于書媛 楊源源 張鵬飛 孫 軍 駱佳驥

1 安徽省地震局，合肥市長(zhǎng)江西路558號(hào)，230031 2 安徽蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，安徽省亳州市蒙城縣小澗鎮(zhèn)，233527 3 安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥市九龍路111號(hào)，230601

合肥市地面沉降已成為一個(gè)嚴(yán)峻的問題。本文針對(duì)合肥市近年來(lái)大規(guī)模的城市公共設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀，采用時(shí)序InSAR技術(shù)，收集2017～2019年24景Sentinel-1A數(shù)據(jù)，對(duì)合肥市城區(qū)及周邊地區(qū)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，揭示城區(qū)地面形變的空間分布特征及形變?cè)颍⒔Y(jié)合時(shí)空同步的跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)池河-西山驛斷裂近場(chǎng)區(qū)域InSAR形變場(chǎng)進(jìn)行宏觀分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)郯廬斷裂帶分支斷裂特征和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的綜合研究。

1 研究區(qū)概況及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于117.08°～117.46°E，31.69°～31.99°N，平均海拔20～40 m。主城區(qū)地勢(shì)由西北向東南傾斜，崗沖起伏。目前已建成軌道交通1、2、3號(hào)線，在建軌道交通項(xiàng)目包括1號(hào)線三期及4、5、6號(hào)線，圖1方框?yàn)檠芯繀^(qū)覆蓋范圍。采用時(shí)間跨度為2017-11～2019-10的24景Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)，C波段，極化模式為同極化VV，升軌(相對(duì)軌道號(hào)6689)數(shù)據(jù)，Track為142，F(xiàn)rame為101，入射角為39.58°，空間分辨率為5 m×20 m(方位向×距離向)，覆蓋范圍(185×240) km2，外部DEM下載30 m SRTM數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 PS-InSAR技術(shù)處理方法

PS-InSAR技術(shù)可用于永久散射體目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)序測(cè)量[1]。利用PS-InSAR技術(shù)處理合肥市同期Sentinel-1A數(shù)據(jù)，使用SAR圖像中保持高相干的PS點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)精確位移，最終獲得mm級(jí)高精度地表形變。PS-InSAR處理步驟包括：1)選取2019-01-22為超級(jí)主影像，圖2(a)為PS-InSAR的時(shí)空基線分布，24個(gè)像對(duì)的垂直基線在120 m以下，整體相干性較高；2)對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配置、干涉圖生成、去平、振幅離差指數(shù)計(jì)算等處理，通過識(shí)別一定數(shù)量的“相干雷達(dá)信號(hào)反射”(永久散射體)，分析可靠單一目標(biāo)的歷史相位，進(jìn)行第1次線性模型反演，獲取位移速率和殘余地形，對(duì)合成的干涉圖進(jìn)行去平處理；3)利用第1次反演產(chǎn)品估算大氣相位成分，去除大氣相位成分后再進(jìn)行第2次反演，得到最終的形變速率；4)對(duì)PS結(jié)果進(jìn)行地理編碼處理，獲取研究區(qū)完整的矢量PS點(diǎn)地表形變速率圖，PS點(diǎn)總數(shù)為1 293 605個(gè)，PS點(diǎn)密度達(dá)到917個(gè)/km2。

