劉有才（河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，河北·石家莊 050021）

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河北省海岸帶地面沉降現(xiàn)狀及形成機(jī)理研究

劉有才
（河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，河北·石家莊 050021）

摘 要：河北省沿海地區(qū)位于華北平原與渤海的交會(huì)地帶，是一個(gè)人口聚集、生態(tài)環(huán)境脆弱、開(kāi)發(fā)程度較高的地區(qū)，存在著較為嚴(yán)重的地面沉降災(zāi)害，對(duì)沿海地區(qū)人民生活、城市建設(shè)和社會(huì)發(fā)展造成了不利影響。本文通過(guò)InSAR監(jiān)測(cè)及二等水準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合的方式來(lái)研究河北省沿海地區(qū)地面沉降狀況，分析影響海岸帶InSAR提取形變精度的誤差源及其校正方法，獲取大比例尺高精度海岸帶形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上分析研究河北省海岸帶地面沉降的原因，為工程建設(shè)、區(qū)域規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：地面沉降；沉降監(jiān)測(cè)；機(jī)理研究；InSAR技術(shù)；海岸帶地區(qū)

隨著經(jīng)濟(jì)和人口城市化的發(fā)展，地面沉降及其所造成的環(huán)境災(zāi)害已十分嚴(yán)重，其造成的損失是綜合的，危害是長(zhǎng)期的，其危害程度也是逐年增加的。在沿海地區(qū)，地面沉降加大了海水入侵、倒灌和內(nèi)澇積水的危害，引起堤壩下沉、河道淤積、防洪能力大減，還導(dǎo)致工業(yè)民用建筑物破壞、地下管道斷裂，水準(zhǔn)測(cè)量高程基準(zhǔn)網(wǎng)失效、社會(huì)安定等一系列經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)問(wèn)題[1]，我國(guó)每年由此造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億元[2]。河北省是一個(gè)沿海大省，地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重，圍填海工程如火如荼，由此引發(fā)的地面沉降也愈演愈烈，開(kāi)展河北省沿海地區(qū)沉降監(jiān)測(cè)和研究具有重要意義。

據(jù)相關(guān)資料，至2012年河北平原累計(jì)地面沉降量大于300mm的面積為4.49×104km2，占全省平原區(qū)面積的61.35%，主要分布在中東部地區(qū)。目前河北平原不同區(qū)域的沉降中心仍在持續(xù)發(fā)展，沉降量增大，沉降范圍擴(kuò)展。至2012年河北平原共形成14個(gè)沉降漏斗，其中中部及濱海平原區(qū)地面沉降漏斗分布較多，呈串珠狀分布，并有連成一片的趨勢(shì)[3～6]，山前平原地區(qū)分布較少，中部及濱海平原共形成了滄州市沉降區(qū)、任丘沉降區(qū)、肅寧沉降區(qū)、河間沉降區(qū)、獻(xiàn)縣沉降區(qū)、東光沉降區(qū)、衡水沉降區(qū)、南宮沉降區(qū)、平鄉(xiāng)沉降區(qū)、豐南沉降區(qū)、唐海沉降區(qū)、廊坊沉降區(qū)12個(gè)沉降中心，其中唐海沉降區(qū)位于河北省沿海地區(qū)。

1　工作方法

利用InSAR與二等水準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合的方式，開(kāi)展地面沉降研究。研究精度的關(guān)鍵是InSAR解譯精度，因此從幾何定位精度、SAR基線分布、干涉配準(zhǔn)RMS精度評(píng)價(jià)、時(shí)序分析精度評(píng)價(jià)幾個(gè)方面對(duì)收集的原始SAR數(shù)據(jù)及其成像和干涉處理質(zhì)量進(jìn)行分析，并將處理的結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量、歷史沉降資料進(jìn)行對(duì)比研究，從而取得InSAR監(jiān)測(cè)成果；同時(shí)充分搜集地下水開(kāi)采、水位動(dòng)態(tài)、地層物理力學(xué)性質(zhì)等數(shù)據(jù)，分析地面沉降機(jī)理。

