李紅慧 侯占東 李書建

1 江蘇煤炭地質(zhì)局，南京市堯新大道5號， 2100462 江蘇中煤地質(zhì)工程研究院有限公司，江蘇省常州市延陵中路22號，2130003 江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇省常州市興業(yè)路1號，213001

地面沉降是影響城市發(fā)展的主要地質(zhì)問題之一，全球已有超過150個城市面臨著不同程度的地面沉降[1]。地面的不均勻沉降會破壞城市軌道交通、地下管網(wǎng)等基礎設施，對建筑物造成損害，不僅阻礙城市的可持續(xù)發(fā)展，還威脅人們的生命財產(chǎn)安全。

相對傳統(tǒng)水準測量方法，合成孔徑雷達差分干涉測量技術具有全天時、全天候、覆蓋廣、數(shù)據(jù)處理自動化程度高等優(yōu)點[2]，被越來越廣泛地應用于地面沉降監(jiān)測、地質(zhì)災害隱患點排查等地表形變探測。莫營等[3]利用PS-InSAR和SBAS-InSAR時序處理方法，獲取南昌市主城區(qū)2016-01～2018-07的地面形變信息，結果表明，2種時序技術的監(jiān)測結果有較高的相關性；謝文斌等[4]針對撫順市大范圍地表形變問題，利用SBAS-InSAR技術對研究區(qū)17景Sentinel-1A影像進行處理，提取撫順市2015～2016年地面形變信息；王之棟等[5]聯(lián)合利用D-InSAR、PS-InSAR和SBAS-InSAR技術對雷達影像進行處理，解譯出研究區(qū)域840處地表形變，并驗證不同InSAR技術在地表形變監(jiān)測應用中的一致性、準確性和可靠性；朱邦彥等[6]利用PS-InSAR技術監(jiān)測2007～2016年南京河西地區(qū)地表沉降情況，結合地質(zhì)條件、分層沉降和地下水位資料對沉降成因進行分析，結果表明，淺部地層的固結壓縮是導致該區(qū)域沉降不均勻的主要原因。

常州市是長江三角洲中心地區(qū)重要城市，自20世紀60～70年代開始，由于地下水的過度開采，地面沉降成為該地區(qū)面臨的主要地質(zhì)災害之一[7-8]。2000年起，常州市區(qū)范圍內(nèi)全面禁止開采地下水，地面沉降態(tài)勢明顯趨緩[9-10]。但最近的研究顯示，常州市地面沉降并未完全停止，武進區(qū)局部地區(qū)仍存在明顯的沉降現(xiàn)象[11-13]。

本文利用2018-01～2019-12的24景C波段Sentinel-1A數(shù)據(jù)，采用PS-InSAR技術得到常州地面近2 a的時序變形結果，與2018～2019年傳統(tǒng)水準測量的地面沉降結果進行對比分析，評估PS-InSAR監(jiān)測結果精度，并據(jù)此分析常州地面沉降時空演變規(guī)律；然后結合同期常州市第Ⅱ承壓地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析第Ⅱ承壓地下水對地面沉降的影響；最后對某分層基巖標2010～2019年各地層回彈監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，探討常州地面沉降的成因。研究結果可為今后常州市地面沉降的監(jiān)測、預警以及地質(zhì)災害的預防等工作提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

常州市位于江蘇省南部(31°09′～ 32°04′N，119°08′～120°12′E)，北鄰長江，南靠太湖，屬長江下游平原及太湖沖積湖積平原，地勢平坦，海拔為2～9 m，多為松散的第四紀地層覆蓋。全區(qū)河道與江湖連通，水資源豐富。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1)雷達影像數(shù)據(jù)。本文使用數(shù)據(jù)為歐空局Sentinel-1A數(shù)據(jù)，衛(wèi)星影像時間跨度為2018-01～2019-12，每月1期，共24景數(shù)據(jù)。采用C波段觀測，軌道方向為降軌，入射角為40.60°，成像模式為干涉寬幅模式IW(interferometric wide swath)，極化模式為VV，分辨率為5 m×20 m。在進行PS-InSAR數(shù)據(jù)處理時，以2019-02-10的影像作為主影像，共形成23個干涉對，干涉對時空基線分布如圖1所示。

