李　曼　葛大慶　張　玲　劉　斌　郭小方　王　艷

(中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心　北京　100083)

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基于PSInSAR技術(shù)的唐山南部沿海地區(qū)地面沉降研究*

李曼葛大慶張玲劉斌郭小方王艷

(中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心北京100083)

唐山南部沿海地區(qū)是唐山市地面沉降災(zāi)害較嚴(yán)重的地區(qū)，地面沉降的快速發(fā)展對(duì)唐山世界級(jí)重化工業(yè)基地的功能發(fā)揮構(gòu)成嚴(yán)重威脅，全面了解唐山南部沿海地區(qū)地面沉降的分布演化態(tài)勢(shì)及其發(fā)育主導(dǎo)因素至關(guān)重要。基于中高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用PSInSAR技術(shù)獲取唐山南部沿海地區(qū)地面沉降場(chǎng)的分布及演化信息，可以發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)的區(qū)域地面沉降漏斗與地下水位下降漏斗具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且沉降區(qū)范圍沿區(qū)內(nèi)基底斷裂帶一側(cè)展布。但在曹妃甸工業(yè)區(qū)，地面沉降特征與過(guò)量開(kāi)采地下水引起的地面沉降特征有所不同，地面沉降區(qū)呈點(diǎn)狀、斑狀分布，沉降區(qū)范圍較小，沉降中心的沉降梯度大。據(jù)調(diào)查，特殊的地質(zhì)環(huán)境是該區(qū)地面沉降發(fā)育的基礎(chǔ)條件，地下水超采、大規(guī)模工程擾動(dòng)是誘發(fā)和加劇地面沉降的外在動(dòng)力。

PSInSAR技術(shù)地面沉降漏斗地下水降落漏斗地下水超采工程擾動(dòng)

0　引　言

唐山是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中的一個(gè)重要沿海城市，在加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶逐步向南部沿海遷移的過(guò)程中，唐山南部沿海地區(qū)城市化規(guī)模不斷擴(kuò)大，地下水開(kāi)采量逐年增加，導(dǎo)致地面沉降災(zāi)害頻發(fā)。同時(shí)，隨著唐山沿海地區(qū)城市化進(jìn)程加快，尤其是曹妃甸工業(yè)區(qū)港口物流、鋼鐵、化工、裝備制造以及高新技術(shù)等產(chǎn)業(yè)聚集性的集中開(kāi)工，造成這一地區(qū)地面沉降的發(fā)育進(jìn)一步加劇，主要集中于淺部工程活動(dòng)相對(duì)頻繁和集中的地層中(劉杜鵑，2004)。地面沉降已經(jīng)造成唐山南部沿海地區(qū)內(nèi)澇加重、河道防洪能力減弱、橋梁凈空降低、線性工程功能失效以及建筑物開(kāi)裂等諸多社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。

唐山南部沿海地區(qū)地面沉降最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初，主要是由開(kāi)采地下水引起的。隨著地下水的長(zhǎng)期超量開(kāi)采，地下水降落漏斗形成且影響范圍逐步擴(kuò)大，相應(yīng)地地面沉降也隨之加劇。據(jù)以往資料，唐山南部沿海地區(qū)地面沉降主要分布在天津與唐山交界的漢沽區(qū)、唐山南堡開(kāi)發(fā)區(qū)、曹妃甸區(qū)以及樂(lè)亭縣南部一帶。1983～2005年，地面沉降面積達(dá)5601km2，其中沉降速率超過(guò)20mm·a-1的面積為1123km2。至2013年，唐山南部沿海地面沉降量大于1000mm的沉降面積為23.56km2，500～1000mm的沉降面積為506.21km2，300～500mm的沉降面積達(dá)577.32km2，沉降較嚴(yán)重區(qū)域集中在黑沿子、南堡開(kāi)發(fā)區(qū)(肖震，2014)。但曹妃甸工業(yè)區(qū)淺層地下水為咸水，中深層地下水雖為淡水，但含水層富水性和透水性極差基本不具備開(kāi)采條件，其規(guī)劃是通過(guò)從后方陸域調(diào)水、海水淡化以及大力推廣中水回用解決水源問(wèn)題(陶志剛，2007；王丹，2007)，因而，曹妃甸工業(yè)區(qū)地面沉降的發(fā)生主要由大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)、工程活動(dòng)導(dǎo)致，但該地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少(肖震，2014)，地面沉降分布及發(fā)育特征尚不清楚。

