基于PS-InSAR技術(shù)的寧波市地面沉降監(jiān)測研究

方海倫,胡榮榮,邱雨欣

(浙江省工程勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,寧波 315012)

地面沉降是國內(nèi)外沿海和三角洲城市普遍存在的地質(zhì)環(huán)境問題,國外如雅加達(dá)、胡志明市、曼谷、新奧爾良、東京等城市過去一個(gè)世紀(jì)累計(jì)沉降量達(dá)到300～4 250 mm不等,除東京通過嚴(yán)格限制地下水開采、地下水人工回灌等措施有效控制了地面沉降外,其它城市仍有20～100 mm/a的沉降速率[1]。國內(nèi)地面沉降主要分布在長江三角洲、華北地區(qū)、汾渭盆地,其中長三角地區(qū)通過全面禁采地下水等防治工作有效控制了地面沉降[2]。

在監(jiān)測地面沉降方面,國內(nèi)外除水準(zhǔn)測量、GPS及其他傳統(tǒng)巖土量測儀器技術(shù)外,InSAR(干涉合成孔徑雷達(dá))技術(shù)已廣泛應(yīng)用多年。InSAR技術(shù)由于其衛(wèi)星搭載微波天線的特性,具有全天候、高精度、范圍廣、監(jiān)測周期短、工作量小、成本低的特點(diǎn)。InSAR技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代,根據(jù)兩幅或多幅不同時(shí)間相同軌道獲取的SAR圖像相位差可以監(jiān)測地表毫米級的形變。PS-InSAR(永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測量)則由Ferretti等人于2000年首次使用研究[3],該技術(shù)通過搜尋能夠穩(wěn)定反射微波的地表物體,將多幅SAR影像進(jìn)行時(shí)間序列分析得出地表物體的形變-時(shí)間曲線。由于城市中有較多房屋、道路、橋梁等能穩(wěn)定反射微波的永久構(gòu)筑物,PS-InSAR能夠被有效應(yīng)用于城市地面沉降的監(jiān)測。本次監(jiān)測使用的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源為歐空局的Sentinel-1A衛(wèi)星,該衛(wèi)星搭載C波段SAR傳感器,可獲取全天候SAR影像,IW模式單視復(fù)數(shù)分辨率5 m×20 m,幅寬250 km,運(yùn)行于以12 d為周期的準(zhǔn)太陽同步軌道上[4]。

本文以寧波地區(qū)為研究區(qū),收集處理2017～2021年共5 a的60景Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù),監(jiān)測頻率為一個(gè)月,利用PS-InSAR方法獲取該段時(shí)間地表沉降數(shù)據(jù),綜合分析寧波地區(qū)沉降區(qū)域時(shí)空分布特征,并利用水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證PS-InSAR的可靠性。

1 研究區(qū)概況及PS-InSAR方法

1.1 研究區(qū)概況

受第四紀(jì)中期多次海陸變遷的影響,寧波平原發(fā)育了一套復(fù)雜的海陸相沉積物(圖1):第四系厚度于市區(qū)一帶約90 m增大至濱海約120 m;其中50 m以上為軟硬相間的海陸相粘性土互層(Q4),包含第一軟土層、第一硬土層、第二軟土層、第二硬土層;50 m以下為陸相堆積層(Q3和Q2),包含Ⅰ1含水層、第三硬土層、Ⅰ2含水層、第四硬土層、Ⅱ含水層、第五硬土層[5]。

寧波市地面沉降始于19世紀(jì)60年代,由于城區(qū)第四系地下水超量開采引起深部承壓水位下降導(dǎo)致第一軟土層、第二軟土層及第二、三和四硬土層產(chǎn)生彈塑性形變;1986～2002年寧波市采用地下水控制開采、人工回灌等措施,各土層分層沉降向第一軟土層單一土層沉降轉(zhuǎn)移;2008年地下水禁采至2018年,地下水開采引起的地面沉降比重逐漸減少,但城市擴(kuò)張建設(shè)引起工程性地面沉降比重逐漸增大,第二軟土層及第二、三和四硬土層出現(xiàn)微量壓縮或回彈,僅第一軟土層發(fā)生沉降[5]。

圖1 寧波平原第四系松散層地質(zhì)剖面圖[6]

寧波正以現(xiàn)代化濱海大都市作為總體框架,大力建設(shè)“全球海洋中心城市”,構(gòu)建“一核、三灣、六片”的發(fā)展格局,其中包括對前灣新區(qū)、鎮(zhèn)海北侖片區(qū)、象山港片區(qū)和三門灣片區(qū)的產(chǎn)業(yè)開發(fā),這些地區(qū)分布較多沿海圍墾區(qū),需通過填海造地等措施解決土地資源問題,在未固結(jié)的泥沙填土上進(jìn)行工程建設(shè)會(huì)引起地面沉降廣泛發(fā)育[7]。以往文章使用的監(jiān)測數(shù)據(jù)以2017年及以前為主,對2018年及以后的監(jiān)測結(jié)果記錄較少,并且主要針對寧波市區(qū)平原,對余慈平原、鄞奉平原南部以及象山縣和寧海縣的諸多海岸平原分析較少。

