楊成生， 劉媛媛， 敖萌

(長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054)

基于SBAS時(shí)序分析的大同地面沉降與地下水活動(dòng)研究

楊成生， 劉媛媛， 敖萌

(長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054)

大同盆地是汾渭盆地北端一個(gè)地面沉降較嚴(yán)重的區(qū)域，地下水開(kāi)采是該區(qū)域地面沉降發(fā)生的一個(gè)重要原因。然而地下水活動(dòng)與地面沉降在空間和時(shí)間的相關(guān)性卻鮮有研究。為了掌握該地區(qū)地下水活動(dòng)與地面沉降的內(nèi)在聯(lián)系，該文基于Envisat ASAR數(shù)據(jù)，利用短基線集(small baseline subset,SBAS)-InSAR技術(shù)對(duì)大同盆地地面沉降形變特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)；同時(shí)利用地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究地面沉降中心與地下水位漏斗在空間和時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，定量分析2處地下水位波動(dòng)與地表形變的關(guān)系。研究表明，地下水開(kāi)采是大同盆地水源地地面沉降的主要原因，但并非所有的地下水位漏斗都存在地面沉降。該研究成果對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)地下水開(kāi)采及控制地面沉降有一定參考價(jià)值。

短基線集(SBAS)；地面沉降；InSAR；大同；地下水開(kāi)采

0 引言

大同盆地是我國(guó)汾渭盆地北部一個(gè)地面沉降較嚴(yán)重的區(qū)域。自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，隨著地下水開(kāi)采量增加，大同市地面沉降逐年加劇[1-2]。地面沉降的發(fā)生，也導(dǎo)致了地裂縫災(zāi)害的加劇，目前大同市已有10余條地裂縫，總長(zhǎng)度達(dá)34.5 km[3-5]。地面沉降及地裂縫災(zāi)害已導(dǎo)致該地區(qū)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元[3]。因此，開(kāi)展對(duì)該區(qū)地下水開(kāi)采與地面沉降關(guān)系的研究，可為減少地質(zhì)災(zāi)害和降低經(jīng)濟(jì)損失提供決策支持。

針對(duì)大同盆地地下水開(kāi)采引發(fā)的地面沉降災(zāi)害，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了研究。劉玉海等[1]利用水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)大同地面沉降進(jìn)行了分析，結(jié)合地下水開(kāi)采情況介紹了地下水開(kāi)采引發(fā)的地面沉降及地裂縫災(zāi)害情況；常玉萍[6]利用地下水觀測(cè)資料分析了大同市主要供水源區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)；范建明[7]對(duì)地下水開(kāi)采引發(fā)的大同地面沉降及地裂縫情況進(jìn)行了描述；高英利[8]對(duì)大同地下水超采狀況進(jìn)行了介紹，并分析了該市地下水開(kāi)發(fā)利用中存在的問(wèn)題等。這些研究都充分認(rèn)識(shí)了地下水開(kāi)采易造成地面沉降，但側(cè)重于對(duì)大同地面沉降災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況的描述，對(duì)地下水位漏斗與地面沉降的空間和時(shí)間上對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究仍較少。為此本文利用覆蓋大同地區(qū)的40景Envisat ASAR數(shù)據(jù)，采用短基線集(small baseline subset，SBAS)-InSAR方法對(duì)該地區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合地下水位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大同盆地地面沉降與地下水位的空間和時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究。同時(shí)選取2處水位觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，建立了地下水位波動(dòng)與地表形變的關(guān)系。本文的研究成果對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)地下水開(kāi)采及地面沉降控制具有一定的參考價(jià)值。

1 SBAS-InSAR技術(shù)原理

為克服時(shí)間、空間去相干以及大氣延遲對(duì)常規(guī)InSAR監(jiān)測(cè)精度的影響，許多學(xué)者對(duì)SBAS-InSAR技術(shù)[9-12]進(jìn)行了研究。該技術(shù)針對(duì)覆蓋同一區(qū)域的多個(gè)SAR影像按照一定的時(shí)間基線和空間基線條件進(jìn)行干涉組合，并對(duì)多個(gè)干涉圖解纏后相位進(jìn)行最小二乘求解，消除解纏粗差，削弱大氣誤差因素的影響，從而更高精度地獲取自起始影像時(shí)間到每一景影像獲取時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)地面沉降形變量。

