馬 超屈春燕孟秀軍

1）河南理工大學，礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，焦作 454003

2）中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

3）天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301

南水北調總干渠中線工程豫北段基礎穩(wěn)定性的InSAR時序分析

馬 超1）屈春燕2）孟秀軍3）

1）河南理工大學，礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，焦作 454003

2）中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

3）天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301

南水北調總干渠中線工程豫北段受礦區(qū)開采沉陷、區(qū)域地質構造活動及城市地下水開采沉降等多種威脅，區(qū)域地質結構穩(wěn)定性較差。為了評估干渠沿線基礎穩(wěn)定性，為引水工程提供安全評價保障，以南水北調中線豫北段為例，利用2009年全年共9期ENVISAT ASAR雷達數(shù)據(jù)，采用二通加外部DEM的D-InSAR數(shù)據(jù)處理算法和“相位累積式”干涉測量甄別大氣影響，采用“相鄰重訪周期式”干涉測量減小時間退相干影響，獲得了沿線126km渠段、33個監(jiān)測點在2009年8個時間段的時序差分形變相位圖像；提取了不同時期采礦、地下水開采造成的地面沉降區(qū)及沉降幅度信息；評價了區(qū)域活動構造及穩(wěn)定性。研究表明：研究渠段全線有不均勻下沉，350d累積最小下沉量為-33mm，最大下沉量為-73mm。年下沉速率0.34～0.76m／a，年平均下沉速率0.53m／a。監(jiān)測點下沉總體符合指數(shù)分布，平均相關系數(shù)R2=0.741 8。根據(jù)監(jiān)測點下沉擬合曲線預測，調水干渠多數(shù)段落基礎下沉趨穩(wěn)；南水北調中線工程豫北段受多種因素疊加影響，總體基礎穩(wěn)定性較差，地質構造活動、城市地表沉降為主要影響因素，基礎施工為次要影響，礦區(qū)開采沉陷對基礎失穩(wěn)未見直接相關性。

合成孔徑雷達干涉測量 南水北調中線工程 開采沉陷 城市地表沉降 活動構造

0 引言

南水北調工程中線工程（MRP）前期研究工作始于1952年，于1997年開工建設，總干渠1 267km，在河南境內(nèi)達731km，占總里程的半數(shù)以上，縱貫中原大地南北。中線工程（MRP）溝通長江、淮河、黃河、海河四大流域，需穿過黃河干流及其他集流面積10km2以上河流219條，跨越鐵路44處，需建跨總干渠的公路橋571座，此外還有節(jié)制閘、分水閘、退水建筑物和隧洞、暗渠等，總干渠上各類建（構）筑物共936座（中國南水北調網(wǎng)，中線工程概況）。受區(qū)域地質結構活動性、城市地下水開采沉降、礦區(qū)開采沉陷等影響，區(qū)域地質結構穩(wěn)定性較差，渠堤及堤岸基礎容易出現(xiàn)不穩(wěn)定。

差分干涉測量（Differential InSAR，D-InSAR）通過監(jiān)測雷達視線方向cm級或更微小的地球表面形變，揭示出許多地球物理現(xiàn)象，如地震形變、火山運動、礦區(qū)地表形變、地面沉降以及山體滑坡等（Achache et al．，1995；Perski，1998；屈春燕等，2010，2012；季靈運等，2013）。但對精度要求更高的重大工程變形監(jiān)測的研究國內(nèi)外應用較少，建（構）筑物變形監(jiān)測由于形變周期長、變形量小和失相關的影響大，給InSAR處理帶來一定的難度。近年來，采用永久散射體干涉測量方法（Permanent Scatterers InSAR，PS InSAR）和小基線子集方法（Small Baseline Subsets，SBAS），國外開采沉陷監(jiān)測取得了突出的成就（Ferretti et al．，2000，2004；Berardino et al．，2002）。但前者需要大數(shù)據(jù)集，后者要求小空間垂直基線，由于缺乏自主雷達衛(wèi)星，大量采購國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)成本較高，今后基于有限數(shù)據(jù)條件下的時間序列干涉測量仍是中國InSAR應用的主流技術。雖然，常規(guī)D-InSAR難以有效分離和剔除軌道殘余、地形殘余和大氣延遲等各類相位誤差，但選擇適當?shù)母缮娌呗?，仍可以甄別殘余變形和大氣影響，且節(jié)省數(shù)據(jù)開銷，提高觀測效率，獲得豐富的相位變化結果，能夠充分挖掘有限數(shù)據(jù)的應用潛力（馬超等，2012）。