圖1 PS-InSAR干涉對的時空基線分布Fig.1 Spatial-temporal baseline distribution of interferograms used in the PS-InSAR method

2)水準測量監(jiān)測數(shù)據(jù)。水準測量監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于常州市常武地區(qū)地面沉降監(jiān)測項目，該項目于2018年開始實施，其中鐘樓區(qū)沉降監(jiān)測于2019年開始實施。監(jiān)測點主要布設在重點監(jiān)測區(qū)域，如不同構造帶、地下水開采區(qū)、地面沉降和地下水漏斗中心等，能真實準確地反映出常州地面沉降量及沉降趨勢。監(jiān)測時間為每年10～12月份，測量方法為二等水準測量。本次共收集85個2018～2019年監(jiān)測點高程數(shù)據(jù)，據(jù)此計算2018～2019年監(jiān)測點沉降量。

3)第Ⅱ承壓水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)。共收集到10個2018～2019年常州市第Ⅱ承壓水水位監(jiān)測井監(jiān)測數(shù)據(jù)，以探討地下水水位變化對地面沉降的影響。監(jiān)測井自動獲取每日(08：00)水位，根據(jù)每日水位數(shù)據(jù)計算月均水位，年度水位數(shù)據(jù)為月度水位數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 時序PS-InSAR數(shù)據(jù)處理

該方法和理論最早由Ferretti等[14]于2001年提出，與傳統(tǒng)的D-InSAR技術相比，時序PS-InSAR技術可以較好地克服時空失相關和大氣延遲的問題，提高地表形變監(jiān)測的精度[15]。

PS-InSAR的數(shù)據(jù)處理過程主要包括SAR數(shù)據(jù)配準、干涉圖生成、PS點選取、相位解纏、去除大氣效應及地理編碼等，得到每個PS點在時間序列上的視線向(LOS)形變量和平均形變速率。根據(jù)公式VUP=VLOS/cosβ(其中下標LOS為雷達視線方向，下標UP表示垂直方向，β為入射角)，可將LOS方向的沉降速率換算成UP方向的沉降速率，得到研究區(qū)2018-01～2019-12垂直方向的年均沉降速率(見圖2，圖中正值表示地面抬升，負值代表地面沉降)。

圖2 研究區(qū)年平均沉降速率Fig.2 Mean subsidence rates in the studied area

2.2 與水準測量數(shù)據(jù)對比分析

為評估PS-InSAR監(jiān)測結果的精度，利用研究區(qū)內(nèi)同期精度較高的水準監(jiān)測數(shù)據(jù)與InSAR結果進行對比驗證。選取研究區(qū)內(nèi)水準監(jiān)測點四周100 m范圍的PS點，根據(jù)距離權重，計算所選PS點的形變量均值，與水準監(jiān)測數(shù)據(jù)對比。經(jīng)過計算，水準監(jiān)測數(shù)據(jù)與PS-InSAR數(shù)據(jù)的較差絕對值的最大值為6.1 mm，最小值為0.1 mm，平均值為2.7 mm，均方根誤差(RMSE)為1.7 mm。可以看出，PS-InSAR結果與水準監(jiān)測結果基本一致，具有較好的一致性。

2.3 地面沉降規(guī)律分析

從圖2可以看出，監(jiān)測期間研究區(qū)地面沉降分布特點較明顯，總體呈現(xiàn)為“抬升區(qū)域位于城鎮(zhèn)，沉降區(qū)域位于農(nóng)村”的特點。新北區(qū)、武進區(qū)北部、經(jīng)開區(qū)、天寧區(qū)交界處及新北區(qū)與天寧區(qū)交界處等城區(qū)地面主要呈現(xiàn)抬升狀態(tài)，累積抬升量平均值約為7.3 mm，抬升區(qū)域面積約占研究區(qū)面積的45%；鐘樓區(qū)西部、武進區(qū)東部、天寧區(qū)東北部、經(jīng)開區(qū)東北部、新北區(qū)西南部等農(nóng)村地區(qū)地面主要呈現(xiàn)沉降狀態(tài)，累積沉降量平均值約為7.6 mm。