目前，唐山南部沿海地區(qū)的地面沉降主要是通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量、分層標(biāo)和GPS標(biāo)石等點(diǎn)上的數(shù)據(jù)獲得。水準(zhǔn)測(cè)量往往需要數(shù)月的觀測(cè)時(shí)間，獲得的是一段時(shí)間內(nèi)的地面沉降量或沉降速率，監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)間不一致；分層標(biāo)和GPS標(biāo)石的監(jiān)測(cè)精度高，并能為地面沉降提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度小，總之，這些傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段都很難準(zhǔn)確定義區(qū)域地面沉降的范圍、演變特征以及沉降中心的形變幅度(李琳等，2008；宮輝力等，2009；闞連合等，2009)。隨著空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(D-InSAR)技術(shù)以其全天候、大范圍、高精度、監(jiān)測(cè)時(shí)間頻率高、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)密度大等特點(diǎn)成功應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測(cè)中。永久散射體差分干涉測(cè)量技術(shù)(Permannent Scatterer Interferometry，PSInSAR)，是在傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)選取散射特性和相位信息都較為穩(wěn)定的地面目標(biāo)點(diǎn)提取地表的形變信息，這種方法能有效降低時(shí)間、空間去相干以及大氣效應(yīng)延遲等因素引起的誤差(葛大慶等，2007；柴波等，2012；雷坤超等，2014)，進(jìn)而提高形變信息提取的精度，是調(diào)查和監(jiān)測(cè)區(qū)域性地面沉降問(wèn)題的一種有效方法。

為準(zhǔn)確掌握近幾年唐山南部沿海地區(qū)地面沉降的分布及動(dòng)態(tài)演化特征，本文利用中、高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用PSInSAR技術(shù)獲取2010～2014年間唐山南部沿海地區(qū)的地面沉降時(shí)空分布特征。同時(shí)，綜合唐山南部沿海地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景資料、地下水開(kāi)采狀況、人類工程活動(dòng)擾動(dòng)程度和PSInSAR技術(shù)測(cè)量結(jié)果，詳細(xì)分析唐山沿海地區(qū)地面沉降的主控因素，對(duì)該區(qū)地面沉降成因機(jī)制進(jìn)行初探，并為防治該區(qū)地面沉降的進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。

1　研究區(qū)概況

1.1自然地理及地質(zhì)概況

唐山沿海地處唐山南部濱海平原，地勢(shì)低平，海拔0～36m。主要包括豐南區(qū)、曹妃甸區(qū)、灤南縣、樂(lè)亭縣4縣(區(qū))和南堡經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、曹妃甸工業(yè)區(qū)兩個(gè)工業(yè)區(qū)，面積約4980km2(圖1)(陶志剛，2007)。唐山南部沿海平原，在河流、海洋動(dòng)力的共同作用下，地貌單元呈現(xiàn)出陸地、灘涂和淺海的分帶特征，其上沉積了巨厚的第四系地層，厚度由北往南逐漸增厚，北部山前厚度為數(shù)十米，往南至曹妃甸一帶厚度高達(dá)420m左右，主要由一套沖洪積相、河湖積相沉積物組成，以粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂為主，夾有淤泥層或海相層，土質(zhì)疏松，承載力較低。

圖1　唐山南部沿海平原地理位置分布概況Fig.1　The geography location overview of coastal plain in Southern Tangshan

在大地構(gòu)造單元上，唐山南部沿海位于冀渤塊陷內(nèi)，斷塊活動(dòng)受東西向、北東(或北北東向)和北西向3組斷裂控制，形成了區(qū)內(nèi)隆起與坳陷相間分布的構(gòu)造格局，目前已探明寧河—昌黎斷裂、薊運(yùn)河斷裂、柏各莊斷裂和高柳斷裂均為活動(dòng)斷裂，西南莊斷裂也存在活動(dòng)跡象(柴波等，2012)，其中，寧河—昌黎斷裂、薊運(yùn)河斷裂為基底斷裂，且都為斷陷與隆起的邊界斷裂。寧河—昌黎斷裂產(chǎn)生于前震旦紀(jì)，斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，在第三紀(jì)時(shí)，東南盤(pán)強(qiáng)烈下沉并形成厚達(dá)4000m左右的堆積盆地，西北盤(pán)相對(duì)上升，造成第三紀(jì)沉積地層缺失，第四紀(jì)時(shí)兩盤(pán)落差也達(dá)400多米；薊運(yùn)河斷裂走向北西，傾向南西，為東北盤(pán)上升，西南盤(pán)下降的正斷層，斷裂的最高層位是上第三系中、上新統(tǒng)，斷距為40～400m，斷點(diǎn)埋深為300～600m，該斷裂對(duì)地震活動(dòng)有控制和制約作用，1970～1983年該斷裂在南北兩端發(fā)生多次5～6級(jí)中強(qiáng)地震和小地震活動(dòng)線性密集分布，是薊運(yùn)河斷裂全新世活動(dòng)的有力證據(jù)(趙國(guó)敏，2006)。

