李曼， 葛大慶， 張玲， 劉斌， 郭小方， 王艷

(中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

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基于PSInSAR技術(shù)的曹妃甸新區(qū)地面沉降發(fā)育特征及其影響因素分析

李曼， 葛大慶， 張玲， 劉斌， 郭小方， 王艷

(中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

曹妃甸新區(qū)是唐山市地面沉降災(zāi)害較嚴(yán)重的地區(qū)之一。地面沉降的快速發(fā)展對(duì)曹妃甸新區(qū)大宗貨物集疏港的功能發(fā)揮構(gòu)成了威脅，因此，全面了解曹妃甸新區(qū)地面沉降的分布態(tài)勢(shì)，特別是掌握不同區(qū)域地面沉降的主控因素至關(guān)重要。基于中高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用PSInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)了曹妃甸新區(qū)的地面累積沉降量分布及演化狀況，結(jié)果表明： 近5 a內(nèi)曹妃甸新區(qū)地面整體下沉，地面累積沉降量普遍在77 mm以上； 在曹妃甸區(qū)西南部、曹妃甸工業(yè)區(qū)中部及南部沿海存在數(shù)個(gè)典型沉降異常區(qū)(點(diǎn))，且中心處的沉降梯度都較大。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，特殊的地質(zhì)環(huán)境條件是曹妃甸新區(qū)發(fā)生地面沉降的客觀因素，地下水超采、大規(guī)模工程擾動(dòng)是誘發(fā)和加劇地面沉降的外在動(dòng)力。

曹妃甸新區(qū)； 地面沉降； PSInSAR技術(shù)； 地下水； 工程擾動(dòng)

0 引言

河北省曹妃甸新區(qū)位于唐山沿海南部，受寧河-唐海地下水位降落漏斗影響，地面沉降災(zāi)害較為發(fā)育。隨著2008年10月曹妃甸新區(qū)開始大規(guī)模全面開發(fā)建設(shè)，產(chǎn)業(yè)集聚性的土地開發(fā)和大規(guī)模人工擾動(dòng)，曹妃甸新區(qū)不同區(qū)域已發(fā)生了不同程度的地面沉降，沉降異常區(qū)分布集中且中心沉降幅度較大。地面沉降的發(fā)育對(duì)曹妃甸新區(qū)線性工程的平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)、建筑基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全都將造成嚴(yán)重威脅，成為制約曹妃甸新區(qū)科學(xué)、快速發(fā)展的主要問題[1-2]。

目前，曹妃甸新區(qū)的地面沉降數(shù)據(jù)主要通過水準(zhǔn)測(cè)量、分層標(biāo)和GPS標(biāo)石等點(diǎn)上測(cè)量獲得。水準(zhǔn)測(cè)量往往需要數(shù)月的觀測(cè)時(shí)間，獲得的是一段時(shí)間內(nèi)的地面沉降量或沉降速率，監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)間不一致； 分層標(biāo)和GPS標(biāo)石的監(jiān)測(cè)精度高，能為地面沉降提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度小，無法獲取曹妃甸新區(qū)地面沉降的整體分布態(tài)勢(shì)[3-6]。隨著空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(D-InSAR)技術(shù)以其全天候、大范圍、高精度以及監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)密度高等特點(diǎn)成功應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測(cè)中。永久散射體差分干涉測(cè)量技術(shù)(permanent scatterer for SAR interferometry，PSInSAR)是在傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)基礎(chǔ)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(biāo)點(diǎn)作為地表形變信息的表征，能夠有效降低時(shí)間去相干、空間去相干以及大氣延遲等影響引起的誤差組分[7-9]，進(jìn)而提高形變信息提取的精度，是調(diào)查和監(jiān)測(cè)區(qū)域性地面沉降問題的一種有效方法。

本文利用中高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用PSInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)曹妃甸新區(qū)的地面沉降分布及演化狀況，全面掌握曹妃甸新區(qū)地面沉降的發(fā)育特征。這種方法監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度大，監(jiān)測(cè)時(shí)間頻率高且可以實(shí)時(shí)、快速地獲取曹妃甸新區(qū)地面沉降漏斗的分布范圍和演化特征。同時(shí)，通過搜集曹妃甸新區(qū)地下水的開采狀況和相應(yīng)區(qū)域人類活動(dòng)對(duì)地面沉降的擾動(dòng)情況，詳細(xì)分析影響曹妃甸新區(qū)地面沉降的主控因素，為防治該區(qū)地面沉降的進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

