InSAR技術(shù)在普光氣田地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

趙 果

(中國(guó)石化中原油田普光分公司,四川達(dá)州 635000)

0 前言

普光氣田位于四川盆地東北部,該氣田地面集輸系統(tǒng)主要由采氣井場(chǎng)、集氣站和集輸管線組成。集輸站場(chǎng)和集輸管道輸送介質(zhì)高含硫化氫和二氧化碳,地區(qū)內(nèi)地層出露以侏羅系地層為主[2]。地區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害“點(diǎn)多面廣”,對(duì)普光區(qū)塊凈化廠、所有集氣站、采氣站、酸氣管道、凈化氣管道、輸水管道等存在嚴(yán)重安全隱患。隨著氣田開(kāi)發(fā)深入,地質(zhì)災(zāi)害和硫化氫泄漏的風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大,一旦發(fā)生事故,社會(huì)及經(jīng)濟(jì)影響巨大。氣田常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估以人工地面調(diào)查為主,存在調(diào)查范圍小、精度低和效率差等問(wèn)題,同時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)影響較大。

本文以合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric Synthetic Aperture Rada,InSAR)技術(shù)為主,結(jié)合地面調(diào)查手段,構(gòu)建以“技防為主、人防為輔”的調(diào)查評(píng)估方法,查明了普光氣田輸氣管線區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害分布發(fā)育特征、科學(xué)評(píng)價(jià)其危害性,有助于普光氣田地質(zhì)災(zāi)害防控工作。

1 InSAR技術(shù)

近年來(lái)隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展,InSAR技術(shù)以其長(zhǎng)時(shí)間、大范圍、高精度等優(yōu)勢(shì),已成為地表形變監(jiān)測(cè)的新手段。InSAR技術(shù)與衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、水準(zhǔn)測(cè)量等傳統(tǒng)地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)相比,技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[3]:

a) 監(jiān)測(cè)精度高。雷達(dá)圖像的分辨率可達(dá)到米級(jí),InSAR技術(shù)可達(dá)到毫米級(jí)。

b) 監(jiān)測(cè)范圍廣。可監(jiān)測(cè)地表上百至上千平方千米的范圍,能夠?qū)Τ菂^(qū)及山區(qū)實(shí)現(xiàn)全覆蓋監(jiān)測(cè)。

c) 監(jiān)測(cè)具有連續(xù)性。對(duì)地面同一目標(biāo)進(jìn)行周期或非周期的長(zhǎng)期觀測(cè),數(shù)據(jù)更新快,可監(jiān)測(cè)地面目標(biāo)在時(shí)間序列上的連續(xù)形變過(guò)程。

d) 全天時(shí)全天候,受天氣影響小。使用探測(cè)頻段較長(zhǎng),在不良天氣條件下也能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),受天氣影響較小,具備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的能力。

e) 監(jiān)測(cè)實(shí)施方便。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法需要在地面布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn),InSAR技術(shù)只需衛(wèi)星獲取地表影像,不需要現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

f) 成本相對(duì)低。InSAR技術(shù)不需要觀測(cè)網(wǎng)的布設(shè)和維護(hù)費(fèi)用,數(shù)據(jù)的成本相對(duì)不高。

2 數(shù)據(jù)與方法

InSAR地表形變分析主要采用的是SBAS-InSAR計(jì)算方法,對(duì)2019-2021年Sentinel-1A(哨兵一號(hào))升軌數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序監(jiān)測(cè)與分析,升軌數(shù)據(jù)編號(hào)為20190111～20211226,共91景,歷時(shí)1 080天,入射角值約39.456°,形變分析范圍為管道兩側(cè)1 000 m。

Sentinel-1干涉模式8幅寬為250 km×250 km,分辨率為2.3 m×14.1 m[4]。同時(shí),還收集了宣漢縣氣象站2018-2021年的降水量相關(guān)數(shù)據(jù),用于分析滑坡形變與降雨量之間的關(guān)系以及地區(qū)內(nèi)已有基礎(chǔ)地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)等的成果資料。

借助日本航天局(ALOS)發(fā)布的12.5 m分辨率的外部DEM作為參考,通過(guò)GoogleEarth平臺(tái)選取穩(wěn)定的基巖、遠(yuǎn)離研究區(qū)的基礎(chǔ)建筑設(shè)施等點(diǎn)作為GCP點(diǎn),數(shù)據(jù)源詳情見(jiàn)表1。

