基于时序InSAR的九龙江河口地区地面沉降时空演变规律及成因分析.pdf

第 卷 第 期应 用 海 洋 学 学 报，年 月 ，基于时序 的九龙江河口地区地面沉降时空演变规律及成因分析刘春雷，张媛静，陆晨明，李亚松，李剑锋，收稿日期：资助项目：国家重点研发计划（）；中国地质调查局地质调查项目（，）作者简介：刘春雷（），男，硕士，副研究员；：通讯作者：张媛静（），女，博士，副研究员；：（福建省水循环与生态地质过程重点实验室，福建 厦门；中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄）摘要：为探明九龙江河口地区地面沉降情况，本研究采用小基线集合成孔径雷达干涉测量（，）和永久散射体合成孔径雷达干涉测量（，）技术获取了 年 月至 年 月地面沉降的时空分布信息和演变规律，并结合实地调查数据和水文地质调查监测资料对地面沉降成因进行了系统分析。研究结果表明：和 两种方法均发现在研究期间九龙河口地区地面整体呈现出沉降趋势，监测结果发现研究区沉降速率为 ；研究期间该区域的沉降中心持续扩大且沉降量呈增加趋势，最大累积沉降量达到 以上，主要分布在浮宫镇中南部地区、海澄镇、东园镇中南部地区、角美镇和榜山镇东南部地区；该区域由于大量抽取地下水用于养殖，地下水位下降，引起淤泥层发生固结排水、压密，从而导致地面沉降。关键词：海洋地质学；地面沉降；时序 技术；九龙江河口：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）受海洋、陆地及河流的共同影响，河口地区地质条件十分脆弱。随着经济建设的快速发展，近几十年间九龙江河口地区进行了大量的基础设施建设、地下水资源开采、软土固结压实的活动，加上自然因素的影响，该地区出现了大范围地面沉降，并引发地面塌陷、滑坡、基础设施破坏等地质灾害。与此同时，全球海平面上升，加剧了咸潮上溯的影响及风暴潮灾害的风险，对该地区的社会发展和人民生命安全构成了严重威胁。因此，及时准确地掌握九龙江河口地区地面沉降的时空分布及演变规律对区域规划建设和防灾减灾具有重要意义。目前，常规的地表形变监测主要有水准测量和卫星定位系统（），这些方法精度很高，但其针对小范围离散点观测，不仅观测周期长，费时费力，且难以在短时间内快速获取大范围面状地表形变信息。合成孔径雷达差分干涉测量（，）技术能够全天时、全天候地获取厘米级的地表形变，有效地克服了常规监测所存在的不足，被认为是开展大范围、高精度地表形变监测的最有潜力的手段。但 技术容易受到时间和空间失相关及大气效应的影响，难以获取高精度、长时间间隔的地表形变信息，使该技术的应用受到很大的限制。为了克服 受时空失相关和大气效应的影响，时序 技术的提出和发展有效地解决了这些影响，可以获得毫米级的地表形变监测精度，在对长期累积的缓慢形变监测方面表现出了极大的潜力。目前主流的时序 技术主要有意大利学者 等提出的永久散射体合成孔径雷达干涉测量（，）技术和 提出的小基线集合成孔径雷达干涉测量（，）技术，这些技术已在河口地区的形变监测中得到广泛应用。期刘春雷，等：基于时序 的九龙江河口地区地面沉降时空演变规律及成因分析 由于城市化进程和人类活动加剧，九龙江河口地区出现不同程度的地面沉降，然而目前对该区域地面沉降的相关研究较少。因此，本研究以覆盖该地区 年 月至 年 月的 景 影像数据为数据源，采用 和 技术进行数据处理，获得研究区地面沉降信息，在此基础上，分析了该地区地面沉降的时空演变规律，然后结合实地调查数据和水文地质调查监测资料探究了导致该地区地面沉降的原因，以期为有关决策部门提供参考依据。