李　曼　葛大慶　張　玲　劉　斌　郭小方　王　艷

(中國國土資源航空物探遙感中心　北京　100083)

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基于PSInSAR技術的唐山南部沿海地區(qū)地面沉降研究*

李曼葛大慶張玲劉斌郭小方王艷

(中國國土資源航空物探遙感中心北京100083)

唐山南部沿海地區(qū)是唐山市地面沉降災害較嚴重的地區(qū)，地面沉降的快速發(fā)展對唐山世界級重化工業(yè)基地的功能發(fā)揮構成嚴重威脅，全面了解唐山南部沿海地區(qū)地面沉降的分布演化態(tài)勢及其發(fā)育主導因素至關重要?；谥懈叻直媛世走_數(shù)據(jù)，采用PSInSAR技術獲取唐山南部沿海地區(qū)地面沉降場的分布及演化信息，可以發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)的區(qū)域地面沉降漏斗與地下水位下降漏斗具有良好的對應關系，且沉降區(qū)范圍沿區(qū)內(nèi)基底斷裂帶一側(cè)展布。但在曹妃甸工業(yè)區(qū)，地面沉降特征與過量開采地下水引起的地面沉降特征有所不同，地面沉降區(qū)呈點狀、斑狀分布，沉降區(qū)范圍較小，沉降中心的沉降梯度大。據(jù)調(diào)查，特殊的地質(zhì)環(huán)境是該區(qū)地面沉降發(fā)育的基礎條件，地下水超采、大規(guī)模工程擾動是誘發(fā)和加劇地面沉降的外在動力。

PSInSAR技術地面沉降漏斗地下水降落漏斗地下水超采工程擾動

0　引　言

唐山是環(huán)渤海經(jīng)濟圈中的一個重要沿海城市，在加快經(jīng)濟發(fā)展帶逐步向南部沿海遷移的過程中，唐山南部沿海地區(qū)城市化規(guī)模不斷擴大，地下水開采量逐年增加，導致地面沉降災害頻發(fā)。同時，隨著唐山沿海地區(qū)城市化進程加快，尤其是曹妃甸工業(yè)區(qū)港口物流、鋼鐵、化工、裝備制造以及高新技術等產(chǎn)業(yè)聚集性的集中開工，造成這一地區(qū)地面沉降的發(fā)育進一步加劇，主要集中于淺部工程活動相對頻繁和集中的地層中(劉杜鵑，2004)。地面沉降已經(jīng)造成唐山南部沿海地區(qū)內(nèi)澇加重、河道防洪能力減弱、橋梁凈空降低、線性工程功能失效以及建筑物開裂等諸多社會經(jīng)濟損失。

唐山南部沿海地區(qū)地面沉降最早出現(xiàn)在20世紀80年代初，主要是由開采地下水引起的。隨著地下水的長期超量開采，地下水降落漏斗形成且影響范圍逐步擴大，相應地地面沉降也隨之加劇。據(jù)以往資料，唐山南部沿海地區(qū)地面沉降主要分布在天津與唐山交界的漢沽區(qū)、唐山南堡開發(fā)區(qū)、曹妃甸區(qū)以及樂亭縣南部一帶。1983～2005年，地面沉降面積達5601km2，其中沉降速率超過20mm·a-1的面積為1123km2。至2013年，唐山南部沿海地面沉降量大于1000mm的沉降面積為23.56km2，500～1000mm的沉降面積為506.21km2，300～500mm的沉降面積達577.32km2，沉降較嚴重區(qū)域集中在黑沿子、南堡開發(fā)區(qū)(肖震，2014)。但曹妃甸工業(yè)區(qū)淺層地下水為咸水，中深層地下水雖為淡水，但含水層富水性和透水性極差基本不具備開采條件，其規(guī)劃是通過從后方陸域調(diào)水、海水淡化以及大力推廣中水回用解決水源問題(陶志剛，2007；王丹，2007)，因而，曹妃甸工業(yè)區(qū)地面沉降的發(fā)生主要由大規(guī)模開發(fā)建設、工程活動導致，但該地區(qū)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)少(肖震，2014)，地面沉降分布及發(fā)育特征尚不清楚。