2.3.1 新北區(qū)地面沉降時空變化特征

由圖3可見，監(jiān)測期內(nèi)新北區(qū)地表整體以抬升為主，累積抬升量平均值約為7.1 mm。其中三井街道地表抬升量較為明顯，累積抬升量平均值已達8.7 mm；僅西南處局部地區(qū)地表出現(xiàn)沉降，監(jiān)測期內(nèi)累積沉降量平均值約為2.9 mm，主要分布在奔牛鎮(zhèn)南部地區(qū)。

1孟河鎮(zhèn) 2西夏墅鎮(zhèn) 3羅西鎮(zhèn) 4奔牛鎮(zhèn) 5魏村街道 6春江街道 7新橋街道 8薛家鎮(zhèn) 9龍虎塘街道 10三井街道圖3 新北區(qū)2018～2019年時序地表累積形變Fig.3 Time series of cumulative vertical deformationin Xinbei district between 2018 and 2019

2.3.2 鐘樓區(qū)地面沉降時空變化特征

由圖4可見，監(jiān)測期內(nèi)鐘樓區(qū)地面呈現(xiàn)“西部沉降，東部抬升”的空間分布特征，抬升區(qū)域主要分布在鐘樓區(qū)東部的新閘街道、北港街道、五星街道、西林街道和南大街街道，累積抬升量平均值約為3.8 mm；沉降區(qū)域主要分布在鐘樓區(qū)西部的鄒區(qū)鎮(zhèn)，累積沉降量平均值約為4.6 mm。

1鄒區(qū)鎮(zhèn) 2新閘街道 3北港街道 4五星街道 5南大街街道 6西林街道 7永紅街道圖4 鐘樓區(qū)2018～2019年時序地表累積形變Fig.4 Time series of cumulative vertical deformation in Zhonglou district between 2018 and 2019

1鄭陸鎮(zhèn) 2青龍街道 3紅梅街道 4天寧街道 5蘭陵街道 6茶山街道 7雕莊街道圖5 天寧區(qū)2018～2019年時序地表累積形變Fig.5 Time series of cumulative vertical deformation in Tianning district between 2018 and 2019

2.3.3 天寧區(qū)地面沉降時空變化特征

由圖5可見，監(jiān)測期內(nèi)天寧區(qū)地面以抬升為主，累積形變抬升區(qū)域約占85%，主要分布在潞莊街道、青龍街道、茶山街道、紅梅街道、天寧街道和蘭陵街道，累積抬升量平均值約為8.4 mm，最大抬升量已超過25 mm；沉降區(qū)域主要分布在鄭陸鎮(zhèn)，以輕微沉降為主，累積沉降量平均值為2.9 mm，沉降量有向東逐漸增大的趨勢。

2.3.4 經(jīng)開區(qū)地面沉降時空變化特征

由圖6可見，監(jiān)測期內(nèi)經(jīng)開區(qū)地面以抬升為主，累積形變抬升區(qū)域約占75%，主要分布在潞城街道、丁堰街道、戚墅堰街道和遙觀鎮(zhèn)北部等區(qū)域，抬升區(qū)域逐年向東部擴展，監(jiān)測期間累積抬升量平均值約為8.1 mm，最大抬升量已超過30 mm；沉降區(qū)域主要分布在橫山橋鎮(zhèn)、橫林鎮(zhèn)及遙觀鎮(zhèn)等地，監(jiān)測期間累積沉降量平均值約為3.1 mm，沉降量均在5 mm以內(nèi)。

1橫山橋鎮(zhèn) 2潞城街道 3丁堰街道 4戚墅堰街道 5遙觀鎮(zhèn) 6橫林鎮(zhèn)圖6 經(jīng)開區(qū)2018～2019年時序地表累積形變Fig.6 Time series of cumulative vertical deformation in Jingkai district between 2018 and 2019

2.3.5 武進區(qū)地面沉降時空變化特征

由圖7可見，監(jiān)測期內(nèi)武進區(qū)地面以沉降為主，累積形變沉降區(qū)域約占75%，累積沉降量平均值約為9.8 mm，其中前黃鎮(zhèn)南部、禮嘉鎮(zhèn)南部、洛陽鎮(zhèn)南部和雪堰鎮(zhèn)等武進南部地區(qū)沉降較為嚴重，累積沉降量平均值已達16 mm。抬升區(qū)域主要分布在湖塘鎮(zhèn)北部、牛塘鎮(zhèn)北部等地，累積抬升量平均值約為6.6 mm。在監(jiān)測期內(nèi)武進區(qū)地面整體呈現(xiàn)出“北部抬升，南部沉降，從北向南沉降量逐漸增大”的空間分布特征。

