陸華　閔望　殷幼松　盧毅　周盈　李洋

摘 要：長期以來，興化市主城區(qū)持續(xù)開采Ⅱ、Ⅲ承壓水，造成含水層水位埋深不斷下降最終導致形成多個地面沉降漏斗。為科學保障地面沉降監(jiān)測精度和水平，對比2017—2020年高分辨率InSAR監(jiān)測成果以及63個有效驗證點位的水準測量數(shù)據，驗證結果表明，絕大多數(shù)同名點的形變偏差在 5 mm內，均方根誤差為3.94 mm，兩種監(jiān)測數(shù)據誤差值相對較小，具有較好的一致性。

關鍵詞：地質災害；地面沉降；InSAR監(jiān)測；水準測量；興化市

InSAR verification analysis and status of land subsidence in Xinghua， Jiangsu

LU Hua1，2， MIN Wang1，2， YIN Yousong3， LU Yi1，2， ZHOU Ying1，2， LI Yang1，2

（1.Key Laboratory for Earth Fissures Geological Disaster of MNR， Nanjing 210018， Jiangsu， China；

2.Geological Survey Of Jiangsu Province， Nanjing 210018， Jiangsu， China；

3.EarthSTAR Ltd.， Huzhou 313200， Zhejiang， China）

Abrstract： For a long time， the II and III confined aquifers have been utilized in the main urban area of Xinghua City of Jiangsu Province in China. As a result， the groundwater depth of underground aquifer decreases continuously and eventually leads to the formation of multiple ground subsidence funnels. To ensure the accuracy and quality of land subsidence monitoring， verification and comparison have been made of the InSAR monitoring results and the leveling results of 68 valid verification points during 2017-2020. The results show that the deformation deviation of most of the same points is within 5 mm， and the root mean square error is 3.94 mm. The two measured data are highly consistent and reliable with small errors.

Keywords： geological disaster; land subsidence; InSAR; levelling; Xinghua

地面沉降是一種緩變型地質災害，也是城市化進程中普遍存在的環(huán)境地質問題，已成為影響社會經濟可持續(xù)發(fā)展的重大不利因素（段永侯，1998；武健強等，2014；袁銘等，2016）。目前，全國有50多個城市、120多個地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的地面沉降，累計地面沉降量大于200 mm的地區(qū)，面積超過8萬km2，而長江三角洲早已成為我國三大重點片區(qū)之一（國土資源部等，2012；蔡田露等，2021）。隨著地面沉降監(jiān)測技術的不斷發(fā)展，采用合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）監(jiān)測方法能夠實時全天候獲取地表形變信息，是一種當前較為成熟的區(qū)域地面沉降監(jiān)測手段（張杏清等，2015；蔡田露等，2020；孔祥如等，2021）。

近幾年來，江蘇省興化市經濟發(fā)展勢頭良好，是全國百強縣，2021年實現(xiàn)地區(qū)生產總值1 020.94億元，推動了一大批果蔬脫水、食品生產與加工、紡織印染等行業(yè)的高速發(fā)展。由此，導致各類生產企業(yè)不斷加大地下水的開采，這種對地下水的過量開采嚴重威脅地下水安全（江蘇省地質調查研究院，2018；徐慶勇等，2021）。近期InSAR監(jiān)測數(shù)據顯示，主城區(qū)已出現(xiàn)多個地面沉降漏斗，這是繼蘇錫常地區(qū)地面沉降趨緩后蘇北地區(qū)凸顯出的典型地面沉降區(qū)，同樣，也是全省地面沉降研究新的拓展區(qū)和實踐區(qū)。依據長三角地面沉降聯(lián)防聯(lián)控機制，急需加強該地區(qū)地面沉降監(jiān)測和研究，并納入全省地面沉降監(jiān)測網絡，不斷提高全省防控能力，同時，亟待運用多手段多技術方法相互驗證，科學保障地面沉降監(jiān)測精度和水平。