目前，唐山南部沿海地區(qū)的地面沉降主要是通過水準測量、分層標和GPS標石等點上的數(shù)據(jù)獲得。水準測量往往需要數(shù)月的觀測時間，獲得的是一段時間內(nèi)的地面沉降量或沉降速率，監(jiān)測結果時間不一致；分層標和GPS標石的監(jiān)測精度高，并能為地面沉降提供連續(xù)、實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，但監(jiān)測點密度小，總之，這些傳統(tǒng)監(jiān)測手段都很難準確定義區(qū)域地面沉降的范圍、演變特征以及沉降中心的形變幅度(李琳等，2008；宮輝力等，2009；闞連合等，2009)。隨著空間對地觀測技術的發(fā)展，合成孔徑雷達差分干涉測量(D-InSAR)技術以其全天候、大范圍、高精度、監(jiān)測時間頻率高、監(jiān)測網(wǎng)絡密度大等特點成功應用于地面沉降監(jiān)測中。永久散射體差分干涉測量技術(Permannent Scatterer Interferometry，PSInSAR)，是在傳統(tǒng)D-InSAR技術基礎上發(fā)展起來的，通過選取散射特性和相位信息都較為穩(wěn)定的地面目標點提取地表的形變信息，這種方法能有效降低時間、空間去相干以及大氣效應延遲等因素引起的誤差(葛大慶等，2007；柴波等，2012；雷坤超等，2014)，進而提高形變信息提取的精度，是調(diào)查和監(jiān)測區(qū)域性地面沉降問題的一種有效方法。

為準確掌握近幾年唐山南部沿海地區(qū)地面沉降的分布及動態(tài)演化特征，本文利用中、高分辨率雷達數(shù)據(jù)，采用PSInSAR技術獲取2010～2014年間唐山南部沿海地區(qū)的地面沉降時空分布特征。同時，綜合唐山南部沿海地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景資料、地下水開采狀況、人類工程活動擾動程度和PSInSAR技術測量結果，詳細分析唐山沿海地區(qū)地面沉降的主控因素，對該區(qū)地面沉降成因機制進行初探，并為防治該區(qū)地面沉降的進一步發(fā)展提供基礎資料。

1　研究區(qū)概況

1.1自然地理及地質(zhì)概況

唐山沿海地處唐山南部濱海平原，地勢低平，海拔0～36m。主要包括豐南區(qū)、曹妃甸區(qū)、灤南縣、樂亭縣4縣(區(qū))和南堡經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、曹妃甸工業(yè)區(qū)兩個工業(yè)區(qū)，面積約4980km2(圖1)(陶志剛，2007)。唐山南部沿海平原，在河流、海洋動力的共同作用下，地貌單元呈現(xiàn)出陸地、灘涂和淺海的分帶特征，其上沉積了巨厚的第四系地層，厚度由北往南逐漸增厚，北部山前厚度為數(shù)十米，往南至曹妃甸一帶厚度高達420m左右，主要由一套沖洪積相、河湖積相沉積物組成，以粉土、粉質(zhì)黏土、粉細砂為主，夾有淤泥層或海相層，土質(zhì)疏松，承載力較低。

圖1　唐山南部沿海平原地理位置分布概況Fig.1　The geography location overview of coastal plain in Southern Tangshan

在大地構造單元上，唐山南部沿海位于冀渤塊陷內(nèi)，斷塊活動受東西向、北東(或北北東向)和北西向3組斷裂控制，形成了區(qū)內(nèi)隆起與坳陷相間分布的構造格局，目前已探明寧河—昌黎斷裂、薊運河斷裂、柏各莊斷裂和高柳斷裂均為活動斷裂，西南莊斷裂也存在活動跡象(柴波等，2012)，其中，寧河—昌黎斷裂、薊運河斷裂為基底斷裂，且都為斷陷與隆起的邊界斷裂。寧河—昌黎斷裂產(chǎn)生于前震旦紀，斷裂活動強烈，在第三紀時，東南盤強烈下沉并形成厚達4000m左右的堆積盆地，西北盤相對上升，造成第三紀沉積地層缺失，第四紀時兩盤落差也達400多米；薊運河斷裂走向北西，傾向南西，為東北盤上升，西南盤下降的正斷層，斷裂的最高層位是上第三系中、上新統(tǒng)，斷距為40～400m，斷點埋深為300～600m，該斷裂對地震活動有控制和制約作用，1970～1983年該斷裂在南北兩端發(fā)生多次5～6級中強地震和小地震活動線性密集分布，是薊運河斷裂全新世活動的有力證據(jù)(趙國敏，2006)。