曹妃甸新區(qū)位于河北省唐山市沿海平原區(qū)南部，地勢(shì)由北向南逐漸降低，地形較為平坦，地面坡降僅0.6‰左右。區(qū)內(nèi)沉積了巨厚的第四紀(jì)細(xì)顆粒松散沉積物，厚度由北部山前的數(shù)十米逐漸增至曹妃甸一帶的420 m左右，主要為一套沖洪積相及河湖積相沉積物，以粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂為主，夾有淤泥層或海相層，質(zhì)地疏松，承載力較低[10-11]。在大地構(gòu)造單元上，曹妃甸位于冀渤塊陷內(nèi)，斷塊活動(dòng)受EW向、NE/NNE向和NW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(gòu)造格局。根據(jù)天津地質(zhì)調(diào)查中心對(duì)曹妃甸新區(qū)活動(dòng)斷裂的研究，區(qū)內(nèi)已探明的活動(dòng)斷裂有寧河—昌黎斷裂、柏各莊斷裂和高柳斷裂，西南莊斷裂也存在活動(dòng)的可能性[1,12]。

曹妃甸新區(qū)含水層為第四系松散巖類孔隙含水巖組，淺層地下水為咸水，水位埋深一般為2～4 m，基本未開采； 深層地下水是當(dāng)?shù)刂匾挠盟?。地下水長(zhǎng)期過量開采，在曹妃甸區(qū)、豐南尖坨子以及樂亭曹莊子等地已形成地下水降落漏斗，且這3個(gè)降落漏斗屬于天津?qū)幒?唐山唐海地下水位降落漏斗的一部分。相應(yīng)地，在南堡開發(fā)區(qū)、唐海縣城(曹妃甸區(qū))一帶地面沉降最為顯著，沉降速率大，影響范圍廣，且沉降持續(xù)發(fā)展[10-13]。

1.2 數(shù)據(jù)源

基于空間分辨率為25 m、重訪周期為24 d的21景Radarsat-2雷達(dá)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)唐山南部沿海平原區(qū)的地面沉降場(chǎng)信息，為曹妃甸新區(qū)地面沉降影響因素分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； 采用2009年8月至2014年12月間的空間分辨率為3 m、重訪周期為11 d的46景TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)(圖1)進(jìn)行曹妃甸新區(qū)地面沉降的精細(xì)監(jiān)測(cè)。通過中、高兩種分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)可獲得曹妃甸新區(qū)2012—2014年度地面沉降速率和2009—2014年近5 a內(nèi)地面累積沉降量的分布及演化特征。

圖1 中高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋范圍

雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)處理中涉及的DEM數(shù)據(jù)采用美國(guó)SRTM獲取的DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m，平原區(qū)高程精度約為5～10 m[14]。

2 技術(shù)方法

根據(jù)不同時(shí)刻獲取的SAR影像進(jìn)行干涉對(duì)組合，生成多基線差分干涉紋圖集。

利用點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)算法和相干系數(shù)均值法，基于這一長(zhǎng)時(shí)間序列SAR數(shù)據(jù)，從中篩選出在時(shí)間序列上具有穩(wěn)定散射特性的高相干點(diǎn)目標(biāo)，這些目標(biāo)(如建筑物的墻角、屋頂、裸露的巖石等)幾乎不受失相關(guān)噪聲的影響，在長(zhǎng)時(shí)間間隔的干涉對(duì)中仍然保持較高的相干性[8-9,14]。

將穩(wěn)定的相干點(diǎn)目標(biāo)構(gòu)成離散觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)每一個(gè)差分干涉紋圖，提取穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)處的差分干涉相位，并對(duì)所有點(diǎn)目標(biāo)的差分干涉相位序列進(jìn)行時(shí)間序列分析，即通過分析這些點(diǎn)目標(biāo)相位的時(shí)空變化，分解各個(gè)相干目標(biāo)點(diǎn)上的相位組成，包括高程誤差，形變相位以及由大氣引起的誤差相位，最后由相干點(diǎn)目標(biāo)干涉相位迭代回歸分析，解算形變量隨觀測(cè)時(shí)間的變化關(guān)系，得到每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻地面沉降的累積量[8-9,15-16]。