已有研究探討青藏鐵路沿線多年凍土與基礎相互作用InSAR監(jiān)測方法（CHEN et al.，2012），但對同一工程涉及區(qū)域地質結構活動性、城市地下水開采沉降、礦區(qū)開采沉陷等綜合影響的監(jiān)測尚屬首次。本研究利用一年期的SAR觀測數(shù)據(jù)，對豫北段126km渠段進行穩(wěn)定性監(jiān)測，旨在嘗試大型線狀工程大規(guī)模長時序監(jiān)測的新方法，探索對GPS、水準觀測等傳統(tǒng)觀測技術的有效補充。

1 研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

南水北調總干渠中線豫北段位于河南省北部，跨越豫北4個地級市（焦作市、新鄉(xiāng)市、鶴壁市和安陽市）和鶴壁煤炭集團十座生產(chǎn)礦井（113°30′～114°45′E，35°15′～36°30′N），屬太行山山前平原、湯陰地塹及安陽盆地地貌。豫北地區(qū)扼守南北交通咽喉，除了南水北調總干渠中線以外，有多條重要線狀設施如京廣鐵路、京港澳高速公路（G4）、石武高速鐵路客運專線和107國道從區(qū)內(nèi)穿過，因此研究區(qū)內(nèi)地表穩(wěn)定性，不但對區(qū)內(nèi)線狀設施基礎穩(wěn)定性監(jiān)測有意義，對礦區(qū)地表穩(wěn)定性、構造活動性及城市地表安全評價亦有重要意義（圖1）。

1.2 研究數(shù)據(jù)

干涉測量數(shù)據(jù)來自SRTM DEM和ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)，ASAR周訪周期為35d，本研究采用2009年9景ASAR SLC數(shù)據(jù)，除10月份沒有收集到外，全部重訪周期均獲得。從數(shù)據(jù)列表1可以看出，2009年SAR數(shù)據(jù)總時間跨度為350d，呈35d等時間間隔分布。

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 2種干涉策略

采用“二通法”2PASS+external DEM差分干涉測量（D-InSAR）方式數(shù)據(jù)處理，外部DEM采用2001年SRTM DEM 3 arcsec v4.0，本研究采用2種干涉策略。

借助“相位累積式”差分干涉測量甄別地形殘余相位和大氣擾動相位，獲得下沉區(qū)。即固定第1景（090110）為主圖像（Master），其后8景隨時間基線遞增，依次作為從圖像（Slave）；其干涉相位圖的特點是后一次的差分相位變化包含前面逐次相位變化量（式1）：

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area.

借助“相鄰重訪周期式”差分干涉測量獲得垂直變化量。即不固定主圖像，前8景分別作為主圖像，第2景至第9景依次作為從圖像，時間基線與重訪周期相同；其干涉相位圖的特點是各期差分相位變化相互獨立（式2）：

2種策略的具體處理過程相同：包括SAR影像的輻射校正、參考主影像的選取、干涉像對的配準及重采樣、2次干涉處理一次差值運算、解纏參考點選擇、相位解纏、地理編碼和產(chǎn)品輸出等步驟，由此獲得各階段的差分干涉相位圖。

2.2 參考點殘余相位分析

解纏參考點設置在研究區(qū)北部、穩(wěn)定性相對較好的岳城水庫壩體上，通過解相位纏繞，獲得時間序列垂直形變干涉紋圖。各期差分中，參考點殘余相位值分布如圖2，各期差分殘余相位與垂直基線對照見表2。

表1 ENVISAT ASAR SLC數(shù)據(jù)基本信息表Table 1 Basic information about the ENVISAT ASAR SLC data

圖2 參考點所在的岳城水庫壩體各期殘余相位變化圖Fig.2 A map of residual phase change of the reference point at Yuecheng reservoir dam.

