張雙成 李 民 劉 忠 司錦釗 吳文輝 張雅斐

1 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,西安市雁塔路126號(hào),710054

2 自然資源部陜西西安地裂縫與地面沉降野外科學(xué)觀測(cè)研究站,西安市雁塔路100號(hào),710054

3 西安市勘察測(cè)繪院,西安市南二環(huán)東段29號(hào),710054

西安市與咸陽(yáng)市地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,自20世紀(jì)60年代以來(lái)一直受到地面沉降和地裂縫的影響[1]。為對(duì)西安-咸陽(yáng)地區(qū)的地面沉降進(jìn)行防治和預(yù)警,需要開展地面沉降監(jiān)測(cè)研究。祝意青等[2]使用精密水準(zhǔn)測(cè)量研究西安地面沉降演化特征及成因;張勤等[3]使用GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)西安市地面沉降與地裂縫。但這2種方法均只能對(duì)地面有限的離散點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),覆蓋區(qū)域較小。InSAR是近年來(lái)迅速發(fā)展的空間大地測(cè)量技術(shù),具有全天時(shí)、全天候特點(diǎn),可以獲取大范圍、高精度的地表高程與形變信息,已成為大范圍地面沉降監(jiān)測(cè)的主要手段[4],其衍生技術(shù)PS-InSAR、SBAS-InSAR等也已成功應(yīng)用于很多城市的地面沉降監(jiān)測(cè)[5-12]。

本文利用時(shí)序InSAR技術(shù)研究西安-咸陽(yáng)地區(qū)2015-06～2023-01的地面沉降,并結(jié)合有關(guān)資料分析該地區(qū)的沉降特征及時(shí)空演變規(guī)律。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

西安-咸陽(yáng)地區(qū)(圖1)位于我國(guó)西北部關(guān)中盆地,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,春秋短暫,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥。研究區(qū)水資源匱乏,相比于我國(guó)東部同緯度季風(fēng)地區(qū)地表徑流較少,主要的供水源是地下水。但長(zhǎng)期大量開采地下水導(dǎo)致區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,如地下水位持續(xù)下降、地面沉降、地裂縫和斷層發(fā)育等。為此,政府已采取一系列措施,如限制地下水開采、人工回灌地下水等,以減緩地面沉降的速度。

圖1 研究區(qū)位置和地裂縫、斷層分布

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

Sentinel-1A衛(wèi)星于2014-04發(fā)射,重訪周期為12 d。本實(shí)驗(yàn)采用覆蓋西安-咸陽(yáng)地區(qū)的342景升軌Sentinel-1A數(shù)據(jù),成像模式為干涉寬幅,極化方式為VV。同時(shí),采用NASA發(fā)布的30 m分辨率SRTM DEM去除地形殘差相位,使用歐空局提供的精密定軌星歷數(shù)據(jù)提高Sentinel-1A衛(wèi)星影像的軌道精度。

2 研究方法

PS-InSAR和SBAS-InSAR是2種常用的時(shí)序InSAR技術(shù),可以降低InSAR反演形變過(guò)程中時(shí)空失相干的影響,是監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期、緩慢形變的有效方法。本文采用這2種方法監(jiān)測(cè)西安-咸陽(yáng)地區(qū)地面沉降,分析2種方法所得結(jié)果,其中PS-InSAR使用StaMPS-InSAR(Stanford method for PS-InSAR)技術(shù)[13]。

2.1 SBAS-InSAR

SBAS-InSAR技術(shù)[6]通過(guò)設(shè)定的時(shí)空基線閾值將所有SAR數(shù)據(jù)組成若干個(gè)小集合,集合內(nèi)基線較小。對(duì)每個(gè)干涉像對(duì)進(jìn)行差分干涉處理,獲取正確的解纏相位,最后采用最小二乘法或奇異值分解法得到整個(gè)時(shí)間序列地表形變參數(shù)的估計(jì)。

假設(shè)有同一研究區(qū)的N+1景SAR影像,則依據(jù)設(shè)定的時(shí)間基線和空間基線閾值可生成M幅干涉圖,M需滿足:

(1)

第k(k=1,…,M)幅差分干涉圖任意像素(x,r)的干涉相位φint可表示為:

φint=φdef+φdem+φatm+φorb+φnoi

(2)

式中,φint為去除平地相位和高程相位后干涉圖的差分相位;φdef為地面沿雷達(dá)視線方向的形變相位;φdem為高程誤差引起的地形殘差相位;φatm為干涉像對(duì)的大氣延遲量之差;φorb為軌道誤差造成的殘差相位;φnoi為噪聲相位。