1.2水文地質(zhì)概況

唐山南部沿海地區(qū)主要為河流沖洪積、海湖積形成，水文地質(zhì)條件差異性較大。根據(jù)勘察資料，第四系含水層可劃分為4個含水組：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組。第Ⅰ含水組為淺層淡水，底界埋深為20～60m，僅出現(xiàn)在研究區(qū)東北部；第Ⅱ含水組底界埋深為40～250m，主要為咸水層；第Ⅲ含水組底界埋深為360～450m，主要為深層淡水層；其下歸為第Ⅳ含水組，各含水層之間由一系列弱透水層，厚度大約為20～40m，而第Ⅰ、Ⅱ弱透水層(分別介于潛水含水層、第Ⅰ承壓含水層之間和第Ⅰ承壓含水層和第Ⅱ承壓含水層之間)厚度大，幾乎無越流存在。唐山南部沿海平原區(qū)地下水開采井的井深介于220～450m之間，第Ⅲ含水層組為主要的開采層位(陶志剛，2007)。

隨著唐山地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)居民生活的集中用水，在唐山南部漢沽農(nóng)場、唐?？h城、豐南尖坨子、豐南西葛莊和樂亭曹莊子等地存在5個地下水集中開采區(qū)，進而導致唐山南部地下水嚴重超采，目前已形成東起樂亭，西至天津?qū)幒拥拇笮烷_采型水位降落漏斗(寧河—唐海地下水位下降漏斗)，開采深度為120～360m，個別地區(qū)超過400m。

2　研究方法

2.1雷達數(shù)據(jù)

利用覆蓋唐山南部沿海地區(qū)的21景中等分辨率的Radarsat-2衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)進行PSInSAR技術處理，獲取這一地區(qū)2012～2014年地面沉降演變特征(表1)。

表1　Radarsat-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取情況列表

Table 1　The data acquisition list of Radarsat-2 satellite

年度模式具體獲取時間2012Widestrip12-02-11,12-03-06,12-03-30,12-04-23,12-05-17,12-07-04,12-08-21,12-10-08,12-11-01,12-12-192013Widestrip12-01-12,13-05-12,13-06-05,13-09-09,12-10-27,12-12-142014Widestrip14-02-24,14-03-20,14-05-31,14-09-04,14-11-15

由于曹妃甸新區(qū)，尤其是曹妃甸工業(yè)區(qū)工程活動異常頻繁，地表地物容易產(chǎn)生非相干移動，相干性降低，同時，目前該地區(qū)的建筑物分布密度也相對較低，都使得在中等分辨率雷達影像中的地表相干目標數(shù)目少，相位解纏困難，從而影響InSAR技術監(jiān)測結果的精度，在某些沉降異常區(qū)(點)處甚至會導致監(jiān)測結果出現(xiàn)很大誤差。于是，基于2009～2014年覆蓋曹妃甸新區(qū)的46景高分辨率的TerraSAR-X衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)對曹妃甸新區(qū)的地面沉降進行精細監(jiān)測，更為準確地獲取唐山南部沿海地區(qū)人為擾動引起的地面沉降異常區(qū)(點)處的沉降場信息。圖2為46景TerraSAR-X雷達數(shù)據(jù)在滿足衛(wèi)星垂直基線大于等于-230.0m、小于等于230.0m和時間基線大于10d、小于450d的條件下，可以組成的差分干涉相對的數(shù)目以便進行PSInSAR數(shù)據(jù)處理提取研究區(qū)的地面沉降信息。

圖2　46景TerraSAR-X雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收時間及在滿足一定條件下組成的差分干涉相位圖的數(shù)目Fig.2　The acquisition time of 46 TerraSAR-X satellite and the number of differential interferogram composed under certain conditions

2.2PSInSAR技術監(jiān)測地面沉降數(shù)據(jù)處理方法

對中、高分辨率SAR數(shù)據(jù)分別進行PSInSAR技術數(shù)據(jù)處理，提取相應地區(qū)的地面沉降速率或地面累積沉降量。

PSInSAR技術的核心是從一系列完全配準的雷達影像中選取在時間序列上具有穩(wěn)定散射特性的高相干目標點作為研究對象，提取這些目標點處的差分干涉相位(Ferretti et al.，1999；Colesantil et al.，2002；Souyris et al.，2003)，通過分析點目標相位在時間、空間上的變化特征，分解出各個目標點上的相位組成，包括形變相位、高程誤差相位、基線誤差相位以及由大氣延遲響應引起的誤差相位和噪聲相位等，最后由相干目標點干涉相位的迭代回歸分析，解算出在相應時段內(nèi)，各個目標點處的地面沉降速率或地面沉降量隨時間的變化關系(Ferretti et al.，2000；Kampes et al.，2001; 葛大慶等，2007；宮輝力等，2009；雷坤超等，2014)。PSInSAR技術數(shù)據(jù)處理基本方法(圖3)。

圖3　PSInSAR技術數(shù)據(jù)處理基本方法Fig.3　The basic data processing method of PSInSAR technique

