賴 波，江金進(jìn)，劉 佳

(1.廣東省珠海工程勘察院,廣東 珠海 519000;2.廣東省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊(duì),廣東 珠海 519000)

近些年,珠海市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,西部中心城區(qū)及周邊平原區(qū)因工程建設(shè)活動(dòng)引發(fā)的地面沉降災(zāi)害日趨嚴(yán)重。段梅[1]、任偉燦[2]、王雙等[3-4]對(duì)珠海市地面沉降現(xiàn)狀、影響因素及形成機(jī)理進(jìn)行了分析總結(jié);任偉燦[5]、梁向陽(yáng)[6]、張琢[7]對(duì)珠江三角洲地區(qū)地面沉降特征、防治措施及沉降預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究;張杏清[8]、高輝等[9]、戴宜韋等[10]運(yùn)用PS-InSAR技術(shù)開(kāi)展了珠江三角洲地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究。以上研究涉及的研究區(qū)面積大且精度較低,針對(duì)珠海市地面沉降的詳細(xì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析成果較少。為查清珠海市地面沉降具體分布范圍及沉降速率,本文采用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)分析，提取了珠海市地面沉降信息。本次監(jiān)測(cè)分析成果與地面實(shí)地調(diào)查現(xiàn)象基本吻合,可為珠海市地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃、國(guó)土空間規(guī)劃等工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 珠海市軟土分布概況

珠海市除山地、丘陵及臺(tái)地外,地貌單元以沖積平原和海積平原為主。沖積平原主要分布在前山、磨刀門(mén)、泥灣門(mén)、雞啼門(mén)和虎跳門(mén)等河道兩側(cè),沉積物以淤泥和淤泥質(zhì)砂為主。海積平原主要分布在沿海海灣、海島周邊和人工圍墾而成的平原區(qū),沉積物以淤泥為主。珠海市軟土按沉積成因可分為濱海相、三角洲相和內(nèi)陸相三類。濱海相軟土主要分布于海積平原的海灣地段和海島周邊,為近代海退所形成的淺海堆積物,分布范圍廣,厚度大,為珠海市最主要的軟土層。三角洲相軟土主要分布在沖積平原的河道兩側(cè)。內(nèi)陸相軟土主要分布于山(臺(tái))前洼地或河谷地段。

珠海市軟土分布較厚地區(qū)主要為珠海西區(qū)(包括白蕉鎮(zhèn)、三灶鎮(zhèn)、紅旗鎮(zhèn)、平沙鎮(zhèn)、南水鎮(zhèn)等)和橫琴新區(qū)中部地區(qū)。軟土多裸露于地表或伏于填土之下,土體結(jié)構(gòu)呈單層或多層結(jié)構(gòu)，成分以灰—深灰色淤泥質(zhì)砂或砂質(zhì)淤泥為主,夾薄層粘土或砂土。軟土厚度一般為8～40 m,最大厚度>50 m,具有近山薄、近海厚的規(guī)律(圖1)。

圖1 珠海市軟土厚度等值線圖Fig.1 Map of the thickness of soft soil in Zhuhai city

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 星載SAR數(shù)據(jù)源

采用31景Sentinel-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地面沉降形變監(jiān)測(cè)分析。該影像數(shù)據(jù)具有短重復(fù)周期、大幅寬、多極化等特點(diǎn),在城市建筑物密集區(qū)的地面沉降監(jiān)測(cè)方面效果顯著[11-12]。本次數(shù)據(jù)獲取時(shí)間跨度為2017年3月—2018年4月(圖2),采用干涉寬幅(IW)數(shù)據(jù)成像模式,極化方式為VV極化,所處波段為C波段(表1)。

表1 Sentinel-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)信息表Table 1 Sentinel-1 satellite image data information table

2.2 高程數(shù)據(jù)參考

為提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度,需使用精度較高的地面高程模型作為InSAR處理流程中的地形相位去除參考數(shù)據(jù)。本次分析采用美國(guó)航空航天局(NASA)提供的SRTM全球高精度DEM產(chǎn)品作為高程參考數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。

2.3 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)