1? 研究區(qū)概況

1.1? 地質背景

興化市位于江蘇省中部，地處江淮之間，長江三角洲北翼，里下河地區(qū)腹地。屬淺洼平原區(qū)，全域地面高程1.40～3.20 m，為周邊高、中間低的碟型洼地，是里下河地區(qū)三大洼地中最低洼的地方。研究區(qū)在第四紀經歷了海灣—潟湖—水網平原的演化過程，形成湖蕩、沼澤地貌特征，表層均為第四系全新統(tǒng)湖積層和河流泛濫物所覆蓋，基底是以碳酸鹽巖為主的古生代地層（圖1）。

1-研究區(qū)范圍；2-三垛組；3-阜寧組；4-泰州組；5-浦口組；6-推測地質界限；7-推測不整合地質界限；8-推測正斷層；9-推測逆斷層；10-推測不明斷層。

1.2? 水文地質條件

區(qū)內地下水資源豐富，可開采量約3.12 億m3，單井日涌水量可達1 000～2 500 m3。主要包含潛水、Ⅰ承壓水、Ⅱ承壓水和Ⅲ承壓水4個含水層。潛水地層厚度18～23 m，砂層厚度6～16 m，主要為亞砂土、粉砂互層，礦化度為700～1 000 mg·L-1，水化學類型以HCO3-Ca·Na為主；取水類型以廣大農村范圍內的點狀大口井或手壓井為主，受早期大規(guī)模海侵的影響，水質較差，略帶咸味，且受污染情況較為普遍，一般僅作為洗滌和生活用水，開采量較小。此外，Ⅰ承壓含水層厚度10～20 m，水質較為復雜，中堡—興化主城區(qū)一線以西多為礦化度小于1 g·L-1的HCO3-Na（Na·Ca）型淡水，以東地區(qū)多為礦化度大于1 g·L-1微咸水或半咸水，由于礦化度普遍較高，基本不開采（泰州市國土資源局等，2013）。

目前，Ⅱ、Ⅲ承壓水為區(qū)內主要開采層，其中，Ⅱ承壓水含水巖性以粉細砂、中細砂為主，頂板埋深介于100～120 m，一般由1～3個含水砂層組成，厚度多小于15 m，單井涌水量小于1 000 m3·d-1，局部地段含水砂層厚度15～25 m，單井涌水量可達1 000～2 000 m3·d-1，以礦化度小于1 g·L-1的HCO3-Na型淡水為主。此外，Ⅲ承壓水含水巖性大多以中細砂、粉細砂為主，局部含中粗砂，厚度15～30 m，頂板埋深總體上呈西淺東深的變化規(guī)律，一般為160～200 m。單井涌水量1 000～2 000 m3·d-1，水質多為礦化度小于1 g·L-1的淡水，但在興化北部及中部局部地區(qū)礦化度為1～3 g·L-1，水化學類型以HCO3·Cl-Na·Ca、Cl·HCO3-Na·Ca型為主（圖2）。

1-<10 m；2-10～<20 m；3-20～<30 m；4-30～<40 m；5-40～<50 m。

調查結果顯示，由于多年高強度持續(xù)開采，主城區(qū)Ⅱ、Ⅲ兩個主要承壓含水層水位埋深，已由20世紀80 年代的1～2 m，逐步下降至現(xiàn)在的25～30 m，平均降幅超過25 m。Ⅱ承壓含水層水質普遍優(yōu)于Ⅲ承壓含水層，故此層地下水開采量較大，地下水水位埋深基本維持在30 m上下，且受開采強度影響波動性也相對較大，而Ⅲ承壓含水層開采量則相對較小，水位埋深基本保持在20 m上下，波動性較小，見圖3。

2? 地面沉降現(xiàn)狀

監(jiān)測數(shù)據顯示，興化市主城區(qū)早期（2012—2016年）歷史地面沉降情況并不突出，從圖4中可以看出，該階段主城區(qū)地面沉降發(fā)育較為輕微，沉降范圍不大且沉降漏斗相對獨立，主要集中在主城區(qū)中北部以及南部小范圍地區(qū)。其中，中北部沉降區(qū)主要分布在城西農貿市場—金興花園—建行小區(qū)一帶，南部沉降區(qū)主要分布在經濟技術開發(fā)區(qū)一帶，最大累計沉降量在25 mm左右。2017年后，隨著地下水長期持續(xù)開采，主城區(qū)地面沉降跡象逐步凸顯，沉降漏斗中心和影響范圍也呈現(xiàn)出逐漸加大的趨勢。

