葛偉麗 ，李元杰 ，張春明 ，張紅霞 ，王志超 ，楊紅磊

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查研究院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古煤炭建設生態(tài)環(huán)境研究院有限責任公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)測繪地理信息中心, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；4.中國地質(zhì)大學（北京）土地科學技術學院, 北京 100083）

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動引發(fā)的松散層固結(jié)壓縮并導致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象，是一種不可補償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失[1-2]。地震、采礦、石油、天然氣或地下水的過度開采以及構造運動等各種因素都可能導致地面沉降[3-4]。長期地下水超采導致松散沉積物中顆粒間孔隙流體壓力降低從而引發(fā)的地面沉降，已是世界范圍內(nèi)各大城市面臨的主要地質(zhì)環(huán)境問題之一[5-7]。

在地面沉降測量方面，傳統(tǒng)的水準測量手段和GPS監(jiān)測更適合離散點的監(jiān)測，對于地域范圍跨度較大、沉降變化較為緩慢且時間較長的城市地面沉降監(jiān)測，這兩種方法都具有其局限性[8]。合成孔徑雷達干涉測量技術（Interferometric Synthetic Aperture Radartechnique, InSAR）以其全天候、全天時、精度高、覆蓋范圍大的優(yōu)點被廣泛應用[9-10]，其中永久散射體干涉法（Permanent Scatterer Intervention Method，PS-InSAR）和小基線集方法（Small Baseline Set Method，SBAS-InSAR）作為先進的InSAR技術方法，可以克服大氣延遲和時空非相干性等缺陷，獲得高精度的沉降反演結(jié)果，已被許多國家用于城市地面沉降監(jiān)測[11-12]。此外，高分辨率SAR圖像也得到廣泛應用，如搭載相控陣型L波段合成孔徑雷達（PALSAR）傳感器的ALOS衛(wèi)星（ALOSPALSAR）和搭載C波段傳感器的Radarsat-2衛(wèi)星的SAR圖像[13-14]。

巴彥淖爾市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，近年來隨著人口激增和城市建設加快，地下水降落漏斗范圍不斷擴大，且該地區(qū)固有的第四系粉砂層具有發(fā)育廣、厚度大的特點，易產(chǎn)生不均勻地面沉降，且沉降持續(xù)時間較長[15]，因此巴彥淖爾市具備地面沉降產(chǎn)生的基礎條件，然而目前該市地面沉降的區(qū)域性研究尚未開展，已有的水平面測點近年來也遭到嚴重破壞。因此，本文利用PS-InSAR和SBAS-InSAR技術首次對巴彥淖爾市2007—2011年和2015—2016年的地面沉降演化特征進行定量研究分析，通過現(xiàn)場實地調(diào)查驗證InSAR技術監(jiān)測結(jié)果的可靠性，并進一步分析研究區(qū)地面沉降成因及發(fā)展趨勢，以期為地面沉降防災減災提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

巴彥淖爾市位于黃河沖積平原上，總面積65 139 km2，地面開闊平坦，海拔1 045～1 209 m，地勢由西南向東北傾斜。地表出露多為第四系全新統(tǒng)沖積砂及砂質(zhì)粉土，厚6～51 m。第四系厚約1 000 m，推測最大厚度為1 200～1 500 m。第四系沉積層厚度大、含水率高、固結(jié)程度差，在重力等作用下，易發(fā)生地層自然壓實、固結(jié)。構造上屬于河套盆地，西界為郎山前緣斷裂，北界為色爾騰山斷裂，南界為鄂爾多斯北緣斷裂?？傮w而言，區(qū)域地殼處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。研究區(qū)內(nèi)有2條斷裂帶：1條分布在東北方向，從晨光村到高峰村；另1條分布在民豐村—友誼村—扶豐村，沿東西方向分布。區(qū)內(nèi)淺層地下水分布普遍，為主要開采層[16]。含水層埋藏厚度受構造控制明顯，盆地邊緣較薄，深拗陷帶較厚，臨河區(qū)一般為55～60 m，粉砂層厚度自東向西、自南向北逐漸增加，埋深相應加深。粉砂層厚度在北部杭錦后旗地區(qū)最大，達280 m[17]（圖1—2）。

