基于時(shí)序InSAR技術(shù)的南水北調(diào)禹州段沿線穩(wěn)定性研究

劉 蔚

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266590)

1 概 述

南水北調(diào)中線工程是我國(guó)水資源調(diào)動(dòng)的重大戰(zhàn)略性工程，它的正式通水緩解了我國(guó)華北平原水資源短缺的問(wèn)題，極大地改善受水區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和投資環(huán)境，優(yōu)化了我國(guó)水資源配置的格局，推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。由于干渠距離長(zhǎng)、流經(jīng)范圍廣、流經(jīng)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，使得干渠及干渠兩側(cè)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定形變。為了應(yīng)對(duì)和預(yù)防不必要的損失，對(duì)干渠及沿線一定區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)對(duì)于保障其安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)的水利工程形變監(jiān)測(cè)多是利用水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量等地面監(jiān)測(cè)手段，觀測(cè)周期長(zhǎng)[2]，且只能獲取到離散點(diǎn)的形變結(jié)果，難以反映水利工程沿線的整體形變規(guī)律，無(wú)法從宏觀上進(jìn)行掌握。而合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)自提出以來(lái)，就憑借其監(jiān)測(cè)范圍大、成本低、精度高以及全天候觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)[3]，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。眾多專家學(xué)者更是依據(jù)InSAR技術(shù)探討了大型線性工程沿線的地表沉降情況。劉朋俊等利用時(shí)序InSAR技術(shù)提取了南水北調(diào)輝縣段濕潤(rùn)性黃土地質(zhì)區(qū)的形變規(guī)律，并結(jié)合土壤濕度和降雨量進(jìn)行了相關(guān)性分析[4]。徐東彪等利用DS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)到小浪底大壩區(qū)域的形變監(jiān)測(cè)結(jié)果[5]。郭在潔等利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了地鐵沿線的地表形變信息，并對(duì)地鐵沿線的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[6-7]。

南水北調(diào)中線工程禹州段干渠需要穿越濕潤(rùn)性黃土、膨脹巖土以及煤礦采空區(qū)，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，容易發(fā)生變形問(wèn)題[8]。因此，本文利用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)覆蓋禹州段干渠的27景Sentinel-1A影像進(jìn)行了處理，獲得干渠沿線的形變情況，并結(jié)合形變成因及形變趨勢(shì)等對(duì)重點(diǎn)形變區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)禹州段干渠全長(zhǎng)42.8 km，干渠自平頂山市郟縣流入禹州市，途徑鴻暢鎮(zhèn)、張得鄉(xiāng)、梁北鎮(zhèn)、火龍鎮(zhèn)、韓城鎮(zhèn)、朱閣鎮(zhèn)、郭連鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)等地后流入長(zhǎng)葛市，大致呈西南-東北走向[9]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)為歐空局提供的27景Sentinel-1A SLC升軌影像，極化方式為VV極化，數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為2019年1月20日至2020年10月15日，選取影像成像的時(shí)間間隔為24 d，影像的入射角為38.96°。利用美國(guó)航空航天局提供的90 m分辨率的SRTM DEM進(jìn)行軌道校正和地形相位去除，利用POD精密軌道文件來(lái)消除軌道誤差帶來(lái)的噪聲影響。

3 SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理

3.1 技術(shù)原理

SBAS-InSAR技術(shù)將所有獲得的SAR影像組合成若干個(gè)集合，再利用奇異值分解(SVD)方法將多個(gè)小基線集聯(lián)合起來(lái)求解，以獲得形變速率和時(shí)間序列形變的方法。該方法有效地削弱了空間去相干的影響，同時(shí)減小地形對(duì)差分的影響。該項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)原理[6]如下：

假設(shè)有N+1個(gè)按照時(shí)間先后順序且覆蓋相同區(qū)域的SLC影像，對(duì)應(yīng)的影像獲取時(shí)刻記為t0，…，ti…，tN，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的空間基線閾值和時(shí)間基線閾值，可以將N+1個(gè)SAR影像劃分為L(zhǎng)個(gè)短基線集。通過(guò)對(duì)各個(gè)短基線集內(nèi)的影像進(jìn)行差分干涉處理，可獲得M幅差分干涉圖，其中M滿足的條件如下：

(1)

假設(shè)第j景干涉圖是由tA和tB時(shí)刻獲得的兩景SAR影像干涉生成的，且已去除了地形相位分量，假設(shè)tB>tA，則j在原始的方位向-距離向的圖像坐標(biāo)系(x,r)處的差分干涉相位為：

