基于SBAS-InSAR時序分析技術(shù)的甘肅省紅會礦區(qū)地面沉降監(jiān)測及其災(zāi)害發(fā)育特征研究*

王 頌 張路青 周 劍 張奮翔 韓振華 尹凡龍

(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室,北京 100029,中國)(②中國科學(xué)院大學(xué),地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049,中國)(③中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院,北京 100029,中國)(④北京工業(yè)大學(xué),城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室,北京 100124,中國)(⑤北京市勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100038,中國)(⑥北京中科地環(huán)工程技術(shù)有限公司,北京 101499,中國)

0 引 言

人類礦山工程與地質(zhì)環(huán)境之間矛盾尖銳,大規(guī)模的采礦活動改變了區(qū)域能量交換和物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程,破壞了局部地質(zhì)體的穩(wěn)定性,繼而容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害(胡靜云等,2014; 周超等,2020)。礦山地質(zhì)災(zāi)害類型眾多,既包括發(fā)生于井下的冒頂、片幫、巖爆、突水、突泥等,也包括發(fā)生于地表的地面沉降、地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流等(寧宇,2009; 郭維君等,2010)。其中:地面沉降、地面塌陷和地裂縫是地下礦體開采后上覆巖層冒落,圍巖因內(nèi)部原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被改變而不斷移動變形,最終造成地表下沉破壞的災(zāi)害現(xiàn)象(何芳等,2008,2010; 黃平路等,2010)。高強度礦山開采所誘發(fā)的地面沉陷不僅導(dǎo)致了地表水和地下水循環(huán)紊亂、植被損傷、礦區(qū)沙漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問題,還毀壞了采空區(qū)地表的房屋和農(nóng)田,易使社會矛盾激化(王卓理等,2011)。

甘肅省紅會礦區(qū)是受高強度地下開采影響而形成的典型地表沉陷區(qū),地表塌陷坑和地裂縫錯綜復(fù)雜,危害顯著。目前已有相關(guān)文獻針對礦區(qū)地面沉降進行了初步探索。李彥軍(2008)重點論述了礦區(qū)地裂縫和塌陷坑的發(fā)育特征、成因及其所造成的危害。然而,受當(dāng)時科學(xué)技術(shù)條件所限,他所獲取的災(zāi)害數(shù)量和空間分布數(shù)據(jù)十分有限。隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展,大范圍內(nèi)的地貌和地物得以快速便捷觀測和精確解譯。劉歡等(2010)、丁麗等(2010)和李瑩瑩等(2014)使用高分辨率的IKONOS衛(wèi)星影像識別并統(tǒng)計了紅會礦區(qū)內(nèi)的塌陷群和煤堆、煤矸石堆等土地占用情況,但沒有涉及到地裂縫的研究。王娟等(2012)和尹展等(2017)基于RS和GIS對紅會礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行了評價和分區(qū),但評價過程中沒有考慮體現(xiàn)地面沉降動態(tài)過程的相關(guān)指標(biāo)。因此,目前針對紅會礦區(qū)地面沉陷的研究還很不充分,特別是缺乏對災(zāi)害發(fā)育特征的定量描述和礦區(qū)地表動態(tài)變形的監(jiān)測。

廣泛使用的地表變形監(jiān)測技術(shù)有精密水準(zhǔn)測量、數(shù)字攝影測量、GPS實時監(jiān)測、分布式光纖監(jiān)測等(衛(wèi)建東,2007; 董文文等,2016)。合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)是一種基于主動式微波遙感區(qū)分地表屬性和記錄地表三維形變信息的新型監(jiān)測手段。和傳統(tǒng)的變形監(jiān)測技術(shù)相比,InSAR具有全天候、大面積、高精度、高分辨率、低成本等突出的優(yōu)點,適用于火山活動、滑坡活動、冰川運動和地面沉降等諸多研究領(lǐng)域(李珊珊等,2013; 楊澤發(fā)等,2015; Rosi et al.,2018; 蘭恒星等,2019; 姚佳明等,2020)。目前,應(yīng)用最多的InSAR變形監(jiān)測方法包括D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR、IPTA-InSAR、DS-InSAR和MAI技術(shù)等(Tao et al.,2014; 朱建軍等,2017;Xie et al.,2020; 張嚴(yán)等,2021)。例如,Chen et al.(2012)基于IPTA-InSAR技術(shù)研究了2006～2010年中國珠江三角洲地區(qū)地質(zhì)、人類活動與地面沉降的相互作用,發(fā)現(xiàn)和第四紀(jì)沉積活動相比,人類城市化活動更容易誘發(fā)地面沉降。Zhang et al.(2018)使用D-InSAR技術(shù)提取了特拉華盆地鉀鹽礦地面沉降信息,發(fā)現(xiàn)地面沉降和鉀鹽礦的開采強度有密切的相關(guān)性,并且開采停止后地面仍然在持續(xù)下沉。