2.1? 數(shù)據源

本次研究采用的數(shù)據源為加拿大RADARSAT-2衛(wèi)星降軌時序SAR影像，空間分辨率為5 m，幅寬125 km，監(jiān)測時段為2017年1月至2020年12月，采用的影像期數(shù)共計56景。相鄰影像獲取時間間隔以24 d為主，少數(shù)達到48 d；空間垂直基線小于250 m，充分滿足時序InSAR處理要求。

2.2? InSAR處理方法

考慮到研究采用的影像時間跨度較長且數(shù)據量多，利用PS-InSAR處理技術開展地表形變信息解譯獲取。該方法通過將單一主影像與各輔影像逐一建立干涉組合，選取監(jiān)測時段內具有較高相干質量的點目標作為地表形變信息獲取載體，經相位解纏、高程殘差計算和大氣影響估計等操作后得到區(qū)內的地表形變信息。

2.3? 監(jiān)測結果

2017—2020年InSAR監(jiān)測數(shù)據顯示，興化市主城區(qū)監(jiān)測時段內存在較為嚴重的地面沉降現(xiàn)象，在主城區(qū)北部、中部和南部呈現(xiàn)出多個地面沉降漏斗。昭陽街道同悅家園—祥和家園—陽山公寓、興化城西農貿市場—金興花園—建行小區(qū)一帶已形成多個沉降區(qū)（B處），市區(qū)東北部興東鎮(zhèn)脫水果蔬電商產業(yè)園（A處）和經濟開發(fā)區(qū)工業(yè)園區(qū)（C、D處）存在明顯的局部地面沉降漏斗（圖5）。經核查，A、C、D處均為地下水集中開采區(qū)，區(qū)內分布多家果蔬脫水、食品生產與加工、紡織印染等企業(yè)，各企業(yè)均存在長期開采地下水現(xiàn)象。B處相對特殊，以居民區(qū)為主，推測可能由小區(qū)抽采地下水以及建筑物荷載所致（浙江環(huán)球星云遙感科技有限公司，2021），此處地基大部分為淤泥質黏土、亞黏土，少數(shù)區(qū)域為后期回填而成。

由圖5可知，2017—2018年，市區(qū)內主要沉降區(qū)有所加劇，2018年之后，各主要沉降區(qū)均出現(xiàn)減緩趨勢，沉降范圍、沉降速率均有明顯減小。市區(qū)內居民住宅區(qū)、工業(yè)集中區(qū)與建筑施工區(qū)（B、C、D處）沉降均表現(xiàn)出明顯的線性沉降特征，興東鎮(zhèn)脫水果蔬電商產業(yè)園（A處）周邊沉降呈現(xiàn)非線性特征，沉降速率總體逐年減緩，調查結果表明與當?shù)毓呒庸ぜ竟?jié)性生產有著直接關系，通常情況下上半年生產總量要明顯高于下半年，使得地下水開采量也存在階段性變化，故上半年沉降速率明顯高于下半年。

3? 驗證分析

時序InSAR監(jiān)測地面沉降的成果精度可以通過內符合和外符合2個方面進行評定。內符合驗證是指對時序InSAR的相位模型進行分析，確定主要誤差項的影響程度，也就是時序InSAR能夠達到的理論精度評估；外符合是通過與水準、分層標地面實測的形變監(jiān)測結果進行對比，將地面觀測量作為真值驗證時序InSAR能夠達到的精度水平（何平，2014；趙峰等，2015）。