δφj(x,r)=φ(tB,x,r)-φ(tA,x,r)

(2)

式中：λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；d(tB,x,r)和d(tA,x,r)分別為tB和tA時(shí)刻相對(duì)于初始時(shí)刻t0的視線像(LOS)累積形變量，因而有d(t0,x,r)≡0。

為了便于計(jì)算，式(2)中既沒(méi)有考慮地形相位的影響，也沒(méi)有大氣相位的變化和失相干現(xiàn)象。

圖6是不同粘結(jié)劑LFP電極的CV和EIS曲線。從圖6a中可以看出，相比于PVDF和PVA-g-PAA，交聯(lián)的PVA-g-PAA-c-5% PER的氧化還原電位差更小，對(duì)應(yīng)的電流更大，說(shuō)明對(duì)應(yīng)電極的極化更小，可逆性更好，有更好的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能。圖6b為使用不同粘結(jié)劑的LFP電極在0.2 C倍率下循環(huán)100圈后的EIS圖，可以看出，PVA-g-PAA-c-5%PER的電阻要比PVDF和PVA-g-PAA的電阻要小很多。說(shuō)明交聯(lián)后的 PVA-g-PAA-c-5%PER擁有更低的鋰離子電阻，可以減少LFP電極的極化，提供一個(gè)良好的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

根據(jù)式(2)，M幅差分干涉圖可以得到M個(gè)方程，該方程組的矩陣形式可表示為：

δφ(x,r)=Aφ(x,r)

(3)

式中：A是一個(gè)M×N階矩陣；δφ(x,r)和φ(x,r)為N階向量。

矩陣A是一個(gè)近似關(guān)聯(lián)矩陣，它可以直接由已知的差分干涉圖獲取得到，若所有的數(shù)據(jù)都屬于一個(gè)基線集，則L=1，M≥N,此時(shí)的A為N階矩陣，當(dāng)M=N時(shí)，方程有唯一解；當(dāng)M>N時(shí)，方程組是超定解的，可用最小二乘法求解φ(x,r)的估計(jì)值：

φ(x,r)=(AAT)-1ATδφ(x,r)

(4)

當(dāng)L>1，此時(shí)的ATA是一個(gè)奇異矩陣，則A的秩為N-L+1，此時(shí)方程有無(wú)窮多解。為得到唯一解，SBAS技術(shù)利用矩陣的奇異值分解法，求出最小范數(shù)意義上的最小二乘解，進(jìn)而得到累積形變量。

3.2 數(shù)據(jù)處理

由于單景Sentinel-1A影像覆蓋區(qū)域較大，為了提高數(shù)據(jù)的處理效率,首先將原始哨兵數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪得到實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域，然后對(duì)裁剪后得到的27景Sentinel-1A影像進(jìn)行SBAS-InSAR處理。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)置的時(shí)間基線閾值和空間基線閾值，自動(dòng)選取2019年7月7日的影像為超級(jí)主影像，其他日期的影像為從影像。通過(guò)對(duì)獲得的干涉對(duì)進(jìn)行篩選剔除，共獲得161個(gè)差分干涉對(duì)。為了提高輻射分辨率降低空間分辨率，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置方位向和距離向?yàn)?∶1的多視處理來(lái)抑制噪聲；利用最小費(fèi)用流法進(jìn)行相位解纏，解纏的相關(guān)系數(shù)閾值設(shè)置為0.2，有利于相干性較低的區(qū)域更好地進(jìn)行相位解纏；為了獲得更清晰的干涉圖，在濾波時(shí)選擇Goldstein方法，在質(zhì)量較好的干涉圖上人工選擇GCP點(diǎn)進(jìn)行軌道精煉和重去平，GCP點(diǎn)要選在沒(méi)有相位躍變且遠(yuǎn)離形變區(qū)域的位置，以免影響解纏效果；對(duì)解纏后得到的形變結(jié)果進(jìn)行兩次反演，利用第一次反演來(lái)估算形變速率和殘余地形，在第一次反演的基礎(chǔ)上，利用高通濾波和低通濾波來(lái)減小大氣相位的影響，最終得到更為準(zhǔn)確的研究區(qū)域年均形變速率和累積沉降量變化；對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行地理編碼，并將其投影至WGS84坐標(biāo)系下。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