上述各種方法中,SBAS-InSAR選取空間、時間基線均較小的干涉像對,能有效緩解數(shù)據(jù)處理過程中的失相干情況,提高了形變監(jiān)測精度,更適合應(yīng)用于城市及礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(李珊珊等,2013)。張金芝(2015)基于SBAS時序分析技術(shù)提取了1992～2000年黃河三角洲地面沉降速度,并重點分析了石油開采、地下水抽取和地表加載等典型影響因素對地面形變的作用。Zhao et al.(2011)監(jiān)測到山西大同新城建設(shè)區(qū)、地下水開采區(qū)和采煤塌陷區(qū)的地面沉降速度分別是1cm/年、2cm/年和4cm/年。Zhang et al.(2019)將SBAS-InSAR形變分析結(jié)果與武漢市56個特定水準(zhǔn)點測量結(jié)果進行對比,結(jié)果表明,SBAS-InSAR技術(shù)測量精度可達毫米級; 武漢市分布有4個主要沉降區(qū),地下水開采、地鐵開挖和城市建設(shè)是造成城市沉降的主要因素。

綜上所述,本文以甘肅省白銀市平川區(qū)紅會礦區(qū)為研究對象,結(jié)合遙感解譯和現(xiàn)場調(diào)查定量分析地面變形災(zāi)害的發(fā)育特征,并利用SBAS-InSAR技術(shù)系統(tǒng)研究該區(qū)域從2017年3月到2019年10月期間地面變形程度和隨時間的演化規(guī)律,為地面災(zāi)害的預(yù)警和治理提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

白銀市平川區(qū)位于甘肅省的中北部,區(qū)域海拔為1347～2858m,整體地形呈階梯狀,東南高、西北低,由東南向西北傾斜,多侵蝕-構(gòu)造中山、低中山。平川區(qū)的東北和東南分別有六盤山和秦嶺作為屏障阻隔暖濕氣流,故區(qū)內(nèi)氣候干燥,年平均降雨量不足200mm。北近騰格里沙漠,西伯利亞寒流易入侵,因此冬季寒冷,年平均氣溫約8.0℃(尹展,2012)。

大地構(gòu)造上,平川區(qū)地處北祁連構(gòu)造帶東段,秦祁褶皺強烈,經(jīng)歷了加里東期、燕山期和喜山期多次大型構(gòu)造運動,表現(xiàn)為強烈的沉降和局部的隆升。區(qū)內(nèi)NNW向的斷裂構(gòu)造發(fā)育,NNE向構(gòu)造次之,主要有車輪口逆斷裂、響泉口逆斷裂、大水頭逆斷裂等(劉歡,2011)。前寒武系至第四系地層在區(qū)內(nèi)均有出露,其中:第四系覆蓋面積最大,巖性主要為砂土和亞黏土; 白堊系地層巖性為紫紅色砂巖; 侏羅紀(jì)陸相含煤沉積形成該區(qū)域的含煤地層,可分為延安組和富縣組上、下兩部分,成礦條件好,煤炭資源總量位居甘肅省第二; 區(qū)內(nèi)還出露小面積巖漿巖,主要是志留紀(jì)花崗閃長巖和斜長花崗巖(李瑩瑩等,2014)。