表1 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)參數(shù)信息

采用Goldstein濾波算法進(jìn)行地表植被及覆蓋物的濾波處理,用最小費(fèi)用流算法進(jìn)行奇異值分解,最終獲得了研究區(qū)的形變范圍[5]。

3 滑坡探測(cè)及分析

通過(guò)InSAR技術(shù)進(jìn)行地表形變探測(cè)可識(shí)別出mm/a級(jí)的地表變形信息,本文重點(diǎn)對(duì)工區(qū)范圍內(nèi)420.45 km2探測(cè)數(shù)據(jù),以及典型滑坡的形變特征進(jìn)行分析。

3.1 地質(zhì)災(zāi)害分布特征

根據(jù)Sentinel-1A衛(wèi)星升降軌數(shù)據(jù)時(shí)序分析,普光氣田的地質(zhì)災(zāi)害主要以滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、水毀為主,共計(jì)4類,均為小型規(guī)模。采用1∶10 000InSAR解譯形變點(diǎn)共58處,解譯出地災(zāi)隱患點(diǎn)32處,其中崩塌1處、滑坡6處、不穩(wěn)定斜坡23處、水毀2處。

3.1.1 時(shí)間分布特征

a) 同步性。每年5～10月是川東北區(qū)域降雨量集中的時(shí)段,同時(shí)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率也較高。

b) 周期性。每年在降雨量較少的時(shí)候,地質(zhì)災(zāi)害基本穩(wěn)定,降雨量大的時(shí)候穩(wěn)定性降低[6]。從橫向上看,區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在每年5～10月降水集中時(shí)間段,主要受本區(qū)氣候條件所控制。調(diào)查區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年均降水量多在1 000 mm以上。

3.1.2 空間分布特征

a) 相對(duì)集中性。氣田地質(zhì)災(zāi)害主要集中在毛壩鎮(zhèn)、普光鎮(zhèn)和胡家鎮(zhèn)。主要分布在斜坡地帶,地形斜坡坡度多在25°～35°之間,局部斜坡70°～80°的坡度。

b) 垂直分帶性。上面較陡下部較緩的斜坡[4],上部常易形成危巖崩塌,中下部易形成崩積物的堆積,具有上崩下滑的分布特點(diǎn)。

c) 各類型災(zāi)害點(diǎn)分布。崩塌災(zāi)害發(fā)育極少,為小型規(guī)模;滑坡災(zāi)害相對(duì)發(fā)育,共解譯6處,其中5處對(duì)油氣設(shè)施及礦區(qū)道路有潛在安全隱患,均為小型規(guī)模;不穩(wěn)定斜坡較為發(fā)育,具有沿溝谷發(fā)育特征,共解譯不穩(wěn)定斜坡23處,規(guī)模較小,較為穩(wěn)定;水毀2處,小型規(guī)模,詳見(jiàn)表2。

表2 InSAR解譯地災(zāi)類型及規(guī)模

3.2 典型滑坡分析

3.2.1 普光103集氣站南側(cè)(PG-InSAR32)

初步判斷該處具有明顯變形,平均地表變形速率約為0.021 m/a,根據(jù)地表形變探測(cè)數(shù)據(jù),確定了疑似滑坡點(diǎn)位置,勾繪了變形范圍,編號(hào)為PG-InSAR32。經(jīng)InSAR技術(shù)識(shí)別及初步觀測(cè),其變形范圍約0.011 km2,且變形速率穩(wěn)定,在滑坡區(qū)域選取形變速率較大的一條剖面,繪制其歷史形變累計(jì)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)其在3年期間形變量達(dá)到0.63 m。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地層巖性及作業(yè)區(qū)的工程建設(shè)、使用情況,該斜坡植被覆蓋度高,主要以當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物為主,平均坡度約18°～35°,斜坡上有道路穿過(guò),公路下側(cè)為陡崖,坡度約50°～60°,斜坡陡崖處基巖可表現(xiàn)為明顯的砂巖。主要變形跡象為道路局部出現(xiàn)拉裂縫,裂縫寬0.5～1.5 cm,公路下側(cè)陡崖發(fā)育危巖塊體,局部有崩落跡象,陡崖下部斜坡農(nóng)田局部發(fā)育拉裂縫。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及變形情況,初步判定該處為一滑坡,其位置及范圍如圖1所示,剖面如圖2所示。