3.1? 理論精度分析

時序InSAR技術以D-InSAR為基礎，因此傳統(tǒng)D-InSAR是建立時序InSAR誤差模型及精度評估的基礎，軌道誤差、大氣延遲相位、相位解纏誤差和噪聲相位等仍是主要的誤差源，這些誤差項的有效分離不僅受時序InSAR影像的采樣間隔、影像期數(shù)影響，還與研究區(qū)內的地物分布、氣候特點有明顯關系，因此無法定量評估能夠達到的精度水平（雷坤超等，2013）。但就小區(qū)域地表形變監(jiān)測而言，由于大氣一致性程度高、軌道誤差和相位解纏處理較為容易，因此其對形變解譯的影響相對較小，在以月度為影像采樣頻次開展年度地表形變監(jiān)測時的速率精度可以達到5 mm·a-1的水平。

3.2? InSAR-水準對比分析

就外符合精度評定而言，時序InSAR技術獲取的地面沉降監(jiān)測結果，通常采用與同期獲取的高等級外業(yè)測量數(shù)據進行定點比較的方法評價精度，為了客觀評價InSAR監(jiān)測結果的精度，利用與監(jiān)測時段基本同步的水準測量結果進行對比，其中水準測量的施測時間為2019年11月和2020年11月。項目組共收集興化市水準測量點位75個，以及相關測量結果（施測時間分別為2019年的11月和2020年的11月）。區(qū)內水準測量點基本沿主城區(qū)主要道路布設，空間上較好地覆蓋了興化主城區(qū)范圍（圖6）（江蘇省地質調查研究院，2021）?？紤]到相干點目標可能存在因提取對象不同而產生的形變差異，故采用水準點50 m范圍內的所有相干點目標均值與其進行對比。

75個水準點位中，共篩選出67個與InSAR相干點目標對應的同名點，各對應點位的水準和InSAR數(shù)值對比如表1所示（其中，存在4處與水準測量值差異大于10 mm的點位，經過對周邊點位分析確定由水準測量粗差點引起，已剔除）。

利用剩余63處水準數(shù)據對InSAR形變進行定標校正，定標方法如式（1）所示。

D_cal=mean（D_situ-D_InSAR） （1）

式中，D_cal為計算得到的定標值，D_situ為水準測量值，D_InSAR為對應水準點位的InSAR觀測值。

當?shù)玫紻_cal后，利用該值對InSAR觀測結果進行調整。定標后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內的大多數(shù)同名點的形變偏差在 5 mm內，其中，誤差最大值為9.53 mm，最小值為-7.48 mm，均方根誤差為3.97 mm，表明2種測量數(shù)據具有較好的一致性（圖7、圖8）。由此不難看出，區(qū)內InSAR地面沉降監(jiān)測成果與水準測量結果誤差值相對較小，具備較好一致性和準確性，監(jiān)測成果可信度高。

4? 結論及建議

4.1? 結論

1）興化市主城區(qū)長期開采Ⅱ、Ⅲ承壓水，導致含水層水位埋深不斷下降，最終使得區(qū)內出現(xiàn)多個地面沉降漏斗。

2）興化市主城區(qū)共存在4處較為嚴重的地面沉降漏斗區(qū)，包括同悅家園—祥和家園—陽山公寓、城西農貿市場—金興花園—建行小區(qū)一帶、興東鎮(zhèn)脫水果蔬電商產業(yè)園和經濟開發(fā)區(qū)工業(yè)園區(qū)，其中，3處為地下水集中過量開采引起，1處為地下水過量開采及建筑物荷載引起。

（3）對比2017—2020年高分辨率InSAR監(jiān)測成果以及63個有效驗證點位的水準測量結果，分析結果表明，大多數(shù)同名點的形變偏差在 5 mm內，均方根誤差為3.94 mm，兩種測量數(shù)據誤差值相對較小，具有較好的一致性，充分證明InSAR監(jiān)測結果可信度較高。

4.2? 建議

1）繼續(xù)加大研究區(qū)內主要地下水開采層水位監(jiān)測工作，系統(tǒng)研究地下水水位變化與地面沉降速率相關性；進一步了解同悅家園—祥和家園—陽山公寓一帶地下水開采狀況，以及該區(qū)建筑物建筑歷史和地基處理情況，加強該區(qū)段地面沉降機理分析和研究。