1湟里鎮(zhèn) 2嘉澤鎮(zhèn) 3武進經(jīng)濟開發(fā)區(qū) 4牛塘鎮(zhèn) 5滆湖 6國家高新區(qū) 7湖塘鎮(zhèn) 8高新區(qū) 9前黃鎮(zhèn) 10禮嘉鎮(zhèn) 11洛陽鎮(zhèn) 12雪堰鎮(zhèn)圖7 武進區(qū)2018～2019年時序地表累積形變Fig.7 Time series of cumulative vertical deformation in Wujin district between 2018 and 2019

2.4 地面沉降成因分析

造成地面沉降的原因較為復雜，地質(zhì)環(huán)境、地下水開采、淺部地層固結壓縮都有可能造成地面沉降，其中長期超量開采第Ⅱ承壓水一直以來都是導致常州地面沉降的主要因素。為探討常州市地面沉降與第Ⅱ承壓地下水水位變化的關系，本文根據(jù)鄰近原則，計算水文監(jiān)測井100 m范圍內(nèi)的PS點地表形變量均值并將其作為地面沉降量(表1)，得到水位變化量和年均沉降量之間的相關系數(shù)為0.55。由此可知，近2 a常州市地面沉降與第Ⅱ承壓地下水位變化具有一定的相關性，但是相關性不高。

表1 2018～2019年水文監(jiān)測井第Ⅱ承壓水水位變化量與周邊地面年均沉降量

為進一步探究沉降的原因，對研究區(qū)域某分層基巖標2010～2019年各層監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，各地層回彈情況如圖8所示?？梢钥闯?，各分層標垂向上的主要壓縮土層回彈情況不盡相同，但時間動態(tài)上表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，即深部地層多數(shù)處于反彈階段，而淺部地層是目前土層壓縮(沉降)的主要層段。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因為，當深層地下水禁采后，深部含水層及其頂板出現(xiàn)反彈，而淺部地下水由于仍處于開發(fā)利用狀態(tài)，以及受基坑、地鐵等施工、排水等因素的影響，淺部土層出現(xiàn)壓縮，進而致使地面出現(xiàn)沉降。

圖8 分層基巖標各分層回彈情況Fig.8 The rebound of each layer of the layer wise bedrock mark

3 結 語

本文采用PS-InSAR技術基于Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)獲取常州市2018～2019年地面沉降特征，并利用同期水準數(shù)據(jù)對InSAR結果進行精度評估。在此基礎上對常州市各區(qū)地面沉降時空演變規(guī)律進行分析，最后結合常州市第Ⅱ承壓地下水水位變化和某分層基巖標各地層回彈監(jiān)測數(shù)據(jù)，探討地面沉降成因，得出以下結論:

1)水準監(jiān)測數(shù)據(jù)與PS-InSAR數(shù)據(jù)的較差絕對值的最大值為6.1 mm，平均值為2.7 mm，均方根誤差RMSE為1.7 mm，兩者具有較好的一致性。

2)常州市地面沉降總體呈現(xiàn)為“抬升區(qū)域位于城鎮(zhèn)，沉降區(qū)域位于農(nóng)村”的特征，其中抬升區(qū)域累積抬升量平均值約為7.3 mm，沉降區(qū)域累積沉降量平均值約為7.6 mm。武進區(qū)南部等地局部沉降嚴重，累積沉降量平均值已超過15 mm。

3)常州市地面沉降量與第Ⅱ承壓水水位變化具有一定的相關性，相關系數(shù)為0.55；2010～2019年分層基巖標各地層回彈監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，深部地層多數(shù)處于反彈階段，而淺部地層主要表現(xiàn)為土層壓縮(沉降)。表明第Ⅱ承壓地下水水位變化現(xiàn)已不是造成常州地面沉降的主要因素，淺部地層土層壓縮已成為常州市地面沉降的主要影響因素。