假定φnoi很小,在去除大氣、軌道和地形相位后,式(2)可表示為:

(3)

式中,λ為雷達(dá)波長(zhǎng);rA、rB分別為第k幅差分干涉圖中A、B兩景SAR影像對(duì)應(yīng)雷達(dá)視線向的地表形變;δr為該時(shí)段的地表形變量。

將所有差分干涉圖進(jìn)行自由組合,φ為N景SAR影像上的干涉相位值組成的矩陣,δφ為M幅差分干涉圖上相位組成的矩陣,則:

φ=[φ(t1) …φ(tN)]T

(4)

δφ=[δφ(t1) …δφ(tM)]T

(5)

將上式寫成矩陣形式:

Aφ=δφ

(6)

式中,A為M×N維矩陣。

2.2 StaMPS-InSAR

StaMPS-InSAR[13]是PS-InSAR的改進(jìn),其使用時(shí)間相干性對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。首先在N+1景時(shí)間序列影像中選取1幅影像作為主影像,其余N景作為輔影像進(jìn)行差分處理,使用振幅離差選擇PS候選點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)的干涉相位表達(dá)式與式(2)相同。

(7)

(8)

(9)

式中,B⊥為垂直基線;Kdem為比例常數(shù)。

(10)

對(duì)式(2)去除地形殘差相位得:

φint=φdef+φatm+φorb+φnoi

(11)

最后對(duì)干涉相位進(jìn)行三維解纏,并采用時(shí)空濾波方法去除大氣與軌道誤差,分離出形變相位。

3 西安市地表形變時(shí)空分布特征及成因分析

3.1 西安市地表形變時(shí)空分布特征

使用SBAS-InSAR進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,獲得西安市2015-06～2023-01地表形變速率分布(圖2)。由圖可知,西安市地表形變表現(xiàn)出明顯的空間差異性,大多數(shù)形變區(qū)域受到地裂縫和斷層的影響,通常沿東北-西南方向延伸。為更好地研究西安市地表形變的時(shí)空分布特征,分別繪制每年形變速率分布,結(jié)果如圖3所示。可以看出,西安市共有5個(gè)主要的形變區(qū)域,分別為魚化寨(P1)、城墻南部(P2)、余家莊(P3)、電子城(P4)以及鳳棲原(P5)-等駕坡(P6)區(qū)域。其中,魚化寨區(qū)域在2015～2017年為西安市沉降最劇烈的區(qū)域,沉降速率最大達(dá)到-150 mm/a。2018年年底,魚化寨區(qū)域由沉降轉(zhuǎn)為快速抬升,至2019年年中,其抬升速率逐漸趨于平緩,之后未發(fā)生較大形變。城墻南部區(qū)域?yàn)槲靼沧畲蟮男巫儏^(qū)域,主要受f5、f6和f7三條地裂縫的影響,呈東北-西南走向,形變最大區(qū)域位于石油大學(xué)生活區(qū),最大平均抬升速率達(dá)18 mm/a,整個(gè)區(qū)域在監(jiān)測(cè)期間一直為抬升趨勢(shì)。余家莊區(qū)域位于魚化寨南部,形變速率較緩,平均抬升速率為5～10mm/a。電子城區(qū)域形變過(guò)程與魚化寨區(qū)域類似,在2021年之前一直處于沉降階段,2021年年初開始由沉降轉(zhuǎn)為快速抬升,最大速率達(dá)100 mm/a。鳳棲原-等駕坡區(qū)域?yàn)闁|北-西南走向,其中有2個(gè)沉降劇烈的地區(qū),分別為鳳棲原和等駕坡,二者一直在沉降,但沉降范圍不斷縮小。

圖2 西安市2015-06～2023-01平均形變速率

圖3 西安市2015～2022年每年形變速率

3.2 成因分析

地下水開采與地面沉降關(guān)系密切。含水層系統(tǒng)是一個(gè)飽和非均質(zhì)、互層滲透和低滲透的水文地質(zhì)單元,由水力連接的含水層和弱透水層組成。地下水抽水量的增加會(huì)導(dǎo)致地下水水位下降,從而使上方物質(zhì)的部分壓力從填充孔隙空間的加壓流體轉(zhuǎn)移到含水層系統(tǒng)的顆粒骨架,致使孔隙壓力下降,最終導(dǎo)致地表下沉。大量研究表明,西安市地面沉降主要是由地下水抽取造成,地面沉降中心與承壓水開采區(qū)大致吻合,歷史上西安市地下水開采階段與地面沉降階段基本一致[14]。西安市于1990年實(shí)施黑河引水計(jì)劃,此后于2007年通過(guò)《西安市地下水資源管理?xiàng)l例》,2018年停止開采地下水,并開始人工回灌地下水。對(duì)比西安市沉降時(shí)空分布特征可以發(fā)現(xiàn),2018-11西安市實(shí)施魚化寨地區(qū)地面沉降應(yīng)急治理地下水回灌專項(xiàng)工程,隨后魚化寨地區(qū)地表由沉降轉(zhuǎn)為抬升,說(shuō)明地下水開采與地面沉降關(guān)系密切。