1.2水文地質(zhì)概況

唐山南部沿海地區(qū)主要為河流沖洪積、海湖積形成，水文地質(zhì)條件差異性較大。根據(jù)勘察資料，第四系含水層可劃分為4個(gè)含水組：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組。第Ⅰ含水組為淺層淡水，底界埋深為20～60m，僅出現(xiàn)在研究區(qū)東北部；第Ⅱ含水組底界埋深為40～250m，主要為咸水層；第Ⅲ含水組底界埋深為360～450m，主要為深層淡水層；其下歸為第Ⅳ含水組，各含水層之間由一系列弱透水層，厚度大約為20～40m，而第Ⅰ、Ⅱ弱透水層(分別介于潛水含水層、第Ⅰ承壓含水層之間和第Ⅰ承壓含水層和第Ⅱ承壓含水層之間)厚度大，幾乎無(wú)越流存在。唐山南部沿海平原區(qū)地下水開(kāi)采井的井深介于220～450m之間，第Ⅲ含水層組為主要的開(kāi)采層位(陶志剛，2007)。

隨著唐山地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)居民生活的集中用水，在唐山南部漢沽農(nóng)場(chǎng)、唐?？h城、豐南尖坨子、豐南西葛莊和樂(lè)亭曹莊子等地存在5個(gè)地下水集中開(kāi)采區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致唐山南部地下水嚴(yán)重超采，目前已形成東起樂(lè)亭，西至天津?qū)幒拥拇笮烷_(kāi)采型水位降落漏斗(寧河—唐海地下水位下降漏斗)，開(kāi)采深度為120～360m，個(gè)別地區(qū)超過(guò)400m。

2　研究方法

2.1雷達(dá)數(shù)據(jù)

利用覆蓋唐山南部沿海地區(qū)的21景中等分辨率的Radarsat-2衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行PSInSAR技術(shù)處理，獲取這一地區(qū)2012～2014年地面沉降演變特征(表1)。

表1　Radarsat-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取情況列表

Table 1　The data acquisition list of Radarsat-2 satellite

年度模式具體獲取時(shí)間2012Widestrip12-02-11,12-03-06,12-03-30,12-04-23,12-05-17,12-07-04,12-08-21,12-10-08,12-11-01,12-12-192013Widestrip12-01-12,13-05-12,13-06-05,13-09-09,12-10-27,12-12-142014Widestrip14-02-24,14-03-20,14-05-31,14-09-04,14-11-15

由于曹妃甸新區(qū)，尤其是曹妃甸工業(yè)區(qū)工程活動(dòng)異常頻繁，地表地物容易產(chǎn)生非相干移動(dòng)，相干性降低，同時(shí)，目前該地區(qū)的建筑物分布密度也相對(duì)較低，都使得在中等分辨率雷達(dá)影像中的地表相干目標(biāo)數(shù)目少，相位解纏困難，從而影響InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度，在某些沉降異常區(qū)(點(diǎn))處甚至?xí)?dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)很大誤差。于是，基于2009～2014年覆蓋曹妃甸新區(qū)的46景高分辨率的TerraSAR-X衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)對(duì)曹妃甸新區(qū)的地面沉降進(jìn)行精細(xì)監(jiān)測(cè)，更為準(zhǔn)確地獲取唐山南部沿海地區(qū)人為擾動(dòng)引起的地面沉降異常區(qū)(點(diǎn))處的沉降場(chǎng)信息。圖2為46景TerraSAR-X雷達(dá)數(shù)據(jù)在滿足衛(wèi)星垂直基線大于等于-230.0m、小于等于230.0m和時(shí)間基線大于10d、小于450d的條件下，可以組成的差分干涉相對(duì)的數(shù)目以便進(jìn)行PSInSAR數(shù)據(jù)處理提取研究區(qū)的地面沉降信息。