本研究共采集了5種衛(wèi)星282景SAR數(shù)據(jù)，獲取了1992～2013年SAR數(shù)據(jù)覆蓋時(shí)間段內(nèi)滄州及唐山沿海大范圍、高密度地面形變InSAR觀測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析了1997年以來(lái)區(qū)內(nèi)已有的地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，較為全面和系統(tǒng)地從時(shí)間和空間兩種尺度上刻畫(huà)了上述地區(qū)的地面沉降特征。

1.1 InSAR數(shù)據(jù)處理方法

高分辨率InSAR數(shù)據(jù)處理對(duì)硬件配置及存儲(chǔ)空間要求很高，InSAR數(shù)據(jù)處理使用高性能大容量存儲(chǔ)服務(wù)器。InSAR數(shù)據(jù)處理采用美國(guó)航空航天局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）和加州理工大學(xué)（Caltech）聯(lián)合研制的國(guó)際先進(jìn)雷達(dá)處理軟件ROI_PAC，時(shí)序分析采用中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所自主開(kāi)發(fā)的FRAM-SBAS軟件。

InSAR數(shù)據(jù)處理主要包括基本差分干涉處理和時(shí)序分析兩部分[7]?；静罘指缮嫣幚聿捎玫腞OI_PAC軟件，具有SAR成像、干涉圖像生成、相位解纏、基線（衛(wèi)星之間距離）提取和優(yōu)化、地表形變量提取等多種功能。時(shí)序分析采用FRAM-SBAS軟件進(jìn)行，用于消除DEM、衛(wèi)星軌道等誤差，估算大氣影響、提取精密的地表形變平均速率和時(shí)間序列。

1.2 處理精度分析

（1）幾何定位精度

在經(jīng)過(guò)地理編碼以后的SAR圖像上，選取易識(shí)別的特征點(diǎn)（地面構(gòu)筑物對(duì)應(yīng)強(qiáng)散射點(diǎn)，水系交匯處附近的點(diǎn)等），通過(guò)與獲取的地理編碼高分辨率光學(xué)圖像（資源三號(hào)衛(wèi)星2.1m全色）手工選取同名點(diǎn)作為控制點(diǎn)（4～10個(gè)）配準(zhǔn)并校正（一次或二次項(xiàng)校正），再通過(guò)配準(zhǔn)多項(xiàng)式反算未校正前SAR圖像上的各點(diǎn)的相對(duì)偏移量并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖1中可以看出項(xiàng)目中幾種衛(wèi)星數(shù)據(jù)的定位精度TERRASAR-X的定位精度最高，達(dá)到了10m×12m，像元之間的相對(duì)定位精度在1m以?xún)?nèi)。ENVISAT衛(wèi)星的定位精度次之，定位精度達(dá)到45m×30m，像元之間的相對(duì)定位精度在2m以?xún)?nèi)；而JERS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的定位達(dá)到了38m×50m，相對(duì)定位精度為3m。

圖1　SAR圖像幾何精度估計(jì)Fig.1 The geometrical accuracy of estimation of SAR image

（2）時(shí)序干涉網(wǎng)絡(luò)控制

為降低InSAR過(guò)程中大氣延遲誤差[8]、地形誤差、孤島誤差等，采用了最優(yōu)冗余短基線集的方法[9,10]，最優(yōu)的干涉圖集合才能保證后續(xù)的InSAR時(shí)序分析結(jié)果的精確[11]。

（3）干涉配準(zhǔn)RMS精度評(píng)價(jià)

對(duì)幾種衛(wèi)星數(shù)據(jù)的影像配準(zhǔn)精度進(jìn)行評(píng)估，配準(zhǔn)的精度只有達(dá)到亞像元級(jí)（1/8像元之內(nèi)）才能保證干涉圖高質(zhì)量，幾種衛(wèi)星的配準(zhǔn)精度均在1/15個(gè)像元左右，滿(mǎn)足InSAR的精度要求。

（4）時(shí)序分析精度評(píng)價(jià)

在時(shí)序分析過(guò)程中，控制每個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量，在時(shí)序分析中將對(duì)相干點(diǎn)的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，采用計(jì)算干涉解纏觀測(cè)相位和計(jì)算相位之間的平方根（RMS），通過(guò)評(píng)估RMS值來(lái)對(duì)整體形變解算質(zhì)量進(jìn)行精度評(píng)估。