1.2 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

本文研究區(qū)主要為白銀市平川區(qū)中北部的紅會礦區(qū)及其周邊地區(qū)(圖1)。礦區(qū)中心經(jīng)緯度為36°40′32″ N,105°04′47″ E,高程為1902m。煤層賦存以厚煤層為主,埋藏深度200～500m。研究區(qū)內(nèi)有紅會一礦、紅會二礦、紅會三礦、紅會四礦、會通煤礦、長征煤礦、神峰煤礦等多家煤礦企業(yè),均為地下開采。其中:紅會煤礦隸屬于靖遠煤業(yè)集團有限責(zé)任公司,含煤面積約18km2,是甘肅省重要的煤炭基地之一。礦區(qū)內(nèi)主要涉及的行政村有西合村、牛拜村、玉灣村等,南側(cè)有多條省道和縣道穿過,兼有紅會鐵路直達礦山,交通便利。

圖1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處西格拉灘盆地的西部,地形相對平坦,附近的地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造如圖2示。該區(qū)域?qū)儆趯毞e山向斜的北翼部分,北西向分布的壓性逆斷層發(fā)育(劉歡等,2010)。整個研究區(qū)內(nèi)出露的巖性主要有第四系全新統(tǒng)洪積層(Qhpl)的砂、礫及砂土; 中侏羅統(tǒng)龍鳳山組(J2l)的含礫砂巖、細礫巖; 上三疊統(tǒng)西大溝組(T3x)的砂巖夾粉砂巖、頁巖; 志留紀(jì)花崗閃長巖(Sγδ)等。由于坐落在祁連山斷裂帶和西海固斷裂帶的交會處,研究區(qū)地震活動頻繁,根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等,2015),區(qū)內(nèi)地震烈度為Ⅷ 度,地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45s,地震動峰值加速度為0.3g。

圖2 紅會礦區(qū)周邊地質(zhì)圖

礦區(qū)地表僅有數(shù)條因溝谷匯聚而形成的沙河,在暴雨時可形成洪流并最終匯入黃河。礦區(qū)地下水主要為賦存于白堊系、侏羅系砂礫巖中的碎屑巖類孔隙裂隙水和賦存于山前沖洪積物中的松散巖類孔隙水。研究區(qū)內(nèi)主要人類活動是礦產(chǎn)資源開采,農(nóng)耕等。受地形條件限制,區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡、泥石流等山地災(zāi)害不發(fā)育。但由于大規(guī)模高強度的采煤活動,地面塌陷和地裂縫極其發(fā)育。

2 災(zāi)害發(fā)育特征分析

紅會礦區(qū)歷史開采形勢復(fù)雜,尤其是20世紀(jì)中后期有近百家地方及私營企業(yè)同時進行近地表煤炭開采,不僅破壞了煤炭賦存的整體性,造成大量資源的浪費,而且使用落后無序的開采方式采煤后在井下形成了大范圍不規(guī)則采空區(qū),誘發(fā)了地面沉降、塌陷坑和地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。盡管進入21世紀(jì)后,開采技術(shù)大幅提升,規(guī)模化、機械化開采迅速推廣,但能源需求的增加迫使煤礦開采強度不斷加大,使得礦山地面地質(zhì)災(zāi)害加劇。

結(jié)合遙感影像,解譯和統(tǒng)計了截至2019年紅會礦區(qū)地面塌陷坑和地裂縫的空間分布,尺寸和數(shù)量,如圖3和圖4所示。在紅會礦區(qū)地表共發(fā)現(xiàn)地裂縫735條,塌陷坑559個,地裂縫平均長度約200m,塌陷坑平均面積約360m2。其中:地裂縫長度主要分布在100～300m范圍內(nèi),塌陷坑面積主要分布在<400m2的范圍內(nèi)。從圖3a中還可以看出,地裂縫和塌陷坑密集分布在各個煤礦周圍,呈現(xiàn)出明顯的方向性,大致沿北東向分布,與該區(qū)域煤層的分布基本一致。

