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      基于InSAR和指數(shù)分析的地面沉降風險評估與預測—以城市密集高層建筑區(qū)為例

      2022-06-27 08:44:58李勝天
      江西科學 2022年3期
      關(guān)鍵詞:濱江區(qū)風險性易損性

      李勝天,聶 飛,王 萃

      (江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊,330001,南昌)

      0 引言

      地面沉降是指地面高程的降低, 又稱地面下沉或地沉, 是以緩慢、難以察覺的向下垂直運動為主,是指在自然和人為因素作用下,由于地殼表層土體壓縮而導致區(qū)域性地面標高降低的一種環(huán)境現(xiàn)象。目前,地面沉降己成為城市化進程中普遍存在的生態(tài)環(huán)境問題, 成為世界范圍內(nèi)制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要地質(zhì)災害之一。監(jiān)測方面,在傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的永久散射體干涉測量技術(shù)(PS)能很好地解決相關(guān)問題,有助于提高形變的時空分辨率及數(shù)據(jù)處理的精度。Ferretti等首先提出基于幅度變化特征識別PS點的算法,并把這種技術(shù)稱為永久散射體技術(shù)。隨后在國際上眾多學者展開了深入研究,如Crosetto等'不斷完善PS干涉測量的技術(shù)方法,并在監(jiān)測地表形變方面取得了很多成功的應用成果;而對地面沉降災害風險研究較少,主要集中在地面沉降危險性分級標準制定和危險性評價。

      1 研究區(qū)概況

      杭州市濱江區(qū),位于浙江省杭州市南,錢塘江下游南岸,為錢塘江泥沙淤積而成的沙土平原(圖1)。地質(zhì)屬錢塘江沖積平原,地勢平坦,地面自然標高為5.2~6.2 m(黃海高程),地表以下5~14 m范圍內(nèi)為粉砂、粉細砂,地耐力為100~120 kPa。由于城市建設(shè)用地的不斷擴張,尤其是城市核心區(qū)的建筑群密度的不斷增大,地面下陷等沉降災害頻發(fā),對公共基礎(chǔ)設(shè)施和人民群眾的財產(chǎn)安全造成嚴重威脅。因此,為了減少沉降災害的發(fā)生頻率,在城市建設(shè)中有效規(guī)避沉降災害的風險,開展地質(zhì)災害風險評價尤為迫切。根據(jù)《地質(zhì)災害風險調(diào)查評價技術(shù)要求(試行)》對地質(zhì)災害風險評價的總體要求,需采用定性與定量相結(jié)合的方法,在易發(fā)性、危險性、易損性評價基礎(chǔ)上,劃分為極高、高、中、低4個等級,將危險性和易損性評價結(jié)果疊加分析,形成風險評價與區(qū)劃結(jié)果。傳統(tǒng)的沉降風險評價依賴于實地測量監(jiān)測技術(shù),即使是一系列的觀測點數(shù)據(jù)也難以直觀地表現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)地面沉降的空間分布,而有著大范圍、高密度、時效性優(yōu)勢的基于合成孔徑雷達差分干涉技術(shù)(InSAR)的地面沉降監(jiān)測手段可以更加方便地提取范圍內(nèi)地表形變速率或形變量,為定量的沉降易發(fā)性評估提供了依據(jù);利用層次分析法(AHP)以用地類型、建筑高程、GDP和人口分布4個權(quán)重因子評估沉降易損性;在易發(fā)性的基礎(chǔ)上,根據(jù)降雨對土壤孔隙水壓力的影響確定降雨工況下的沉降失穩(wěn)概率,依靠危險性指數(shù)法結(jié)合10年一遇,20年一遇,50年一遇,100年一遇的降雨工況分別進行沉降災害危險性評價。將危險性和易損性評價結(jié)果疊加運算,通過矩陣分析法的方式形成風險評價結(jié)果,劃分地質(zhì)災害風險區(qū)段。

      圖1 濱江區(qū)區(qū)位與土地利用圖

      2 研究流程與方法

      本文分析思路及分析方法主要是通過D-InSAR和PS-InSAR技術(shù)分析sentinel-1A數(shù)據(jù)分別得到地面累積沉降量和年沉降速率信息,運用模糊層次分析法建立易發(fā)性指標,結(jié)合Python代碼設(shè)計的ROC曲線利用其ACU值進行檢驗易發(fā)性模型的有效性;通過危險性指數(shù)法利用不同程度的降水情況獲取失穩(wěn)概率,得到不同降雨工況下的危險性指標;將獲取的土地利用類型數(shù)據(jù)、GDP和人口密度數(shù)據(jù)分權(quán)疊加計算得到沉降災害的易損性指標。對危險性和易損性指標做無量綱化處理,利用矩陣分析法得到沉降風險性結(jié)果。按照《地質(zhì)災害風險調(diào)查評價技術(shù)要求(試行)》中的分級要求制作濱江區(qū)沉降風險性評價。