對(duì)獲取的SAR數(shù)據(jù)采用瑞士GAMMA軟件進(jìn)行干涉處理,提取地面沉降信息。該軟件可分成五個(gè)部分：組件式SAR處理器(MSP)、干涉SAR處理器(ISP)、差分干涉和地理編碼(DIFF&GEO)、土地利用工具(LAT)、干涉點(diǎn)目標(biāo)分析(IPTA)。

2.4 數(shù)據(jù)處理流程

近些年,珠海市為建設(shè)宜居宜業(yè)城市,著力開(kāi)發(fā)西部中心城區(qū),城市化范圍逐步擴(kuò)大。雖然城市化程度較高,建筑物密集，地物的散射特性好,但珠海市植被覆蓋率普遍較高,加之河網(wǎng)、魚(yú)塘密布，形成了較為特殊的地表環(huán)境,因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要進(jìn)行精細(xì)的誤差去除。PS-InSAR數(shù)據(jù)處理可分為4個(gè)步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理、差分干涉計(jì)算、時(shí)間/空間域形變估計(jì)和形變量計(jì)算[13-15],具體數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖3。

圖3 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Flowchart of PS-InSAR data processing

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 地面沉降現(xiàn)狀

根據(jù)InSAR技術(shù)獲取的珠海市2017—2018年高精度地表形變圖(圖4)可知,珠海市主要分布2個(gè)地面沉降區(qū),即斗門(mén)區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降區(qū)和平沙地面沉降區(qū)。斗門(mén)區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降區(qū)沉降中心速率為30 mm/a,造成該地區(qū)沉降速率大的原因是其東西兩側(cè)均為河道(東側(cè)為西江,西側(cè)為黃楊河和坭灣門(mén)水道),形成的軟土較厚,成分以灰—深灰色淤泥質(zhì)砂或砂質(zhì)淤泥為主,加上后期工程建設(shè)加大地表荷載和城區(qū)居民抽取地下水,造成地面沉降速率過(guò)快。平沙地面沉降區(qū)沉降中心速率為10 mm/a,其沉降速率較大原因是其西側(cè)為黃茅海,區(qū)域內(nèi)軟土較厚,成分同樣以灰—深灰色淤泥質(zhì)砂或砂質(zhì)淤泥為主,且沉降區(qū)內(nèi)分布一處溫泉旅游勝地,該旅游勝地抽取地下水可能是其發(fā)生沉降的主要原因之一。

圖4 珠海市2017—2018年地面沉降監(jiān)測(cè)形變圖Fig.4 Deformation map of land subsidence monitoring in Zhuhai city from 2017 to 2018

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，西部中心城區(qū)及其周邊地區(qū)地勢(shì)平坦,該地區(qū)地面沉降范圍約3.9 km2，人類工程活動(dòng)以城市建設(shè)、市政建設(shè)為主。新建工程開(kāi)展前一般采取了有效的軟基處理措施來(lái)消弱地面沉降的產(chǎn)生,但紅旗鎮(zhèn)部分工業(yè)園區(qū)地面沉降十分明顯，主要表現(xiàn)為場(chǎng)區(qū)地坪開(kāi)裂、市政道路起伏、市政管線變形等(照片1、照片2)。

照片1 地坪開(kāi)裂Photo 1 Current situation of floor cracking

照片2 市政管線變形Photo 2 Deformation of municipal pipeline

3.2 地面沉降機(jī)理分析

根據(jù)《地面沉降干涉雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程》(DD 2014—11)關(guān)于地面沉降嚴(yán)重程度的分級(jí)要求(表2)來(lái)看，珠海市地面沉降嚴(yán)重程度較高地區(qū)面積約0.5 km2,主要分布于高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)南水鎮(zhèn)以南地區(qū),存在2個(gè)沉降中心;地面沉降嚴(yán)重程度中等地區(qū)面積約14 km2,主要分布于斗門(mén)區(qū)白蕉鎮(zhèn)和高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)南水鎮(zhèn),其中斗門(mén)區(qū)白蕉鎮(zhèn)沉降區(qū)面積約11 km2,存在3個(gè)沉降中心,呈北西向串珠狀分布;高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)南水鎮(zhèn)沉降區(qū)面積約2 km2,存在2個(gè)沉降中心,呈北東向啞鈴狀分布；地面沉降嚴(yán)重程度較低面積約128 km2，其中面積最大的沉降區(qū)為斗門(mén)區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降區(qū),共存在5個(gè)沉降中心;其次為平沙地面沉降區(qū),其它各區(qū)零星分布(圖5)。