表2 岳城水庫參考點的殘余相位Table 2 The residual phases of the reference point located at Yuecheng reservoir dam

從表2中看出，參考點解纏質量與垂直基線密切相關，第1，2，6，8期差分結果殘余相位影響較大，第3，4，5，7期差分結果殘余相位影響較小。真實形變相位應該在整幅干涉相位圖上減去參考點的殘余相位。

3 結果與分析

3.1 監(jiān)測線垂直相位變化

調水干渠總體為呈SN向的線狀建（構）筑物，從南到北每間隔緯度差4.5′（線量值約3km）設置一個沉降監(jiān)測點（由于SAR圖像分辨率原因，選擇監(jiān)測點會有1～2個像素偏差），共設置了33個監(jiān)測點（編號為J01—J33），調水干渠通過了多個不同的行政、地理及構造區(qū)段，部分監(jiān)測點位于水庫泄洪區(qū)（圖3）。

圖3 監(jiān)測點對應的空間位置Fig.3 The space position corresponding to monitoring points.

根據(jù)監(jiān)測點坐標信息（UTM 50Zone），在每期干涉形變相位圖上采集每個監(jiān)測點的下沉信息，去除參考點的殘余相位獲得每個監(jiān)測點的真實形變相位（表3）。

3.2 相位變化提取與精度分析

以下沉值為縱軸，以33個監(jiān)測點為橫軸，獲得沿干渠走向8期觀測的下沉垂直剖面圖（圖4）。

總體趨勢上，干渠基礎監(jiān)測點有不同程度的垂直變形，中段變形量較大（J09—J21），南段和北段變形量較小。隨著時間的推移，監(jiān)測點持續(xù)下沉，一年累積最小下沉量為-33mm（J29），最大下沉量為-73mm（J19）。

為保持數(shù)據(jù)的原創(chuàng)性，沒有采用濾波算法，因此存在測點下沉異常，從圖4中可以看出，空間上位于安陽市城區(qū)的測段有不明原因上升，這在同類的研究中也有表述（徐小波，2013）；J06和J07有不明原因上升，初步認為可能是解纏錯誤所致。

對觀測數(shù)據(jù)進行了初步精度評價。標準偏差反映數(shù)值相對于平均值的離散程度，各期相位變化測量采樣標準差Δ分別為±0.004m，±0.007m，±0.004m，±0.010m，±0.009m，±0.011m，±0.011m，±0.007m。平均標準差為±0.008m，采樣精度為亞cm級。

33個監(jiān)測點垂直相位變化中誤差最大為±0.007m，最小為±0.002m，平均垂直相位變化中誤差為±0.004m。

3.3 監(jiān)測點的時間序列分析

以下沉量為Y軸，以觀測日期為X軸，構建33個監(jiān)測點時間序列變化曲線（圖5）。

總體上，全線33個監(jiān)測點隨時間出現(xiàn)累積下沉，一年期的監(jiān)測未達到穩(wěn)定期。下沉期總體符合指數(shù)分布，相關系數(shù)R2為0.480 3（J03）-0.912 7（J23），平均為0.741 8（圖6）。隨著

表3 時間序列相位垂直變化表Table 3 The time series vertical phase changes

圖4 監(jiān)測線重復觀測垂直相位變化剖面圖Fig.4 The profiles of vertical phase changes along the monitoring lines repeatedly observed.

圖5 監(jiān)測點時間序列下沉變化曲線Fig.5 The time series subsidence curves of the monitoring points.