3 地面沉降分布現(xiàn)狀

3.1 中、高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

圖2 為采用中等分辨率Radarsat-2雷達(dá)數(shù)據(jù)獲得的2012—2014年度天津漢沽—唐山沿海平原地面沉降速率圖。唐山南部沿海地區(qū)區(qū)域性地面沉降明顯，主要形成漢沽區(qū)東部、豐南縣南部和曹妃甸區(qū)西部沉降區(qū)以及樂亭縣西南部沉降區(qū)。在曹妃甸工業(yè)區(qū)地面沉降不明顯，僅在個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)沉降異常點(diǎn)，沉降中心的沉降速率小。將圖2中紅色圖框內(nèi)的地面沉降狀況(基于Radarsat-2雷達(dá)數(shù)據(jù)獲得的)與由高分辨率TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得的2012—2014年度同一區(qū)域的地面沉降(圖3)相比，曹妃甸區(qū)北部地面沉降分布態(tài)勢(shì)基本一致，地面呈整體下沉，沉降速率普遍在20 mm/a以上。所不同的是，由高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在曹妃甸新區(qū)尚存在多處沉降異常區(qū)(點(diǎn))且這些沉降異常區(qū)(點(diǎn))中心處沉降速率梯度變化很大，最大沉降速率都達(dá)40 mm/a左右。圖3上a,b,c,d分別為曹妃甸新區(qū)典型沉降異常區(qū)(點(diǎn))。

圖2 天津漢沽—唐山沿海平原InSAR監(jiān)測(cè)地面沉降速率圖(2012.01—2014.12)

圖3 2012—2014年度曹妃甸新區(qū)InSAR監(jiān)測(cè)地面沉降速率圖

Fig.3 InSAR monitoring land subsidence rate of Caofeidian Newly-developed Area during 2012—2014

中、高分辨率2種雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的顯著差異主要是由曹妃甸新區(qū)人為活動(dòng)頻繁和雷達(dá)數(shù)據(jù)自身指標(biāo)限制造成的。曹妃甸新區(qū)尚處于大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，地表地物容易產(chǎn)生非相干移動(dòng)，使得地表相干性降低； 另一方面，這一地區(qū)建筑物分布密度相對(duì)較低，造成中等分辨率雷達(dá)圖像中相干目標(biāo)的數(shù)目降低，尤其在地面沉降異常區(qū)(點(diǎn))處相干目標(biāo)會(huì)更少，從而進(jìn)一步造成相干目標(biāo)點(diǎn)的干涉相位不連續(xù)，噪聲影響較大，難以提取出這些地區(qū)的地面沉降場(chǎng)信息。高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)TerraSAR-X重復(fù)周期短，空間分辨率高，高分辨率雷達(dá)圖像的尺寸效應(yīng)增大了相干目標(biāo)的數(shù)目，能更加詳細(xì)地監(jiān)測(cè)微小地面形變活動(dòng)，刻畫沉降場(chǎng)局部變化特征和細(xì)節(jié)，即沉降異常區(qū)(點(diǎn))的沉降中心變化特征，監(jiān)測(cè)精度提高。

3.2 唐山南部沿海地區(qū)地面沉降分布狀況

2012—2014年，在唐山南部沿海地區(qū)發(fā)現(xiàn)2大明顯的沉降漏斗區(qū)： 以漢沽區(qū)西部與豐南縣南部雙橋子、柳樹圈鎮(zhèn)、黑沿子鎮(zhèn)、濱海鎮(zhèn)為沉降中心的沉降漏斗區(qū)和以樂亭縣西南部曹莊子、柳贊鎮(zhèn)為沉降中心的沉降漏斗區(qū)(圖2)。雙橋子-柳樹圈鎮(zhèn)-黑沿子鎮(zhèn)-濱海鎮(zhèn)沉降漏斗的沉降影響范圍廣，沉降速率大， 沉降中心的最大沉降速率達(dá)80 mm/a左右； 曹莊子-柳贊鎮(zhèn)沉降漏斗中心區(qū)的最大沉降速率也達(dá)44 mm/a,這2大沉降漏斗與這一區(qū)域地下水降落漏斗的分布范圍、演變特征基本一致，地下水的長(zhǎng)期過量開采是這一地區(qū)地面沉降漏斗發(fā)育的主控因素。但在曹妃甸區(qū)南部、曹妃甸工業(yè)區(qū)(曹妃甸島)地面沉降中心不明顯，地面沉降速率較低，都在23 mm/a以下，僅在個(gè)別區(qū)域發(fā)現(xiàn)較明顯的沉降異常區(qū)(點(diǎn))。