（5）雷達(dá)波長(zhǎng)對(duì)結(jié)果精度的影響

雷達(dá)載波頻率或者波長(zhǎng)也必須進(jìn)行考慮。長(zhǎng)波長(zhǎng)對(duì)單個(gè)反射體間的相對(duì)距離變化是較不敏感的，因此長(zhǎng)波長(zhǎng)系統(tǒng)可以提供比短波長(zhǎng)更佳的像元間的相干性。另外，雷達(dá)信號(hào)在介質(zhì)中的穿透性都依賴(lài)于觀測(cè)地表和波長(zhǎng)。穿透的深度一般會(huì)隨著波長(zhǎng)的增加而增加，這就意味著在低頻率（L，P），波的穿透力會(huì)比高頻波（C，X）要高。需要強(qiáng)調(diào)的是根據(jù)觀測(cè)地形的幾何和電介質(zhì)參數(shù)，合適的波長(zhǎng)是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素用于提高PS點(diǎn)的密度。

（6）雷達(dá)分辨率對(duì)結(jié)果精度的影響

雷達(dá)影像的分辨率是另外一個(gè)需要考慮的參數(shù)。時(shí)間和空間去相干對(duì)高分辨率數(shù)據(jù)的影響比較小。因?yàn)榻档土讼裨拇笮?，在一個(gè)像元內(nèi)單個(gè)反射體的數(shù)量也會(huì)下降。特別是在城市地區(qū)，探測(cè)得到的反射體相互之間的距離非常短。像元點(diǎn)成為PS點(diǎn)的幾率會(huì)變得更高，因?yàn)楫?dāng)提高像元的分辨率，每一個(gè)點(diǎn)中主要的散射體在散射體集中更加占主導(dǎo)地位的幾率會(huì)更大。在考慮高分辨率數(shù)據(jù)時(shí)，只有一個(gè)像元受到了地面目標(biāo)的污染，而其他像元都保持了相位反射特性。這就意味著，相干性得到了保留，可以繼續(xù)后面的相位測(cè)量處理。

（7）不同Track同一點(diǎn)的形變的回歸分析

同時(shí)項(xiàng)目組還利用對(duì)不同Track的SAR數(shù)據(jù)處理得到同一位置近似或相同時(shí)間段的形變量進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，將每個(gè)Track的LOS方向的形變結(jié)果投影到垂直方向，利用回歸分析的方法對(duì)不同的Track的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在唐山地區(qū)的Track404 和 Track268結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在垂直方向上形變速率對(duì)比差值的平均值在5mm/a以下，兩者之間相關(guān)系數(shù)為0.85。

1.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量成果對(duì)比

水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為測(cè)量的重要數(shù)據(jù)，對(duì)于與InSAR作出的沉降結(jié)果的比對(duì)有重要意義，項(xiàng)目組將獲取的水準(zhǔn)資料電子化（Excel格式）并在此基礎(chǔ)上將其矢量化為點(diǎn)文件（shp格式）。

滄州沿海共有46個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)在數(shù)據(jù)處理范圍內(nèi)，時(shí)間2006～2013年。唐山沿海共有62個(gè)，時(shí)間從2005到2012年。

本次工作利用InSAR資料求取的年沉降量與水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)年沉降量比較，兩觀測(cè)數(shù)據(jù)重合時(shí)間段集中在2008～2012年，因此本項(xiàng)目對(duì)期間各年的InSAR（其中2011年InSAR結(jié)果部分通過(guò)外推+內(nèi)插獲?。┡c水準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，在水準(zhǔn)點(diǎn)位分布密集、趨勢(shì)明顯的區(qū)域，對(duì)比精度較高。顧及到兩者數(shù)據(jù)在空間上位置偏差以及插值等誤差影響，InSAR監(jiān)測(cè)形變量與同時(shí)段水準(zhǔn)結(jié)果具有很好的一致性。對(duì)于兩種監(jiān)測(cè)手段差異點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)存在地下水過(guò)量開(kāi)采等人為因素導(dǎo)致InSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)異常的現(xiàn)象，在分析過(guò)程中對(duì)InSAR監(jiān)測(cè)異常點(diǎn)進(jìn)行了校正或剔除。