3.4 下沉速率分析

由于觀測時間間隔不相等，為35～70d，其中第1，5期時間間隔為70d，因此下沉速率反映監(jiān)測點動態(tài)更客觀，以下沉速率為Y軸，以觀測日期為X，構建33個監(jiān)測點下沉速率時間時間推移，根據(jù)變形監(jiān)測的一般規(guī)律，下沉量最終會穩(wěn)定在某個量值，所以下沉曲線應該是一個分段函數(shù)，即序列變化曲線（圖7）。

圖6 監(jiān)測點時間序列下沉的曲線擬合Fig.6 Fitting for time series subsidence curves ofmonitoring points.

圖7 監(jiān)測點下沉速率曲線圖Fig.7 The subsidence rate curve of each monitoring point.

下沉速率負值為沉降，正值為上升（第5，7期的部分監(jiān)測點），各階段下沉速率不穩(wěn)定。從-34mm／a（J29，J32）至-76mm／a（J19）。年平均下沉速率-53mm／a。

4 討論

造成南水北調中線工程豫北段下沉的因素很雜，可能為城市地表沉降、開采沉陷、構造活動及數(shù)據(jù)處理誤差綜合影響。下面分別就沿線構造活動性、沿線開采沉陷、沿線城市地表沉降和數(shù)據(jù)處理進行初步分析。

4.1 沿線構造活動性

區(qū)域地震烈度調查表明，南水北調中線工程豫北段為強震區(qū)（李永頤等，1990）。渠線經(jīng)過的湯陰地塹為6級Ⅷ度危險區(qū)（韓慕康等，1980；杜廣仁，1998）。根據(jù)中國1／400萬活動構造圖顯示（鄧起東等，2006），本區(qū)包含構造編號為F82，F(xiàn)83，F(xiàn)86-1，F(xiàn)86-2，F(xiàn)187，F(xiàn)210等6條大型斷裂（圖1）：F82薄壁斷裂，F(xiàn)83林縣斷裂，F(xiàn)187安陽斷裂，F(xiàn)210薄壁-新鄉(xiāng)-商丘斷裂，為平原區(qū)和盆地區(qū)的隱伏斷裂。F86-1和F86-2分別為湯西、湯東斷裂，中部圍限為湯陰-修武地塹（簡稱湯陰地塹）（任文菊等，2000；姚法章，1987）。

據(jù)文獻，湯陰地塹存在差異性升降運動，即地塹西半部相對上升，東半部相對下降；北半部相對上升，南半部相對下降。鶴壁-湯陰段有局部上升現(xiàn)象（張祖海，1982）。這與本文的垂直相位變化總體趨勢一致，即湯西斷裂一側監(jiān)測點相對上升（J01—J08），渠線在淇縣金燈寺西南（J09）斜穿湯西斷裂，湯陰地塹內(nèi)部監(jiān)測點相對下降（J09—J22）；北半部相對上升（J22—J33），南半部相對下降（J01—J21）。文獻提供的資料表明，以安陽為零點，1959—1973年南端相對下降-31.7mm，1959—1978年南端相對下降-39.6mm，年平均下沉率2.2～2.3mm／a。本文的監(jiān)測結果表明，以湯西斷裂活動跡線為界，干渠在淇縣金燈寺（J09）跨入湯陰地塹，在J26跨出湯陰地塹，在湯西斷裂兩側呈現(xiàn)較大差異性升降運動，據(jù)不完全統(tǒng)計，跨入點J08—J09差異性下降-17.7mm／a，跨出點J26—J27差異性上升+19.8mm／a。

另據(jù)國家地震局第二測量大隊1984年水準成果，湯陰地塹在不斷下沉，其中邯鄲—肥鄉(xiāng)一帶，1972—1982年下沉速率為-45.8mm／a，到1984年則增加為-51.2mm／a；南部的新鄉(xiāng)—淇縣一帶1981—1984年下沉速率為-13.1～-15.0mm／a；安陽附近下沉速率相對較小為-9.2mm／a。至于NW向的薄壁-新鄉(xiāng)-商丘斷裂，據(jù)新鄉(xiāng)至黃河北測線的觀測結果，1973—1984年平均每年僅抬升+6.1mm／a（張祖海，1982）。淇縣以南處于湯陰地塹內(nèi)部的監(jiān)測點（J09—J10），垂直變形包含下沉速率為-13.1～-15.0mm／a的構造活動；安陽城區(qū)的監(jiān)測點（J22—J30）垂直變形包含下沉速率為-9.2mm／a的構造活動；衛(wèi)輝市附近的部分監(jiān)測點靠近薄壁-新鄉(xiāng)-商丘斷裂，垂直變形包含每年抬升-6.1mm／a的構造活動。