圖1 研究區(qū)地理位置及第四系粉砂層厚度圖Fig.1 Geographical location of the study area and depth of the Quaternary silt strata

圖2 I—I′水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile of section I—I′

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用ALOS PALSAR（2007-01-13—2011-03-11，98景）和Radarsat-2（2015-06-28—2016-12-31，10景）圖像。ALOS PALSAR數(shù)據(jù)較豐富，數(shù)據(jù)采樣較均勻，L波段數(shù)據(jù)波長較長、穿透性較好，在非建筑區(qū)仍有相干性。目前在軌衛(wèi)星有Radarsat-2、TerraSAR-X、COSMOSkyMed和Sentinel-1，其中Radarsat-2從2015年開始，在研究區(qū)有拍攝數(shù)據(jù)，TerraSAR-X和COSMO-SkyMed在研究區(qū)無存檔數(shù)據(jù)。綜合對比已有數(shù)據(jù)情況、數(shù)據(jù)幅寬和波長等指標，最終選用ALOS PALSAR和Radarsat-2數(shù)據(jù)分別對巴彥淖爾市2007—2011年和2015—2016年的地面歷史沉降情況進行分析研究。采集參數(shù)如表1所示。

表1 巴彥淖爾市ALOS PALSAR 和Radarsat-2 數(shù)據(jù)參數(shù)Table 1 Parameters of ALOS PALSAR data and Radarsat-2 SAR data in the city of Bayannur

2.2 研究方法

采用PS-InSAR方法對2007-01-13—2011-03-11期間巴彥淖爾市的地面沉降進行識別。PS-InSAR技術本質(zhì)上屬于雷達差分干涉法，將測量區(qū)域的序列SAR圖像對應的地面目標分為永久散射（Permanent Scatterer，PS）點和非永久散射點兩類，然后提取PS點，采用差分干涉法和建模方法實現(xiàn)信號相位的分離，最后提取PS變形信息并進行插值得到研究區(qū)域的地面形變情況[18]，如圖3（a）所示。選取2009年9月22日的圖像為主影像，與其他影像組合24個干涉像對，得到地表形變信息。采用10景Radarsat-2數(shù)據(jù)對2015-06-02—2016-12-31期間巴彥淖爾市的地面沉降情況進行簡單研究，而PS-InSAR方法要求SAR數(shù)據(jù)量大于25景，因此采用SBAS-InSAR方法研究2015-06-02—2016-12-31期間的地面沉降情況。以時間基線不超過350 d、空間基線不長于560 m為原則，組成干涉對，得到該地區(qū)的地表沉降速率，具體處理過程如圖3（b）所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Workflow of InSAR data processing

3 研究結(jié)果

對2007—2011年98幅ALOS PALSAR數(shù)據(jù)的SAR圖像進行干涉處理，最終獲取PS點。巴彥淖爾市的地面沉降主要表現(xiàn)為緩慢性沉降，沉降速率集中在0～10 mm/a。所有PS點中最大沉降速率達23.7 mm/a，位于臨河區(qū)喬和圪旦的空地上。以InSAR影像解譯結(jié)果為基礎，選擇InSAR解譯成果沉降速率較大的PS點集中分布區(qū)，結(jié)合城市地下水開采情況、區(qū)域地下水水位動態(tài)變化特征、地下水降落漏斗形態(tài)特征、第四系粉砂層發(fā)育特征等條件，并進行野外驗證，綜合確定地面沉降區(qū)的位置及范圍。結(jié)果表明2007—2011年巴彥淖爾市存在3處地面沉降集中區(qū)，即杭錦后旗沉降區(qū)（A）、臨河區(qū)沉降區(qū)（B）、開發(fā)區(qū)水源地及北部沉降區(qū)（C），如表2和圖4（a）所示。2015—2016年巴彥淖爾市的沉降也為緩慢性沉降，沉降速率集中在0～2.6 mm/a；沉降速率最大值為5.634 mm/a，位于臨河區(qū)光明村中央路口以北0.3 km處；且存在1處地面沉降區(qū)，即臨河區(qū)及北部沉降區(qū)（D），如表2和圖4（b）所示。巴彥淖爾市地面沉降整體表現(xiàn)為緩慢性沉降，按《地面沉降干涉雷達數(shù)據(jù)處理技術規(guī)程》（DD 2014—11）中地面沉降嚴重程度分級標準，巴彥淖爾市地面沉降嚴重程度屬于低級。