1.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與歷史沉降監(jiān)測(cè)資料的比對(duì)

與滄州地區(qū)2007～2008年沉降速率圖對(duì)比：用本次監(jiān)測(cè)滄州工作區(qū)對(duì)滄州地圖進(jìn)行裁剪，再對(duì)裁剪后部分進(jìn)行矢量化與面積統(tǒng)計(jì)；對(duì)本次監(jiān)測(cè)得到的2005～2006、2008～2009年平均沉降速率圖進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。對(duì)這三年的沉降速率圖選取特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，得到的結(jié)果如表2所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，InSAR測(cè)量的沉降速率結(jié)果與歷史沉降速率具有較好的一致性。

2　監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1 滄州沿海

表1　沉降速率分區(qū)面積對(duì)比Table 1 The sedimentation rate comparison partition area

表2　特征點(diǎn)沉降速率對(duì)比Table 2 The compare feature points sedimentation rate

1992～1998年地面沉降速率最大區(qū)域位于黃驊市黃驊鎮(zhèn)，沉降中心區(qū)沉降速率超過(guò)40mm/a，而2003年之后的監(jiān)測(cè)顯示黃驊市城區(qū)沉降速率穩(wěn)定在10～20mm/a，較九十年代已明顯減緩；而滄州海岸帶2003～2013年沉降速率較大區(qū)域則位于中捷農(nóng)場(chǎng)生活區(qū)及臨港工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，最大沉降速率超過(guò)40mm/a，且沉降速率超過(guò)20mm/a的區(qū)域持續(xù)向東擴(kuò)展，擴(kuò)張最快階段為2005～2007年，海興縣城沉降速率在2010年后有增大趨勢(shì)，從原有的20mm/a增大到30mm/a量級(jí)。根據(jù)二等水準(zhǔn)測(cè)量及InSAR解譯成果分析，滄州沿海地區(qū)存在兩個(gè)沉降中心，一是滄州中捷農(nóng)場(chǎng)主城區(qū)，二是滄州臨港開(kāi)發(fā)區(qū)（六分場(chǎng)十八隊(duì)—老盤(pán)莊—小司莊一帶）。至2010年，滄州沿海臨港工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)沉降中心區(qū)速率達(dá)30mm/a以上，而沉降速率20～30mm/a的區(qū)域也不斷向東擴(kuò)展接近海岸方向，和南排河鎮(zhèn)沿海岸線一帶的老沉降區(qū)域連接。

2.2 唐山沿海

唐山工作區(qū)內(nèi)主要沉降區(qū)地面沉降速率在每一年內(nèi)均呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。1996～1998年地面沉降速率最大區(qū)域有兩個(gè)：一個(gè)位于黑沿子鎮(zhèn)至澗河一帶，一個(gè)位于古河鄉(xiāng)南至柳贊鎮(zhèn)東一帶。2003～2010年的InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示這兩區(qū)域仍為沉降中心，其中黑沿子鎮(zhèn)以西的沉降帶向東北方向擴(kuò)展至濱海鎮(zhèn)（南堡經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)），古河鄉(xiāng)至柳贊鎮(zhèn)一帶的沉降區(qū)域向馬頭營(yíng)鎮(zhèn)擴(kuò)展，但最大沉降速率有所下降，兩個(gè)沉降帶部分區(qū)域最大沉降速率超過(guò)30mm/a。

2012～2013年，曹妃甸工業(yè)區(qū)地面沉降量以20～30mm/a為主，唐?？h沉降速率小于10mm/a，曹妃甸西北部地區(qū)地面沉降速率大于30mm/a。曹妃甸工業(yè)區(qū)內(nèi)S262省道（通島路）以西沉降速率超過(guò)20mm/a，其中港區(qū)油罐區(qū)20～30mm/a，中山路南段鋼石路以北局部地段超過(guò)30mm/a，而S262以東沉降速率較小，為10～20mm/a；曹妃甸區(qū)濱海鎮(zhèn)以東—唐海鎮(zhèn)以西從十一分場(chǎng)至七分場(chǎng)村存在一個(gè)面積超過(guò)50km2的近南北向的沉降帶，沉降速率超過(guò)30mm/a，且沉降范圍正向東擴(kuò)展（圖2）。