2.3PSInSAR技術監(jiān)測精度評價

從理論上來講，影響PSInSAR監(jiān)測精度的因素諸多：雷達影像接收數(shù)量、相干點與參考點間的距離、相干點的變形特征與線性模型的逼近程度、大氣效應的影響程度、相位解纏的可靠性和軌道誤差的控制程度等。雷達數(shù)據(jù)量與形變模型的契合程度，取決于對形變過程的準確描述，隨著雷達數(shù)據(jù)量增加，地面沉降速率估計值精度越高；相干點的密度低，誤差程度高；相干目標散射特性的細微變化影響相干性，進而影響最終解算網(wǎng)絡中點位的取舍；雷達數(shù)據(jù)獲取時大氣中對流層、電離層波動的影響，在PSInSAR解算模型中可通過求解“雙差”得到抑制。因此，在數(shù)據(jù)量大于25-30景的條件下獲得的沉降速率精度為0.1～0.5mm·a-1，在距參考點距離小于4～5km范圍內(nèi)相干點形變速率的觀測精度可達到0.1mm·a-1(Kampes et al.，2001；葛大慶等，2007)。

但在實際工作過程中，PSInSAR技術受制于處理算法差異和技術人員的專業(yè)水平，監(jiān)測結果目前尚難以完全達到理論精度。據(jù)歐空局歐盟全球環(huán)境與安全監(jiān)測計劃(GMES)針對兩類不同類型的地表形變監(jiān)測開展的InSAR監(jiān)測結果與水準觀測驗證和InSAR結果之間的互檢驗結果表明，基于ENVISAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量大于30景的前提下，采用PSInSAR時序分析技術獲取的形變速率精度(以標準差為指標)為0.4～0.56mm·a-1，形變序列中每個累積形變量精度為1.1～4.0mm(Hanssen et al.，2003；葛大慶等，2007)。

3　結果分析

3.1地面沉降特征分析

3.1.1唐山南部沿海平原區(qū)

基于Radarsat-2衛(wèi)星時間序列SAR 數(shù)據(jù)獲取唐山南部沿海地區(qū)地面沉降速率分布及發(fā)展變化，結果表明唐山沿海地區(qū)地面沉降在分布態(tài)勢上表現(xiàn)出不均勻的特征，分別在黑沿子鎮(zhèn)、老王莊、秋老堡一帶和柳贊鎮(zhèn)、曹莊子一帶存在兩個明顯的沉降漏斗且與寧河—唐海地下水位下降漏斗中的豐南尖坨子集中開采區(qū)和樂亭曹莊子集中開采區(qū)在空間分布上基本一致，而其他地區(qū)沉降相對較小，沉降速率都在20mm·a-1以下(圖4)。

圖4　唐山南部沿海典型沉降漏斗區(qū)地面沉降速率發(fā)展變化圖(2012～2014)Fig.4　The ground subsidence rate development of typical funnel area in Southern Tangshan during the period from 2012 to 2014a.2012年度；b.2013年度；c.2014年度

唐山南部沿海地區(qū)的年度地面沉降速率存在明顯差異，沉降漏斗影響范圍、沉降中心的沉降梯度都呈逐年增大趨勢且出現(xiàn)數(shù)個明顯的沉降中心，這主要是由沉降中心深層地下水長期集中開采所致。2012年，曹莊子—柳贊鎮(zhèn)—姜各莊鎮(zhèn)沉降漏斗的沉降中心不明顯，地面沉降速率普遍為20～40mm·a-1(圖4a)；由于地下水的集中開采，2013年曹莊子—柳贊鎮(zhèn)—姜各莊鎮(zhèn)沉降漏斗分為曹莊子—柳贊鎮(zhèn)和姜各莊鎮(zhèn)兩個明顯的沉降中心，沉降速率在40mm·a-1以上的面積分別約為21km2和56km2(圖4b)；2014年，曹莊子—柳贊鎮(zhèn)沉降中心的沉降范圍繼續(xù)擴展，沉降梯度也進一步加大，沉降速率在50mm·a-1的面積達60km2以上，而姜各莊鎮(zhèn)沉降中心基本消失，沉降速率都在20mm·a-1以下。類似地，黑沿子鎮(zhèn)—老王莊—秋老堡沉降漏斗中心的沉降梯度也呈逐年增大趨勢，2014年，最大沉降速率達70～80mm·a-1之間，沉降速率在50mm·a-1的面積也約25km2(圖4c)。

3.1.2曹妃甸工業(yè)區(qū)

圖5　2009～2014年曹妃甸工業(yè)區(qū)高分辨率InSAR監(jiān)測地面累積沉降量圖(2009-09～2014-12)Fig.5　The high-resolution InSAR monitoring ground cumulative subsidence of Caofeidian Industrial Area(2009-09 to 2014-12)a、b、c分別為曹妃甸工業(yè)區(qū)典型沉降異常區(qū)(點)

