豫北安陽(yáng)市區(qū)及水冶鎮(zhèn)城市地面沉降的時(shí)間序列分析

徐小波，馬超，屈春燕，單新建，連達(dá)軍，孟秀軍

(1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009;2.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000;3.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;4.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司,天津 300301)

0 引 言

城市地面沉降原因較多，如人為地下水長(zhǎng)期開(kāi)采、地下天然氣開(kāi)采、礦產(chǎn)資源采掘、地下工程(隧道、地鐵等)及區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造等都可能成為地面沉降的主要原因。我國(guó)城市區(qū)域地面沉降主要由地下水過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致，沉降場(chǎng)的形成對(duì)城市生產(chǎn)、生活、交通產(chǎn)生極大影響與潛在危害。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，特別是人口稠密的東部地區(qū)，城市經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)能力快速發(fā)展，人居生活用水和工業(yè)生產(chǎn)用水需求不斷加大，導(dǎo)致地下水過(guò)度開(kāi)采，已形成京津唐、長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、黃淮海平原等多個(gè)超大型沉降區(qū)[1]。長(zhǎng)三角沉降區(qū)以上海、蘇州、無(wú)錫、常州等地區(qū)為典型，而黃淮海平原沉降區(qū)以天津、滄州、安陽(yáng)等地區(qū)為代表，還包括東南沿海、中部河谷平原等沉降區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)城市沉降總面積已超過(guò)5萬(wàn)km2[2-5]。

永久散射體干涉測(cè)量PSInSAR(permanent scatterers interferometric sythetic aperture radar)技術(shù)作為一種新興地表形變監(jiān)測(cè)遙感手段，解決了常規(guī)DInSAR技術(shù)的時(shí)間、空間去相干與大氣相位延遲等影響。A.Ferretti等[6]最先提出PSInSAR技術(shù)，其理論基礎(chǔ)為重點(diǎn)研究區(qū)域內(nèi)散射特性穩(wěn)定的硬目標(biāo)點(diǎn)(如房屋、橋梁等建筑物)，這些硬目標(biāo)像素點(diǎn)即使在長(zhǎng)時(shí)間、空間基線條件下也能保持高相干性，相干性高有利于成功差分干涉，獲取高質(zhì)量準(zhǔn)確形變監(jiān)測(cè)結(jié)果。PSInSAR技術(shù)在提取地表微小量級(jí)形變研究中應(yīng)用廣泛，可應(yīng)用于地面沉降、城市重大工程設(shè)施沉降、山體滑坡、地震形變、火山運(yùn)動(dòng)等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[7-12]，具有精度高(毫米級(jí))、監(jiān)測(cè)面積大、時(shí)空分辨率高、全天候工作等傳統(tǒng)方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[13-14]。R.Tomas等[15]、Chaussard等[16]、S.Samsonov等[17]利用時(shí)序InSAR技術(shù)分別在西班牙、印尼、德國(guó)、法國(guó)等多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了地面沉降研究，得出時(shí)序InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地表沉降精度可達(dá)毫米級(jí)的結(jié)論；廖明生[18]、葛大慶等[19]在上海、滄州等地區(qū)開(kāi)展了PSInSAR地面沉降研究；師蕓等[20]利用2007—2010年間ALOS-1和2017—2018年間Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)，采用時(shí)序InSAR技術(shù)手段監(jiān)測(cè)山西交城-清徐地區(qū)地面沉降，得出交城-清徐地區(qū)發(fā)生持續(xù)地面沉降的結(jié)論，在山區(qū)和平原地區(qū)沉降分布與量級(jí)不同，且引起沉降原因不同。平原地區(qū)地面沉降主要由地下水超采所致，最大沉降速率達(dá)-200 mm/a；山區(qū)沉降主要由礦產(chǎn)資源長(zhǎng)期開(kāi)采所致，最大沉降速率達(dá)-462 mm/a；王義梅等[21]基于時(shí)序InSAR技術(shù)采用15景高分辨率TerraSAR影像分析鄭州市地面沉降情況，得出研究區(qū)內(nèi)有4個(gè)明顯沉降場(chǎng)，均處于人居建筑物密集區(qū)和大型地下工程建設(shè)區(qū)，最大沉降量達(dá)-48 mm，分析沉降原因主要由地下水抽取及地下工程建設(shè)導(dǎo)致。

