共計(jì)37 916個(gè)像素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，沉降速率差值在0～5 mm區(qū)間內(nèi)的像素?cái)?shù)為22 330個(gè)，占總像素?cái)?shù)的60%；沉降速率差值在5～10 mm區(qū)間內(nèi)的像素?cái)?shù)為13 666個(gè)，占總像素?cái)?shù)的36%。經(jīng)計(jì)算，二者沉降速率差值中誤差為±5.7 mm。

在WLL水庫大壩不同壩段迎水坡和背水坡選取12個(gè)特征點(diǎn)，在甘泉堡工業(yè)區(qū)、準(zhǔn)東石油基地、農(nóng)田A及農(nóng)田B各選取1個(gè)特征點(diǎn)，共計(jì)16個(gè)特征點(diǎn)(圖1)。根據(jù)PS-InSAR和SBAS-InSAR計(jì)算結(jié)果，提取上述特征點(diǎn)各期累積沉降量，求取兩種方法下同期累積沉降量差值，并根據(jù)式(1)計(jì)算差值中誤差，根據(jù)式(2)計(jì)算二者相關(guān)系數(shù)。

圖1 部分特征點(diǎn)位置分布Fig.1 Location distribution of some of feature points

(1)

式中，Δ為同期PS-InSAR與SBAS-InSAR累積沉降量的差值，n為特征點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(2)

經(jīng)計(jì)算，16個(gè)累積沉降量差值中，最小中誤差為±5.2 mm，最大中誤差為±18.7 mm，誤差均值為±10.5 mm。

2.2 外符合精度驗(yàn)證

InSAR獲取的地面形變結(jié)果是相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)而言的，基準(zhǔn)點(diǎn)就是研究區(qū)內(nèi)其他形變點(diǎn)的參考基準(zhǔn)[9]。SBAS-InSAR計(jì)算時(shí)選擇水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)(一等水準(zhǔn)點(diǎn))作為基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算完成后將形變結(jié)果由雷達(dá)視線方向LOS轉(zhuǎn)換到垂直方向，同時(shí)將同時(shí)段SBAS-InSAR計(jì)算結(jié)果與水準(zhǔn)成果統(tǒng)一投影到WGS-84坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)InSAR與水準(zhǔn)的時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一。

選擇56個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)作為檢驗(yàn)點(diǎn)，根據(jù)2017-11、2018-06和2018-11水準(zhǔn)監(jiān)測成果，分別在同時(shí)段SBAS-InSAR計(jì)算結(jié)果中提取相應(yīng)位置處累積沉降量，根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算PS-InSAR和SBAS-InSAR差值中誤差及相關(guān)系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，上述3期數(shù)據(jù)中，中誤差分別為±3.8 mm、±7.3 mm和±11.9 mm，相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.79和0.82。年均沉降速率方面，二者相關(guān)系數(shù)為0.82，中誤差為±7.5 mm/a。

由內(nèi)、外符合精度驗(yàn)證可知，SBAS-InSAR技術(shù)具有較高可靠性和精度，可滿足WLL水庫大壩及周邊區(qū)域地表沉降監(jiān)測需求。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 大壩沉降分析

WLL水庫大壩軸線總長為17.7 km，將整個(gè)水庫大壩分為西壩、中壩、東壩及南壩4個(gè)壩段。大壩及周邊2 km范圍內(nèi)SBAS-InSAR平均沉降速率及累積沉降量如圖2所示?？傮w上看，大壩及周邊2 km范圍內(nèi)形變區(qū)主要集中在中壩、農(nóng)田B、水產(chǎn)養(yǎng)殖中心和蘇通創(chuàng)業(yè)園。WLL水庫大壩處于整體下沉階段，沉降速率自東南至西北方向逐漸增大，沉降主要集中在中壩。中壩平均沉降速率為-12.0 mm/a，Z4150(為Z4+150簡寫，其含義為：該點(diǎn)距Z4點(diǎn)里程150 m,下文同)～Z5750區(qū)間為沉降最快區(qū)域，最大速率達(dá)-24.6 mm/a。西壩、東壩及南壩下沉速率較小，平均沉降速率分別為-4.1 mm/a、-4.5 mm/a和-3.3 mm/a。