3.3 曹妃甸新區(qū)地面沉降分布

為全面、詳細(xì)地了解曹妃甸新區(qū)地面沉降分布及演化狀況，基于高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取了2012—2014年度曹妃甸新區(qū)的地面沉降速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，曹妃甸新區(qū)地面下沉速率普遍在20～25 mm/a，沉降中心異常突出(圖3)。同時(shí)，基于2009年8月至2014年12月間的46景TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)一步獲取曹妃甸新區(qū)近5 a的地面累積沉降量分布狀況，這與該區(qū)地面沉降的年度沉降速率分布特征完全一致。

在曹妃甸區(qū)西南部形成以第七農(nóng)場(chǎng)、第四生產(chǎn)隊(duì)和秋老堡為沉降中心的最大沉降區(qū)帶，其中，秋老堡南部與唐曹高速、遷曹鐵路沿線沉降中心相連，形成曹妃甸新區(qū)最大的沉降異常區(qū)，最大沉降速率都在30 mm/a左右； 第七農(nóng)場(chǎng)南部沉降異常區(qū)中心處最大沉降速率為33 mm/a,累積沉降量最大，可達(dá)211 mm。在曹妃甸區(qū)南部則形成了以新華港、東林里畜牧隊(duì)為主要沉降中心的沉降區(qū)，其中新華港北部沉降中心、東林里畜牧隊(duì)附近沉降中心的最大沉降速率都為28 mm/a，最大累積沉降量也都在80 mm以上。

與曹妃甸區(qū)及區(qū)南部的地面沉降特征有所不同，曹妃甸工業(yè)區(qū)(曹妃甸島)表現(xiàn)為地面整體下沉速率較緩，但個(gè)別沉降異常點(diǎn)突出，沉降中心的沉降梯度變化較大，主要集中在物流中心、工廠企業(yè)產(chǎn)業(yè)園以及線性工程沿線。原油碼頭左側(cè)伸向渤海的走廊沿線沉降異常點(diǎn)處的最大沉降速率達(dá)41 mm/a，最大累積沉降量，達(dá)214 mm為曹妃甸新區(qū)的最大值； 原油碼頭油氣儲(chǔ)存區(qū)的最大累積沉降也較大，達(dá)197 mm，且不同儲(chǔ)油罐的地面沉降發(fā)育程度也不同。在曹妃甸工業(yè)區(qū)北部臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)園附近以及工業(yè)區(qū)中部首鋼京唐鋼鐵廠附近的沉降中心也相當(dāng)明顯，最大累積沉降量分別達(dá)到172 mm和182 mm。

此外，在曹妃甸區(qū)東部蔣各莊、楊嶺鎮(zhèn)、蠶沙口等地沉降異常點(diǎn)也較顯著，除蠶沙口沉降中心處的最大累積沉降量較大達(dá)160 mm外，其他地區(qū)地面沉降幅度相對(duì)較小。

4 曹妃甸新區(qū)地面沉降發(fā)育特征

1) 地面沉降呈片狀分布。受唐山沿海寧河-唐海地下水位下降漏斗影響，曹妃甸區(qū)及周邊區(qū)域地面整體下沉，呈連片分布特征。曹妃甸區(qū)與西部以大灶、第七農(nóng)場(chǎng)、第四生產(chǎn)隊(duì)和秋老堡為沉降中心的沉降帶，經(jīng)由第五農(nóng)場(chǎng)第二生產(chǎn)隊(duì)、東林里畜牧隊(duì)沉降區(qū)與曹妃甸區(qū)東南部新華港、十里海養(yǎng)殖場(chǎng)沉降帶相連。

曹妃甸工業(yè)區(qū)中部的綜合服務(wù)區(qū)、激光產(chǎn)業(yè)園和中興產(chǎn)業(yè)園等企業(yè)聚集地，地面整體沉降量也較大，沉降速率為15～25 mm/a。這一地區(qū)地面整體下沉與人為工程活動(dòng)頻繁擾動(dòng)密切相關(guān)。