本文以黃淮海平原典型資源開(kāi)發(fā)型城市安陽(yáng)為例，旨在通過(guò)PSInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)分析安陽(yáng)市地面沉降情況，獲取具體沉降量級(jí)及影響范圍，并分析安陽(yáng)城區(qū)及西郊不同沉降場(chǎng)沉降原因。

1 PSInSAR原理及沉降相位

PSInSAR只針對(duì)高相干像素點(diǎn)(PS點(diǎn))相位處理，與常規(guī)DInSAR相位組成相同，PS點(diǎn)相位也由橢球體相位(平地相位)、地形相位、形變相位、大氣相位及噪聲5部分組成。

φint=φf(shuō)lat+φtopo+φdef+φdtm+φnoi,

(1)

式中：φint為干涉相位；φf(shuō)lat為參考橢球面引起的橢球體相位；φtopo為地表高程引起的地形相位；φdef為兩景SAR影像成像期間地表發(fā)生的視線向LOS(line of sight)形變相位；φdtm為大氣相位；φnoi為噪聲(包括成像系統(tǒng)熱噪聲等)。

根據(jù)InSAR技術(shù)空間成像幾何關(guān)系，橢球體相位、地形相位、形變相位可分別表示為

(2)

(3)

(4)

式中:B⊥為空間垂直基線；R為雷達(dá)到地面目標(biāo)斜距；ΔR為相鄰像素間斜距差；Δh為地表高程；θ為微波信號(hào)輸入角；λ為微波波長(zhǎng)；δr為視線向形變。

橢球體相位可根據(jù)衛(wèi)星精確軌道數(shù)據(jù)與干涉幾何關(guān)系計(jì)算出，地形相位也可根據(jù)衛(wèi)星精軌數(shù)據(jù)與外部DEM數(shù)據(jù)模擬得到，則可得到差分干涉相位

φdiff=φf(shuō)lat_error+φtopo_error+φdef+φatm+φnoi,

(5)

式中:φdiff為差分干涉相位;φf(shuō)lat_error為衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)誤差所導(dǎo)致的殘余平地相位;φtopo_error為外部DEM高程誤差所引入的地形相位誤差。

(6)

(7)

(8)

φres=φf(shuō)lat_error+φatm+φnoi,

(9)

式(8)中,前兩項(xiàng)分別為殘余地形相位與形變相位，假設(shè)地表沉降為線性形變，則有δd=v·T,v為沉降速率。則可將(8)式表示為

φdiff=k1B⊥Δherror+k2vT+φres,

(10)

(11)

式(10)為二維線性差分干涉相位模型，通過(guò)對(duì)式(10)多次回歸分析，逐步改進(jìn)高程改正值Δherror、分離去除殘余相位φres，即可獲取地表沉降速率v[22]。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

研究區(qū)包括安陽(yáng)市城區(qū)及西郊水冶鎮(zhèn)，地處北緯36°00′00″～36°12′00″、東經(jīng)114°04′00″～114°30′00″之間，覆蓋面積202.5 km2。數(shù)據(jù)采用2008年3月至2009年12月間的11景ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)與SRTM 3″ DEM高程數(shù)據(jù)。如圖1 SAR強(qiáng)度圖像所示，安陽(yáng)市區(qū)高亮度像素點(diǎn)較多，主要表現(xiàn)為城區(qū)建筑物(房屋、寫(xiě)字樓)及公共設(shè)施等可產(chǎn)生強(qiáng)回波反射的物體。西郊水冶鎮(zhèn)以暗灰色像素為主，其間夾雜高亮像素點(diǎn)為礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施及生活區(qū)。研究區(qū)內(nèi)安陽(yáng)城區(qū)地勢(shì)平坦，高程起伏變化小，市區(qū)西郊則以山區(qū)為主，但高程差異小，適宜采用PSInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)該地區(qū)地表沉降。