圖2　2012～2013年曹妃甸地區(qū)地面沉降速率分區(qū)圖Fig.2 The rate partition of land subsidence in Caofeidian (2012～2013)

3　影響因素分析

引起地面沉降的因素可以分為自然因素以及人為因素，自然因素包括構(gòu)造活動(dòng)、軟弱土層的自重壓密固結(jié)、海平面上升等，人為因素包括過(guò)量開(kāi)采地下水、地下熱水及油氣資源等。據(jù)地震分析數(shù)據(jù)，本區(qū)由于構(gòu)造活動(dòng)引起的地面沉降速率僅為1～3mm/a。因此，人為因素尤其是深層地下水超量開(kāi)采是導(dǎo)致地面沉降的主要原因。地面沉降的發(fā)生取決于兩方面因素，一是引發(fā)地面沉降的動(dòng)因，地層系統(tǒng)內(nèi)的液態(tài)動(dòng)力場(chǎng)的變化；二是質(zhì)因，地層系統(tǒng)包含大量塑性黏土層，且多與砂層互層。二者綜合作用，致使地層中水動(dòng)力系統(tǒng)媒介抽空透氣，固體介質(zhì)巖土結(jié)構(gòu)內(nèi)部在外荷力作用下，發(fā)生被動(dòng)性位移變化，黏性土地層厚度變薄，由此出現(xiàn)地面沉降?，F(xiàn)就本區(qū)地面沉降主要成因分析如下：

3.1 超采地下水

地面沉降伴隨著地下水的開(kāi)采而產(chǎn)生，地面沉降速率和發(fā)展趨勢(shì)隨地下水位變化而變化，伴隨著開(kāi)采量增加而發(fā)展，又伴隨著開(kāi)采量減少而減緩，地面沉降的漏斗與地下水位下降漏斗基本一致，引起地面沉降的層位與各含水組的開(kāi)采量相對(duì)應(yīng)[12,13]。因此，超量開(kāi)采地下水是引起地面沉降的主要原因。

沿海地區(qū)沉積物顆粒較細(xì)，以第二三含水層組、部分地區(qū)為第四含水層組為主要開(kāi)采層。由于大量開(kāi)采深層地下水，引起孔隙水壓力降低和有效應(yīng)力增大，致使含水層被壓縮，顆粒接觸面積增大，孔隙度減小并釋水，產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)含水層中的水壓恢復(fù)后，骨架復(fù)原，含水層的儲(chǔ)容水量亦能復(fù)原，只形成暫時(shí)性地面沉降，含水系統(tǒng)的供水能力可以得到恢復(fù)，其沉降量小，一般相當(dāng)黏性土壓縮率的15%，沉降反應(yīng)快。但黏性土層孔隙度大、孔隙微小，內(nèi)含結(jié)合水。大量開(kāi)采地下水，使含水層水頭大幅下降，當(dāng)含水量水層與黏粘性土層之間的水頭差足以克服水與顆粒間的結(jié)合力時(shí)，水便從黏性土層中排出。釋水時(shí)孔隙壓縮，使黏土礦物顆粒接觸面積增大，顆粒間發(fā)生相對(duì)位移，孔隙結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生塑性形變。當(dāng)含水層中水壓恢復(fù)后，只能使黏性土層被壓縮的孔隙中水壓增高，而不能使孔隙度和儲(chǔ)水容量恢復(fù)到初始狀態(tài)，形成永久性地面沉降。

本區(qū)地面地面沉降的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程與地下水的開(kāi)采過(guò)程基本保持一致或滯后一個(gè)時(shí)段。地面沉降量與地下水水位下降幅度呈高度正相關(guān)，其分布范圍與地下水水位下降漏斗基本一致[14～16]，唐山沿海地區(qū)地面沉降趨勢(shì)與地下水漏斗的相似性也證明了這一點(diǎn)。地面沉降的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程是含水層排水后孔隙水壓力發(fā)生變化，相鄰黏性土層多為欠固結(jié)巖層，由于水的頂托壓力下降，在上覆土層的自重壓力下，排水固結(jié)是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程。所以地面沉降滯后水位下降。當(dāng)開(kāi)采和補(bǔ)給能夠趨向平衡時(shí)，開(kāi)采層和弱透水層水位將先后趨于穩(wěn)定，黏性土壓密釋水趨向緩和。在開(kāi)采水位先期穩(wěn)定時(shí)，地面沉降仍在繼續(xù)，但隨著時(shí)間的推移，地面沉降也將趨緩。