2)地面沉降異常區(qū)(點(diǎn))多，沉降中心沉降梯度變化大。在曹妃甸區(qū)西南部、南部以及曹妃甸工業(yè)區(qū)等地都存在明顯的沉降異常區(qū)(點(diǎn))。第七生產(chǎn)隊(duì)南部、唐曹高速沿線、秋老堡西南、唐山灣生態(tài)城高尚堡鹽場(chǎng)北部、曹妃甸工業(yè)區(qū)北端臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)園東部以及最南端原油碼頭等沉降異常區(qū)的沉降梯度大，沉降面積都相對(duì)較小。沉降中心的最大累積沉降量在135～200 mm之間，其中曹妃甸工業(yè)區(qū)南端原油碼頭西側(cè)岸邊走廊沉降異常點(diǎn)處的最大累積沉降量為曹妃甸新區(qū)沉降量之最，達(dá)214 mm，最大沉降梯度約為0.77 mm/m，而臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)園東部沉降異常區(qū)為曹妃甸工業(yè)區(qū)內(nèi)沉降影響范圍最大的沉降異常區(qū)。在第十二農(nóng)場(chǎng)南部、蠶沙口以及工業(yè)區(qū)中部首鋼京唐鋼鐵廠東北部沉降中心也較明顯，最大累積沉降量也都在150 mm左右，但地面沉降影響范圍都相對(duì)較小。

3) 地面沉降非線性特征顯著。不同年份曹妃甸新區(qū)的地面沉降速率有所不同，唐山灣生態(tài)城高尚堡鹽場(chǎng)以北區(qū)域、唐山灣生態(tài)城起步區(qū)金海灣小區(qū)、萬年麗?；ǔ堑鹊氐孛婺瓿两邓俾什顒e較大(圖4)。2010年，唐山灣生態(tài)城地面整體下沉，沉降速率普遍較大，在20～41 mm/a之間。 2012年和2013年沉降速率顯著減緩，其中2012年沉降速率普遍降至20～30 mm/a，僅在青龍湖度假區(qū)西側(cè)、金海灣小區(qū)及其西側(cè)有最大沉降速率在30 mm/a左右的沉降異常區(qū)； 2013年沉降速率則降至25 mm/a以下，且沉降速率介于20～25 mm/a之間的范圍縮小至高尚堡鹽場(chǎng)北部沉降帶和起步區(qū)金海灣小區(qū)一帶，其他地區(qū)的沉降速率都在20 mm/a以下； 但至2014年，地面沉降速率又出現(xiàn)反彈，高尚堡鹽場(chǎng)北部沉降帶范圍向北延伸至青龍湖度假區(qū)南部，沉降速率達(dá)25～40 mm/a，起步區(qū)也出現(xiàn)數(shù)個(gè)明顯的沉降漏斗中心，最大沉降速率也都在25 mm/a以上。通過分析2009年8月至2014年12月曹妃甸新區(qū)典型沉降異常區(qū)地面累積沉降量變化特征可以發(fā)現(xiàn)，各典型沉降異常區(qū)在各個(gè)時(shí)段內(nèi)的地面沉降變化過程也不完全一致(圖5)。唐曹高速最北端沉降異常點(diǎn)a處，2009年8月至2012年8月期間，地面均勻下沉，且沉降速率較小，于2012年底開始沉降速率減小地面沉降消失甚至出現(xiàn)些許回彈，之后在2013年初地面又呈較大速率繼續(xù)下沉； 第四生產(chǎn)隊(duì)北部沉降異常區(qū)b區(qū)域分別在2012年底、2013年底出現(xiàn)2次地面沉降減緩現(xiàn)象； 曹妃甸工業(yè)區(qū)臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)園東部沉降異常區(qū)c和原油碼頭沉降異常點(diǎn)d處的地面沉降趨勢(shì)基本相同，從2011年8月開始，地表面呈跳躍式下沉，且平均沉降速率都較大。

(a) 圖3a處2010年度沉降速率 (b) 圖3b處2012年度沉降速率

(c) 圖3c處2013年度沉降速率 (d) 圖3d處2014年度沉降速率

圖4 唐山灣生態(tài)城InSAR監(jiān)測(cè)地面沉降速率演化圖

Fig.4 Evolution characteristic of land subsidence rate by InSAR at Tangshan Bay Eco-city