圖2 SBAS-InSAR計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of SBAS-InSAR

為獲得大壩壩體整體沉降數(shù)據(jù)，自WLL水庫大壩中壩Z0處開始，在壩頂間隔200 m取點(diǎn)，提取各點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)，制作2017～2020年累積沉降量圖，如圖3所示(2017-04-07為參考零點(diǎn))。

由圖3可知，中壩沉降量明顯大于其他3個(gè)壩段，尤其是放水涵洞(Z4200)附近。截至2020-10-24，Z4400處最大累積沉降量達(dá)-86.6 mm，平均累積沉降量達(dá)-47.1 mm，西壩、東壩及南壩平均累積沉降量分別為-11.5 mm、-19.5 mm和-9.0 mm。從累積沉降量曲線來看，2017～2020年期年沉降速率逐漸減小，表明WLL水庫沉降趨于穩(wěn)定。

圖3 WLL水庫大壩壩頂2017-04-07～2020-10-24累積沉降量Fig.3 Cumulative settlement of WLL reservoir dam crest from April 7, 2017 to October 24, 2020

大壩周邊2 km范圍內(nèi)，分布有農(nóng)田A、農(nóng)田B、水產(chǎn)養(yǎng)殖中心及蘇通創(chuàng)業(yè)園4個(gè)沉陷區(qū)。其中，農(nóng)田A、農(nóng)田B及蘇通創(chuàng)業(yè)園3處沉降速率及沉降量較大，但距離大壩較遠(yuǎn)，目前沉降影響范圍被戈壁阻斷，未對(duì)大壩造成不利影響；水產(chǎn)養(yǎng)殖中心距離大壩較近，但沉降范圍較小，且沉降速率、沉降量都不大，目前也未對(duì)大壩造成影響。

3.2 周邊典型區(qū)域沉降分析

由圖2可知，甘泉堡工業(yè)區(qū)、準(zhǔn)東石油基地和農(nóng)田B各形成一個(gè)較大沉降漏斗，漏斗中心最大沉降速率分別達(dá)-53.6 mm/a、-36.4 mm/a和-25.0 mm/a；紅柳樹工業(yè)園、蘇通創(chuàng)業(yè)園和阜西工業(yè)區(qū)各形成一個(gè)較小沉降漏斗，漏斗中心最大沉降速率分別達(dá)-25.4 mm/a、-18.9 mm/a和-23.6 mm/a。由于農(nóng)田A相干性較差，大部分地區(qū)沒有解算結(jié)果，但在有解算結(jié)果的農(nóng)田邊緣，最大沉降速率已達(dá)-44.9 mm/a。由此可見，農(nóng)田A也形成了一個(gè)覆蓋范圍廣、下沉速率大的沉降漏斗。

上述沉降漏斗自2017年出現(xiàn)后發(fā)展迅速，沉降范圍及沉降數(shù)值不斷增大。截至2020-10-24，甘泉堡工業(yè)區(qū)、準(zhǔn)東石油基地、農(nóng)田B、紅柳樹工業(yè)園、蘇通創(chuàng)業(yè)園和阜西工業(yè)區(qū)最大累積沉降量分別達(dá)到-195.5 mm、-117.4 mm、-106.4 mm、-98.9 mm、-76.4 mm和-102.2 mm。

3.3 沉降原因探討

3.3.1 地表荷載

1)水庫庫容。WLL水庫設(shè)計(jì)庫容為2.81×108m3，屬大(二)型水庫，最大設(shè)計(jì)庫水位為500 m。在水庫中壩Z1600、Z4000、Z7000處各選擇一個(gè)壩頂點(diǎn)，根據(jù)庫水位數(shù)據(jù)，結(jié)合2017～2020年SBAS-InSAR計(jì)算結(jié)果，繪制庫水位-沉降量曲線，如圖4所示?？梢钥闯?，大壩沉降量與庫水位之間具有較高相關(guān)性。經(jīng)計(jì)算，Z1600、Z4000、Z7000處沉降量與庫水位之間相關(guān)系數(shù)分別為0.60、0.88、0.64。由于水深自放水口向兩側(cè)逐漸下降，因此相關(guān)系數(shù)自中壩放水口向兩側(cè)逐漸減小。

圖4 壩頂沉降量與庫水位關(guān)系Fig.4 Relationship between settlement of dam crest and reservoir water level