1.2 PS-InSAR方法

(1) SAR圖像預(yù)處理和差分干涉

由于寧波市正好位于南北兩幅SAR影像交界處,單幅SAR影像無法覆蓋整個(gè)研究區(qū),將同軌道先后采集的兩幅不同框架的SAR衛(wèi)星進(jìn)行鑲嵌,之后根據(jù)寧波市邊界進(jìn)行裁剪。

本次差分干涉使用2019年7月11日采集的SAR影像作為主影像與其他SAR影像進(jìn)行干涉處理(表1),共生成59對干涉對,采用4∶1(距離向∶方位向)的多視比,同時(shí)利用歐空局提供的精密軌道數(shù)據(jù)和精度為30 m的ALOS DEM去除軌道誤差和地形相位的影響。該步驟會(huì)生成差分干涉圖、SAR平均強(qiáng)度圖像和振幅離差指數(shù)。

表1 SAR影像參數(shù)、采集時(shí)間及數(shù)量

(2) PS(永久散射體)點(diǎn)處理

PS指在整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)能夠有較強(qiáng)后向散射雷達(dá)波能力并且在時(shí)序上較穩(wěn)定的地物目標(biāo),如建筑屋頂、橋梁、道路、裸露基巖。在地物變化劇烈以及植被覆蓋率高的區(qū)域如城鎮(zhèn)新建區(qū)、灘涂、農(nóng)田等,由于影像間相干性較弱,較難獲得可靠PS點(diǎn)。根據(jù)差分干涉生成的差分干涉圖、振幅離散指數(shù)選擇可靠穩(wěn)定的PS點(diǎn),使用形變-時(shí)間的線性模型估算殘余高度和形變速率等低通成分,將低通成分從去平干涉圖中去除。之后同樣用形變-時(shí)間的線性模型估算干涉圖中的大氣相位成分,干涉圖去除大氣相位成分后即得到最終形變結(jié)果。

通過上述反演步驟得到的最終形變?yōu)榈乇硐鄬τ趥鞲衅鞯南鄬ξ灰?根據(jù)傳感器的方位角和入射角視線將形變投影到垂直方向上得到地表沉降。由于相干性閾值設(shè)置過低會(huì)導(dǎo)致PS點(diǎn)數(shù)量過多,增加數(shù)據(jù)處理時(shí)間和難度,經(jīng)多次試驗(yàn)本文利用0.85的相干性閾值剔除相干性較小的PS點(diǎn),并提取出分布于平原區(qū)的PS點(diǎn)。

2 PS-InSAR監(jiān)測成果解譯和分析

2.1 寧波市整體沉降分析

通過SAR影像數(shù)據(jù)處理,共得到1 312 746個(gè)PS點(diǎn),平原區(qū)每1 km2約371個(gè)PS點(diǎn),基本滿足PS-InSAR對地面沉降調(diào)查要求。將得到的PS點(diǎn)根據(jù)年平均沉降速率和5 a累計(jì)沉降量分別分顏色顯示得到研究區(qū)地面沉降變化的空間分布圖(圖2和圖3)。為更直觀地反映地面沉降分布特征,利用克里金插值法將PS點(diǎn)年平均沉降速率結(jié)果擬合為柵格面(圖4)。

圖2 PS點(diǎn)年平均沉降速率分布圖

圖3 PS點(diǎn)累計(jì)沉降量分布圖

根據(jù)PS點(diǎn)結(jié)果和擬合后的柵格圖結(jié)合地質(zhì)環(huán)境以及工程現(xiàn)狀進(jìn)行初步分析,寧波市現(xiàn)狀地面沉降大體分為兩大類:以慈溪杭州灣新區(qū)北部、北侖梅山街道、象山白巖山城東工業(yè)區(qū)、寧海三門灣新區(qū)、慈東工業(yè)區(qū)-鎮(zhèn)海港-北侖港沿岸為代表的沿海圍墾區(qū)和港口工業(yè)區(qū),以寧波市城區(qū)、奉化區(qū)和象山城區(qū)為代表的城市建設(shè)區(qū)。本次監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的沉降區(qū)域與《寧波市地質(zhì)災(zāi)害防治“十四五”規(guī)劃》中劃分的地面沉降重點(diǎn)防治區(qū)相吻合。