圖5 圖3中a，b，c，d4個(gè)典型沉降異常區(qū)(點(diǎn))處地面累積沉降量動(dòng)態(tài)演化過程

4)線性工程沿線地面沉降分布極不均勻。曹妃甸新區(qū)內(nèi)遷曹鐵路、司曹鐵路、唐曹高速等線路工程沿線地面沉降顯著，沉降量極不均勻。該區(qū)西部的唐曹高速、遷曹鐵路沿線沉降最為明顯，唐曹高速大灶至第一生產(chǎn)隊(duì)沿線存在數(shù)個(gè)明顯的沉降異常點(diǎn)，其中秋老堡東南部3個(gè)沉降異常區(qū)的沉降量都較大，最大累積沉降量由北至南分別達(dá)178 mm，165 mm和164 mm。遷曹鐵路在秋老堡南部的2個(gè)沉降異常區(qū)與秋老堡沉降異常區(qū)有相連的趨勢(shì)，形成沉降范圍更大的沉降異常區(qū)，沉降中心的最大累積沉降量都在150 mm左右。在曹妃甸工業(yè)區(qū)首鋼京唐鋼鐵廠東側(cè)的通島路沿線也發(fā)現(xiàn)一明顯的沉降異常區(qū)，近5 a內(nèi)的最大累積沉降量也達(dá)147 mm，沉降梯度非線性變化已造成通島路沿線地裂縫密集，最大地裂縫約1～2 cm，隨著地面沉降速率、地面沉降量的加大，將會(huì)對(duì)通島路線路的安全運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重威脅(圖6)。除此之外，線性工程其他區(qū)段地面也有沉降，但沉降幅度與相應(yīng)區(qū)段的區(qū)域沉降基本相當(dāng)，沉降梯度小。

(a) 地裂縫橫穿通島路 (b) 沿通島路線路延展的地裂縫

圖6 首鋼京唐鋼鐵廠附近通島路面上形成的地裂縫

Fig.6 Ground fissures located at Tongdao road near Shougang Jingtang United Iron and Steel factory.

5)構(gòu)造斷裂對(duì)地面沉降發(fā)育起圍限控制作用。構(gòu)造斷裂兩側(cè)地面沉降存在明顯差異，對(duì)地面沉降異常區(qū)的影響范圍起一定的圍限作用。高柳斷裂帶阻斷東林畜牧隊(duì)東南部沉降異常區(qū)和唐山灣生態(tài)城新華港北部沉降帶分別向東南、西北方向進(jìn)一步延展，沉降區(qū)僅沿?cái)嗔岩粋?cè)展布； 西南莊斷裂帶對(duì)大灶-第四生產(chǎn)隊(duì)-秋老堡沉降區(qū)、柏各莊斷裂帶對(duì)蠶沙口沉降異常區(qū)的擴(kuò)展也起到一定程度的阻滯作用(圖7)。

圖7 曹妃甸新區(qū)InSAR監(jiān)測(cè)地面累積沉降量圖 (2009.09-2014.12)

5 地面沉降的成因及影響因素

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。曹妃甸新區(qū)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。曹妃甸新區(qū)新生代以來持續(xù)下降，地表被新生代第四紀(jì)沖積、湖積、海積的細(xì)顆粒松散沉積物覆蓋，厚度為400～500 m，以細(xì)顆粒為主，其中粘性土厚度占60%～70%。根據(jù)工程地質(zhì)勘查和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，曹妃甸新區(qū)埋深處于0～80 m地層多屬欠固結(jié)。這為地面沉降的發(fā)生提供了內(nèi)在條件[12]。

2)長(zhǎng)期過量開采地下水是誘發(fā)地面沉降的主要因素。除曹妃甸工業(yè)區(qū)外，曹妃甸新區(qū)其他地區(qū)地面沉降整體下沉，沉降異常區(qū)(點(diǎn))多，且集中分布在城鎮(zhèn)地區(qū)或工廠企業(yè)聚集地，這些地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活主要是開采深層地下水，而曹妃甸新區(qū)沉降較嚴(yán)重的西部沉降區(qū)、唐海灣生態(tài)城等地分別位于豐南尖坨子地下水位降落漏斗區(qū)和樂亭曹莊子地下水位降落漏斗區(qū)的邊緣。另根據(jù)《河北省人民政府關(guān)于公布平原區(qū)地下水超采區(qū)、禁采區(qū)和限采區(qū)范圍的通知》，至2014年6月，曹妃甸區(qū)大部(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)，曹妃甸區(qū)西北部(唐海鎮(zhèn)、濱海鎮(zhèn))、豐南區(qū)東南部為深層地下水嚴(yán)重超采區(qū)?？梢?，曹妃甸新區(qū)深層地下水的開采程度與地面沉降災(zāi)害的發(fā)育程度以及地下水降落漏斗與地面沉降漏斗基本一致。