研究区概况和数据来源 研究区概况研究区地处九龙江下游江海之滨（图），属南亚热带海洋性季风气候，温暖湿润，雨量充沛，春季多阴雨连绵，夏季炎热多阵雨，夏秋季节伴有台风及暴雨。年平均气温，年平均降雨量 ，年平均蒸发量 ，降雨量主要分布在 月，约占全年降雨量的，月至翌年的 月为旱季。区内水系发育，福建省第二大河流九龙江入海口位于研究区内，其支流有西溪、北溪和南溪。区内水产养殖业较为发达，主要以养虾业为主，多为抽取地下水养殖。图 研究区域位置示意图 由于地面沉降与地质环境有密切关联，使用中国地质调查局提供的 环境地质调查图分析地面沉降与地质的关系，按成因类型将其划分为：剥蚀侵蚀构造地貌 山地、剥蚀侵蚀构造地貌 丘陵、剥蚀构造地貌 台地和堆积、构造地貌 平原等四大类。在成因类型划分的基础上，按形态类型又可细分为：低山、高丘陵、低丘陵、残丘、残积台地、冲洪积平原、冲海积平原、三角洲等 个次类。此外，研究区位于九龙江冲海积平原，地势相对平坦开阔，水文地质条件比较复杂，平原内港汊沟渠密布，研究区内发育的第四系软土层较厚，地下水位埋深较浅，持力层埋藏深，工程地质条件较差。数据来源本研究收集了覆盖研究区 年 月至 年 月的 卫星数据，共 景。该数据为 波段的 数据，成像模式为干涉宽幅模式（），极化方式为 极化，幅宽为，地面分辨率为 。此外，还收集了欧洲航天局（，）提供的精密定轨星历（，）数据来对收集的 数据进行精轨，以减少基线误差与残余条纹。同时，本研究还选取 空间分辨率的（）高程数据作为外部地形数据，用以地形相位去除和地理编码。此外，本研究还收集了研究区范围内的两口地下水位自动观测井，其位置见图 所示，每口监测井每隔 收集 次地下水距离地表相对距离数据（地下水水位埋深）。时序 数据处理本研究分别采用两种目前主流的时序 处理方法 和 技术来获取研究区地表形变信息，总体处理流程如图 所示。图 时序 处理流程 应 用 海 洋 学 学 报 卷本研究 数据处理时，选取 年 月 日的 影像作为公共主影像，其余影像作为辅影像。图（）为干涉对的时间基线和空间基线连接图，并以选取的公共主影像为起算基准分别计算主辅影像之间的空间基线和时间基线，从图中可见主辅影像干涉像对空间基线分布于 ，时间基线范围为 （至）。选取公共主影像之后，将其余 幅辅影像配准重采样到主影像上。此外，本研究采用振幅离差指数方法，将振幅离差指数阀值设置为，对研究区内 点进行识别。在 干涉图生成过程中，本研究采用短基线数据集构建原则，设定相关时间空间基线与多普勒基线临界值。顾及此次时序监测时间跨度较长和监测范围较小等因素，将干涉子集合的时间基线和空间基线分别控制在 和 以内，对 幅雷达影像进行连接图生成，像对连接的时空基线分布如图（）所示。通过短时空基线干涉对网络组合，获得短时间基线干涉对共计 对。此外，对于 分布式目标的选取同样采用幅度差分离法进行点目标的识别（图）。图 时空基线分布图 结果与讨论 与 监测结果对比分析本研究分别采用 和 技术提取了 年 月至 年 月研究区形变速率如图、所示。其中，正值表示靠近卫星的运动，即抬升变形，在图中表现为蓝色；负值表示远离卫星的运动，即地面沉降，在图中表现为红色。地表形变空间分布图显示，两种方法能够获得较为一致的地面形变分布（图、），即两种方法监测出的沉降或抬升的空间位置具有很好的一致性。