圖6　曹妃甸工業(yè)區(qū)3個典型沉降異常區(qū)(點)Fig.6　The dynamic evolution characteristic of ground cumulative subsidence at typical subsidence abnormal placea、b、c處地面累積沉降量的動態(tài)演化過程

曹妃甸工業(yè)區(qū)基本無地下水開采，地面沉降主要是大規(guī)模開發(fā)建設過程中或工程建成投入運營后人為擾動引起的，這與地下水超采引起的地面沉降特征不盡相同，地面整體沉降不明顯，除工業(yè)區(qū)中部博學路與鋼石路之間的綜合服務區(qū)地面累積沉降量普遍為90～145mm之間外，其他地區(qū)都表現(xiàn)為數(shù)個沉降異常區(qū)(點)。臺灣產(chǎn)業(yè)區(qū)東部沉降異常區(qū)a處的沉降范圍最大，其次為油氣碼頭的油罐儲存區(qū)，最大地面累積沉降量分別達170mm和197mm(圖5)。鵬大家居廣場東側(cè)、博學道沿線以及鋼石路與通島路交會區(qū)域的沉降異常點處的沉降梯度大，沉降范圍很小，這種顯著的差異性沉降會對工程結構的安全運營造成嚴重威脅。

同時，曹妃甸工業(yè)區(qū)各沉降異常區(qū)(點)的地面沉降演變過程也有所不同。2010年8月之前，各沉降異常區(qū)(點)沉降速率基本相當，地面累積沉降量不超過5cm，之后地面沉降出現(xiàn)巨大差異，油氣碼頭沉降異常區(qū)地面持續(xù)下沉且平均沉降速率最大，達34mm·a-1(圖6c)；臺灣產(chǎn)業(yè)園東側(cè)沉降異常區(qū)沉降速率較小，在2013年6-8月間地面沉降消失后地面繼續(xù)下沉，但沉降速率比之前有所減小，至2014年底地面累積沉降量達118～170mm(圖6a)；鋼石路與通島路交會區(qū)沉降異常點處的沉降速率最小且在2013年7月之后地面沉降消失甚至出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，主要是因為這一地區(qū)地面上覆荷載減小，海水回灌所致(圖6b)。

3.2地面沉降與基底斷裂相關性分析

地層巖性、結構特征是地面沉降產(chǎn)生的基礎地質(zhì)背景。將PSInSAR技術地面沉降監(jiān)測結果與基底斷裂空間分布進行耦合分析發(fā)現(xiàn)，唐山南部沿海地區(qū)發(fā)育有兩條全新世活動的基底正斷裂(趙國敏等，2006)：北東走向的寧河—昌黎斷裂和北西走向的薊運河斷裂，而天津、唐山沿海地區(qū)的地面沉降嚴格受這兩條深大斷裂所控制，地面沉降漏斗集中分布在斷裂的下降盤一側(cè)且沿著平行于斷層延伸的方向發(fā)展(圖7)。這主要是由活動斷裂兩側(cè)含水層可壓縮材料的厚度、地下水儲量及地下水開采程度都存在顯著差異造成的，寧河—昌黎斷裂東南盤下沉，西北盤上升，東南盤與西北盤第四系沉積物落差達400多米，薊運河斷裂東北盤比西南盤的第四系底界高100多米?；顒訑嗔严陆当P第四系沉降物厚度大，地下水相對豐富，地下水開采量較大，相應地造成地面沉降嚴重，同時，活動斷裂兩盤地下水系統(tǒng)可能不是相通的，活動斷裂對上下盤地下水流通起一定的阻滯作用，進而阻止了下盤地面沉降越過斷裂向上升盤的進一步擴展。

4　地面沉降的成因

4.1特殊的地質(zhì)環(huán)境條件是發(fā)生地面沉降的內(nèi)在因素

圖7　天津漢沽—唐山沿海地區(qū)2012～2014年地面沉降速率與基底斷裂耦合分析圖Fig.7　The analysis on ground subsidence rate from January，2012 to December，2014 and basement faults in Hangu-Tangshan coastal area