圖2　46景TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收時(shí)間及在滿足一定條件下組成的差分干涉相位圖的數(shù)目Fig.2　The acquisition time of 46 TerraSAR-X satellite and the number of differential interferogram composed under certain conditions

2.2PSInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地面沉降數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)中、高分辨率SAR數(shù)據(jù)分別進(jìn)行PSInSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理，提取相應(yīng)地區(qū)的地面沉降速率或地面累積沉降量。

PSInSAR技術(shù)的核心是從一系列完全配準(zhǔn)的雷達(dá)影像中選取在時(shí)間序列上具有穩(wěn)定散射特性的高相干目標(biāo)點(diǎn)作為研究對(duì)象，提取這些目標(biāo)點(diǎn)處的差分干涉相位(Ferretti et al.，1999；Colesantil et al.，2002；Souyris et al.，2003)，通過(guò)分析點(diǎn)目標(biāo)相位在時(shí)間、空間上的變化特征，分解出各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上的相位組成，包括形變相位、高程誤差相位、基線誤差相位以及由大氣延遲響應(yīng)引起的誤差相位和噪聲相位等，最后由相干目標(biāo)點(diǎn)干涉相位的迭代回歸分析，解算出在相應(yīng)時(shí)段內(nèi)，各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)處的地面沉降速率或地面沉降量隨時(shí)間的變化關(guān)系(Ferretti et al.，2000；Kampes et al.，2001; 葛大慶等，2007；宮輝力等，2009；雷坤超等，2014)。PSInSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理基本方法(圖3)。

圖3　PSInSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理基本方法Fig.3　The basic data processing method of PSInSAR technique

2.3PSInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)精度評(píng)價(jià)

從理論上來(lái)講，影響PSInSAR監(jiān)測(cè)精度的因素諸多：雷達(dá)影像接收數(shù)量、相干點(diǎn)與參考點(diǎn)間的距離、相干點(diǎn)的變形特征與線性模型的逼近程度、大氣效應(yīng)的影響程度、相位解纏的可靠性和軌道誤差的控制程度等。雷達(dá)數(shù)據(jù)量與形變模型的契合程度，取決于對(duì)形變過(guò)程的準(zhǔn)確描述，隨著雷達(dá)數(shù)據(jù)量增加，地面沉降速率估計(jì)值精度越高；相干點(diǎn)的密度低，誤差程度高；相干目標(biāo)散射特性的細(xì)微變化影響相干性，進(jìn)而影響最終解算網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)位的取舍；雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取時(shí)大氣中對(duì)流層、電離層波動(dòng)的影響，在PSInSAR解算模型中可通過(guò)求解“雙差”得到抑制。因此，在數(shù)據(jù)量大于25-30景的條件下獲得的沉降速率精度為0.1～0.5mm·a-1，在距參考點(diǎn)距離小于4～5km范圍內(nèi)相干點(diǎn)形變速率的觀測(cè)精度可達(dá)到0.1mm·a-1(Kampes et al.，2001；葛大慶等，2007)。

但在實(shí)際工作過(guò)程中，PSInSAR技術(shù)受制于處理算法差異和技術(shù)人員的專業(yè)水平，監(jiān)測(cè)結(jié)果目前尚難以完全達(dá)到理論精度。據(jù)歐空局歐盟全球環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)計(jì)劃(GMES)針對(duì)兩類不同類型的地表形變監(jiān)測(cè)開(kāi)展的InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)觀測(cè)驗(yàn)證和InSAR結(jié)果之間的互檢驗(yàn)結(jié)果表明，基于ENVISAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量大于30景的前提下，采用PSInSAR時(shí)序分析技術(shù)獲取的形變速率精度(以標(biāo)準(zhǔn)差為指標(biāo))為0.4～0.56mm·a-1，形變序列中每個(gè)累積形變量精度為1.1～4.0mm(Hanssen et al.，2003；葛大慶等，2007)。

3　結(jié)果分析

3.1地面沉降特征分析

3.1.1唐山南部沿海平原區(qū)