SBAS-InSAR技術(shù)原理為假定在時(shí)間t1,t2,…,tN內(nèi)獲得同一區(qū)域N幅SAR影像，根據(jù)干涉組合條件，在短基線距的條件下形成M幅干涉條紋圖，且有N/2≤M≤N(N-1)/2。對(duì)于任意干涉圖i，在去除平地及地形相位影響后，第x個(gè)像素的干涉相位可表示為[10-11]

δφx,i=φx,i(tB)-φx,i(tA)≈δφdef,x,i+δφε,x,i+δφα,x,i+δφn,x,i,

(1)

式中：δφx,i為干涉圖i(i=1,2,…,M)第x個(gè)像素的干涉相位；tA,tB(tA

(2)

式中：dx,i(tA)和dx,i(tB)分別為第x個(gè)像素對(duì)應(yīng)于tA和tB時(shí)刻的形變量；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；R為斜距；B⊥為垂直基線；△z為DEM高程差；θ為入射角。假定不同干涉圖間的形變速率為vj,j+1，則tA至tB間的累積形變相位可表示為

(3)

對(duì)M幅干涉條紋圖進(jìn)行三維時(shí)空相位解纏即可求出不同SAR獲取時(shí)間的形變速率[12]。此時(shí)，任意2個(gè)時(shí)刻tA至tB間的累積形變可表示為

(4)

式中：vk,k+1表示在tk至tk+1期間的地表平均形變速率；tk和tk+1為tA至tB期間的任意2個(gè)時(shí)刻。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

本文收集了覆蓋大同地區(qū)的40景Envisat ASAR數(shù)據(jù)，Track為2075，F(xiàn)rame為2799，時(shí)間跨度為2003—2010年(表1)。

表1 Envisat ASAR數(shù)據(jù)列表(Track 2075，F(xiàn)rame 2799)Tab.1 Envisat ASAR data list(Track 2075，F(xiàn)rame 2799)

為了獲取可靠的地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，本文選取時(shí)間間隔小于700 d和基線空間垂直分量小于500 m的差分干涉圖進(jìn)行處理；在此基礎(chǔ)上再對(duì)差分干涉圖進(jìn)行篩選，選取97個(gè)具有較高質(zhì)量的差分干涉圖；然后對(duì)其進(jìn)行短基線集時(shí)間序列分析處理。干涉圖基線垂直分量分布網(wǎng)見(jiàn)圖1。

SBAS方法干涉處理時(shí)，采用空間分辨率更高的ASTER GDEM來(lái)去除地形相位。有關(guān)研究[13]認(rèn)為，對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的高相干點(diǎn)，其相位標(biāo)準(zhǔn)差1.0是較合理的值。為此，本文在解算過(guò)程中對(duì)選取的高相干點(diǎn)相位標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，并將相位標(biāo)準(zhǔn)差大于1.0的像素點(diǎn)作為不穩(wěn)定點(diǎn)舍棄。同時(shí)根據(jù)大氣相位的時(shí)空特性對(duì)相干點(diǎn)上的大氣延遲相位進(jìn)行分離，并將分離出的大氣延遲相位從差分干涉圖中去除，最終得到大同盆地2003—2010年時(shí)間序列的形變結(jié)果(圖2)。從圖2可以看出，除大同煤田以外，各相干點(diǎn)的速度標(biāo)準(zhǔn)差均很小，說(shuō)明相干點(diǎn)上的形變速度較為穩(wěn)定，估算形變速度值較可靠。

圖1 SBAS-InSAR基線網(wǎng)Fig.1 Configurations of InSAR pairs used for SBAS processing

圖2 大同盆地InSAR時(shí)間序列形變的年平均速率(左)及其標(biāo)準(zhǔn)差(右)(P1—P1’為垂直斷裂的剖線位置; W1,W2代表地下水位監(jiān)測(cè)井位)Fig.2 Annual average rate(left) of the Datong basin derived from InSAR time series and its standard deviation(right)

2.2 地面沉降結(jié)果分析

從圖2可以看出，大同盆地的主要沉降中心發(fā)生在城北白馬城、城南大同機(jī)車(chē)廠、新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和懷仁縣。除了新經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)沉降中心外，這些沉降中心均為大同市的主要水源地。另外在大同煤田開(kāi)采區(qū)存在不同程度的開(kāi)采沉降。結(jié)果表明，城北白馬城水源地、大同機(jī)車(chē)廠和新經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)沉降中心已成為大同盆地三大主要沉降區(qū)。新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)是1992年由山西省人民政府批準(zhǔn)成立的省級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)，2000年以后大興建設(shè)，并于2010年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，該區(qū)域的地面沉降與城市建設(shè)有較大關(guān)系。