圖3 紅會礦區(qū)塌陷坑和地裂縫空間分布

圖4 紅會礦區(qū)塌陷坑和地裂縫數(shù)量及尺寸分布特征

此外,由于紅會一礦長年運用走向長壁綜采放頂煤采煤方法進行地下采煤活動,較薄的碳酸巖頂板大面積垮落,致使平川區(qū)黃嶠鄉(xiāng)牛拜村附近成為受地面塌陷影響最為嚴(yán)重的區(qū)域。調(diào)查發(fā)現(xiàn),牛拜村地面沉陷區(qū)長約2.6km,寬約1.5km,影響面積約3.9km2,且隨著該區(qū)域地下開采的推進,礦山地面災(zāi)害數(shù)量呈逐年遞增的趨勢。沉陷區(qū)內(nèi)的部分塌陷坑深4m,半徑約15m,面積可達700m2; 地裂縫縱橫交錯,并穿過塌陷坑(圖5)。整個牛拜村周圍地面沉降大、塌陷群分布廣,造成周圍村鎮(zhèn)的房屋、耕地、道路破壞嚴(yán)重,牛拜村村民的生命和財產(chǎn)安全無法得到保障(圖6)。

圖5 牛拜村地面沉陷區(qū)內(nèi)的塌陷坑與地裂縫照片

圖6 牛拜村地面塌陷產(chǎn)生的主要危害

針對紅會礦區(qū)一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問題,白銀市常年開展環(huán)境恢復(fù)治理工程,其中:2012年和2013年開展的兩期重點治理工程(圖3b),主要包括紅會一礦周圍區(qū)域煤矸石堆、廢煤堆平整,挖土填方,土地復(fù)墾,種植果樹等,并且對周圍房屋損害嚴(yán)重的部分居民進行搬遷。通過對比治理工程前后的遙感影像并統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)紅會礦區(qū)內(nèi)的地裂縫減少183個,塌陷坑減少108個,工程效果顯著(圖3b、圖3c和圖4)。然而,治理工程的范圍很小,約為整個沉陷區(qū)的十分之一。盡管平川區(qū)人民政府在2019年的《白銀市平川區(qū)采煤沉陷區(qū)綜合治理行動實施方案》中指出,計劃在未來5年實施兄弟村、中和村、西合村群眾1017戶4058人和牛拜村群眾95戶528人的搬遷安置任務(wù),并繼續(xù)推進采煤沉陷區(qū)的生態(tài)修復(fù)和重大地質(zhì)災(zāi)害隱患治理(平川區(qū)人民政府,2019); 但隨著采礦活動的繼續(xù)進行,礦山地面地質(zhì)災(zāi)害仍有進一步發(fā)展的趨勢,因此,十分有必要對該區(qū)域的地表形變進行跟蹤監(jiān)測,以支撐災(zāi)害的預(yù)警和治理。

3 小基線集(SBAS)技術(shù)

3.1 基本原理

在SBAS技術(shù)中通過使用每次D-InSAR計算的形變結(jié)果即可獲取高精度的形變時間序列(Berardino et al.,2002; 李凌婧等,2014)。首先,選取N+1景覆蓋同一區(qū)域、時間分布為t0,t1,…,tN的SAR數(shù)據(jù)影像圖,進行基線估算后,選取其中1景作為超級主影像,其余N景為輔影像,將時空基線均小于某一閾值的影像進行配對,共形成M對干涉像對,其中M滿足:

(1)

將M對干涉像對采用雙通道D-InSAR進行差分干涉處理,去除平地相位和地形相位后,假設(shè)在tA和tB時刻獲取的兩景SAR影像生成第i幅解纏的多視差分干涉圖,那么SAR坐標(biāo)系下任意坐標(biāo)(x,r)處相干點的相位值可以表示為(Guo et al.,2017):

Δφi(x,r)=φ(tB,x,r)-φ(tA,x,r)

≈Δφi,def(x,r)+Δφi,topo(x,r)+

Δφi,atm(x,r)+Δφi,θ(x,r)+

Δφi,nosie(x,r)

datm(tA,x,r)]+Δn

(2)