基于Radarsat-2衛(wèi)星時(shí)間序列SAR 數(shù)據(jù)獲取唐山南部沿海地區(qū)地面沉降速率分布及發(fā)展變化，結(jié)果表明唐山沿海地區(qū)地面沉降在分布態(tài)勢(shì)上表現(xiàn)出不均勻的特征，分別在黑沿子鎮(zhèn)、老王莊、秋老堡一帶和柳贊鎮(zhèn)、曹莊子一帶存在兩個(gè)明顯的沉降漏斗且與寧河—唐海地下水位下降漏斗中的豐南尖坨子集中開(kāi)采區(qū)和樂(lè)亭曹莊子集中開(kāi)采區(qū)在空間分布上基本一致，而其他地區(qū)沉降相對(duì)較小，沉降速率都在20mm·a-1以下(圖4)。

圖4　唐山南部沿海典型沉降漏斗區(qū)地面沉降速率發(fā)展變化圖(2012～2014)Fig.4　The ground subsidence rate development of typical funnel area in Southern Tangshan during the period from 2012 to 2014a.2012年度；b.2013年度；c.2014年度

唐山南部沿海地區(qū)的年度地面沉降速率存在明顯差異，沉降漏斗影響范圍、沉降中心的沉降梯度都呈逐年增大趨勢(shì)且出現(xiàn)數(shù)個(gè)明顯的沉降中心，這主要是由沉降中心深層地下水長(zhǎng)期集中開(kāi)采所致。2012年，曹莊子—柳贊鎮(zhèn)—姜各莊鎮(zhèn)沉降漏斗的沉降中心不明顯，地面沉降速率普遍為20～40mm·a-1(圖4a)；由于地下水的集中開(kāi)采，2013年曹莊子—柳贊鎮(zhèn)—姜各莊鎮(zhèn)沉降漏斗分為曹莊子—柳贊鎮(zhèn)和姜各莊鎮(zhèn)兩個(gè)明顯的沉降中心，沉降速率在40mm·a-1以上的面積分別約為21km2和56km2(圖4b)；2014年，曹莊子—柳贊鎮(zhèn)沉降中心的沉降范圍繼續(xù)擴(kuò)展，沉降梯度也進(jìn)一步加大，沉降速率在50mm·a-1的面積達(dá)60km2以上，而姜各莊鎮(zhèn)沉降中心基本消失，沉降速率都在20mm·a-1以下。類似地，黑沿子鎮(zhèn)—老王莊—秋老堡沉降漏斗中心的沉降梯度也呈逐年增大趨勢(shì)，2014年，最大沉降速率達(dá)70～80mm·a-1之間，沉降速率在50mm·a-1的面積也約25km2(圖4c)。

3.1.2曹妃甸工業(yè)區(qū)

圖5　2009～2014年曹妃甸工業(yè)區(qū)高分辨率InSAR監(jiān)測(cè)地面累積沉降量圖(2009-09～2014-12)Fig.5　The high-resolution InSAR monitoring ground cumulative subsidence of Caofeidian Industrial Area(2009-09 to 2014-12)a、b、c分別為曹妃甸工業(yè)區(qū)典型沉降異常區(qū)(點(diǎn))

圖6　曹妃甸工業(yè)區(qū)3個(gè)典型沉降異常區(qū)(點(diǎn))Fig.6　The dynamic evolution characteristic of ground cumulative subsidence at typical subsidence abnormal placea、b、c處地面累積沉降量的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程

曹妃甸工業(yè)區(qū)基本無(wú)地下水開(kāi)采，地面沉降主要是大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中或工程建成投入運(yùn)營(yíng)后人為擾動(dòng)引起的，這與地下水超采引起的地面沉降特征不盡相同，地面整體沉降不明顯，除工業(yè)區(qū)中部博學(xué)路與鋼石路之間的綜合服務(wù)區(qū)地面累積沉降量普遍為90～145mm之間外，其他地區(qū)都表現(xiàn)為數(shù)個(gè)沉降異常區(qū)(點(diǎn))。臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)區(qū)東部沉降異常區(qū)a處的沉降范圍最大，其次為油氣碼頭的油罐儲(chǔ)存區(qū)，最大地面累積沉降量分別達(dá)170mm和197mm(圖5)。鵬大家居廣場(chǎng)東側(cè)、博學(xué)道沿線以及鋼石路與通島路交會(huì)區(qū)域的沉降異常點(diǎn)處的沉降梯度大，沉降范圍很小，這種顯著的差異性沉降會(huì)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重威脅。