圖4 巴彥淖爾市地面形變速度Fig.4 Ground deformation velocity in the city of Bayannur

表2 巴彥淖爾市地面沉降集中區(qū)特征Table 2 Characteristics of land subsidence concentration area in the city of Bayannur

實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在杭錦后旗陜壩鎮(zhèn)西二街村房屋東墻發(fā)現(xiàn)多處裂縫，該點距離杭錦后旗地下水超采區(qū)約1 km；同時在第一水源地4號水源井、第二水源地6號水源井發(fā)現(xiàn)井管相對抬升、井周存在輻射狀裂縫，其他地區(qū)未見明顯地面沉降明顯跡象（圖5）。這是由于巴彥淖爾市地面沉降尚處于初步發(fā)生階段，地面沉降嚴重程度屬于低級，地面沉降發(fā)展較緩，因此未出現(xiàn)較大范圍的區(qū)域性地面沉降跡象。

圖5 巴彥淖爾市地面沉降特征野外調(diào)查照片F(xiàn)ig.5 Field survey photos of land subsidence characteristics in the city of Bayannur

InSAR解譯影像顯示，部分地區(qū)存在地面抬升現(xiàn)象，本研究在野外核查工作中有針對性地對地面抬升特征區(qū)域進行了實地核查，核查點分布情況見圖4（a）。結(jié)果表明，除BN1調(diào)查點位于臨河區(qū)團結(jié)路萬豐小區(qū)外，其余調(diào)查點均位于農(nóng)田、林地、草地、蘆葦?shù)?，受作物種類、長勢影響，對InSAR解譯成果造成一定干擾。而BN1調(diào)查點處的萬豐小區(qū)始建于2010年，當時地表人工開挖擾動較大，因此2007—2011年InSAR解譯影像顯示的地表回升現(xiàn)象與此有關。此外，2015—2016年黃河西南地區(qū)遙感解譯影像顯示，研究區(qū)出現(xiàn)大面積的地面沉降集中點；隨后野外驗證表明，該區(qū)域位于庫布齊沙漠，地表變形易受水土風蝕等自然因素的影響，因此，推測這些沉降點為地面沉降干擾點；而且由于該區(qū)域隸屬于鄂爾多斯市，不在本研究區(qū)范圍內(nèi)，因此未進行詳細分析研究。

4 地面沉降成因及趨勢分析

4.1 地面沉降成因分析

4.1.1 自然因素

研究表明地面沉降量主要來自含水層頂板自身的固結(jié)壓縮[19]。2007—2011年巴彥淖爾市A、B、C等3處地面沉降集中區(qū)沉降面積較大，其中B沉降面積達139.98 km2；2015—2016年該沉降區(qū)繼續(xù)向周邊及北部擴展，沉降面積增至221.43 km2。由于上述地面沉降區(qū)均位于研究區(qū)粉砂層厚度較大的區(qū)域，因此認為巴彥淖爾市沉積物的固結(jié)壓實是導致該地區(qū)地面沉降的重要因素。為了進一步探討巴彥淖爾市沉積物固結(jié)壓實對地面沉降的影響，本研究比較分析了2007—2011年3個地面沉降區(qū)平均沉降速率與相應粉砂層厚度的相關性。結(jié)果表明，粉砂層厚度最薄的C區(qū)沉降速率最低，為4.615 mm/a；中等粉砂層厚度的B區(qū)沉降速率最高，為8.336 mm/a；而A區(qū)粉砂層厚度最大，達260～280 m，沉降速率卻較小。這說明沉積物固結(jié)是引發(fā)該區(qū)地面沉降的原因之一，地面沉降是多種因素共同作用的結(jié)果。在本研究中，巴彥淖爾市兩條斷裂兩側(cè)未見明顯差異變形，斷裂兩側(cè)也未見地面沉降的帶狀分布。此外，由構造活動引起的地表高程差異發(fā)生在漫長的歷史時期，速度極慢，影響很小[20]。因此，不考慮構造活動對研究區(qū)的影響。