此外,地裂縫和斷層也與地面沉降有一定的關(guān)系。西安地區(qū)地裂縫是由地下水開采引起的地面沉降所致。西安市地表沉降帶、地裂縫和長(zhǎng)安-臨潼斷層(CAF)均大致呈東北-西南走向,這表明西安市地面沉降的空間分布在一定程度上受地裂縫和斷層控制。繪制沿剖面線AA′的累積形變量,同時(shí)將主要地裂縫和斷層疊加在剖面上,結(jié)果如圖4所示。可以看出,地裂縫和斷層兩側(cè)的沉降梯度多數(shù)都發(fā)生變化,這表明西安地裂縫和地面沉降之間存在明顯的相關(guān)性。

圖4 沿剖線AA′累積形變量和地裂縫與斷層的關(guān)系

綜上可知,地下水的開采與回灌是目前引起西安市地表形變的主要因素,同時(shí)地裂縫和斷層也會(huì)影響西安地表形變的走向與時(shí)空分布。

4 咸陽(yáng)市地表形變時(shí)空分布特征及成因分析

4.1 咸陽(yáng)市地表形變時(shí)空分布特征

圖5為使用SBAS-InSAR獲得的咸陽(yáng)市2015-06～2023-01地表形變情況。由圖可知,與西安市相比,咸陽(yáng)市地表形變總體上并不劇烈,大部分地區(qū)的形變速率在-5～5 mm/a之間,僅有局部地區(qū)沉降明顯。選擇6個(gè)沉降明顯的區(qū)域繪制累積沉降序列(圖6),分別為咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)南部(Q1)、藝術(shù)中心(Q2)、周陵(Q3)、西咸廣場(chǎng)(Q4)、兩寺渡(Q5)和馬村(Q6)地區(qū)。由圖可知,咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)南部、藝術(shù)中心和馬村區(qū)域累積沉降量均呈勻速下降狀態(tài),累積沉降量分別為-135 mm、-76 mm和-56 mm。周陵區(qū)域在2017年之前未發(fā)生明顯形變,至2017-01累積沉降量?jī)H為-1 mm,之后沉降速率明顯加快,至監(jiān)測(cè)末期累積沉降量達(dá)到-133 mm,僅次于咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)南部區(qū)域。西咸廣場(chǎng)區(qū)域在大部分時(shí)間沉降速率均為-9 mm/a,僅在2021年出現(xiàn)沉降加速的情況,累積沉降量為-82 mm。兩寺渡區(qū)域在監(jiān)測(cè)早期處于穩(wěn)定階段,至2018-01累積沉降量?jī)H為-2 mm,之后沉降加速,沉降速率在2021年達(dá)到最大,為-15 mm/a,整個(gè)監(jiān)測(cè)期間累積沉降量為-79 mm。

圖5 咸陽(yáng)市2015-06～2023-01平均形變速率

圖6 咸陽(yáng)市各特征區(qū)域累積形變量

4.2 成因分析

咸陽(yáng)市地面沉降的發(fā)展過(guò)程與地下水開采關(guān)系密切。咸陽(yáng)市作為陜西省重要的工農(nóng)業(yè)基地,生產(chǎn)生活用水量巨大,早期基本只能依靠地下水供給,地下水過(guò)度開采引發(fā)地面沉降。咸陽(yáng)市地面沉降的發(fā)展過(guò)程可以分為發(fā)生、發(fā)展和穩(wěn)定3個(gè)階段[15]。20世紀(jì)80年代,由于地下水開采導(dǎo)致地下水位下降,咸陽(yáng)市開始出現(xiàn)地面沉降。1991～2006年隨著社會(huì)發(fā)展,地下水抽水量逐年增加,地下水水位快速下降,地面沉降速率明顯增加。2006年開始,咸陽(yáng)市采取部分措施,如關(guān)停自備井、實(shí)施“引石過(guò)渭供水工程”等,降低地下水開采量。這些措施使地下水水位逐漸趨于穩(wěn)定,并有所回升,地面沉降也基本穩(wěn)定,不再出現(xiàn)區(qū)域性地面沉降。