4.1 禹州市整體形變結(jié)果

圖1 禹州市形變速率

4.2 禹州段干渠及兩側(cè)形變分析

為了分析禹州段干渠的穩(wěn)定性，在干渠兩側(cè)沿線建立1 km的緩沖區(qū)，見圖2(a)?？梢钥吹剑汕鼐€有不同程度的形變發(fā)生，大部分區(qū)域的形變速率在-20～19 mm/a，形變最嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在古城鎮(zhèn)，該區(qū)域的最大沉降速率可達(dá)-68.17 mm/a。為了全面了解干渠渠堤及兩側(cè)1 km范圍內(nèi)的形變情況，提取緩沖區(qū)內(nèi)的全部特征沉降點(diǎn)，共計(jì)187 238個(gè)，繪制年均形變速率的頻率分布統(tǒng)計(jì)圖，見圖2(b)?？梢钥闯觯?9.459%的特征點(diǎn)的年均形變速率集中在-20～19 mm/a，有0.541%的特征點(diǎn)的年均形變速率大于-20 mm/a。

圖2 干渠形變分析圖

由于禹州段干渠在建設(shè)時(shí)除了流經(jīng)潁河等較大河流河谷外，沿線地表基本上均分布有濕陷性黃土，而黃土遇水后會(huì)破壞土體結(jié)構(gòu)使其強(qiáng)度降低，容易使渠道地基產(chǎn)生濕陷變形。此外，禹州段干渠是典型的強(qiáng)膨脹巖土渠段，土體的含水量與孔隙之比較高，膨脹土在吸水膨脹、失水收縮的過(guò)程中，也會(huì)使渠道地基出現(xiàn)變形。

在干渠設(shè)計(jì)時(shí)，南水北調(diào)禹州段干渠經(jīng)過(guò)原新峰礦務(wù)局二礦、禹州市梁北鎮(zhèn)郭村煤礦、梁北鎮(zhèn)工貿(mào)公司煤礦和梁北鎮(zhèn)福利煤礦等4處采空區(qū)，累計(jì)長(zhǎng)度3.11 km，在干渠選線之初，就基本選在采空區(qū)的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，且對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了注漿處理等[10]。在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，除古城鎮(zhèn)區(qū)域外，其他區(qū)域也未監(jiān)測(cè)到明顯沉降。由此可見，建立在這4處采空區(qū)上的干渠還是比較穩(wěn)定的，這也與《南水北調(diào)中線工程不良渠段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》中所述一致，側(cè)面反映了時(shí)序InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)的可靠性。

4.3 古城鎮(zhèn)重點(diǎn)形變區(qū)域分析

由圖2(a)可知，南水北調(diào)禹州段經(jīng)過(guò)古城鎮(zhèn)時(shí)，其干渠北側(cè)存在形變嚴(yán)重的區(qū)域，該沉降區(qū)域距離干渠較近，容易對(duì)干渠的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此了解其形成原因及形變趨勢(shì)對(duì)于保護(hù)干渠穩(wěn)定性具有重要意義。由于沉降區(qū)域出現(xiàn)在古城鎮(zhèn)干渠北側(cè)，因此僅在干渠北側(cè)建立3 km的緩沖區(qū)，見圖3(a)?？梢钥吹?，在3 km的緩沖區(qū)范圍內(nèi)有兩個(gè)比較明顯的沉降區(qū)域，將其分別記為A區(qū)域和B區(qū)域。通過(guò)結(jié)合實(shí)際地理位置可知，A區(qū)域位于古城鎮(zhèn)張?zhí)么?，累積沉降量最大值為-102.83 mm，位于E 113°33′2″，N34°12′9″處；B區(qū)域位于古城鎮(zhèn)龍屯村，B區(qū)域累積沉降量最大值為-118.63 mm，位于E 113°32′10″，N 34°12′19″處。

圖3 大沉降量區(qū)域分析圖

據(jù)資料顯示，古城鎮(zhèn)地下蘊(yùn)含上千萬(wàn)噸的煤炭資源，儲(chǔ)量極其豐富，煤炭資源的長(zhǎng)期開發(fā)會(huì)導(dǎo)致地面塌陷，會(huì)使地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，且A、B兩區(qū)域內(nèi)并無(wú)其它可導(dǎo)致大面積沉降的因素，據(jù)此推斷A、B兩區(qū)域均是由于煤炭開發(fā)形成采空區(qū)所導(dǎo)致的地表沉降。對(duì)A、B區(qū)域的累積最大沉降點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間序列分析，見圖3(b)。在2019年初，沉降最大值點(diǎn)是有略微抬升的，這可能與禹州市2018年以來(lái)對(duì)礦山進(jìn)行生態(tài)修復(fù)有關(guān)，但持續(xù)的采礦活動(dòng)還是導(dǎo)致了地面沉降的進(jìn)一步發(fā)展。