3.2 地表荷載

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅猛發(fā)展，舊區(qū)改造、新居住區(qū)成片開(kāi)發(fā)，大量高層、超高層建筑不斷興建，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，交通運(yùn)輸線路越來(lái)越密集，使得地表荷載加重，工程建設(shè)的地面沉降效應(yīng)逐漸凸顯，成為近年來(lái)新的沉降制約因素之一。高層建筑群造成的城區(qū)地面沉降的特點(diǎn)是距建筑物一倍基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)的地面沉降速率大于建筑物本身的沉降速率，尤以相鄰建筑之間中心城區(qū)地表的沉降量最大。密集高層建筑群之間地表存在明顯的應(yīng)力迭加效應(yīng)，并使沉降量超過(guò)容許值，從而帶來(lái)不穩(wěn)定因素[17]。

3.3 構(gòu)造活動(dòng)

華北平原自古近紀(jì)始新世以來(lái)一直為持續(xù)沉降區(qū)，第四紀(jì)隆起區(qū)平均沉降速率0.23～0.54mm/a，同時(shí)強(qiáng)烈地震也引起了地殼快速形變，造成地面升降異常。據(jù)國(guó)家地震局地形變測(cè)量大隊(duì)的資料，華北平原最大構(gòu)造沉降在沿海地區(qū)為2.5mm/a，最小構(gòu)造沉降在山前為1.7mm/a。根據(jù)本區(qū)地層厚度和沉積年代資料、歷史水準(zhǔn)點(diǎn)沉降資料和區(qū)域地形變資料推算，華北平原東部沉降區(qū)構(gòu)造活動(dòng)造成的地面沉降速率在1.3～2.0mm/a左右。

3.4 軟弱土層物理力學(xué)特性

濱海地區(qū)廣泛分布有淺海相、濱海相、瀉湖相軟弱土層，軟土的壓縮固結(jié)是產(chǎn)生地面沉降的一個(gè)重要因素[18]。它的力學(xué)特征是含水量高、壓縮性高、孔隙比大、天然容重低、強(qiáng)度低，屬于欠固結(jié)地層，不僅會(huì)自然壓密，而且在荷載長(zhǎng)期作用下容易產(chǎn)生次固結(jié)變形。據(jù)觀測(cè)資料，此類(lèi)軟土層壓縮所引起的沉降占總沉降量的50%～60%，其壓縮沉降量為10～20mm/a，這是濱海地區(qū)地面沉降的一個(gè)主要因素。

3.5 開(kāi)采液體礦產(chǎn)

本區(qū)地?zé)峋饕植荚诓苠楣I(yè)區(qū)、柳贊鎮(zhèn)及唐山市樂(lè)亭縣馬頭營(yíng)鎮(zhèn)，地?zé)豳Y源豐富，地?zé)崴饕猛緸楣┡Ｐ陆凳潜緟^(qū)礦泉水和地?zé)崴闹饕a(chǎn)出層，屬于承壓水，底界埋深1350～2080m。本區(qū)引起地面沉降的主要原因?yàn)檫^(guò)量開(kāi)采第四系地下水造成，本區(qū)地?zé)崴∷沃饕獮樾陆叼^陶組孔隙熱儲(chǔ)，地層以砂巖為主，結(jié)構(gòu)致密，處于半膠結(jié)狀態(tài)，開(kāi)采地下熱水短期內(nèi)引發(fā)的地面沉降量較小，對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響輕微。