4.2 沿線開采沉陷

獲得了鶴壁礦區(qū)2009年8個連續(xù)時間段的時序差分垂直形變相位圖像，通過開采沉陷的時間序列規(guī)律分析，提取了不同時期采礦造成的70個相位變化區(qū)，具有時間連續(xù)性、空間一致性的開采沉陷相位變化區(qū)8處，累積下沉量分別為-140mm，-130mm，-210mm，-117mm，-165mm，-148mm，-127mm，-147mm，沉陷區(qū)年最大下沉量為-210.0mm／a（馬超等，2012；GUO et al.，2013）。

鄰近鶴壁礦區(qū)為監(jiān)測段J14—J24，距調水工程最近處（十礦礦界—J15監(jiān)測點）為7.8km，根據(jù)鶴壁礦區(qū)的采深（平均500m）和采厚（平均4m），按平地概率積分法預計，其最大影響范圍距采煤工作面邊界不超過800m，推斷開采沉陷對干渠基礎影響甚微。

4.3 沿線城市地表沉降

以安陽市為重點，對南水北調中線工程豫北段途經(jīng)的3市（衛(wèi)輝，鶴壁，安陽）2縣（淇縣，湯陰縣），進行了城市地表沉降監(jiān)測，南水北調中線工程豫北段部分監(jiān)測點分別通過淇縣城區(qū)（J07—J10）、鶴壁市淇濱區(qū)（J13—J16）、湯陰縣城區(qū)（J17—J21）和安陽市城區(qū)（J22—J30）。利用2009年內(nèi)210—245d的累積形變量值對研究區(qū)各縣市進行了地表垂直形變的靜態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)3市4縣的城區(qū)地表均存在下沉現(xiàn)象，局部區(qū)域已經(jīng)形成沉降漏斗，其中安陽縣、鶴壁市、淇縣的地表沉降相對顯著，累積平均量值都達到了-30mm以上，湯陰縣城區(qū)和衛(wèi)輝市城區(qū)累積平均值為-10mm～-20mm（潘進波，2013）。

另外，在施工段（J22—J29）監(jiān)測點穩(wěn)定性較差。

5 結論

（1）研究渠段全線有不均勻下沉，350d累積最小下沉量為-33mm（J29），最大下沉量為-73mm（J19）。年下沉速率從-34mm／a（J29，J32）至-76mm／a（J19），年平均下沉速率-53mm／a。

（2）南水北調中線工程豫北段受多種因素疊加影響，總體基礎穩(wěn)定性較差。經(jīng)過對沿線地質構造活動、城市地表沉降、開采沉陷和基礎施工等影響因素綜合分析，認為地質構造活動、城市地表沉降為主要影響因素，基礎施工為次要影響因素，礦區(qū)開采沉陷對基礎失穩(wěn)未見直接相關性，各因素所占比例不易確定。

（3）下沉總體符合對數(shù)分布，平均相關系數(shù)R2=0.741 8。根據(jù)監(jiān)測點下沉擬合曲線預測，調水干渠多數(shù)段落基礎下沉趨穩(wěn)，下沉增量減小，下沉速率減小，如能繼續(xù)監(jiān)測，可以確定下沉穩(wěn)定值和下沉穩(wěn)定期。

（4）由于部分段落屬尚未施工階段，工程規(guī)模大，無法開展現(xiàn)場調查實測，基礎失穩(wěn)原因尚不易獲得。

鑒于此，南水北調中線工程豫北段易發(fā)生不良工程地質問題，如地震造成的地基液化，地塹差異性升降和城市地表沉降造成的渠道壅塞、滲漏等，希望在后續(xù)的施工、監(jiān)測等方面引起同行關注。