圖5 珠海市InSAR地面沉降監(jiān)測(cè)速率分布圖Fig.5 Map of the monitoring rate of InSAR ground subsidence in Zhuhai city

表2 地面沉降嚴(yán)重程度分級(jí)Table 2 Grading the severity of ground subsidence

通過(guò)PS-InSAR地面沉降監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，珠海市地面沉降空間分布以點(diǎn)源地面沉降為主,大部分地區(qū)(包括香洲區(qū)、橫琴新區(qū)、高新區(qū))地面沉降趨于穩(wěn)定。沉降速率最大地區(qū)位于高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)南水鎮(zhèn),年均沉降速率達(dá)到50 mm/a，該地區(qū)廣泛分布海陸交互相的淤泥質(zhì)砂或砂質(zhì)淤泥,目前仍處于土地自重沉降狀態(tài),其完全沉降穩(wěn)定需要較長(zhǎng)時(shí)間；該地區(qū)存在兩個(gè)地面沉降漏斗中心,并且漏斗間存在連通現(xiàn)象。斗門(mén)區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降速率最大達(dá)到30 mm/a,存在多個(gè)沉降中心,其中沉降速率在10～30 mm的地區(qū)已經(jīng)連通,說(shuō)明該地區(qū)同樣存在多個(gè)地面沉降漏斗連通成片趨勢(shì)。

通過(guò)地面沉降時(shí)間序列圖(圖6)可知，珠海市地面沉降存在季節(jié)性變化,白蕉鎮(zhèn)、南水鎮(zhèn)沉降區(qū)地表形變?cè)?017年7月—9月均出現(xiàn)抬升或減緩現(xiàn)象,可能為梅雨季節(jié)降水補(bǔ)給引起的地表抬升現(xiàn)象,但隨著周邊人為抽取地下水,地表形變逐漸恢復(fù)至原有沉降趨勢(shì)。

圖6 珠海市地面沉降時(shí)間序列圖Fig.6 Time series of ground subsidence in Zhuhai city

綜上所述，珠海市形成地面沉降的原因主要分為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面，其中軟土分布較厚、物理力學(xué)性質(zhì)差是發(fā)生沉降的內(nèi)因，外因主要包括人為抽取地下水導(dǎo)致水位下降、上覆荷載增大、固結(jié)處理措施不當(dāng)?shù)葞讉€(gè)方面。珠海市地面沉降發(fā)生的范圍與軟土分布范圍高度穩(wěn)合，沉降深度與軟土的高含水量、孔隙比、高壓縮性等有緊密聯(lián)系。而人類工程活動(dòng)對(duì)地面沉降的影響主要表現(xiàn)在抽排地下水、填土加載、建筑物加載和機(jī)械動(dòng)荷載等情況[16-17]。

4 結(jié)論

本文采用PS-InSAR技術(shù)對(duì)獲取的珠海市31景Sentinel-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)分析,提取了珠海市地面沉降信息，顯示珠海市主要分布斗門(mén)區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)和平沙2個(gè)地面沉降區(qū),其中斗門(mén)區(qū)白蕉鎮(zhèn)—西部中心城區(qū)地面沉降區(qū)沉降中心速率為30 mm/a，平沙地面沉降區(qū)沉降中心速率為10 mm/a。對(duì)地面沉降機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,認(rèn)為沉降區(qū)軟土分布較厚、物理力學(xué)性質(zhì)差是引起地面沉降的內(nèi)因，而人為活動(dòng)抽排地下水、工程建設(shè)增大上覆荷載等是外因，可為珠海市地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃、國(guó)土空間規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。