式中:λ為雷達波長; Δφi,def(x,r)是累積形變引起的相位; d(tA,x,r)和d(tB,x,r)分別是tA和tB時刻相對于參考時間t0時刻在雷達視線方向(LOS)上的累積形變相位量; Δφi,topo(x,r)是由地形誤差所導(dǎo)致的相位,與垂直基線B⊥和高程誤差Δz成正比,與入射角θ的正弦成反比; Δφi,atm(x,r)是兩幅影像中大氣延遲引起的相位datm(tA,x,r)和datm(tB,x,r)所造成的相位誤差;Δφi,noise(x,r)為噪聲殘余相位; Δn表示失相關(guān)引起的噪聲相位。其中:大氣相位誤差和噪聲誤差可以通過時域高通濾波和空域低通濾波與干涉相位分離。

在去除上述各種相位誤差分量后,由式(2)可以得到M個方程,方程中含有N個未知量,用矩陣表示為:

Aφ=Δφ

(3)

式中:A對應(yīng)一個M×N的系數(shù)矩陣,每一行和每一列分別對應(yīng)一個干涉圖和一景SAR影像,因此M和N分別為干涉圖和SAR影像的數(shù)量。

直接求解相位將違反形變的物理規(guī)律,故將兩景SAR影像獲取時間之間的平均相位速度作為未知量來進行求解(李珊珊等,2013),

(4)

式中:φ(t0,x,r)=0。

結(jié)合式(3),(4),可以得到一個新的矩陣方程:

Bv=Δφ

(5)

式中:B為M×N的系數(shù)矩陣。采用奇異值分解法(SVD)和最小二乘法進行求解方程(4),即可得到形變速率,進一步在時間域上積分得到整個時間序列的形變相位值。

3.2 數(shù)據(jù)介紹

本文地表形變監(jiān)測選用由歐洲空間局(ESA)發(fā)射的Sentinel-1A衛(wèi)星獲取的覆蓋研究區(qū)域的32景單視復(fù)數(shù)影像(SLC)作為實驗數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)范圍如圖1。表1顯示的是所用SAR影像的基本參數(shù)情況,其中時間跨度為2017年3月27日到2019年10月19日,影像數(shù)據(jù)的極化方式為VV,軌道方向為升軌,分辨率為5m×20m。為了提高影像的軌道數(shù)據(jù)精度,本研究還采用了歐洲空間局發(fā)布的AUX＿POEORB精密軌道參數(shù)文件進行軌道校準(zhǔn)。此外,所用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為美國宇航局(NASA)公開的SRTM數(shù)據(jù)(圖7),分辨率為30m×30m,用于消除地形相位的影響。

表1 Sentinel-1A 影像技術(shù)參數(shù)

3.3 數(shù)據(jù)處理流程

利用SBAS-InSAR技術(shù)進行紅會礦區(qū)地表形變監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。32景數(shù)據(jù)裁剪后依次以每一景數(shù)據(jù)作為超級主影像,進行基線估算,其中最大的絕對空間基線為254.409m,最小的絕對空間基線為1.665m,最大的絕對時間間隔為936d,最小的絕對時間間隔為24d。設(shè)置最大空間基線為臨界基線的45%,最大時間基線為550d,計算各組像對的空間基線和時間基線如圖9。

圖8 SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

圖9 時空基線分布圖

根據(jù)時空基線圖設(shè)置2018-05-21的影像為超級主影像,其他影像與其配準(zhǔn),經(jīng)差分干涉生成、軌道精煉和重去平、形變速率和殘余地形估算、地形殘余相位和大氣相位去除、形變序列估算、地理編碼等多項處理步驟后獲得最終的形變結(jié)果。

