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        利用時序InSAR分析城市地面沉降

        2020-09-10 07:22:44張星星
        客聯(lián) 2020年11期
        關鍵詞:清徐縣基線城鎮(zhèn)化

        張星星

        【摘 要】山西太原市清徐縣是山西一個地面沉降較嚴重的區(qū)域,城鎮(zhèn)化發(fā)展和地下水開采是該區(qū)域地面沉降發(fā)生的一個重要原因。為了監(jiān)測該地區(qū)地面沉降的及其誘因,該文基于哨兵數(shù)據(jù),利用短基線集(smallbaselinesubset,SBAS)-InSAR技術對交城-清徐縣地面沉降形變特征進行監(jiān)測;定量分析4處沉降漏斗及其原因。研究表明,城鎮(zhèn)化和地下水開采是該區(qū)域地面沉降的主要誘因。該研究成果對指導該地區(qū)地下水開采及合理城鎮(zhèn)化發(fā)展并控制地面沉降有一定參考價值。

        【關鍵詞】SBAS-InSAR;地面沉降;時空分析

        地面沉降包括地陷和地面下沉,指地面的下沉運動或者垂直變形,其特征表現(xiàn)為地下松散地層壓縮固結(jié)。主要是由自然因素和人類活動引起,進入20世紀以來,近年來我國的地面沉降呈現(xiàn)大面積區(qū)域性擴展,其影響范圍廣、防治難度大、形成之后往往難以恢復。一方面,地面沉降破壞了土地的自然狀態(tài),降低了土地的使用價值;另一方面,水平移動和不均勻沉降會破壞地基的穩(wěn)定性,導致沉降區(qū)域內(nèi)建筑物、工程、水利、交通設施、農(nóng)田等產(chǎn)生裂縫和扭曲形變,威脅人民生命財產(chǎn)安全,給生產(chǎn)和生活帶來很大影響[1]。至2015年底全國有94個市425個區(qū)縣地面沉降大于10mm/a,沉降面積高達12萬平方千米,其中9省24市發(fā)生了50mm/a的嚴重沉降,影響面積達5860平方千米,由此造成的損失更是無法估算[2]。與發(fā)達國家相比,我國地面沉降現(xiàn)象發(fā)生晚、發(fā)展快、缺乏有效控制措施,年沉降速率大[3]。例如我國地面沉降災害發(fā)育最嚴重的北京平原地區(qū),在1992-2014年間,最大沉降速率由48mm/a增加到152mm/a,沉降面積也由265.41平方千米增加到433.25平方千米。針對地面沉降災害日趨嚴重的情況,如何有效監(jiān)測和控制災害的發(fā)展是十分迫切的工作,且對后續(xù)災害治理具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

        一、研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于山西省清徐縣與交城縣交界處,地勢西北高,東南低,呈西陡向東緩展布,依次分為中低山區(qū)、山前洪積扇、傾斜平原和沖擊平原,山區(qū)和平川分別約占總面積的1/3和2/3;沒有明顯的丘陵區(qū);土壤分為山地褐土、草甸土兩個類型。境內(nèi)海拔差異較大,山區(qū)800米以上,北部最高點廟前山高達1841米,平原780米以下,南部最低點汾河出境口常豐一帶僅753米,相對高差1088米。

        二、實驗結(jié)果分析

        (一)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

        本文收集了覆蓋研究區(qū)域的29景哨兵數(shù)據(jù)進行研究區(qū)的地面沉降監(jiān)測,時間跨度為2018-2019年,哨兵數(shù)據(jù)空間分辨率為520,軌道重訪周期為12天,且存檔數(shù)據(jù)豐富,可以很好的應用于地面形變監(jiān)測。

        由于原始數(shù)據(jù)量較大,處理起來比較繁瑣,因此將29景原始哨兵影像數(shù)據(jù)進行裁剪得到研究區(qū)域,選取時間基線閾值為40天和空間基線閾值為160m,共生成100對小基線差分干涉對,得到時空基線連接圖;小基線集(SBAS-InSAR)技術是一種在傳統(tǒng)InSAR技術的基礎上發(fā)展起來,通過時間序列對形變進行監(jiān)測的方法,有效克服了時空失相干以及大氣效應的影響,真正做到長時間、高精度、高效率地監(jiān)測地面沉降。該技術主要包括3個部分:選擇主影像并自由組合基線較短的主從影像對;生成不同時間序列的干涉圖子集;利用奇異值分解法進行數(shù)據(jù)反演得到歷史形變量。