与 相比可以提取到更多位置的形变信息数据，监测方法可以在充分利用裸露岩石较多区域的高相干点目标的基础上，通过提取研究区域内的分布式目标显著增加了裸露地面观测点的数量，从而能够获取地表 期刘春雷，等：基于时序 的九龙江河口地区地面沉降时空演变规律及成因分析 图 基于 技术获得的地面年均形变速率分布 图 基于 技术获得的地面年均形变速率分布 整体丰富的沉降细节信息。结合卫星影像底图，发现两种监测方法受植被的影响，都没有获取高密度植被覆盖区的地面形变信息。针对相同位置的观测值而言，两种方法监测出的沉降（抬升）值存在一定的差异。在 年 月至 年 月研究期间，技术得到研究区的年平均形变速率为 ，而 技术为 。初步分析引起此差异的主要原因可能是由于 技术是采用单主影像，使得形成 的 干 涉 图 受 时 空 影 响 较 为 严 重。基 于 监测结果发现，研究区沉降速率为 。为了进一步确定监测结果的可靠性和一致性，由于缺少实测同期水准监测数据，本研究采用交叉验证的方法进行对比分析，即将相同位置的 与 的年平均形变速率提取出来，建立回归方程，分析这两种结果之间的相关性，如图 所示。结果表明，与 所获取的形变速率值具有较 高 的 相 关 性（），从而说明这两种方法可以获取较为一致的年形变速率，也进一步证实了这两种方法具有很好的一致性和可靠性。图 与 同名点对形变速率相关性 地面沉降时空演变规律分析为了更好地研究地面沉降在时空上的演变规律，获取了整个研究区不同时间的累计形变量，如图 所示。研究期间的形变空间演化以 年 月 日为参考基准，并假定此时研究区的地面形变量为。从形变结果可以清楚地看出，研究区大部分区域呈下沉趋势，且在近 年的时间里，研究区地面累计沉降量均值为 ，部分区域最大沉降量达。研究发现在 年 月 日至 年 月 日期间累计沉降量超过 的区域主要分布在浮宫镇中南部地区、东园镇中南部地区和白水镇北部区域、海澄镇东南部地区、榜山镇东南部地区、紫泥镇东部地区、角美镇西南部地区和东泗乡中部地区。此外，研究还发现部分区域出现轻微抬升，但这些区域的累计抬升量在 之间，部分区域在研究期间地面抬升较为明显，累计抬升量达 。通过地表形变的时序发展规律可以看出，该区域的沉降范围呈现逐渐扩大和沉降量增加的趋势，由此也说明研究期间该区域地表沉降还在持续加剧中，因此，后续应继续加强该区域的地表形变监测以为城市规划和防灾减灾提供决策支持。应 用 海 洋 学 学 报 卷图 研究区地面累计沉降量时序分布图 （）年 月 日至 年 月 日，（）年 月 日至 年 月 日，（）年 月 日至 年 月 日，（）年 月 日至 年 月 日，（）年 月 日至 年 月 日。成因分析 地下水开采经调查发现，该地区水产养殖所需用水主要来自地下水，对地表水的利用相对较少，长期过度的地下水开采导致地下水位不断下降，致使土体中孔隙水压力降低，而孔隙水压力的降低增大了土壤的有效应力，使其压紧固结，进而导致地面沉降。期刘春雷，等：基于时序 的九龙江河口地区地面沉降时空演变规律及成因分析 选取了研究区两个地下水监测井进行地面沉降和地下水位时序变化分析，如图 所示。通过对地表沉降观测结果（图）进行时序分析发现监测点 在研究期间呈现出轻微的地面抬升趋势，其累计抬升量约为 ，而监测点 沉降量在研究期间呈现出逐步增加的趋势，且累计沉降量达 ，但从趋势图上来看，该区域的地面沉降速率在 年 月 日开始减缓。通过对照相应位置和期间的地下水位信息（图），可以发现监测点 在研究期间地下水埋深没有出现明显的递增或递减趋势，相比而言，监测点 的地下水埋深出现了明显的递增趋势，即地下水位下降。