另外,城市建設(shè)也是咸陽(yáng)市地面沉降的重要影響因素。自2011年咸陽(yáng)市人民政府編制《咸陽(yáng)市城市總體規(guī)劃(2011～2030)》后,咸陽(yáng)市開啟新一輪的城市化進(jìn)程。咸陽(yáng)市先后對(duì)機(jī)場(chǎng)、鐵路、地鐵、工廠、小區(qū)等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模的改造與建設(shè),城鎮(zhèn)化率由2015年的49%增長(zhǎng)到2021年的57.25%。這些工程的施工對(duì)地面沉降造成一定影響,如咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程導(dǎo)致咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)南部沉降,城際鐵路車輛段和地鐵14號(hào)線的修建引發(fā)藝術(shù)中心沉降等。這是因?yàn)橥馏w上方的荷載逐漸增大,土體所受應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,致使土層發(fā)生壓縮變形,從而導(dǎo)致地面沉降。這種方式引發(fā)的地面沉降較開采地下水更為實(shí)時(shí)、短暫,并且只對(duì)局部地區(qū)有影響。

綜上,咸陽(yáng)市地面沉降受地下水開采、城市建設(shè)等多方面因素的共同影響。

5 交叉驗(yàn)證

由于本次實(shí)驗(yàn)缺乏西安-咸陽(yáng)同期水準(zhǔn)和GNSS數(shù)據(jù),故采用StaMPS-InSAR技術(shù)獲取西安-咸陽(yáng)地區(qū)地表形變,并與SBAS-InSAR的結(jié)果對(duì)比,以進(jìn)行交叉驗(yàn)證。圖7和8分別為使用StaMPS-InSAR技術(shù)獲取的西安市和咸陽(yáng)市地面形變速率圖,通過(guò)繪制西安-咸陽(yáng)各特征區(qū)域在監(jiān)測(cè)期間的累積形變量來(lái)對(duì)比分析2種技術(shù)獲取的形變結(jié)果(圖9、10)。

圖7 西安市2015-06～2023-01平均形變速率

圖8 咸陽(yáng)市2015-06～2023-01平均形變速率

圖9 西安市P1～P6區(qū)域累積形變量對(duì)比

圖10 咸陽(yáng)市Q1～Q6區(qū)域累積形變量對(duì)比

從圖9和10可以看出,StaMPS-InSAR所得的形變曲線波動(dòng)較大,而SBAS-InSAR所得的形變曲線更為光滑,趨勢(shì)也更為穩(wěn)定。2種方法在多數(shù)區(qū)域的形變曲線趨勢(shì)和形變結(jié)果基本一致,僅在個(gè)別點(diǎn)上存在差異,如西安地區(qū)P1點(diǎn),2種方法獲得的累積形變量相差近60 mm,其原因可能為模型參數(shù)以及環(huán)境差異所致。

計(jì)算在相同經(jīng)緯度下StaMPS-InSAR與SBAS-InSAR的形變速率差值,結(jié)果如圖11所示。由圖可知,2種方法的形變速率差值99%在-5～5 mm/a之間,95%在-3～3 mm/a之間,說(shuō)明2種方法具有相似的形變速率。總體而言,2種方法獲得的結(jié)果具有較強(qiáng)的一致性,形變區(qū)域大致重合,實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的可靠性。

圖11 2種方法平均形變速率差值分布

6 結(jié) 語(yǔ)

本文利用SBAS-InSAR與StaMPS-InSAR技術(shù)對(duì)2015～2022年西安-咸陽(yáng)地區(qū)地表形變進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到以下結(jié)論:

1)西安地區(qū)地表形變呈現(xiàn)明顯的空間差異性,北部較為穩(wěn)定,中部和南部發(fā)生大規(guī)模形變;在監(jiān)測(cè)期間,中部形變由沉降變?yōu)樘?而南部一直在沉降。西安地區(qū)地表形變的主要原因?yàn)榈叵滤_采與回灌,同時(shí)地裂縫和斷層也會(huì)影響西安市地面形變的走向與時(shí)空分布。

2)咸陽(yáng)市大部分地區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài),形變速率在-5～5 mm/a之間,僅局部區(qū)域沉降較為明顯。咸陽(yáng)市地面沉降是地下水過(guò)量開采、大規(guī)模城市建設(shè)等多方面因素影響的結(jié)果。

3)SBAS-InSAR與StaMPS-InSAR獲得的地表形變結(jié)果具有較高的一致性,形變趨勢(shì)與形變范圍基本相同,證明了本文結(jié)論的可靠性。