綜合考慮干涉像對(duì)空間垂直基線、時(shí)間基線與多譜勒中心頻率[14]，選取2009-05-30景影像(影像以時(shí)間命名)為參考主影像構(gòu)成11個(gè)干涉像對(duì)。表1為干涉像對(duì)時(shí)空基線分布，干涉像對(duì)空間垂直基線主要分布在-250～300 m間，時(shí)間基線主要集中在-200～200 d之間，就時(shí)空基線分布而言，干涉像對(duì)有較好相干性，適宜做PSInSAR處理。

圖1 研究區(qū)SAR強(qiáng)度圖像

3 結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)處理以GAMMA軟件IPTA模塊為平臺(tái)，包括SAR影像輻射校正、參考主影像選擇、干涉像對(duì)配準(zhǔn)重采樣、PS點(diǎn)選取、差分干涉相位回歸分析與沉降信息獲取等步驟。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

表1 干涉像對(duì)時(shí)空基線分布

圖2 安陽(yáng)市地表沉降速率Fig.2 Surface subsidence rate map of Anyang city

從圖2可知，在安陽(yáng)市區(qū)內(nèi)存在4個(gè)沉降場(chǎng)，如▽1—▽4所示(綠線框內(nèi))，根據(jù)實(shí)際調(diào)研相關(guān)資料得出這4個(gè)沉降場(chǎng)主要因城市地下水抽取所致。在市區(qū)內(nèi)存在1個(gè)地表隆升區(qū)，通過(guò)查閱文獻(xiàn)[23-25]，為了遏制因超采地下水造成的地面沉降、改善地下水質(zhì)、節(jié)約珍貴的地下水資源，自2001年以來(lái)安陽(yáng)市相繼啟動(dòng)了用地表水人工回灌和水源熱泵空調(diào)水回灌試驗(yàn)工程(將安陽(yáng)市廣播電視局、市公安局、安陽(yáng)五中、喜相逢大酒店設(shè)為試點(diǎn)單位)，安陽(yáng)市公安局試點(diǎn)位于隆升區(qū)附近，可能對(duì)該區(qū)地下水位恢復(fù)、地面沉降止降回升有一定幫助。同時(shí)在安陽(yáng)西郊水冶鎮(zhèn)也監(jiān)測(cè)到4個(gè)沉降場(chǎng)▽5—▽8(黃線框內(nèi))，水冶鎮(zhèn)周邊有水冶煤礦、龍山煤礦、王家?guī)X煤礦等數(shù)個(gè)礦區(qū)，此區(qū)域沉降場(chǎng)形成是采空區(qū)地表緩慢下沉所致。

為建立沉降場(chǎng)立體形態(tài)，繪制了安陽(yáng)市三維沉降速率圖，通過(guò)三維立體沉降底圖與沉降速率等值線疊加來(lái)表現(xiàn)研究區(qū)地表沉降情況(圖3)。從圖3可知，在安陽(yáng)地區(qū)有大到-30 mm/a(負(fù)值表示沉降，下同)量級(jí)的沉降漏斗，如▽1、▽5、▽6，也有-20 mm/a量級(jí)沉降漏斗，如▽2、▽3、▽7、▽8，還有-10 mm/a小量級(jí)沉降漏斗，如▽4。

根據(jù)沉降地理位置，分別截取了安陽(yáng)城區(qū)、西郊水冶鎮(zhèn)沉降場(chǎng)的google earth地圖進(jìn)行對(duì)比分析(圖4～5)，分析各沉降中心、沉降覆蓋范圍、影響區(qū)域及形成原因。