图 地下水监测点累计地面形变量 图 地下水监测点水位埋深动态曲线 根据相关调查报告获得该区域的地下水补给径流排泄情况，如图 所示。地下水的补给主要来自于外围地下水的侧向及地表水补给，然而由于该区域表层淤泥、粘土分布较厚，起到了一定的隔水作用，使得该区域垂向补给量十分有限。区域地下水排泄主要包括 种形式：以潜流排泄于地表河流、地面蒸发与植物蒸腾、人工开采。由于潮水的顶托作用，致使地下水排泄不畅，另外该区域浅层分布厚层状的淤泥、粘土等隔水层，不利于地面蒸发。综上，该区域地下水补给方式单一且补给量有限，而地下水排泄的主要方式是人工开采。应 用 海 洋 学 学 报 卷图 九龙江河口地区地下水补径排示意图 ，经调研发现，该区域地下水埋深较浅，部分区域出现自流井。但由于该区域河虾养殖长期大量抽取地下水，致使地下水位大幅下降，自流井基本消失，海澄镇及其周边区域尤为严重，地下水位下降近。由此可推断该地区多数地面沉降与地下水超采密切相关。工程地质条件研究区位于九龙江冲积平原，地层中 的范围为灰黑色的淤泥层，饱和、流塑，承载力为 ，原状土样进行物理力学试验分析显示压缩系数约为 ，具高压缩性。地下水位下降、自重应力和外部荷载等的作用都会导致该淤泥层排水固结，诱发地面沉降，所以厚层的正常固结的高压缩性淤泥层的存在是河口地区地面沉降的地质成因。根据太沙基一维固结理论，对研究区内的 个已知钻孔的地面沉降量进行了预测估算。显示浅层地下水疏干时，其最大沉降量为 （钻孔），最小沉降量为 （钻孔），平均沉降量可达（表）。表 九龙江河口地区地下水疏干沉降量预测表 钻孔名称地下水疏干沉降量 钻孔名称地下水疏干沉降量 结论本研究采用 技术和 技术分别对覆盖研究区 年 月至 年 月的 影像数据进行处理，获得研究区地面沉降的分布特征及时空演变规律，并综合实地调查数据和水文地质环境资料对导致地面沉降可能发生的原因进行系统分析。主要得到以下结论：（）和 技术所获得的地面沉降在时序分布上具有较好的一致性，两种方法获取的地面形变速率相关性达。相比于 技术，方法能够获取更多的地面沉降信息。此外，在监测期间大部分区域呈地面沉降趋势，且在 年多的时间里，整个研究区的地面累计沉降量均值约为 ，其中部分区域的最大沉降量可达 。（）九龙江河口地区厚层海相沉积的高压缩 期刘春雷，等：基于时序 的九龙江河口地区地面沉降时空演变规律及成因分析 性淤泥层的存在是河口地区地面沉降的地质成因；河口地区水产养殖大量抽取地下水，导致地下水位下降，淤泥层发生排水固结和压密，诱发地面沉降和地裂缝，地下水超采是河口地区地面沉降的人为因素。参考文献：宋红丽，刘兴土 围填海活动对我国河口三角洲湿地的影响 湿地科学，（）：，（）：高辉，罗孝文，吴自银，等 基于时序 的珠江口大面积地面沉降监测 海洋学研究，（）：，（）：，（）：孙永朝，丁咚，李广雪，等 基于多源观测技术的海堤变形监测方法研究 海洋科学，（）：，（）：，：，（）：，（）：裴媛媛，廖明生，王寒梅 时间序列 影像监测堤坝形变研究 武汉大学学报（信息科学版），（）：，（）：，（）：耿晓民，张俊辉 基于 的地表非线性形变时序监测 测绘科学，（）：，（）：郭瑞，李素敏，陈娅男，等 基于 的矿区采空区潜在滑坡综合识别方法 地球信息科学学报，（）：，（）：范军，左小清，李涛，等 和 技术对昆明主城区地面沉降监测的对比分析 测绘工程，（）：，（）：朱邦彦，唐超，任志忠，等 基于 技术的珠海市地表形变监测与驱动力分析 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