      3 研究結(jié)果分析

      3.1 D-InSAR與PS-InSAR分析結(jié)果

      濱江區(qū)研究數(shù)據(jù)基于PS-InSAR的2019年7月至2021年4月21景哨兵1號數(shù)據(jù)獲取的點數(shù)據(jù)文件,利用空間克里金插值對于屬性表中的velocity字段進行掩膜濱江區(qū)制作的沉降速率柵格圖(單位:mm/a)(圖2)。濱江區(qū)研究數(shù)據(jù)基于D-InSAR的2019年12月至2020年12月哨兵1號數(shù)據(jù)獲取的累計沉降量柵格圖(單位:m)(圖3)。

      圖2 濱江區(qū)PS_InSAR沉降柵格數(shù)據(jù)

      圖3 濱江區(qū)D_InSAR沉降柵格數(shù)據(jù)

      3.2 灰色預測

      GM(1,1)模型是常用的灰色預測模型,其原理是:對某一數(shù)據(jù)序列用累加的方式生成一組趨勢明顯的新數(shù)據(jù)序列,按照新的數(shù)據(jù)序列的增長趨勢建立模型進行預測,然后再用累減的方法進行逆向計算,恢復原始數(shù)據(jù)序列,進而得到預測結(jié)果。由此本次使用灰色預測的GM(1,1)模型對濱江區(qū)高易發(fā)區(qū)(易發(fā)性綜合得分最高的區(qū)域)當中選擇4個灰色預測點進行未來的升降情況(圖4、表1、表2、圖5、圖6)。

      圖4 灰色預測專題圖

      圖5 點號28851的預測曲線圖

      圖6 點號119447預測曲線圖

      3.3 易發(fā)性評價

      濱江區(qū)地形、地質(zhì)構(gòu)造、土質(zhì)情況等自然要素作用,位于杭州灣沖擊平原,河流、錢塘江潮沖擊,堆積大量松散物,地處西湖復向斜。濱江城市的發(fā)展等人類活動;城市建筑建設(shè)施工,高樓林立;采用模糊層次分析法,根據(jù)地面沉降易發(fā)性評價指標體系,依據(jù)土地利用類型、地面沉降速率、地面沉降累計量3個指標對地面易發(fā)性沉降的影響,構(gòu)建模糊一致矩陣;易發(fā)性綜合得分=地面沉降速率*0.533+累計沉降量*0.333+土地利用類型*0.134(圖7、圖8)。

      表1 灰色預測屬性表

      表2 灰色預測等級對照表

      圖7 易發(fā)性評價模型圖

      圖8 易發(fā)性分區(qū)結(jié)果圖

      ROC曲線精度驗證對濱江區(qū)易發(fā)性得分利用柵格計算器進行歸一化取值,在其中獲取檢驗點來進行ROC概率驗證(圖9)。ROC曲線縱軸代表真陽性率(True Positive Rate,TPR),在地質(zhì)災害易發(fā)性評價中代表災害面積頻率;其橫軸代表假陽性率(FalsePositiveRate,F(xiàn)PR),在地質(zhì)災害易發(fā)性評價中代表易發(fā)區(qū)面積頻率。通常用ROC曲線下面積AUC作為一個客觀定量的評價指標來衡量模型預測的準確程度。AUC值介于0~1之間,越接近1模型預測準確性越高。AUC值結(jié)果是0.71預測結(jié)果較好,易發(fā)性模型精度較好。

      圖9 ROC曲線結(jié)果圖

      3.4 危險性評價

      根據(jù)浙江省自然資源廳關(guān)于印發(fā)《浙江省縣(市、區(qū))地質(zhì)災害風險普查與鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)地質(zhì)災害風險調(diào)查評價工作方案》的通知,確定危險性評價方法為危險性指數(shù)法,結(jié)合易發(fā)性綜合得分(圖10、圖11)。計算方法如下:

      Hi=Yi/Ymax×Pi

      式中:Hi為某種工況下第i個評價單元危險性指數(shù)(危險性概率);Yi為第i個評價斜坡單元易發(fā)性指數(shù);Ymax為最大易發(fā)性指數(shù);Pi為某種工況下第i個評價單元的給定時間段內(nèi)的失穩(wěn)概率;失穩(wěn)概率:Pi=L/Lmax/day(基于極值降雨假設(shè)的Pi確定方法求出4種工況下的失穩(wěn)概率)。

      圖10 危險性評價模型

      3.5 易損性評價

      易損性是指受災體受到災害破壞機會的多少與發(fā)生損毀的難易程度。主要由受災體自身條件和社會經(jīng)濟條件所決定,其目的是分析現(xiàn)有經(jīng)濟技術(shù)條件下人類社會對地質(zhì)災害的抗御能力,確定不同社會經(jīng)濟要素的易損性參數(shù)。承載體易損性:道路,建筑;社會經(jīng)濟易損性:GDP,年末常住人口;采用AHP法對沉降易損性指標賦予權(quán)重,利用python腳本進行分析出圖(圖12、圖13)。

      圖11 危險性不同工況分級圖

      圖12 易損性評價模型

      圖13 易損性分級圖

      3.6 風險性綜合評價

      根據(jù)浙江省自然資源廳關(guān)于印發(fā)《浙江省縣(市、區(qū))地質(zhì)災害風險普查與鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)地質(zhì)災害風險調(diào)查評價工作方案》,利用矩陣分析法,結(jié)合易損性和危險性分析進行風險性的評價分析,通過二者進行歸一化賦值,進行風險性分級劃分(表3)。

      3.6.1 風險性指標確定 地面沉降地質(zhì)災害的風險性主要取決于地面沉降發(fā)生的危險性及承災體的易損性2個方面。根據(jù)濱江區(qū)易損性分區(qū)以及不同工況下危險性分區(qū)的評價結(jié)果,計算濱江區(qū)的沉降風險值,得到濱江區(qū)風險性結(jié)果評價圖,計算方法:

      Ri=Hi×Vi

      式中:Ri為某種工況下第i個評價單元風險性指數(shù);Hi為某種工況下第i個評價單元危險性指數(shù);Vi為第i個評價斜坡單元易損性指數(shù)。

      3.6.2 沉降風險性分析 杭州市濱江區(qū)地面沉降的主要因素是建筑施工的土塊挖方導致的地面沉降,以及錢塘江等水域的對土質(zhì)滲透作用的影響。由于建筑施工會導致地基沉降進而在周圍區(qū)域形成沉降漏斗,因此在水域附近和建筑工地附近區(qū)域都是重點區(qū)域,相關(guān)部門應重點關(guān)注,積極采取相關(guān)措施,如控制建筑物密度、在修建道路鐵路等設(shè)施時應避開沉降區(qū)域或者加固道路等,以減少損失。

      圖14 暴雨工況下的沉降風險性評價圖

      4 結(jié)論與展望

      本研究在應用地質(zhì)災害評價規(guī)范的基礎(chǔ)上建立了多層次的評價模型,整個過程基本上用模型來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與分析,部分評價過程使用基于arcpy的python代碼來實現(xiàn),可移植性和擴展性得到提升,空間適用性廣。該評價模型不僅可以用于濱江區(qū)的沉降監(jiān)測,還可以用于其他城市區(qū)域的沉降監(jiān)測。其中易損性評價將承災體易損性與社會經(jīng)濟易損性相結(jié)合,前者通過土地利用類型和建筑高度對區(qū)域開展建筑易損性分級,通過道路等級對道路緩沖區(qū)進行賦值,較好地擬合了城市建筑密集區(qū)域特別是高層建筑密集區(qū)域的易損性特點。時效性強。哨兵1號數(shù)據(jù)免費,更新快且容易獲取,在此基礎(chǔ)上開展沉降監(jiān)測可省去外業(yè)大范圍監(jiān)測的工作量。使用PS-Insar和D-Insar獲取沉降數(shù)據(jù)可直接得到沉降量空間(時間)上的變化規(guī)律,并用ROC曲線進行精度校驗,便于后續(xù)的易發(fā)性評價。使用灰色預測模型對多個點位進行沉降速率預測,便于綜合歷史數(shù)據(jù)開展決策。隨著城市化的建設(shè)和開發(fā),地面沉降漸漸演化成眾多城市的通病,本次項目研究的目的就是為了發(fā)現(xiàn)這一潛在的緩慢下沉的災害,通過考察研究,技術(shù)設(shè)計規(guī)劃,形成一套評價體系來應對地面沉降這一問題。

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