(1)安陽(yáng)城區(qū)沉降場(chǎng)分析。市區(qū)沉降分析圖清晰地展示了各沉降場(chǎng)實(shí)地位置與影響范圍。對(duì)比圖4(a)和(b)，市區(qū)內(nèi)有龍安、殷都、北關(guān)、文峰4個(gè)區(qū)發(fā)生沉降。其中：龍安區(qū)在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)沉降速率為-15～-22 mm/a；殷都區(qū)沉降速率為-15～-29 mm/a，沉降場(chǎng)范圍相對(duì)較大，從圖4(b)看到安陽(yáng)電廠、安鋼集團(tuán)位于殷都區(qū)沉降場(chǎng)周邊，此沉降場(chǎng)主要由生產(chǎn)單位抽取地下水補(bǔ)給其工業(yè)用水所致；北關(guān)區(qū)沉降場(chǎng)范圍相對(duì)較小，且量級(jí)也較小，沉降速率為7～-13 mm/a；市區(qū)最大沉降場(chǎng)位于文峰區(qū)，沉降速率為-14～-38 mm/a，對(duì)比圖4(a)和(b)可得，文峰區(qū)形成了一個(gè)以安陽(yáng)四水廠、三水廠為邊界、余家莊村為沉降中心，半徑約1 km的似圓形沉降場(chǎng)，沉降面積達(dá)3.5 km2。城區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果與許軍強(qiáng)等[26]基于SBAS-InSAR技術(shù)采用Radarsat-2數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)豫北平原2014—2016年間地面沉降，獲得的安陽(yáng)地區(qū)地面沉降最大值35 mm/a左右相近。城區(qū)4個(gè)沉降場(chǎng)與馬學(xué)軍等[27]調(diào)查豫北平原地裂縫分析的安陽(yáng)地區(qū)地面沉降位置、河南省地質(zhì)調(diào)查局[28]監(jiān)測(cè)安陽(yáng)市地下水位下降結(jié)果，在地理位置上有很好的一致性。同時(shí)與李坷凌等[23]對(duì)安陽(yáng)市地下水回灌可行性分析中得到的地表沉降場(chǎng)地理位置也吻合。

(2)西郊水冶鎮(zhèn)沉降場(chǎng)分析。圖5為水冶鎮(zhèn)沉降地理位置，該區(qū)域存在多個(gè)大型煤礦企業(yè)，包括安陽(yáng)水冶煤礦集團(tuán)、鑫龍煤業(yè)集團(tuán)等(圖5(b)中紅五角星位置)，在水冶鎮(zhèn)周邊還散布著一些小型礦區(qū)。圖5(a)，(b)中黑線所圈即為礦區(qū)沉降場(chǎng)，可得水冶鎮(zhèn)發(fā)生較大地表沉降的區(qū)域有：以▽5、▽6構(gòu)成的主沉降區(qū)，兩沉降中心速率分別達(dá)到-30，-32 mm/a，受影響區(qū)域有水冶鎮(zhèn)中心、東街村、西街村、南街村與黃口村；以▽7為沉降中心的茶棚村區(qū)，此區(qū)沉降量相對(duì)較小，其中心沉降速率為-22 mm/a，受影響區(qū)為茶棚村；以▽8為中心的南、北段村沉降，此沉降區(qū)范圍相對(duì)較大，中心沉降速率達(dá)-29 mm/a，受影響區(qū)為南、北段村。水冶鎮(zhèn)獲取的4個(gè)沉降場(chǎng)位于鑫龍煤業(yè)集團(tuán)底下的龍山礦區(qū)附近，且監(jiān)測(cè)到4個(gè)沉降場(chǎng)位置與黎小龍等[29]分析安陽(yáng)龍山煤礦煤層氣地質(zhì)背景中給出的龍山礦4個(gè)采區(qū)位置相對(duì)應(yīng)，如圖5(c)所示。由于監(jiān)測(cè)到地面沉降量級(jí)較小，而煤礦采動(dòng)過(guò)程中地面沉降往往較大，因此認(rèn)為此區(qū)域沉降為礦區(qū)開(kāi)采后期回填、維護(hù)不盡完善，造成水冶鎮(zhèn)大部分區(qū)域受采空區(qū)下陷影響，該地區(qū)沉降主要因煤層采動(dòng)后殘余緩慢下陷所致。

圖5 水冶鎮(zhèn)礦區(qū)沉降位置分析(google earth，2019)