冀東油田、大港油田年產(chǎn)原油1212萬(wàn)噸，天然氣7.7億立方米。根據(jù)大港油田的有關(guān)資料，2500m以下普遍出現(xiàn)了欠壓密地層，黃驊凹陷中最大異常地層壓力系數(shù)為1.552，發(fā)現(xiàn)于3702.7m處沙河街組地層中。古近系是本區(qū)石油、天然氣的主要聚集層，底界埋深1480～3300m。當(dāng)油氣開(kāi)發(fā)后，必將使流體壓力降低，固體顆粒的有效應(yīng)力增加，使泥巖進(jìn)一步固結(jié)壓密，從而引起地面沉降。本區(qū)石油開(kāi)采后均通過(guò)注水方式緩解沉降進(jìn)一步發(fā)展，石油開(kāi)采區(qū)未引起大范圍沉降，但在油區(qū)石油天然氣的開(kāi)采也是引起地面沉降不可忽略的因素之一。地下流體的產(chǎn)出經(jīng)常與儲(chǔ)層巖體的壓縮相關(guān)聯(lián)，這種壓縮通過(guò)上覆地層可以到達(dá)地表。

4　結(jié)論

（1）為控制InSAR解譯精度，從幾何定位精度、SAR基線分布、干涉配準(zhǔn)RMS精度評(píng)價(jià)、時(shí)序分析精度評(píng)價(jià)幾個(gè)方面對(duì)收集的原始SAR數(shù)據(jù)及其成像和干涉處理質(zhì)量進(jìn)行分析，極大地提高了數(shù)據(jù)的精度。

（2）河北省沿海沉降速率較大區(qū)域位于中捷農(nóng)場(chǎng)生活區(qū)及臨港工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，最大沉降速率超過(guò)40mm/a，且沉降速率超過(guò)20mm/a的區(qū)域持續(xù)向東擴(kuò)展。唐山市黑沿子鎮(zhèn)以西的沉降帶逐步向東北方向擴(kuò)展至濱海鎮(zhèn)，古河鄉(xiāng)至柳贊鎮(zhèn)一帶的沉降區(qū)域向馬頭營(yíng)擴(kuò)展，近年來(lái)沉降速率有所下降，但兩個(gè)沉降帶區(qū)域最大沉降速率仍超過(guò)30mm/a，地下水開(kāi)采、軟弱土壓密是本區(qū)發(fā)生地面沉降的主要原因。

（3）通過(guò)InSAR、二等水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)面結(jié)合的方式開(kāi)展地面沉降監(jiān)測(cè)，既發(fā)揮了InSAR技術(shù)具有的面測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，又通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量精度控制有效減少了InSAR雷達(dá)干涉誤差，使InSAR監(jiān)測(cè)能夠較客觀地反應(yīng)工作區(qū)的實(shí)際情況，從而實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和空間兩種尺度上展現(xiàn)了工作區(qū)的地面沉降特征，可在地面沉降監(jiān)測(cè)研究中推廣。

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The current situation of land subsidence and its formation mechanism in the Hebei coastal province

LIU You-Cai
(Hydrology and Engineering Geology Surνey Institute,Hebei Proνince Geology and Mineral Exploration Bureau,Hebei Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:The coastal areas of the Hebei province are located at the intersection of the North China Plain and the Bohai Sea,which is a densely populated and fragile ecological environment with a high development rate.This province is currently facing a serious land subsidence disaster,which has a negative impact on the local living standards,urban construction efforts and social development.In this paper,we investigated the land subsidence in coastal areas of the Hebei province by means of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) and II-grade level measurement.We also analyzed the error sources and their correction methods.The results were obtained from large-scale precision coastal zone deformation monitoring.Accordingly,we determined the reasons controlling land subsidence in the coastal zone of the Hebei province,which serve as a technical reference for engineering construction,regional planning,disaster prevention and reduction.

Key words:land subsidence;deformation monitoring;mechanism research;InSAR technique;coastal zone

基金項(xiàng)目:中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“河北省海岸帶地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)與防治對(duì)策”(2013995454)

作者簡(jiǎn)介:劉有才(1981-),男,碩士,工程師,主要從事環(huán)境地質(zhì)研究.

修訂日期:2015-12-30

收稿日期:2015-12-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.016

中圖分類(lèi)號(hào)：P642.26

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1329(2016)01-0069-05

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聯(lián)系電話:0311-86109768