2.2 SBAS-InSAR技術(shù)處理方法

SBAS-InSAR方法是在已有SAR影像數(shù)據(jù)集中形成基于不同主影像的時(shí)間序列干涉圖子集，利用矩陣奇異值分解(SVD)方法，將多個(gè)SBAS集合聯(lián)合求解，得到形變序列和平均沉降速率[2]。本文處理步驟包括：1)干涉連接圖生成。通過對(duì)24景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉像對(duì)配對(duì)，設(shè)置最大時(shí)間基線為120 d。選取2018-06-20影像為超級(jí)主影像，對(duì)SAR影像進(jìn)行最優(yōu)組合，形成短基線集，共獲取102個(gè)干涉對(duì)，時(shí)空基線分布見圖2(b)。2)差分干涉工作流。對(duì)干涉對(duì)進(jìn)行配準(zhǔn)、去平和地形相位處理后，使用自適應(yīng)濾波法抑制相位噪聲，獲取平滑的差分干涉圖，再利用最小費(fèi)用流法進(jìn)行相位解纏，并對(duì)相干性差或解纏相位躍變的干涉對(duì)進(jìn)行剔除后重新解算。3)軌道精煉和重去平。將PS-InSAR處理中第1次反演系統(tǒng)自動(dòng)選擇的參考點(diǎn)(GCP點(diǎn))作為軌道精煉控制點(diǎn)，并利用GCP點(diǎn)估算和去除殘余的恒定相位以及解纏后仍存在的相位坡道。4)形變速率和DEM系數(shù)估算。采用三次多項(xiàng)式模型輔助外部DEM進(jìn)行軌道精煉和重去平，消除軌道誤差引起的趨勢(shì)相位?；诰€性模型反演所有像對(duì)的形變和高程信息，估算形變速率和殘余地形相位。5)大氣相位和地形殘余相位去除。利用時(shí)空維度的帶通濾波估算和去除大氣延遲相位，更新軌道誤差殘余相位，分離出LOS向形變相位信息。6)地理編碼。對(duì)SBAS結(jié)果進(jìn)行地理編碼，獲取大氣校正后每期衛(wèi)星視線向形變量。

圖2 時(shí)空基線分布Fig.2 Distribution of spatial-temporal baseline

2.3 地表形變結(jié)果對(duì)比

由于LOS向形變速率實(shí)際為地表形變速率在衛(wèi)星視線方向的投影，任何地表形變都可用SN向(N)、EW向(E)和垂直向(U)三分量形變進(jìn)行表達(dá)。雷達(dá)側(cè)視成像的幾何關(guān)系和InSAR觀測(cè)的LOS形變與地表三分量形變關(guān)系表明[3]，無(wú)論是升軌還是降軌，垂直形變對(duì)LOS向觀測(cè)的貢獻(xiàn)率均在90%以上。InSAR結(jié)果對(duì)地表形變中垂直形變最為敏感，本文將LOS向形變速率場(chǎng)作為合肥市形變趨勢(shì)的宏觀分析數(shù)據(jù)。圖3為通過2種時(shí)序InSAR技術(shù)獲取的合肥市LOS向年均形變速率。由于缺乏城區(qū)同期實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS分別對(duì)2種結(jié)果進(jìn)行克里金插值，獲取同名點(diǎn)對(duì)應(yīng)的更加直觀的連續(xù)空間形變圖，形變分布趨勢(shì)非常相似，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的可靠性。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 地面沉降與城市建設(shè)的影響分析

從圖3可以看出，合肥市城區(qū)總體穩(wěn)定，地面沉降程度較低[4]，但覆蓋區(qū)域較大，形變趨勢(shì)為西南下沉、東北抬升，大部分區(qū)域年均形變速率集中在—10～10 mm/a。主城區(qū)地面沉降中心集中在包河區(qū)、蜀山區(qū)和肥西縣，沉降速率為4～45 mm/a。位于包河區(qū)近巢湖的濱湖新區(qū)沉降范圍廣、速率大；蜀山區(qū)中部和肥西縣中部均有大于10 mm/a的明顯沉降信號(hào)，最大沉降速率達(dá)到34 mm/a；中心老城區(qū)和北部地區(qū)較為穩(wěn)定，沉降相對(duì)較小，年均沉降速率小于4 mm/a。圖4為A、B、C區(qū)域內(nèi)沉降中心3個(gè)SDFP點(diǎn)的沉降時(shí)間序列?？梢钥闯觯?個(gè)區(qū)域沉降趨勢(shì)明顯，最大累積沉降量達(dá)到35 mm/a，位于濱湖新區(qū)。分析認(rèn)為，濱湖新區(qū)位于合肥市西南部，該區(qū)域地表多為第四系土壤堆積物，湖河沿岸為沖積平原，生態(tài)承載力較差，近10 a來(lái)由于生產(chǎn)建設(shè)和地下水抽取等原因，已經(jīng)發(fā)展成為合肥市的沉降漏斗。