        (二)地面沉降結(jié)果分析

        研究區(qū)2018年4月-2019年3月年地表沉降形變速率。:研究區(qū)的沉降范圍主要集中在四個區(qū)域(圖3(b)),分別是P1(夏家營鎮(zhèn)),P2(夏家營村),P3(賈兆村),P4(油房堡村),沉降形變速率在-50~-20mm/a(正值表示地表上升,負值表示地表下降)。夏家營鎮(zhèn)和夏家營村的沉降范圍為-50~-20mm/a,是整個研究區(qū)沉降最為嚴重的地方,年平均沉降速率達到-50mm/a,工業(yè)區(qū)以及居民小區(qū)都集中在該地區(qū),工業(yè)用水以及生活用水都需要地下水,地下水開采嚴重以及地面負荷的增加是夏家營鎮(zhèn)沉降漏斗形成的主要原因;油房堡村沉降漏斗位于研究區(qū)的東北方向,該區(qū)域的年平均沉降速率達到-40mm/a,近年來城鎮(zhèn)化發(fā)展較為迅速,城市擴張以及城鎮(zhèn)化建設是該地區(qū)地表沉降的主要原因。賈兆村的年平均沉降速率在-40~-20mm/a之間,處于比較穩(wěn)定的階段。

        (三)研究區(qū)地表沉降時空變化分析

        利用時序特征點分析研究區(qū)的地表沉降能夠較為直觀地看出各特征點以及重點區(qū)域的沉降時空變化過程,選擇四處不同沉降區(qū)域進行時序特征分析,結(jié)果如下:總體來看研究區(qū)域地表沉降不均勻較為明顯,賈兆村、夏家營鎮(zhèn)和油房堡村沉降相對穩(wěn)定,最大累積沉降為15mm。夏家營村出現(xiàn)明顯的沉降漏斗,最大累積沉降量分別達到22mm。如果長期人為地、大量地開采地下水,會容易導致地下水位下降,從而導致孔隙水壓力的降低,土壤層的有效應力會増加,松軟土層就會被壓縮、產(chǎn)生形變,從而引發(fā)地面沉降。另一方面,從中可以看出,研究區(qū)地面沉降較為嚴重夏家營鎮(zhèn)和夏家營村的主要分布有一些工廠廠房和住宅區(qū)樓房。工業(yè)區(qū)廠房的存在說明地下水會被大量開采,人為地集中開采地下水這一行為導致了地表發(fā)生形變。同時,住宅區(qū)的分布則說明高建筑物密度的增加導致了地表表面負荷增加,也會導致地面沉降。因此這可以看出城市化進程也是導致研究區(qū)地面沉降的一個原因。研究結(jié)果可以看出,夏家營村城區(qū)沉降較為明顯,出現(xiàn)明顯的沉降漏斗,特征點沉降量成逐年增加趨勢,研究時段內(nèi)該區(qū)域的最大累積沉降達到22mm;夏家營村沉降區(qū)的沉降量隨時間變化慢慢增加,該地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展較為迅速,工業(yè)和生活用水基本來自地下水的開采,過度開采地下水和工業(yè)的快速發(fā)展是該地區(qū)沉降的主要原因。

        三、結(jié)論

        研究采用SBAS-InSAR技術對交城-清徐縣交界處的29幅哨兵影像數(shù)據(jù)進行處理,揭示了研究區(qū)2018-2019年的地表沉降時空變化特征,得到如下結(jié)論。2018-2019年研究區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯的不均勻沉降,賈兆村和油房堡村地表沉降相對平穩(wěn),平均沉降速率-30~-20mm/a。夏家營鎮(zhèn)和夏家營村是研究區(qū)區(qū)兩個最大沉降漏斗,年平均沉降速率分別達到了-50~-20mm/a。研究區(qū)地下水的過度開采、地區(qū)城鎮(zhèn)化建設是研究區(qū)區(qū)地表沉降的主要因素,同時也是導致該地區(qū)地表沉降范圍和幅度不斷增大的主要原因。將SBAS-InSAR處理結(jié)果應用于城市地表沉降的監(jiān)測能有效防止地表沉降過大導致的各種危害,給我們提前預警做好準備。

        【參考文獻】

        [1]劉國林,張連蓬,成樞,江濤,合成孔徑雷達干涉測量與全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合監(jiān)測礦區(qū)地表沉降的可行性分析,測繪通報,(2005)10-13.

        [2]張玲,全國地面沉降InSAR調(diào)查與監(jiān)測工程進展介紹,國土資源遙感,(2017)91-91.

        [3]秦同春,程國明,王海剛,國際地面沉降研究進展的啟示,地質(zhì)通報,37(2018)503-509.

        [4]李偉軒,時序InSAR技術的地面沉降監(jiān)測應用研究,in,西安科技大學,2019.

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