同時(shí)，曹妃甸工業(yè)區(qū)各沉降異常區(qū)(點(diǎn))的地面沉降演變過(guò)程也有所不同。2010年8月之前，各沉降異常區(qū)(點(diǎn))沉降速率基本相當(dāng)，地面累積沉降量不超過(guò)5cm，之后地面沉降出現(xiàn)巨大差異，油氣碼頭沉降異常區(qū)地面持續(xù)下沉且平均沉降速率最大，達(dá)34mm·a-1(圖6c)；臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)園東側(cè)沉降異常區(qū)沉降速率較小，在2013年6-8月間地面沉降消失后地面繼續(xù)下沉，但沉降速率比之前有所減小，至2014年底地面累積沉降量達(dá)118～170mm(圖6a)；鋼石路與通島路交會(huì)區(qū)沉降異常點(diǎn)處的沉降速率最小且在2013年7月之后地面沉降消失甚至出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，主要是因?yàn)檫@一地區(qū)地面上覆荷載減小，海水回灌所致(圖6b)。

3.2地面沉降與基底斷裂相關(guān)性分析

地層巖性、結(jié)構(gòu)特征是地面沉降產(chǎn)生的基礎(chǔ)地質(zhì)背景。將PSInSAR技術(shù)地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與基底斷裂空間分布進(jìn)行耦合分析發(fā)現(xiàn)，唐山南部沿海地區(qū)發(fā)育有兩條全新世活動(dòng)的基底正斷裂(趙國(guó)敏等，2006)：北東走向的寧河—昌黎斷裂和北西走向的薊運(yùn)河斷裂，而天津、唐山沿海地區(qū)的地面沉降嚴(yán)格受這兩條深大斷裂所控制，地面沉降漏斗集中分布在斷裂的下降盤(pán)一側(cè)且沿著平行于斷層延伸的方向發(fā)展(圖7)。這主要是由活動(dòng)斷裂兩側(cè)含水層可壓縮材料的厚度、地下水儲(chǔ)量及地下水開(kāi)采程度都存在顯著差異造成的，寧河—昌黎斷裂東南盤(pán)下沉，西北盤(pán)上升，東南盤(pán)與西北盤(pán)第四系沉積物落差達(dá)400多米，薊運(yùn)河斷裂東北盤(pán)比西南盤(pán)的第四系底界高100多米。活動(dòng)斷裂下降盤(pán)第四系沉降物厚度大，地下水相對(duì)豐富，地下水開(kāi)采量較大，相應(yīng)地造成地面沉降嚴(yán)重，同時(shí)，活動(dòng)斷裂兩盤(pán)地下水系統(tǒng)可能不是相通的，活動(dòng)斷裂對(duì)上下盤(pán)地下水流通起一定的阻滯作用，進(jìn)而阻止了下盤(pán)地面沉降越過(guò)斷裂向上升盤(pán)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

4　地面沉降的成因

4.1特殊的地質(zhì)環(huán)境條件是發(fā)生地面沉降的內(nèi)在因素

圖7　天津漢沽—唐山沿海地區(qū)2012～2014年地面沉降速率與基底斷裂耦合分析圖Fig.7　The analysis on ground subsidence rate from January，2012 to December，2014 and basement faults in Hangu-Tangshan coastal area

唐山南部沿海地處渤海灣北岸，在冀東平原區(qū)的南部邊緣，陸地形成較晚。新生代以來(lái)地表持續(xù)下降，形成的新生代地層為第四紀(jì)沖積或海積的細(xì)顆粒松散沉積物組成，厚度約400～500m，主要以細(xì)顆粒物為主，黏性土厚度占總厚度為60%～70%?；谔粕侥喜垦睾５貐^(qū)的工程地質(zhì)勘查報(bào)告和土工實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這一地區(qū)埋深在0～50m之間的地層以粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂為主，天然含水量為24.3%～30.7%，天然孔隙比0.79～0.94，壓縮模量4.61～6.41MPa，承載力的特征值變化大，介于80～260kPa，可見(jiàn)，這一地區(qū)土地多屬欠固結(jié)土，從而為地面沉降的發(fā)生、發(fā)展提供了內(nèi)在條件(柴波等，2012)。