唐山南部沿海地處渤海灣北岸，在冀東平原區(qū)的南部邊緣，陸地形成較晚。新生代以來地表持續(xù)下降，形成的新生代地層為第四紀沖積或海積的細顆粒松散沉積物組成，厚度約400～500m，主要以細顆粒物為主，黏性土厚度占總厚度為60%～70%?；谔粕侥喜垦睾５貐^(qū)的工程地質(zhì)勘查報告和土工實驗結果發(fā)現(xiàn)，這一地區(qū)埋深在0～50m之間的地層以粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂為主，天然含水量為24.3%～30.7%，天然孔隙比0.79～0.94，壓縮模量4.61～6.41MPa，承載力的特征值變化大，介于80～260kPa，可見，這一地區(qū)土地多屬欠固結土，從而為地面沉降的發(fā)生、發(fā)展提供了內(nèi)在條件(柴波等，2012)。

4.2長期過量開采地下水是誘發(fā)地面沉降的主要因素

2012～2014年 InSAR監(jiān)測結果表明，唐山南部沿海地區(qū)地面沉降漏斗集中分布在黑沿子鎮(zhèn)、老王莊、秋老堡一帶和柳贊鎮(zhèn)、曹莊子一帶的工廠企業(yè)聚集地，地面沉降的分布范圍與寧河—唐海地下水開采程度、地下水位降落漏斗范圍基本一致，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活等開采深層地下水是導致這一地區(qū)地面沉降發(fā)育的主要動力。

寧河—唐海地下水位下降漏斗地處濱海平原水文地質(zhì)區(qū)，開采層為深層承壓淡水，開采深度為120～360m，個別地區(qū)達400～450m，這一區(qū)域淡水開采層位主要為第Ⅲ含水層組。2000年低水位期，這一漏斗面積為3145.8km2，沉降漏斗中心位于漢沽一分場附近，中心處的水位埋深達82.54m，與1995年相比，漏斗面積減小29.4km2，漏斗中心水位下降9.39m(田寶柱等，2011)。2002年8月，河北省為加強地下水資源管理，劃定唐山市漢沽、蘆臺農(nóng)場全部、豐南區(qū)老王莊、楊家泊、曹妃甸區(qū)中部為地下水嚴重超采區(qū)，面積達833km2。2014年6月，河北省人民政府進一步公布唐海鎮(zhèn)、濱海鎮(zhèn)、柳贊鎮(zhèn)、灤南縣南部、樂亭縣東南部為深層地下水一般超采區(qū)，唐海鎮(zhèn)、濱海鎮(zhèn)、豐南區(qū)東南部為深層地下水嚴重超采區(qū)。雖然政府已確定這一地區(qū)為深層地下水超采區(qū)、禁采區(qū)和限采區(qū)，地下水已停采或限采，但是由于地下水超采造成地下水產(chǎn)生永久水位降，水位不能完全恢復，原來由這部分損失的水頭承擔的一部分上覆壓力仍繼續(xù)轉(zhuǎn)加于含水層骨架之上，同時，這一區(qū)域地下水也并沒有完全禁采，在地下水禁采區(qū)已有取水井關停仍有一個過程，在地下水限采區(qū)應急用水和生活用水更新井仍在使用，兩方面因素的共同作用導致這一地區(qū)的地面沉降仍在進一步加劇。

4.3大規(guī)模開發(fā)建設、工程擾動是加劇地面沉降發(fā)育的外在動力

近年來，隨著曹妃甸新區(qū)開始大規(guī)模建設，深基坑開挖、降水、路堤修建等引起的地面沉降地質(zhì)災害在曹妃甸工業(yè)區(qū)、唐山灣生態(tài)城分布廣泛，尤其是在曹妃甸工業(yè)區(qū)，鋼鐵石化產(chǎn)業(yè)園、裝備制造產(chǎn)業(yè)園等地區(qū)工程建設期外力擾動較大區(qū)域以及在遷曹線(通島路)運營后基礎地基承載力較小甚至是在原油儲存區(qū)上覆外部荷載變動較大等諸多部位，地面沉降中心異常突出，沉降速率、沉降梯度都普遍較大(圖5)?？傊苠楣I(yè)區(qū)不具備地下水開采條件，地面沉降異常區(qū)(點)的出現(xiàn)可能主要與外力長期擾動、地基土不斷壓密密切相關。

5　結　論

(1)特殊的地層結構、地下水的長期超量開采使得唐山南部沿海地區(qū)地面沉降漏斗異常發(fā)育，地面沉降時空分布差異性較大，存在以黑沿子鎮(zhèn)、老王莊、秋老堡為中心和柳贊鎮(zhèn)、曹莊子為中心的兩大沉降漏斗且漏斗中心的沉降梯度呈逐年增大趨勢。

(2)大規(guī)模開發(fā)建設或工程運營等人為擾動引起的地面沉降呈點狀或斑狀分布，沉降范圍小，沉降梯度大，對建(構)筑物結構、線性工程的安全運營存在極大威脅。