4.1.2 人為因素

2007—2011年巴彥淖爾市存在的3個地面沉降集中區(qū)中，A區(qū)位于陜壩鎮(zhèn)水源地的東北方向，該區(qū)地面沉降呈小范圍小幅度均勻沉降，沉降中心與杭錦后旗地下水超采區(qū)及陜壩鎮(zhèn)水源地在區(qū)域上較為接近，呈現(xiàn)出與地下開采較為相關的特性；B區(qū)內(nèi)有第一水廠、第二水廠、鐵路水廠，企事業(yè)單位自備井較多，目前區(qū)內(nèi)已形成臨河區(qū)小型孔隙淺層地下水超采區(qū)，該沉降區(qū)位于城區(qū)地下水降落漏斗中部，區(qū)內(nèi)地面沉降呈大范圍小幅度均勻沉降，地面沉降中心與地下水降落漏斗中心在空間分布上具有較高的一致性，但沉降中心與地下水漏斗中心并非完全吻合，沉降漏斗有向東北偏移的趨勢，如圖6（a）所示。其主要原因可能是軟土層固結(jié)速度滯后于地下水水頭變化，并且不同地區(qū)的軟土層厚度對該區(qū)域地面沉降的發(fā)生、發(fā)展也有顯著影響[21-22]。2004—2015年地下水降落漏斗范圍不斷擴大，可能導致地面沉降范圍逐步擴大，本次對巴彥淖爾市2015—2016年的地面沉降調(diào)查也恰好驗證了這一發(fā)展趨勢：B區(qū)在原有沉降基礎上繼續(xù)向周邊擴展，特別是東北部，北至白虎高圪旦，東到長豐村，沉降區(qū)面積達221.43 km2，如圖6（b）所示；C區(qū)東南緊鄰開發(fā)區(qū)水源地，由于2010年后開發(fā)區(qū)工業(yè)產(chǎn)值增加較快，導致區(qū)內(nèi)企業(yè)用水增多，地下水位下降相對較快，因此C區(qū)地面沉降速率相對較高，選取巴彥淖爾市2007—2011年兩個具有完整水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的形變特征點，觀測其地面形變速度和地下水位，并對二者的相關性進行回歸分析。兩個特征點分別位于臨河區(qū)城關鎮(zhèn)五四十社村和臨河區(qū)聯(lián)邦制藥（內(nèi)蒙古）有限公司，對應的水位監(jiān)測點分別為B120和B128-1，具體位置如圖6（a）所示。結(jié)果表明，地下水位與地面形變速度具有一定的相關性，水位下降時地面沉降，水位上升時地面抬升，地面形變與地下水位變化密切相關，各點兩者的相關系數(shù)均大于0.8（圖7）。因此，地下水開采是巴彥淖爾市地面沉降的主要影響因素。

圖6 地面沉降環(huán)境影響因素圖Fig.6 Diagram showing the environmental influencing factors in land subsidence areas

圖7 地面形變速度與承壓水水位相關性Fig.7 Correlation of the ground deformation velocity and artesian groundwater level elevation

2007—2011年，巴彥淖爾市城市建設進入快速增長階段，新增建筑物較多。地基建設往往需要在開挖過程中抽取地下水，造成地基下沉。本研究查明的幾個地面沉降集中區(qū)，不僅是地下水開發(fā)利用程度較高的區(qū)域，同樣為居民聚居區(qū)（如A區(qū)和B區(qū)）或新增建筑較多區(qū)域（如C區(qū)）。分別在3個地面沉降集中區(qū)選取沉降點M1、M2、M3，基于歷史衛(wèi)星圖像，分析2007—2011年沉降點及沉降點周圍建筑物變化情況（圖8）。結(jié)果表明，3個典型的地面沉降點及周圍均為新增建筑物較多的地區(qū)，因此地表荷載增加也是巴彥淖爾市地面沉降的影響因素之一。

圖8 各沉降區(qū)研究期始末歷史衛(wèi)星影像Fig.8 Historical satellite images at the beginning and the end of the study period in each land subsidence area