從地面沉降與周?chē)幕顒?dòng)斷裂依附關(guān)系來(lái)看，大同盆地的地面沉降明顯受口泉斷裂和大同-陽(yáng)高斷裂控制，其形變發(fā)生沿?cái)嗔颜共?。圖3是沿圖2中斷裂影響明顯的P1—P1’剖面提取的高程信息。

圖3 口泉斷裂垂直剖線圖Fig.3 Profile line perpendicular to the Kouquan fracture

由圖3可知，形變以海拔1 200 m為界，兩側(cè)存在明顯的差異形變特征。該處正是口泉斷裂的位置，表明該斷裂影響了區(qū)域地面沉降的走向。

圖4為提取的盆地內(nèi)5處典型區(qū)域的形變時(shí)間序列結(jié)果，分別位于白馬鎮(zhèn)、大同機(jī)車(chē)廠、新經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、懷仁縣以及穩(wěn)定參考區(qū)域。從圖4的形變趨勢(shì)來(lái)看，白馬城、大同機(jī)車(chē)廠、新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和懷仁縣在2003—2010年間累計(jì)沉降量分別達(dá)到120 mm，90 mm，65 mm和70 mm，平均年沉降速率分別約為17 mm/a，13 mm/a，9 mm/a和10 mm/a，其中白馬城和機(jī)車(chē)廠沉降嚴(yán)重，而穩(wěn)定參考區(qū)基本穩(wěn)定。從形變趨勢(shì)上分析，白馬城與大同機(jī)車(chē)廠在2003—2010年間形變速率較為穩(wěn)定，呈近線性變化特征；而新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和懷仁縣的地表形變則主要分為3個(gè)階段： 2003年11月—2005年7月期間基本保持穩(wěn)定，2005年7月—2006年11月間形變緩慢，2007年以后形變加速。

圖4 特征點(diǎn)累計(jì)形變時(shí)間序列曲線Fig.4 Accumulation deformation time series curves for feature points

2.3 地面沉降與地下水位關(guān)系分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2006年，大同盆地地下水水量比1977年損失了39%，其主要原因是不合理的農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)用水造成地下水開(kāi)采過(guò)度[14]。

為了對(duì)比大同盆地地下水位開(kāi)采漏斗與地面沉降中心的關(guān)系，本文將2010年地下水位等值線與相應(yīng)地區(qū)的地面沉降分布圖進(jìn)行疊加，如圖5所示。

圖5 2010年地下水開(kāi)采漏斗與地面沉降疊加圖

(左上角為地形灰度圖，范圍為圖2中參考區(qū)域)

Fig.5 Overlay of groundwater mining funnel and ground subsidence in 2010

從圖5可以看出，大同盆地地下水位開(kāi)采漏斗與地面沉降中心在空間分布上具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤其是在城北白馬城水源地及城西十里河水源地，這說(shuō)明地下水開(kāi)采是大同盆地地面沉降產(chǎn)生的主要原因之一。

為了進(jìn)一步分析地面沉降與地下水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文沿圖5中P2—P2’剖面提取2010年的地面沉降值和地下水位值，結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知，二者具有較好的一致性，地下水位漏斗也恰好是沉降中心；但并不是所有的地下水位漏斗都存在地面沉降。如圖5中4個(gè)地下水位漏斗，僅2個(gè)存在明顯的地面沉降。

本文收集了大同盆地2處地下水位觀測(cè)井2008—2010年的地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)。觀測(cè)井位置分布見(jiàn)圖2中W1和W2。為了分析地面沉降與地下水位在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文提取了這2處的地面形變時(shí)間序列結(jié)果。從圖4特征點(diǎn)形變時(shí)間序列也可以看出，大同盆地的地面沉降存在明顯的線性趨勢(shì)形變，因此本文在研究地面沉降與地下水位在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，利用回歸模型對(duì)2008年12月—2010年9月的形變速率進(jìn)行了線性擬合，并從形變時(shí)間序列中去除該線性趨勢(shì)形變。最終對(duì)分離出的地表形變波動(dòng)與地下水位變化在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 水位觀測(cè)井水位變化與地表形變關(guān)系Fig.7 Relationship between groundwater level change and surface deformation fluctuation at the monitoring well