致謝 本文的研究數(shù)據(jù)部分來源于國家973計劃前期專項（2009CB226107-1）“煤礦區(qū)地質災害與環(huán)境信息協(xié)同處理及預警基礎研究”，在此表示感謝。

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EM BANKM ENT STABILITY OF THE NORTH HENAN SECTION OF M IDDLE ROUTE PROJECT（MRP）OF SOUTH-TO-NORTH W ATER DIVERSION BASED ON INSAR TIM E SERIES ANALYSIS

MA Chao1）QU Chun-yan2）MENG Xiu-jun3）

1）Henan Polytechnic University，Key Laboratory of M ine Spatial Information Technologies of SBSM，Jiaozuo 454003，China
2）State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
3）Tianjin Space Data Systems Co．，Ltd．，Tianjin 300301，China

Consisting of three water diversion projects，i.e.Western Route Project（WRP），Middle Route Project（MRP）and Eastern Route Project（ERP），South-to-North Water Diversion Project is by far the world's largest water conservancy project.It is also a major strategic infrastructure to optim ize the allocation of water resources in China.

The MRP has a total length of 1267km，including a canal segment of 731km long located in Henan Province，which accounts formore than half of the totalm ileage and runs through from north to south the central plains of China.The project starts mainly in the north of Henan Province，running through Hebim ining area（i.e.Hebi Coal Industry Group Co.Ltd.），Tangyin graben，three cities（i.e. Weihui，Hebi and Anyang city）and two counties（i.e.Qixian county and Tangyin county）.Being threatened by mining subsidence，regional tectonic activities and urban groundwater subsidence，its embankment is prone to instability.

In order to assess the stability of embankment along the route，and also to provide safety guarantee for the water diversion project，with the case of the north Henan section of Middle Route Project（MRP），all 9 periods of ENVISAT ASAR data of 2009 are processed by means of 2 PASS plus external DEM D-InSAR processing algorithm，the parameters of space-time baseline are analyzed，best optimal interferometry images pairs are selected，and D-InSAR processing strategies are optimized to obtain differential interferograms for 33 monitoring points along 127km route；information of subsidence area，urban surface settlement area，as well as the amplitudes due to groundwater m ining is extracted，and thematic maps of interferometric phase change vectors are gotten.

The following understandings are obtained：1）There is uneven subsidence over the diversion canal.The cumulative m inimum amount of subsidence is-33mm，and maximum subsidence is -73mm in 350 days.Annual subsidence rate is between 0.34m／yr to 0.76m／yr，and annual average subsidence rate is 0.53m／yr.In general，subsidence of monitoring points fits with exponential distribution，with the average correlation coefficient R2=0.7418.According to some mathematical models of curve fitting for monitoring point subsidence，it can be predicted that the subsidence of embankment of water diversion canal tends to be stable in majority of the sections.At the same time，both subsidence value and rate are getting smaller.2）This study shows that due to combined effect from a variety of factors，this region has a poor regional geological stability.Analysis reveals that tectonic activity and urban surface subsidence are the main influencing factors，infrastructure construction is the secondary effect on the embankment stability，and there is no direct correlation with mining subsidence.

SAR interferometry，South-to-North Water Diversion Project，m ining subsidence，urban surface settlement，active tectonics

P315.2

A

0253-4967（2014）03-0749-14

馬超，1967年生，男，2005年在中國地震局地質研究所獲得博士學位，副教授，主要從事遙感理論教學及綜合遙感技術礦區(qū)地質災害監(jiān)測研究，電話：18539159811，E-mail：mac＠hpu.edu. cn。

10.3969／j.issn.0253-4967.2014.03.016

2013-12-17收稿，2014-05-11改回。

國家自然科學基金委員會與神華集團有限責任公司聯(lián)合項目（U1261106，U1261206）和河南理工大學研究生創(chuàng)新基金（2011M 04）共同資助。