圖1 PG-InSAR32現(xiàn)場(chǎng)

圖2 PG-InSAR32剖面示意

3.2.2 胡家閥室段鉀鹽礦工程場(chǎng)(PG-InSAR01)

該點(diǎn)位于胡家鎮(zhèn)胡家閥室管線附近,平均變形速率約0.045 m/a,并在變形區(qū)域選取形變速率較大的一條剖面,繪制其歷史形變累計(jì)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)其在3年期間形變量達(dá)到0.014 m。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,該場(chǎng)地平均坡度小于3°,面積約0.142 km2,地表以雜填土為主,無(wú)植被覆蓋,地層出露不明顯,周圍山坡已被削坡,并修有多級(jí)馬道,現(xiàn)狀無(wú)變形跡象。場(chǎng)地內(nèi)部有多間工程廠房,常駐人數(shù)約20人。綜合分析后,初步判定為該處工程填方后由于填土固結(jié)沉降造成的變形,其位置及范圍如圖3所示,剖面如圖4所示。

圖3 PG-InSAR01現(xiàn)場(chǎng)

圖4 PG-InSAR01剖面示意

3.2.3 毛壩1井—1#閥室管線西側(cè)(PG-InSAR02)

該點(diǎn)位于毛壩1井—1#閥室管線附近,采取同樣的InSAR手段,結(jié)合普光氣田按1∶10 000地災(zāi)InSAR干涉結(jié)果和地形地貌數(shù)據(jù),初步判斷該處具有明顯變形,平均變形速率約0.038 m/a,根據(jù)變形情況,確定了疑似滑坡點(diǎn)位置,勾繪了變形范圍,編號(hào)為PG-InSAR02。初步判定為滑坡,位置及范圍如圖5所示,剖面如圖6所示。

圖5 PG-InSAR02現(xiàn)場(chǎng)

圖6 PG-InSAR02剖面示意

根據(jù)InSAR形變初步監(jiān)測(cè)情況,對(duì)該變形區(qū)域做縱剖面并確定InSAR觀測(cè)點(diǎn),結(jié)果表明,該處的最大變形累計(jì)量約0.106 m,主要表現(xiàn)為變形區(qū)中部變形大于上部和下部變形體。

4 結(jié)論

a) 通過(guò)InSAR技術(shù)共識(shí)別出地表形變點(diǎn)58處,其中崩塌災(zāi)害1處,滑坡災(zāi)害6處,不穩(wěn)定斜坡共23處,水毀2處。由于耕種、植被生長(zhǎng)、沉降等造成的變形區(qū)共26處,現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證率100%,準(zhǔn)確率55.2%,滿足山區(qū)使用要求。

b) 滑坡和不穩(wěn)定斜坡是工區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型,滑坡主要為土質(zhì)淺表層滑坡,按規(guī)模為小型滑坡。受地貌、巖性、人類工程活動(dòng)影響,區(qū)內(nèi)滑坡多發(fā)育斜坡體的中下部。崩塌災(zāi)害僅發(fā)育1處,局部坡度大于50°的高差較大的斜坡體表面。水毀僅發(fā)育2處,均為小規(guī)模災(zāi)害。泥石流和地面塌陷災(zāi)害在區(qū)內(nèi)不發(fā)育。氣田地質(zhì)災(zāi)害在平面上的分布主要受地層巖性、地形地貌的控制。

c) 氣田地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生于5～9月主汛期時(shí)段,降雨量的大小是地質(zhì)災(zāi)害形成的主要誘發(fā)因素。

d) 氣田內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)育于105～740 m高程和17°～37°的坡度。按照地質(zhì)災(zāi)害的不同類型,滑坡主要發(fā)育于26°～37°范圍內(nèi),不穩(wěn)定斜坡主要發(fā)育于17°～26°范圍內(nèi)。

e) 氣田地質(zhì)災(zāi)害在低山丘陵地段較為發(fā)育,主要原因是人類工程活動(dòng)較為強(qiáng)烈。主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)建設(shè)、切坡修路、耕地、房屋修筑等。同時(shí),人類耕作及開(kāi)挖對(duì)斜坡體結(jié)構(gòu)的改造作用,使得坡體巖性結(jié)構(gòu)變得松散、易滑。