本文采用2008年12月—2010年9月的InSAR數(shù)據(jù)，主要考慮到該時(shí)間段內(nèi)SAR影像獲取密度較大，形成的干涉組合較多，基線垂直分量小(圖1)，因此該時(shí)間段內(nèi)的InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)可靠。圖7也同樣反映了地表形變的波動(dòng)和地下水位的變化具有大致相同的趨勢(shì)。圖7(左)顯示測(cè)井水位具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，而地表形變的波動(dòng)也反映了較強(qiáng)的季節(jié)性變化規(guī)律；而圖7(右)反映的測(cè)井水位變化的季節(jié)性規(guī)律不明顯，但反映出該處水位有回升趨勢(shì)，而地表形變也有回升趨勢(shì)，表明隨著地下水位的回升，地面沉降有減緩趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步分析地面形變隨地下水位波動(dòng)的變化規(guī)律，本文對(duì)水位觀測(cè)井W1和W2的地下水位分別減去初始地下水位1 009.0 m和1 035.6 m，并利用回歸模型對(duì)地下水位波動(dòng)與地表形變進(jìn)行回歸分析，如圖8所示。

圖8 地下水位波動(dòng)與地表形變變化關(guān)系Fig.8 Relationship between groundwater level fluctuation and surface deformation change

由于觀測(cè)井W1的地下水位變化較大，其反映的地面形變隨地下水位波動(dòng)的變化規(guī)律較明顯；而觀測(cè)井W2的地下水位變化較小，其所反映的變化規(guī)律不明顯。

3 結(jié)論

本文利用SBAS時(shí)序分析方法對(duì)大同盆地2003—2010年間的地表形變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了地下水位波動(dòng)與地表形變速率變化之間的關(guān)系，取得如下結(jié)論：

1)大同盆地的主要沉降中心發(fā)生在城北白馬城、城西大同機(jī)車(chē)廠、新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和懷仁縣，其中城北白馬城和城西大同機(jī)車(chē)廠為大同市的水源地，地下水開(kāi)采是其地面沉降發(fā)生的主要原因。

2)地下水位漏斗與地表形變的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系表明二者具有較好的一致性，但并非所有的地下水位漏斗都存在地面沉降。

3)本文通過(guò)對(duì)地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地表形變結(jié)果的分析，建立了地下水位波動(dòng)與地表形變的回歸模型。

4)本文揭示了該地區(qū)地下水位變化與地表形變間的影響規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)地下水開(kāi)采和防治地面沉降具有一定的參考價(jià)值。

需要說(shuō)明的是，研究中用到的SAR數(shù)據(jù)時(shí)間采樣密度還相對(duì)較稀疏，所用地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還偏少，今后還需收集更多的地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、融合多源傳感器SAR數(shù)據(jù)獲取高時(shí)間密度的地表形變信息，對(duì)地下水位變化與地面形變間的影響規(guī)律做更深入的研究。

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(責(zé)任編輯： 邢宇)

Study of land subsidence and groundwater activity using SBAS time-series analysis

YANG Chengsheng, LIU Yuanyuan, AO Meng

(CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China)

The Datong Basin located at the northern end of the Fenwei Basin is a serious land subsidence area. The groundwater exploitation is an important factor responsible for the land subsidence. However, the study of the correlation between the groundwater activities and the land subsidence in this area is very insufficient. In order to investigated the relationship between the groundwater and the land subsidence, the authors monitored the characteristics of Datong land subsidence deformation by using small baseline subset(SBAS) InSAR technique with Envisat ASAR images. At the same time, the corresponding spatial-temporal relations between the ground subsidence center and the groundwater funnel were studied. Two models illustrating relationships between the ground subsidence and the groundwater funnel were built. The research shows that underground water exploitation is a major factor responsible for land subsidence in Datong; nevertheless, not all the underground water exploitation can cause land subsidence. This study has a good reference value for guiding the production and control of the underground water exploitation and land subsidence.

small baseline subset(SBAS); ground subsidence; InSAR; Datong; groundwater exploitation

2013-12-17；

2014-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)： 41304016，41274004，41372375及41274005)、地震專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(編號(hào)： 201208009)、國(guó)家“973計(jì)劃”項(xiàng)目(編號(hào)： 2014CB744703)及陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(編號(hào)： 2014JQ5185)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.20

楊成生,劉媛媛,敖萌.基于SBAS時(shí)序分析的大同地面沉降與地下水活動(dòng)研究[J].國(guó)土資源遙感,2015,27(1):127-132.(Yang C S,Liu Y Y,Ao M.Study of land subsidence and groundwater activity using SBAS time-series analysis[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1):127-132.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0127-06

楊成生(1982-)，男，博士，主要從事InSAR地面沉降等研究。 Email： ycsgps@163.com。