(3)地面沉降漏斗與地下水降落漏斗基本一致，基于唐山南部沿海地區(qū)地面沉降的發(fā)展演變特征可以反演地下水的開采狀況，為相關職能部門地下水管理或地下水位監(jiān)測提供依據(jù)，但由于軟土層固結速度滯后于地下水的水頭變化且與軟土層厚度有關，地面沉降漏斗中心與地下水漏斗中心并非完全吻合，存在一定程度的偏移。

(4)PSInSAR干涉測量結果與基底構造信息結合發(fā)現(xiàn)，地面沉降嚴格受基底斷裂控制，初步分析認為是由斷裂兩側(cè)含水層可壓縮材料的厚度、地下水儲量及地下水開采程度存在顯著差異引起的。為進一步準確解釋這一現(xiàn)象，需與相關地質(zhì)、水利部門聯(lián)合，獲取斷裂兩側(cè)典型沉降區(qū)第四系沉降物地層分布的詳細信息、地下水位動態(tài)變化信息等資料。

(5)采用中、高分辨率雷達數(shù)據(jù)精確地獲取了唐山南部沿海地區(qū)第一手的地面沉降資料，較為詳盡地刻畫出該地區(qū)含水層系統(tǒng)變形的空間演變特征，是監(jiān)測平原區(qū)地面沉降場信息的一種有效技術方法。但是，如何將InSAR技術測量結果與水文地質(zhì)參數(shù)、巖土層物理力學指標結合，以深入分析制約不同區(qū)域地面沉降發(fā)育、發(fā)展的主控因素以及在大量地下工程的修建、運營過程中，如何有效地預防地表地面沉降災害的發(fā)生，是今后相當長一段時間內(nèi)責無旁貸的工作任務，這不僅給水文地質(zhì)學、工程地質(zhì)學工作提供必要的技術支撐，還為這兩大學科的進一步發(fā)展帶來新的視角。

Chai B，Tang Z H，Zhou A G.2012.Assessment of geological environment of Caofeidian Newly-developed Area[J].Journal of Engineering Geology，20(S)：35～42．

Colesanti C，Locatelli R，Novali F.2002.Ground deformation monitoring exploiting sar permanent scatterers[C]∥Proceedings of the IEEE International Toronto:[s.n.], 2:1219～1221.

Ferretti A，Prati C，Rocca F.1999.Permanent scatterers in SAR interferometry[C]∥International Geoscience and Remote SensingSym posium.Hamburg，Germany：[s.n.]．

Ferretti A，Prati C，Rocca F.2000.Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry[J].IEEE Trans Geosci Remote Sensing，38(5)：2202～2211．

Ge D Q，Wang Y，Guo X F，et al.2007a.Surface deformation monitoring with multi-baseline D-InSAR based on coherent point target[J].Journal of Remote Sensing，11(4)：574～580．

Ge D Q，Wang Y，F(xiàn)an J H，et al.2007b.A study of surface deformation monitoring using differential SAR interferometry technique and an analysis of its key problems[J].Remote Sensing for Land & Resources，(4)：14～22．

Gong H L，Zhang Y Q，Li X J，et al.2009.Land subsidence research in Beijing based on the permanent scatterers InSAR technology[J].Progress in Natural Science，19(11)：1261～1266．

Hanssen R.2003.Subsidence monitoring using contiguous and PSInSAR：quality assenment base on preceision and reliability[C]∥Proceedings，11th FIG Symposium on Deformation Measurem ents.Santorin，Greece：[s.n.].

Kampes B M，Hansen R et al.2001.The strategies for nonlinear deformation estimation from interferometric stacks[C]∥IGASS，1，Sydney.Australia：[s.n.]．

Kan L H，Li C C，Tao Z G.2009.Study on environmental hydrological and engineering geological problem caused by water resource exploitation in coastal region of Tangshan[J].Journal of Hebei Polytechnic University(Nature Science Edition)，31(1)：89～94．

Lei K C，Chen B B，Jia S M，et al.2014.Primary investigation of formation and genetic mechanism of land subsidence based on PS-InSAR technology in Beijing[J].Spectroscopy and Spectral Analysis，34(8)：2185～2189．

Li L，Li C C.2008.Study on geological environment problem in Tangshan[J].Journal of Hebei Polytechnic University(Nature Science Edition)，30(3)：142～148．

Liu D J.2004.Reflection on ground subsidence of coastal area in China[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，15(4)：87～90．

Souyris J C，Henry C，Adragna F.2003.On the use of complex SAR image spectral analysis for target detecting assessment of polarimetry[J].IEEE Trans Geosci Remote Sensing，41(12)：2725～2734．