①烏云山-合肥斷裂；②桑澗子-廣寒橋斷裂；③池河-西山驛斷裂；④固始-肥中斷裂；⑤橋頭集-東關(guān)斷裂；⑥六安-合肥斷裂；⑦肥西-韓擺渡斷裂圖3 合肥市地表形變速率Fig.3 Ground deformation rate of Hefei city

圖4 A、B、C區(qū)域地面沉降時(shí)間序列Fig.4 Time series of deformation rate in A, B and C area

3.2 地面沉降與地鐵建設(shè)的時(shí)空特征分析

地鐵建設(shè)速度加快和線網(wǎng)覆蓋范圍擴(kuò)張都可能造成地鐵沿線地表沉降加劇。本文基于SBAS-InSAR分析結(jié)果，結(jié)合ArcGIS的緩沖區(qū)分析功能提取各地鐵沿線500 m范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖5)，分析合肥地鐵網(wǎng)絡(luò)沿線地面沉降的時(shí)空演變特征。從圖5可以看出，地鐵1號(hào)線從葛大店站到合肥南站拐彎處有明顯地面沉降，最大年均沉降速率達(dá)到12 mm/a；線路往南進(jìn)入濱湖會(huì)展中心站后，沉降速率增大，發(fā)生不均勻沉降，最大年均沉降速率達(dá)到27 mm/a。地鐵2號(hào)線為橫貫合肥市東西走向已建成的運(yùn)營(yíng)線路，整體較為穩(wěn)定，蜀山西站到桂莊站有輕微沉降，最大沉降速率為8 mm/a。地鐵3號(hào)線從市政務(wù)中心到幸福壩站均表現(xiàn)為不均勻沉降，該區(qū)域地下水系線路較多，最大沉降速率達(dá)到14 mm/a。地鐵4、5號(hào)線屬于在建線路，由于受到施工和列車循環(huán)載荷運(yùn)行等因素影響，可能會(huì)導(dǎo)致地表穩(wěn)定性降低而發(fā)生沉降。4號(hào)線中段的圖書館站到合肥南站沉降明顯，最大沉降速率為15 mm/a；5號(hào)線南段的云谷路站到貴陽(yáng)路站沉降明顯，最大沉降速率達(dá)到34 mm/a。