4 紅會礦區(qū)地表形變分析

紅會礦區(qū)各時間段地表變形的累積量及變形速率如圖10a。從圖中可以看出,計算區(qū)域內(nèi)累積沉降量較大的位置集中在劃定的研究區(qū)內(nèi),2017年3月27日～2019年10月19日近兩年半的時間里,研究區(qū)內(nèi)累積最大沉降量可達177mm,最大平均年沉降速度達70mm·a-1?？焖俪两祬^(qū)主要集中在紅會一礦、紅會二礦和紅會四礦周圍,沉降量從沉降中心向周圍遞減,共和鎮(zhèn)、牛拜村、西合村和玉灣村均受地面沉降災(zāi)害影響。將計算范圍的結(jié)果圖進行裁剪得到研究區(qū)內(nèi)的結(jié)果圖(圖10b),并與遙感解譯的地裂縫和塌陷坑分布圖相疊加,可見,紅會礦區(qū)現(xiàn)有的地裂縫幾乎全部分布在快速沉降區(qū),隨著煤礦采空區(qū)的進一步增大,極有可能繼續(xù)擴展。多數(shù)塌陷坑則分布在緩慢沉降區(qū),變形相對穩(wěn)定,進一步災(zāi)變的可能性很小。盡管環(huán)境恢復(fù)治理區(qū)沒有新的地裂縫和塌陷坑產(chǎn)生,但依舊在遭受采礦活動的劇烈擾動,沉降較為明顯。

圖10 SBAS-InSAR時序分析獲取的2017/03/27～2019/10/19期間的累積沉降量和沉降速度(雷達視線方向)

以2個月為時差展示地面沉降過程,圖11所示的研究區(qū)形變時間序列。以2017年3月27日為起點,假設(shè)此時地面沉降為0,則從圖中可以看出,隨著礦山開采活動的進行,地面沉降逐漸嚴(yán)重,最先呈現(xiàn)紅色的即為沉降中心,并隨著時間開始向周圍發(fā)展。沉降最為嚴(yán)重的為紅會一礦和紅會二礦周圍,這也符合礦山生產(chǎn)的實際情況。

圖11 研究區(qū)形變時間序列圖

為了進一步研究地面沉降速度及其對周圍村鎮(zhèn)、公路的影響,如圖3a所示,選取典型的監(jiān)測點(P1～P22),給出其整個時間范圍內(nèi)的沉降曲線和距離研究區(qū)約30km的靖遠縣雨量站日降雨量數(shù)據(jù)(圖12)。其中:P1和P2位于2012～2013年的環(huán)境恢復(fù)治理區(qū),解譯結(jié)果表明,該區(qū)域仍以每年40～50mm的速度沉降,治理效果難以維持。P3和P9代表紅會一礦和二礦礦區(qū)內(nèi)沉降比較嚴(yán)重的位置點,在兩年半的時間內(nèi),幾乎以線性速度沉降,最終累積沉降量分別達130mm和120mm。P4～P7所在區(qū)域為歷史塌陷嚴(yán)重區(qū),該區(qū)域還在不斷沉降,累積沉降量達80mm,但是其不是目前沉降的中心區(qū)域,沉降速度呈降低趨勢。P8位于快速沉降區(qū)的邊緣地帶,沉降速度大幅降低,年均沉降速度小于10mm。結(jié)合P10～P12空間位置和時序變形數(shù)據(jù),表明了距離開采中心越遠,地面形變強度逐漸減小。P1～P12所在區(qū)域原本為農(nóng)田,由于地裂縫和塌陷坑導(dǎo)致無法灌溉,已基本荒廢。

圖12 紅會礦區(qū)典型監(jiān)測點時序變形(雷達視線方向)

P13為紅會三礦周圍的位置點,沉降量很小,不到10mm。P14點位于紅會四礦礦區(qū),累積沉降量達70mm,但在2018年7月之前沉降速度較大,之后沉降緩慢,這主要因為四礦資源枯竭,生產(chǎn)減慢,即將面臨關(guān)停。P15神峰煤礦沉降量約20mm,P16西合村距離紅會四礦較近,近兩年沉降量很小,不到10mm。P17、P18和P19分別為牛拜村、玉灣村和共和鎮(zhèn)位置點,累積沉降量分別為30mm、15mm和25mm。P20、P21和P22為省道308上面的3個位置點,沉降量相差不大,為20～25mm,調(diào)查時路面未見明顯裂縫,但已立警示牌告知注意路面塌陷。