Tao Z G.2007.Study on land subsidence and countermeasure in Tangshan along the Bohai Sea[D].Tangshan：Hebei University of Science and Technology，16～28．

Tian B Z，Tao Z G，Li C C.2011.Scientific computing and forecasting to land subsidence in coastal region of Tangshan[J].Metal Mine，(5)：101～105．

Xiao Z.2014.Study on land subsidence caused by geological environmental factor in Tangshan along the Bohai Sea[J].Ground Water，36(3)：76～77，104．

Wang D.2007.Study on environment geology problem and countermeasure in Tangshan along the Bohai Sea[D].Tangshan：Hebei University of Science and Technology，20～43．

Zhao G M，Zhao G M，Chen Y K，et al.2006.Study on activity characteristic of Tianjin Haihe Fault[M].Beijing：Seismological Press: 17～29．

柴波，唐朝暉，周愛國.2012.曹妃甸新區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合評價[J].工程地質(zhì)學報，20(增)：35～42．

葛大慶，王艷，郭小方，等.2007a.基于相干點目標的多基線D-InSAR技術與地表形變監(jiān)測[J].遙感學報，11(4)：574～580．

葛大慶，王艷，范景輝，等.2007b.地表形變D-InSAR監(jiān)測方法及關鍵問題分析[J].國土資源遙感，(4)：14～22.

宮輝力，張有全，李小娟，等.2009.基于永久散射體雷達干涉測量技術的北京市地面沉降研究[J].自然科學進展，19(11)：1261～1266.

闞連合，李昌存，陶志剛.2009.唐山南部沿海水資源開發(fā)引起的環(huán)境水文工程地質(zhì)問題[J].河北理工大學學報(自然科學版)，31(1)：89～94．

雷坤超，陳蓓蓓，賈三滿，等.2014.基于PS-InSAR技術的北京地面沉降特征及成因初探[J].光譜學與光譜分析，34(8)：2185～2189．

李琳，李昌存.2008.唐山地區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題[J].河北理工大學學報(自然科學版)，30(3)：142～148．

劉杜鵑.2004.中國沿海地區(qū)地面沉降問題思考[J].中國地質(zhì)災害與防治學報，15(4)：87～90．

陶志剛.2007.唐山沿海地區(qū)地面沉降災害及對策研究[D].唐山：河北理工大學，16～28．

田寶柱，陶志剛，李昌存.2011.唐山沿海地區(qū)地面沉降科學計算與預測[J].金屬礦山，(5)：101～105．

肖震.2014.唐山沿海地面沉降與地質(zhì)環(huán)境因素分析[J].地下水，36(3)：76～77，104．

王丹.2007.唐山沿海地區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題及對策研究[D].唐山：河北理工大學，20～43．

趙國敏，趙根模，陳宇坤，等.2006.天津海河斷裂活動性研究[M].北京：地震出版社: 17～29．

LAND SUBSIDENCE OF COASTAL AREA IN SOUTHERN TANGSHAN USING PSInSAR TECHNIQUE

LI ManGE DaqingZHANG LingLIU BinGUO XiaofangWANG Yan

(China Areo Geophysical Survey & Remote Sensing Center for Land and Resource，Beijing100083)

The rapid development of ground subsidence in the southern Tangshan area is serious and has threated its world-class chemical industry base.Therefore，this paper examines the distribution and evolution of ground subsidence in the coastal area of the Southern Tangshan area，as well as the dominant factors of different subsidence regions.Based on the medium and high resolution radar data，the ground subsidence result in the coastal area of the southern Tangshan is obtained using PSInSAR technique.The results show that the ground subsidence funnel has a well correspondence with the groundwater funnel area.The ground subsidence is distributed along one side of a basement fault.The ground subsidence distribution of the Caofeidian Industrial Area is spotty or patchy，and its area range is small but the settlement gradient very large，which is extremely different from the ground subsidence caused by excessive exploitation groundwater.According to this survey，the geological characteristics are the basic condition of ground subsidence development，while over-exploitation groundwater and large-scale engineering disturbance are external power in Southern Tangshan area．

PSInSAR technique，Ground subsidence funnel，Groundwater funnel area，Over-exploitation groundwater，Engineering disturbance

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.028

2015-06-25;

2016-04-08.

國家自然科學基金委員會青年基金項目(41504048)，國際科技交流與合作專項(2010DFB23380)，中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查專項(1212011120086)資助.

李曼(1981-)，女，碩士，高級工程師，主要從事InSAR技術在地面沉降、滑坡等地質(zhì)災害調(diào)查與監(jiān)測方面的研究.Email: digong820@163.com

P642.26

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