3)大規(guī)模開發(fā)建設(shè)、工程擾動(dòng)加劇了地面沉降的發(fā)育。近年來，隨著曹妃甸新區(qū)開始大規(guī)模建設(shè)，深基坑開挖、路堤修建等引起的地面沉降地質(zhì)災(zāi)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(shè)期外力擾動(dòng)較大區(qū)域以及在遷曹線(通島路)運(yùn)營(yíng)后基礎(chǔ)地基承載力較小甚至是在原油儲(chǔ)存區(qū)上覆外部荷載變動(dòng)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[17-18](圖3)。總之，曹妃甸工業(yè)區(qū)不具備地下水開采條件，地面沉降異常區(qū)(點(diǎn))的出現(xiàn)可能主要與外力長(zhǎng)期擾動(dòng)、地基土不斷壓密密切相關(guān)。

6 結(jié)論及建議

1)特殊的地層結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)期地下水的超量開采以及大規(guī)模地、頻繁地外力擾動(dòng)，使得曹妃甸新區(qū)地面沉降中心異常突出，沉降中心范圍較小，沉降梯度較大，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、尤其是對(duì)線性工程的危害極大。

2)雖然采用中、高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)獲得了曹妃甸新區(qū)第一手詳實(shí)的地面沉降資料，并定性地分析了曹妃甸新區(qū)地面沉降發(fā)育的影響因素，但總的說來，仍然對(duì)人為活動(dòng)影響下海積灘涂區(qū)地面沉降的發(fā)生特點(diǎn)及其過程尚不完全清楚。如何加強(qiáng)InSAR測(cè)量與水文地質(zhì)工作結(jié)合，深入分析制約不同區(qū)域地面沉降產(chǎn)生、發(fā)展的主導(dǎo)因素以及如何預(yù)測(cè)、預(yù)防地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，是今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)責(zé)無旁貸的工作任務(wù)。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

Characteristics and influencing factors of land subsidence in Caofeidian Newly-developed Area based on PSInSAR technique

LI Man， GE Daqing， ZHANG Ling， LIU Bin， GUO Xiaofang， WANG Yan

(ChinaAreoGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResource，Beijing100083，China)

The rapid development of land subsidence in Caofeidian area has threatened its function as international transport and commercial trade center, and this area has become one of the most serious areas in Tangshan. Therefore it is very important to comprehensively understand land subsidence distribution of Caofeidian Newly-development Area, especially to grasp main control factors of different subsidence regions. Based on medium and high resolution radar data, the authors obtained whole land cumulative subsidence condition of Caofeidian Newly-development Area by PSInSAR. The results show that the overall surface subsidence is generally more than 77 mm, and there are a couple of typical land subsidence abnormal places in the southwest of Caofeidian Area and in the middle and south of Caofeidian Industry Zone. Moreover, the subsidence gradients in subsidence cone centers are larger. According to site survey, it can be found that the complicated geological condition is an objective factor resulting in land subsidence, and over-extraction of groundwater and large-scale engineering disturbance seem to be the external factors that induce and accelerate land subsidence in Caofeidian Newly-development Area.

Caofeidian Newly-developed Area； land subsidence； PSInSAR technique； groundwater； engineering disturbance

10.6046/gtzyyg.2016.04.19

李曼，葛大慶，張玲，等.基于PSInSAR技術(shù)的曹妃甸新區(qū)地面沉降發(fā)育特征及其影響因素分析[J].國(guó)土資源遙感,2016,28(4):119-126.(Li M，Ge D Q，Zhang L,et al.Characteristics and influencing factors of land subsidence in Caofeidian Newly-developed Area based on PSInSAR technique[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(4):119-126.)

2015-06-03；

2015-09-17

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“曹妃甸新區(qū)地面沉降高分辨率InSAR監(jiān)測(cè)研究”(編號(hào)： 1212011120086)及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)資助項(xiàng)目“基于改進(jìn)的高分辨率時(shí)序InSAR技術(shù)研究Khash Mw7.7級(jí)地震震后形變機(jī)制”(編號(hào)： 41504048)共同資助。

TP 79

A

1001-070X(2016)04-0119-08

李曼(1981-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事InSAR技術(shù)在監(jiān)測(cè)地面沉降、滑坡、活動(dòng)斷裂等地質(zhì)災(zāi)害方面的研究工作。Email： digong820@163.com。