為了進(jìn)一步探究研究時(shí)段內(nèi)最大沉降點(diǎn)的變化有無(wú)減緩趨勢(shì)，將累積沉降量與時(shí)間進(jìn)行線性擬合分析。因?yàn)樵谶x取Sentinel-1A影像時(shí)，數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為均勻的24 d，為了便于顯示，選取每48 d為一個(gè)時(shí)間間隔，共計(jì)14個(gè)時(shí)間點(diǎn)。A區(qū)域最大沉降點(diǎn)隨時(shí)間變化的線性擬合曲線見圖4(a)，B區(qū)域最大沉降點(diǎn)隨時(shí)間變化的線性擬合曲線見圖4(b)?？梢钥闯觯瑹o(wú)論是A區(qū)域還是B區(qū)域，隨著時(shí)間的變化，最大沉降點(diǎn)的累計(jì)沉降量隨著時(shí)間變化在擬合直線左右微小幅度地偏離，可見最大沉降點(diǎn)在研究時(shí)段內(nèi)其沉降并無(wú)減緩趨勢(shì)。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)A、B兩沉降區(qū)域的生態(tài)修復(fù)工作，通過(guò)回填、植樹造林等方法減緩其沉降的發(fā)生，尤其是對(duì)于A區(qū)域西南側(cè)，其沉降位置距離干渠直線距離小于500 m，更要注意加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)，以免對(duì)干渠的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

4.4 干渠兩側(cè)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

為了直觀地展示干渠及沿線一定范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)性，研究干渠周邊沉降對(duì)干渠的影響，依據(jù)《地面沉降雷達(dá)數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)程》(DD 2014-11)中指定的地面沉降嚴(yán)重等級(jí)分類方法，小于10 mm/a為低沉降區(qū)，10～30 mm/a為較低沉降區(qū)，30～50 mm/a為中等沉降區(qū)，50～80 mm/a為較高沉降區(qū)，大于80 mm/a為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。依據(jù)SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)得到的形變速率，對(duì)干渠兩側(cè)1 km緩沖區(qū)范圍進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)，結(jié)果見圖5。由圖5可知，大部分位于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，張得鄉(xiāng)和暢鴻鎮(zhèn)區(qū)域零星分布較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，且距離干渠有一定距離，古城鎮(zhèn)區(qū)域存在較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，雖然沉降的發(fā)展趨勢(shì)距離干渠越來(lái)越近，但在研究時(shí)段內(nèi)仍未威脅到干渠渠堤的穩(wěn)定。由此可知，在研究時(shí)段內(nèi)南水北調(diào)禹州段干渠渠堤整體穩(wěn)定性良好。

圖4 最大沉降點(diǎn)趨勢(shì)分析圖

圖5 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)

5 結(jié) 論

為了對(duì)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜的南水北調(diào)禹州段干渠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間大范圍的監(jiān)測(cè)，本文引入SBAS-InSAR技術(shù)，獲取干渠及沿線一定范圍內(nèi)的形變信息，從宏觀到微觀對(duì)禹州段干渠的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)論如下：

1) 通過(guò)獲取南水北調(diào)禹州段沿線的1 km緩沖區(qū)內(nèi)的地表沉降，發(fā)現(xiàn)古城鎮(zhèn)干渠由于煤礦開采的原因存在明顯沉降區(qū)域，其他地區(qū)相對(duì)穩(wěn)定。

2) 對(duì)古城鎮(zhèn)干渠北側(cè)建立3 km緩沖區(qū)進(jìn)行著重分析，發(fā)現(xiàn)該處最大沉降量為-118.63 mm，并且通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間序列分析發(fā)現(xiàn)該沉降無(wú)減緩趨勢(shì)。

3) 針對(duì)南水北調(diào)禹州段干渠兩側(cè)進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)估，僅古城鎮(zhèn)為較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其他地區(qū)存在零星分布的較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，干渠渠堤整體穩(wěn)定性良好。

盡管在研究時(shí)段內(nèi)干渠整體穩(wěn)定性良好，但是古城鎮(zhèn)干渠存在較大風(fēng)險(xiǎn)隱患，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該段區(qū)域的生態(tài)治理和環(huán)境保護(hù)。本文的研究為利用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)大型水利工程沿線形變提供了參考。