3.3 地表形變與斷裂構(gòu)造活動(dòng)的影響分析

合肥地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，池河-西山驛斷裂作為郯廬斷裂帶的主干斷裂之一穿過合肥市東部，在構(gòu)造地貌上表現(xiàn)明顯，在晚第四紀(jì)仍有粘蠕滑交替的變形活動(dòng)，特別是在與北西向斷裂交會(huì)部位小震叢集[5]。相較于城市地面、地鐵、礦區(qū)等線性沉降，斷裂帶地殼形變具有特殊性。首先，斷裂形變量級(jí)小，變化較為緩慢，多數(shù)斷層活動(dòng)強(qiáng)度為每年數(shù)mm；其次，多數(shù)活動(dòng)斷層分布在人口相對(duì)稀疏的地區(qū)，整體相干性不及城區(qū)[3]。圖6為利用普通克里金方法對(duì)InSAR測(cè)量結(jié)果進(jìn)行插值得到的連續(xù)形變場(chǎng)分布圖?？梢钥闯?，測(cè)線近場(chǎng)的池河-西山驛斷裂兩側(cè)均具有較弱的隆升。安徽省地震局于1987年在池河-西山驛斷裂的平行構(gòu)造處布設(shè)一條定點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)線，9、10測(cè)點(diǎn)橫跨斷層，走向近SW，傾向西，傾角約為65°。本文采用水準(zhǔn)觀測(cè)方式與InSAR同步觀測(cè)方式開展斷層形變對(duì)比分析，其中2017-11～2018-09定點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量頻率為每天1次，2018-10之后定點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量頻率為5 d一次。將InSAR、水準(zhǔn)結(jié)果統(tǒng)一投影到WGS-84坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)時(shí)空基準(zhǔn)上的統(tǒng)一，在此基礎(chǔ)上提取D-E水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)線上對(duì)應(yīng)的克里金插值InSAR測(cè)量值，并與測(cè)線水準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析。從圖6可以看出，InSAR測(cè)量結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)線結(jié)果有較高的一致性，兩者差值(InSAR測(cè)量值減去水準(zhǔn)測(cè)量值)在±1 mm之間，呈現(xiàn)隆升、沉降交替的現(xiàn)象，形變幅度整體較小，但形變量大小和趨勢(shì)存在差異，原因可能包括水準(zhǔn)測(cè)線的人工觀測(cè)誤差、InSAR監(jiān)測(cè)誤差等。綜合前人在地震活動(dòng)性、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征、長(zhǎng)時(shí)間尺度的精密水準(zhǔn)觀測(cè)資料方面的研究認(rèn)為[6-7]：1)斷裂近場(chǎng)區(qū)域現(xiàn)今地殼垂直形變量很小，最大形變速率不超過2 mm/a；2)池河-西山驛斷裂近場(chǎng)區(qū)域的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)和InSAR觀測(cè)數(shù)據(jù)在垂直方向上均呈現(xiàn)較為一致的沉降和隆升交替變化，推測(cè)是由于受到斷裂現(xiàn)今垂直升降交替和水平張壓交替綜合作用控制；3)斷裂階段性垂直升降交替和水平拉張交替造成的區(qū)域應(yīng)力累積量不足以孕育中強(qiáng)震，從形變角度分析可能是現(xiàn)今郯廬斷裂帶的主干斷裂池河-西山驛段沿線地震活動(dòng)性較弱的原因。

圖5 合肥市地鐵沿線500 m范圍內(nèi)形變速率Fig.5 Deformation rate within 500 m of Hefei metro line

圖6 克里金插值InSAR形變場(chǎng)及時(shí)間序列Fig.6 Kriging interpolation InSAR deformation field and time series

4 結(jié) 語(yǔ)

1)合肥市形變趨勢(shì)為西南下沉、東北抬升，年均形變速率集中在—10～10 mm/a，屬于低程度沉降等級(jí)。形變沉降區(qū)主要集中在包河區(qū)、蜀山區(qū)，區(qū)域性沉降特征明顯，包河區(qū)內(nèi)的濱湖新區(qū)沉降速率超過40 mm/a，蜀山區(qū)最大沉降速率超過30 mm/a，沉降原因可能與區(qū)域生態(tài)承載力較差、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人口密集、地下水開采等因素有關(guān)。

2)研究區(qū)中部、北部的地鐵網(wǎng)絡(luò)部分相對(duì)穩(wěn)定，南段存在區(qū)域性沉降，沉降速率較大。地鐵2號(hào)線較穩(wěn)定，年均沉降速率小于8 mm/a；1、3號(hào)線部分站點(diǎn)沉降速率較大，分別達(dá)到12 mm/a和14 mm/a；在建4、5號(hào)線沿線存在不均勻沉降，其中5號(hào)線最大年均沉降速率達(dá)到34 mm/a。

3)對(duì)比時(shí)空同步的定點(diǎn)跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與InSAR形變數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩者獲取的垂直形變結(jié)果具有一致性，呈現(xiàn)擠壓或拉張交替的特征，整體形變幅度較小。結(jié)合前人對(duì)郯廬斷裂帶南段區(qū)域形變速率場(chǎng)的研究推測(cè)，池河-西山驛斷裂近場(chǎng)區(qū)域現(xiàn)今地殼形變量很小且斷裂的垂直升降交替和水平張壓交替的綜合作用導(dǎo)致斷層的水準(zhǔn)和InSAR觀測(cè)數(shù)據(jù)在垂直方向上均呈現(xiàn)沉降和隆升交替變化的趨勢(shì)。