圖4 年平均沉降速率柵格圖

本次分析結(jié)果表明上個(gè)世紀(jì)地下水超量開采對寧波市地面沉降的影響逐漸減少,中心城區(qū)沉降速率普遍控制在3 mm/a以內(nèi),部分地區(qū)如三江口核心區(qū)和慈溪庵東鎮(zhèn)南部監(jiān)測到速率約3～4 mm/a的微量回彈;隨著城市擴(kuò)張和建設(shè),工程性的地面沉降逐漸替代成為寧波市地面沉降的主要因素,大部分壓縮變形集中于20 m深度內(nèi)的淺土層[7]。其中圍墾區(qū)如杭州灣新區(qū)北部、梅山街道能夠監(jiān)測到15～20 mm/a的形變速率,部分PS點(diǎn)沉降速率達(dá)25 mm/a及以上;城市建設(shè)區(qū)如東部新城、鄞州區(qū)、奉化區(qū)、象山城區(qū)的沉降主要呈小塊狀分布,沉降速率一般5～10 mm/a,沉降中心速率可達(dá)15～20 mm/a。

2.2 沿海圍墾區(qū)和港口工業(yè)區(qū)沉降分析

基于城市發(fā)展的需要,緩解用地緊張的局面,寧波市于慈溪杭州灣新區(qū)、鎮(zhèn)海沿海、寧海三門灣、象山沿海等地進(jìn)行圍墾造陸工程,大部分用于工業(yè)區(qū)和新城區(qū)建設(shè)。造陸工程一般包含新建隔埝、疏浚吹填、軟基加固等工程,松散的吹填砂土下為河口濱海相淤積形成的高飽和軟土,具有承載力低壓縮性高的特點(diǎn),在負(fù)荷下容易固結(jié)變形產(chǎn)生大量沉降[8]。

杭州灣新區(qū)自20世紀(jì)90年代開始大規(guī)模圍墾至今,該部分新造陸地大部分用于工廠建設(shè)(圖5)。其中大部分由黃色PS點(diǎn)覆蓋的南側(cè)工業(yè)區(qū)圍墾于1998年以前,工廠興建于2004年以前,現(xiàn)狀地面沉降速率較小約0～6 mm/a;中部工業(yè)區(qū)圍墾于2008年,工廠興建于2009～2010年,大部分由淡藍(lán)色PS點(diǎn)覆蓋,現(xiàn)狀地面沉降速率中等約6～15 mm/a;北部汽車工業(yè)區(qū)圍墾于2009～2012年,工廠于2012年陸續(xù)建設(shè)至今,大部分由淡藍(lán)色和深藍(lán)色PS點(diǎn)覆蓋,現(xiàn)狀地面沉降速率較大約15～20 mm/a,無明顯減緩趨勢(圖6);由于北西部工業(yè)區(qū)于近期進(jìn)行建設(shè),2017～2021年地表變化較大,無法提取穩(wěn)定的PS點(diǎn)故無PS點(diǎn)分布。

圖5 杭州灣新區(qū)PS點(diǎn)年平均沉降速率分布圖

圖6 北部汽車工業(yè)區(qū)PS點(diǎn)時(shí)序分析沉降量曲線

由于該地區(qū)各地塊圍墾時(shí)間、建設(shè)時(shí)間不同,工業(yè)區(qū)自南向北沉降速率逐漸增大,不均勻沉降現(xiàn)象顯著,圍墾區(qū)土層經(jīng)過十幾年的固結(jié)壓縮能夠逐漸穩(wěn)定,其地面沉降分布規(guī)律與其他填海造陸地區(qū)類似[9]。

2.3 城市建成區(qū)沉降分析

寧波平原淺部軟土層平均埋深約21 m,土質(zhì)主要為淤泥、淤泥質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,具有高飽和度、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度和低滲透性的特點(diǎn)[10],進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)軟土層極易產(chǎn)生壓縮變形。

2017～2021年連續(xù)5 a的監(jiān)測結(jié)果表明,地面沉降現(xiàn)狀和2017年的監(jiān)測成果有較大差別:2017年監(jiān)測成果顯示寧波市大規(guī)模的城市化建設(shè)使東部新城、鄞州中心區(qū)、潘火下應(yīng)及東錢湖等沉降區(qū)連成一片形成較大的沉降漏斗,鄞州中心區(qū)沉降中心速率約7.8 mm/a,東部新城沉降中心速率約13.5 mm/a[11];2017～2021年的監(jiān)測結(jié)果表明這些沉降漏斗部分地區(qū)已穩(wěn)定,部分地區(qū)仍有沉降,但以點(diǎn)狀分布為主,沉降中心的沉降速率10～20 mm/a不等,并以地塊為單元,連片趨勢有所減小。除寧波城區(qū)外,余姚市、奉化區(qū)、北侖區(qū)和象山縣城區(qū)均分布有以地塊為單元的沉降區(qū),沉降中心沉降速率10～20 mm/a不等。此外本次監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)軌道交通建設(shè)引起的地鐵沿線區(qū)域不均勻沉降跡象。