觀察P17～P22監(jiān)測點時序變形曲線,可見6條曲線的形態(tài)大致相同,幾乎都在每年7月累積沉降量達到峰值,之后沉降變形減弱,地面甚至開始抬升?？紤]到降雨主要集中在每年的6、7、8月份,這說明這些人口聚集區(qū)的地面沉降變形,一定程度上還與地下水過量開采有關(guān),雨季時雨水補給地下水,使得原本沉降的地面又有所回升。但從整體沉降趨勢來看,這些區(qū)域仍處于緩慢下沉階段。值得注意的是,本文所使用的SAR影像數(shù)據(jù)僅包含了近兩年半的地表變形信息,結(jié)合遙感歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),牛拜村、西合村、兄弟村等村莊及農(nóng)田區(qū)域地面沉降嚴(yán)重,伴有大量的塌陷坑和地裂縫,這是煤礦數(shù)十年高強度地下開采導(dǎo)致的結(jié)果。因此,十分有必要盡快推進沉陷區(qū)群眾搬遷安置以及生態(tài)修復(fù)、環(huán)境整治和重大地質(zhì)災(zāi)害隱患治理等工作。

圖A1 SBAS-InSAR時序分析獲取的2017/03/15～2019/11/12期間的累積沉降量和沉降速度(雷達視線方向)

5 結(jié) 論

(1)依托遙感解譯和現(xiàn)場調(diào)查,獲取了甘肅省紅會礦區(qū)地面塌陷坑和地裂縫的空間分布,尺寸和數(shù)量,結(jié)果表明,紅會礦區(qū)數(shù)十年高強度的地下開采導(dǎo)致至少700條地裂縫和500個塌陷坑沿北東向密集分布于礦區(qū)地表,造成牛拜村、西合村、兄弟村等村莊的房屋嚴(yán)重受損,農(nóng)田無法灌溉。

(2)基于2017年3月至2019年10月期間的32景Sentinel-1A數(shù)據(jù),利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了紅會礦區(qū)的地面平均形變速率與累積沉降量,并針對典型位置點進行了時序變形分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),快速沉降區(qū)集中在紅會一、二、四礦周圍,與地裂縫空間分布位置相吻合,累積最大沉降量達170mm; 環(huán)境恢復(fù)治理區(qū)仍受采煤活動的劇烈擾動,以年均40～50mm的速度沉降。

(3)牛拜村、西合村、兄弟村等人類聚集區(qū)的地表變形整體呈緩慢下沉趨勢,累積沉降量約15～30mm; 這些區(qū)域的地面沉降除受地下采煤影響之外,還可能與地下水過量開采有關(guān),雨季時原本沉降的地面有明顯回升。

(4)整個紅會礦區(qū)地面變形災(zāi)害嚴(yán)重且處于發(fā)展態(tài)勢,應(yīng)規(guī)范礦業(yè)行為,采用合理的采礦技術(shù)方法,進一步控制災(zāi)害的惡性發(fā)生,同時盡快推進沉陷區(qū)群眾搬遷安置、生態(tài)修復(fù)和地質(zhì)災(zāi)害隱患治理等工作。

附 錄A

在未能獲取同時間階段內(nèi)現(xiàn)場實測地表形變數(shù)據(jù)的條件下,使用SBAS-InSAR技術(shù)和位于不同軌道時的數(shù)據(jù)再次提取了研究區(qū)域內(nèi)的地表變形信息,以對前文所述的監(jiān)測結(jié)果進行交叉驗證。其中:所采用的數(shù)據(jù)為2017年3月15日到2019年11月12日期間33景降軌的Sentinel-1A數(shù)據(jù),影像數(shù)據(jù)的極化方式為VV,其他參數(shù)與3.2節(jié)中所述的一致。最終,獲得的紅會礦區(qū)各時間段地表變形的累積量及變形速率如圖A1所示。

對比圖A1和圖10a,在兩種不同類型觀測數(shù)據(jù)模式下,兩者的累積最大沉降量和年均沉降速度有小幅差距,這可能是因為最終獲取結(jié)果為雷達視線方向形變而不是真實三維形變,故而在一定程度上受雷達觀測方向的影響。但整體上,研究區(qū)域內(nèi)兩者的地表形變基本吻合,快速沉降區(qū)的空間分布保持一致,集中在紅會一、二、四礦周圍,證明了監(jiān)測結(jié)果可靠性較高。