4.2長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采地下水是誘發(fā)地面沉降的主要因素

2012～2014年 InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，唐山南部沿海地區(qū)地面沉降漏斗集中分布在黑沿子鎮(zhèn)、老王莊、秋老堡一帶和柳贊鎮(zhèn)、曹莊子一帶的工廠企業(yè)聚集地，地面沉降的分布范圍與寧河—唐海地下水開(kāi)采程度、地下水位降落漏斗范圍基本一致，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活等開(kāi)采深層地下水是導(dǎo)致這一地區(qū)地面沉降發(fā)育的主要?jiǎng)恿Α?/p>

寧河—唐海地下水位下降漏斗地處濱海平原水文地質(zhì)區(qū)，開(kāi)采層為深層承壓淡水，開(kāi)采深度為120～360m，個(gè)別地區(qū)達(dá)400～450m，這一區(qū)域淡水開(kāi)采層位主要為第Ⅲ含水層組。2000年低水位期，這一漏斗面積為3145.8km2，沉降漏斗中心位于漢沽一分場(chǎng)附近，中心處的水位埋深達(dá)82.54m，與1995年相比，漏斗面積減小29.4km2，漏斗中心水位下降9.39m(田寶柱等，2011)。2002年8月，河北省為加強(qiáng)地下水資源管理，劃定唐山市漢沽、蘆臺(tái)農(nóng)場(chǎng)全部、豐南區(qū)老王莊、楊家泊、曹妃甸區(qū)中部為地下水嚴(yán)重超采區(qū)，面積達(dá)833km2。2014年6月，河北省人民政府進(jìn)一步公布唐海鎮(zhèn)、濱海鎮(zhèn)、柳贊鎮(zhèn)、灤南縣南部、樂(lè)亭縣東南部為深層地下水一般超采區(qū)，唐海鎮(zhèn)、濱海鎮(zhèn)、豐南區(qū)東南部為深層地下水嚴(yán)重超采區(qū)。雖然政府已確定這一地區(qū)為深層地下水超采區(qū)、禁采區(qū)和限采區(qū)，地下水已停采或限采，但是由于地下水超采造成地下水產(chǎn)生永久水位降，水位不能完全恢復(fù)，原來(lái)由這部分損失的水頭承擔(dān)的一部分上覆壓力仍繼續(xù)轉(zhuǎn)加于含水層骨架之上，同時(shí)，這一區(qū)域地下水也并沒(méi)有完全禁采，在地下水禁采區(qū)已有取水井關(guān)停仍有一個(gè)過(guò)程，在地下水限采區(qū)應(yīng)急用水和生活用水更新井仍在使用，兩方面因素的共同作用導(dǎo)致這一地區(qū)的地面沉降仍在進(jìn)一步加劇。

4.3大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)、工程擾動(dòng)是加劇地面沉降發(fā)育的外在動(dòng)力

近年來(lái)，隨著曹妃甸新區(qū)開(kāi)始大規(guī)模建設(shè)，深基坑開(kāi)挖、降水、路堤修建等引起的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害在曹妃甸工業(yè)區(qū)、唐山灣生態(tài)城分布廣泛，尤其是在曹妃甸工業(yè)區(qū)，鋼鐵石化產(chǎn)業(yè)園、裝備制造產(chǎn)業(yè)園等地區(qū)工程建設(shè)期外力擾動(dòng)較大區(qū)域以及在遷曹線(通島路)運(yùn)營(yíng)后基礎(chǔ)地基承載力較小甚至是在原油儲(chǔ)存區(qū)上覆外部荷載變動(dòng)較大等諸多部位，地面沉降中心異常突出，沉降速率、沉降梯度都普遍較大(圖5)?？傊?，曹妃甸工業(yè)區(qū)不具備地下水開(kāi)采條件，地面沉降異常區(qū)(點(diǎn))的出現(xiàn)可能主要與外力長(zhǎng)期擾動(dòng)、地基土不斷壓密密切相關(guān)。

5　結(jié)　論

(1)特殊的地層結(jié)構(gòu)、地下水的長(zhǎng)期超量開(kāi)采使得唐山南部沿海地區(qū)地面沉降漏斗異常發(fā)育，地面沉降時(shí)空分布差異性較大，存在以黑沿子鎮(zhèn)、老王莊、秋老堡為中心和柳贊鎮(zhèn)、曹莊子為中心的兩大沉降漏斗且漏斗中心的沉降梯度呈逐年增大趨勢(shì)。