2)大壩自重。WLL水庫最大壩高(相對(duì))28 m，壩高自中壩向兩側(cè)逐漸降低。根據(jù)壩高數(shù)據(jù)，結(jié)合2020-10-24累積沉降量，繪制壩高-累積沉降量曲線，如圖5所示(累積沉降量正值表示下沉)。可以看出，除Z0400～Z4200外，其他壩段2020-10-24累積沉降量與壩高保持高度一致性，二者相關(guān)系數(shù)為0.85。Z0400～Z4200相關(guān)性較差，原因可能是受水產(chǎn)養(yǎng)殖中心限制開采地下水措施影響。

圖5 累積沉降量與壩高關(guān)系Fig.5 Relationship between cumulative settlement and dam height

3.3.2 地下水位

近年來，WLL水庫周邊工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水量逐年上升。據(jù)新疆統(tǒng)計(jì)年鑒，截至2020年，阜康地區(qū)水澆地總面積為562.2 km2，占總耕地的99%。隨著地下水的過度開采，WLL水庫周邊工業(yè)區(qū)和農(nóng)田形成較大沉降區(qū)，威脅到WLL水庫運(yùn)營安全。

在WLL水庫周邊選擇3個(gè)特征點(diǎn)(紅柳樹工業(yè)區(qū)、農(nóng)田A、農(nóng)田B)及2個(gè)地下水位監(jiān)測井(潛2、潛36)，位置分布如圖6所示。

圖6 地表特征點(diǎn)及地下水位監(jiān)測井位置Fig.6 Location of the feature points and groundwater level monitoring wells

根據(jù)2017～2020年SBAS-InSAR計(jì)算結(jié)果，結(jié)合地下水位數(shù)據(jù)，繪制地下水位-沉降量曲線，如圖7所示。

圖7 潛2井、潛36井地下水位與周邊地表特征點(diǎn)沉降量關(guān)系Fig.7 Relationship between groundwater level of Qian 2 and Qian 36 wells and settlement of surrounding the feature points

經(jīng)計(jì)算，紅柳樹工業(yè)區(qū)特征點(diǎn)沉降量、農(nóng)田B特征點(diǎn)沉降量與潛2井地下水位相關(guān)系數(shù)分別為0.55和0.60，農(nóng)田A特征點(diǎn)沉降量與潛36井地下水位相關(guān)系數(shù)為0.58。由此可知，地下水位與地表沉降量有顯著的相關(guān)關(guān)系，即地表沉降量會(huì)受到地下水位變化的影響。

4 結(jié) 語

根據(jù)2017-03～2020-10的 48景Sentinel-1A影像，基于SBAS-InSAR技術(shù)，獲取新疆WLL水庫及周邊區(qū)域地表沉降信息，并對(duì)大壩及周邊區(qū)域地表沉降情況、影響沉降的因素、周邊區(qū)域地表沉降對(duì)大壩的影響等幾個(gè)方面進(jìn)行分析總結(jié)，結(jié)論如下：

1)使用InSAR技術(shù)對(duì)水庫大壩沉降進(jìn)行監(jiān)測是可行的，年均沉降速率監(jiān)測精度可達(dá)±7.5 mm/a。

2)WLL水庫大壩表現(xiàn)為整體下沉，沉降速率及沉降量均表現(xiàn)為東南至西北方向逐漸增大，在水庫水位、大壩自重及地下水位等因素的共同影響下，WLL水庫中壩段沉降最為嚴(yán)重。

3)2017～2020年沉降數(shù)據(jù)表明，WLL水庫大壩沉降速率逐年減小，進(jìn)入沉降穩(wěn)定階段，不同壩段沉降數(shù)值過渡平緩，壩段整體性保持較好。

4)由于受到地下水開采影響， 2017～2020年期間沉降范圍不斷向水庫大壩方向延伸，與水庫大壩沉降區(qū)有合并趨勢。建議今后密切關(guān)注水庫東側(cè)農(nóng)田A和水庫西北角農(nóng)田B兩處的沉降發(fā)展趨勢，并加強(qiáng)水庫東壩及中壩Z4800～Z6200處的沉降監(jiān)測，水庫周邊其他區(qū)域沉降未對(duì)大壩產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。