4.2 地面沉降發(fā)展趨勢分析

2007—2011年和2015—2016年巴彥淖爾市地面沉降速率分別集中在0～10 mm/a和0～2.6 mm/a。由地面沉降階段性預測標準[23]可知巴彥淖爾市地面沉降尚屬于發(fā)生階段。盡管本次調(diào)查顯示2015—2016年A區(qū)沒有繼續(xù)擴展或加重的趨勢，但據(jù)《巴彥淖爾市城市總體規(guī)劃（2011—2030年）》，陜壩鎮(zhèn)規(guī)劃保留現(xiàn)狀自來水廠，并新建二水廠，因此若不合理開采地下水，未來該沉降區(qū)很有可能向東南部擴展至陜壩鎮(zhèn)水源地保護區(qū)。B區(qū)內(nèi)設有第一水廠、第二水廠、鐵路水廠，企事業(yè)單位自備井較多，據(jù)《巴彥淖爾市城市總體規(guī)劃（2011—2030）》，中心城區(qū)保留現(xiàn)狀一水廠、二水廠、三水廠及鐵路水廠，并在規(guī)劃期末達到設計供水規(guī)模，新建四水廠；未來隨著地下水開采強度增加，中心城區(qū)降落漏斗可能繼續(xù)擴大，致使該沉降區(qū)向東部擴展至第三水廠，沉降速率有所加快。C區(qū)東南緊鄰第三水廠，近年由于臨河東部巴彥淖爾經(jīng)濟開發(fā)區(qū)建設和開發(fā)區(qū)最大企業(yè)“聯(lián)邦（內(nèi)蒙古）制藥公司”的入駐，開發(fā)區(qū)已新建水源地（35眼井）和聯(lián)邦制藥自備水源地（58眼井），未來區(qū)內(nèi)企事業(yè)單位新增用水量仍會增加，且已有研究表明，隨著建筑荷載的增大沉降范圍也會增大，當建筑荷載足夠大且建筑物間距過小時，地面沉降漏斗可能連成一片。因此，未來隨著地下水用水量增加及開發(fā)區(qū)大規(guī)模城鎮(zhèn)建設，該沉降區(qū)可能呈輻射狀向周邊擴展，西南部與臨河區(qū)沉降區(qū)相連通，沉降速率也有所增加。

5 結(jié)論及建議

（1）巴彥淖爾市地面沉降呈緩慢性沉降。2007—2011年沉降速率集中在0～10 mm/a，存在3處地面沉降集中區(qū)，即杭錦后旗沉降區(qū)、臨河區(qū)沉降區(qū)、開發(fā)區(qū)水源地及北部沉降區(qū)；2015—2016年，沉降速率主要是集中在0 ～2.6 mm/a，且存在1處地面沉降區(qū)，即臨河區(qū)及北部沉降區(qū)，該沉降區(qū)是在2007—2011年形成的臨河區(qū)沉降區(qū)基礎上繼續(xù)向周邊及北部擴展形成的。

（2）巴彥淖爾市緩慢性地面沉降的主要影響因素為地下水的開發(fā)利用引發(fā)的地下水水位下降，沉積固結(jié)壓實也是該地區(qū)地面沉降產(chǎn)生的重要因素，地表荷載增加也產(chǎn)生了一定推動作用。

（3）巴彥淖爾市地面沉降屬于發(fā)生階段。未來杭錦后旗沉降區(qū)在原有沉降基礎上，有可能向東南方向擴展至陜壩鎮(zhèn)水源地保護區(qū)。此外，臨河區(qū)沉降區(qū)可能呈現(xiàn)出向東部擴展至第三水廠，沉降速率有加快的趨勢。開發(fā)區(qū)水源地及北部沉降區(qū)可能呈輻射狀向周邊擴展，西南部與臨河區(qū)沉降區(qū)相連通，沉降速率也會有所增加。

建議將巴彥淖爾市地面沉降的下一步研究重點放在長時間序列自然因素與短時間序列人為因素各自影響的區(qū)分分析上，并建立地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)區(qū)域地面沉降預測模型，為地質(zhì)環(huán)境保護、城市基礎設施建設、城市發(fā)展規(guī)劃、重要工程選址提供地質(zhì)環(huán)境依據(jù)和參考。