(2)大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)或工程運(yùn)營(yíng)等人為擾動(dòng)引起的地面沉降呈點(diǎn)狀或斑狀分布，沉降范圍小，沉降梯度大，對(duì)建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)、線性工程的安全運(yùn)營(yíng)存在極大威脅。

(3)地面沉降漏斗與地下水降落漏斗基本一致，基于唐山南部沿海地區(qū)地面沉降的發(fā)展演變特征可以反演地下水的開(kāi)采狀況，為相關(guān)職能部門(mén)地下水管理或地下水位監(jiān)測(cè)提供依據(jù)，但由于軟土層固結(jié)速度滯后于地下水的水頭變化且與軟土層厚度有關(guān)，地面沉降漏斗中心與地下水漏斗中心并非完全吻合，存在一定程度的偏移。

(4)PSInSAR干涉測(cè)量結(jié)果與基底構(gòu)造信息結(jié)合發(fā)現(xiàn)，地面沉降嚴(yán)格受基底斷裂控制，初步分析認(rèn)為是由斷裂兩側(cè)含水層可壓縮材料的厚度、地下水儲(chǔ)量及地下水開(kāi)采程度存在顯著差異引起的。為進(jìn)一步準(zhǔn)確解釋這一現(xiàn)象，需與相關(guān)地質(zhì)、水利部門(mén)聯(lián)合，獲取斷裂兩側(cè)典型沉降區(qū)第四系沉降物地層分布的詳細(xì)信息、地下水位動(dòng)態(tài)變化信息等資料。

(5)采用中、高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)精確地獲取了唐山南部沿海地區(qū)第一手的地面沉降資料，較為詳盡地刻畫(huà)出該地區(qū)含水層系統(tǒng)變形的空間演變特征，是監(jiān)測(cè)平原區(qū)地面沉降場(chǎng)信息的一種有效技術(shù)方法。但是，如何將InSAR技術(shù)測(cè)量結(jié)果與水文地質(zhì)參數(shù)、巖土層物理力學(xué)指標(biāo)結(jié)合，以深入分析制約不同區(qū)域地面沉降發(fā)育、發(fā)展的主控因素以及在大量地下工程的修建、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，如何有效地預(yù)防地表地面沉降災(zāi)害的發(fā)生，是今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)責(zé)無(wú)旁貸的工作任務(wù)，這不僅給水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)工作提供必要的技術(shù)支撐，還為這兩大學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)新的視角。

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LAND SUBSIDENCE OF COASTAL AREA IN SOUTHERN TANGSHAN USING PSInSAR TECHNIQUE

LI ManGE DaqingZHANG LingLIU BinGUO XiaofangWANG Yan

(China Areo Geophysical Survey & Remote Sensing Center for Land and Resource，Beijing100083)

The rapid development of ground subsidence in the southern Tangshan area is serious and has threated its world-class chemical industry base.Therefore，this paper examines the distribution and evolution of ground subsidence in the coastal area of the Southern Tangshan area，as well as the dominant factors of different subsidence regions.Based on the medium and high resolution radar data，the ground subsidence result in the coastal area of the southern Tangshan is obtained using PSInSAR technique.The results show that the ground subsidence funnel has a well correspondence with the groundwater funnel area.The ground subsidence is distributed along one side of a basement fault.The ground subsidence distribution of the Caofeidian Industrial Area is spotty or patchy，and its area range is small but the settlement gradient very large，which is extremely different from the ground subsidence caused by excessive exploitation groundwater.According to this survey，the geological characteristics are the basic condition of ground subsidence development，while over-exploitation groundwater and large-scale engineering disturbance are external power in Southern Tangshan area．

PSInSAR technique，Ground subsidence funnel，Groundwater funnel area，Over-exploitation groundwater，Engineering disturbance

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.028

2015-06-25;

2016-04-08.

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)青年基金項(xiàng)目(41504048)，國(guó)際科技交流與合作專項(xiàng)(2010DFB23380)，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查專項(xiàng)(1212011120086)資助.

李曼(1981-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事InSAR技術(shù)在地面沉降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)方面的研究.Email: digong820@163.com

P642.26

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