2）在條件允許的情況下，除水準測量以外可結合多源數(shù)據驗證，如GPS測量、實地考察、自動化監(jiān)測等不同技術手段，多方面、多角度驗證InSAR監(jiān)測技術在地面沉降監(jiān)測中的可靠性和準確性，不斷推動多手段融合式地面沉降監(jiān)測技術發(fā)展。

參考文獻

蔡田露，龔緒龍，盧毅，劉明遙，2020. 江蘇沿海地區(qū)InSAR精度評定與多源數(shù)據驗證［J］. 遙感技術與應用，35（6）：1426-1435.

蔡田露，盧毅，劉明遙，龔緒龍，2021. 江蘇沿海地區(qū)地面沉降監(jiān)測網絡建設與優(yōu)化［J］.地質學刊，45（3）： 290-298.

段永侯，1998. 我國地面沉降研究現(xiàn)狀與21世紀可持續(xù)發(fā)展［J］. 中國地質災害與防治學報（2）：3-7.

國土資源部，水利部，2012.全國地面沉降防治規(guī)劃（2011—2020年）［Z］.

何平，2014. 時序InSAR的誤差分析及應用研究［D］. 武漢大學.

江蘇省地質調查研究院，2018. 江蘇沿海地區(qū)綜合地質調查報告［R］.

江蘇省地質調查研究院，2021. 江蘇省地面沉降監(jiān)測（2018-2020）項目研究報告［R］.

孔祥如，羅勇，劉賀，王新惠，趙龍，沙特，2021. PS-InSAR技術在北京通州區(qū)地面沉降監(jiān)測中的應用［J］.城市地質，16（1）：25-31.

雷坤超，賈三滿，陳蓓蓓，羅勇，韓征，2013. 基于PS-InSAR技術的廊坊市地面沉降監(jiān)測研究［J］. 遙感技術與應用， 28（6）：1114-1119.

泰州市國土資源局，江蘇省地質調查研究院，2013. 泰州市地質環(huán)境綜合調查評價報告［R］.

武健強，吳曙亮，閔望，李偉，2014. 蘇錫常地區(qū)地面沉降防控最新進展評述［J］.地質學刊，38（2）：319-323.

徐慶勇，林健，2021.北京平原區(qū)淺層地下水演化的生態(tài)環(huán)境效應評價指標初探［J］.城市地質，16（1）：56-61.

袁銘，白俊武，秦永寬，2016. 國內外地面沉降研究綜述［J］. 蘇州科技學院學報（自然科學版）， 33（1）：1-5.

張杏清，謝榮安，戴吾蛟，周元華，匡翠林，2015. 高時空分辨率地面沉降監(jiān)測體系研究與實現(xiàn)［J］.測繪通報，（7）：68-71.

趙峰，汪云甲，閆世勇，2015. 時序InSAR技術地表沉降監(jiān)測結果可靠性及沉降梯度分析［J］. 遙感技術與應用，30（5）：969-979.

浙江環(huán)球星云遙感科技有限公司，2021. 江蘇省高分辨率InSAR地面沉降遙感地質調查成果報告［R］.

收稿日期：2022-09-14；修回日期：2022-11-08

基金項目：中國地質調查局與江蘇省地質勘查基金聯(lián)合項目“江蘇省沿海地區(qū)綜合地質調查”（1212011220005）、原江蘇省國土資源廳地勘基金項目“江蘇省地面沉降監(jiān)測（2018-2020）”（蘇財建［2018］96號文）聯(lián)合資助

第一作者簡介：陸華（1977- ），男，學士，正高級工程師，主要從事水文地質工程地質環(huán)境地質調查研究工作。E-mail：9158911@qq.com

引用格式：陸華，閔望，殷幼松，盧毅，周盈，李洋，2023.江蘇省興化市主城區(qū)地面沉降現(xiàn)狀及InSAR監(jiān)測技術驗證分析［J］.城市地質，18（1）：33-40