(3)時(shí)序動(dòng)態(tài)分析。圖6為干涉像對(duì)累積沉降圖，數(shù)據(jù)影像共形成11個(gè)干涉對(duì)，選取其中8個(gè)表現(xiàn)沉降歷史過(guò)程。圖6(d)干涉對(duì)(2009-05-30—2009-05-30)為參考影像，將參考影像沉降值設(shè)置為0，作為其他干涉圖的沉降起算參考。其他各干涉圖沉降即相較于參考影像而言的相對(duì)累計(jì)沉降。理論上距離參考影像時(shí)間越久，干涉圖相對(duì)累計(jì)沉降量也越大。研究區(qū)內(nèi)PS點(diǎn)顏色表示相對(duì)于參考主影像的累計(jì)沉降量。

圖6 干涉像對(duì)累積沉降圖

從圖6(a)干涉(2009-05-30—2008-03-01)到圖6(h)干涉對(duì)(2009-05-30—2009-12-26)可看到，安陽(yáng)市內(nèi)最大沉降場(chǎng)(文峰區(qū)沉降場(chǎng)，位置如圖6中▽)PS點(diǎn)顏色由紅色漸變?yōu)辄S色，再過(guò)渡到藍(lán)色，最后變?yōu)樽仙Ｔ擃伾^(guò)渡表示沉降場(chǎng)的相對(duì)累計(jì)沉降由正值變?yōu)?，再過(guò)渡到負(fù)值，即在實(shí)際過(guò)程中表現(xiàn)為持續(xù)沉降。圖6中其他沉降場(chǎng)也表現(xiàn)出類(lèi)似顏色漸變過(guò)程，即都為沉降。

分別選取市區(qū)、水冶鎮(zhèn)兩最大沉降場(chǎng)(▽1和▽5)中心PS點(diǎn)，以PS點(diǎn)的時(shí)間序列沉降及沉降時(shí)序擬合來(lái)表現(xiàn)區(qū)域沉降特征(圖7)。市內(nèi)沉降場(chǎng)▽1中心PS74380點(diǎn)(下角標(biāo)為PS點(diǎn)編號(hào)，下同)線性擬合沉降速率為-36 mm/a，水冶鎮(zhèn)沉降場(chǎng)▽5中心PS56080點(diǎn)線性擬合沉降速率為-30 mm/a。從圖7(a)和(b)沉降過(guò)程擬合結(jié)果可得，兩PS點(diǎn)沉降在時(shí)間序列上具有明顯線性特征，該變化趨勢(shì)符合地表緩慢沉降規(guī)律。

圖7 兩沉降場(chǎng)中心PS點(diǎn)時(shí)序沉降擬合結(jié)果Fig.7 Time series linear deformation fit of PS points in two subsidence center

4 結(jié) 論

針對(duì)國(guó)內(nèi)部分城市超采地下水造成地面沉降日漸嚴(yán)重趨勢(shì)，本文采用PSInSAR技術(shù)以河南省安陽(yáng)市為例開(kāi)展了地面沉降監(jiān)測(cè)研究。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：

(1)2008年3月至2009年12月間安陽(yáng)城區(qū)及西郊水冶鎮(zhèn)均出現(xiàn)了不同程度地表沉降，通過(guò)時(shí)序分析得出主城文峰區(qū)沉降場(chǎng)影響范圍最大，最大累計(jì)沉降量達(dá)62 mm。水冶鎮(zhèn)最大累計(jì)沉降位于鎮(zhèn)中心，累計(jì)沉降量達(dá)59 mm，時(shí)序擬合分析顯示沉降表現(xiàn)為線性特征。

(2)通過(guò)資料調(diào)研初步分析了兩個(gè)地區(qū)沉降場(chǎng)形成原因，即主城區(qū)沉降主要誘因?yàn)榈叵滤_(kāi)采，水冶鎮(zhèn)沉降主要誘因?yàn)槊旱V開(kāi)采沉陷。對(duì)比google earth地圖劃定了各沉降場(chǎng)地理位置與影響范圍，監(jiān)測(cè)結(jié)果不僅為安陽(yáng)市地面沉降管理、修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持，而且也城市規(guī)劃、公共設(shè)施建設(shè)等提供參考依據(jù)。

(3)由于目前該地區(qū)數(shù)據(jù)收集有限，只開(kāi)展了短期沉降監(jiān)測(cè)，隨著數(shù)據(jù)不斷收集積累，將開(kāi)展更長(zhǎng)期的地表沉降監(jiān)測(cè)研究工作。