以鄞州區(qū)東錢湖鎮(zhèn)某工業(yè)地塊為例分析沉降區(qū)呈點(diǎn)狀分布并以地塊為單元的現(xiàn)象。工業(yè)地塊A與工業(yè)地塊B距離僅320 m,地質(zhì)條件相似,且地上建筑均為無基坑開挖的淺基礎(chǔ)工廠,負(fù)荷模式相近,兩地塊僅工廠建成時(shí)間不同:根據(jù)歷史衛(wèi)星圖(圖7),地塊A內(nèi)的工廠建成時(shí)間為2009年,地塊B內(nèi)的工廠建成時(shí)間約為2015年。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),地塊A的5 a年均沉降速率不到1 mm/a,而地塊B能夠監(jiān)測到7～17 mm/a的不均勻沉降(圖8), PS點(diǎn)時(shí)序曲線(圖9)顯示地塊B沉降中心沉降速率從2017年的18.9 mm/a逐漸減小至2021年的10 mm/a。據(jù)此可推測與該地塊淺基礎(chǔ)荷載模式類似的工程性地面沉降有隨時(shí)間推移而逐漸穩(wěn)定減小的趨勢。

結(jié)合趙團(tuán)芝等人[5]根據(jù)實(shí)測資料得出有深大基坑的工程項(xiàng)目引發(fā)的地面沉降在5 a左右能恢復(fù)至施工前狀態(tài)的結(jié)論。分析結(jié)果表明城市建設(shè)區(qū)的地面沉降常局限于近幾年進(jìn)行工程建設(shè)的地塊內(nèi),并且由此引發(fā)的工程性地面沉降衰減過程較快。

圖7 東錢湖鎮(zhèn)某工業(yè)地塊衛(wèi)星圖

圖8 東錢湖鎮(zhèn)某工業(yè)地塊B現(xiàn)場不均勻沉降現(xiàn)象

圖9 東錢湖鎮(zhèn)某工業(yè)地塊B廠房屋頂PS點(diǎn)沉降量時(shí)序曲線

3 可靠性分析

為評價(jià)本次PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果的可靠性和精度,利用最臨近法對PS-InSAR結(jié)果進(jìn)行評價(jià)(圖10)。通過寧波市水準(zhǔn)觀測網(wǎng)中的41個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)與距離小于100 m的臨近PS點(diǎn)進(jìn)行比較分析,二者差值絕對值最大為4.89 mm/a,最小為0.10 mm/a,均方根誤差RMSE為2.94 mm/a,滿足《地面沉降調(diào)查與監(jiān)測規(guī)范》中對PS-InSAR精度的要求。據(jù)此驗(yàn)證了PS-InSAR方法獲取的寧波地區(qū)地面沉降結(jié)果的可靠性。

圖10 某水準(zhǔn)點(diǎn)與臨近PS點(diǎn)沉降量時(shí)序曲線對比

4 結(jié)論與建議

本文基于60景Sentinel-1影像采用PS-InSAR方法研究了寧波市2017～2021年地面沉降,并利用水準(zhǔn)網(wǎng)驗(yàn)證了PS-InSAR結(jié)果的精度和可靠性。2017～2021年期間寧波地面沉降分布主要分布于以下區(qū)域:以慈溪杭州灣新區(qū)北部、北侖梅山街道、象山白巖山城東工業(yè)區(qū)、寧海三門灣新區(qū)、慈東工業(yè)區(qū)-鎮(zhèn)海港-北侖港沿岸為代表的沿海圍墾區(qū)和港口工業(yè)區(qū);以寧波市城區(qū)、奉化區(qū)和象山城區(qū)為代表的城市建成區(qū)。并且工程建設(shè)是引發(fā)寧波市地面沉降的主要因素,其中圍墾和工程建設(shè)時(shí)間越晚現(xiàn)狀地面沉降越嚴(yán)重且圍墾區(qū)地面沉降衰減較慢;城市建成區(qū)的地面沉降呈點(diǎn)狀分布,常局限于近幾年進(jìn)行工程建設(shè)的地塊內(nèi),并且由此引發(fā)的工程性地面沉降衰減過程較快。

根據(jù)寧波市已從抽水沉降為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨こ绦猿两禐橹鞯牡孛娉两惮F(xiàn)狀和地面沉降主要集中在城市建成區(qū)和沿海圍墾區(qū)的分布特點(diǎn),在已有的地下水開采利用嚴(yán)格監(jiān)管的基礎(chǔ)上,建議寧波市在現(xiàn)代化濱海大都市建設(shè)中建立多部門聯(lián)合的管理制度并將管理貫穿于建設(shè)工程的項(xiàng)目立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營全周期;同時(shí)完善對沿海圍墾港口工業(yè)區(qū)的沉降和地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。