基于PS-InSAR技術的寧波市地面沉降監測研究

方海倫,胡榮榮,邱雨欣

(浙江省工程勘察設計院集團有限公司,寧波 315012)

地面沉降是國內外沿海和三角洲城市普遍存在的地質環境問題,國外如雅加達、胡志明市、曼谷、新奧爾良、東京等城市過去一個世紀累計沉降量達到300～4 250 mm不等,除東京通過嚴格限制地下水開采、地下水人工回灌等措施有效控制了地面沉降外,其它城市仍有20～100 mm/a的沉降速率[1]。國內地面沉降主要分布在長江三角洲、華北地區、汾渭盆地,其中長三角地區通過全面禁采地下水等防治工作有效控制了地面沉降[2]。

在監測地面沉降方面,國內外除水準測量、GPS及其他傳統巖土量測儀器技術外,InSAR(干涉合成孔徑雷達)技術已廣泛應用多年。InSAR技術由于其衛星搭載微波天線的特性,具有全天候、高精度、范圍廣、監測周期短、工作量小、成本低的特點。InSAR技術興起于20世紀80年代,根據兩幅或多幅不同時間相同軌道獲取的SAR圖像相位差可以監測地表毫米級的形變。PS-InSAR(永久散射體合成孔徑雷達干涉測量)則由Ferretti等人于2000年首次使用研究[3],該技術通過搜尋能夠穩定反射微波的地表物體,將多幅SAR影像進行時間序列分析得出地表物體的形變-時間曲線。由于城市中有較多房屋、道路、橋梁等能穩定反射微波的永久構筑物,PS-InSAR能夠被有效應用于城市地面沉降的監測。本次監測使用的SAR衛星數據來源為歐空局的Sentinel-1A衛星,該衛星搭載C波段SAR傳感器,可獲取全天候SAR影像,IW模式單視復數分辨率5 m×20 m,幅寬250 km,運行于以12 d為周期的準太陽同步軌道上[4]。

本文以寧波地區為研究區,收集處理2017～2021年共5 a的60景Sentinel-1A衛星數據,監測頻率為一個月,利用PS-InSAR方法獲取該段時間地表沉降數據,綜合分析寧波地區沉降區域時空分布特征,并利用水準監測數據驗證PS-InSAR的可靠性。

1 研究區概況及PS-InSAR方法

1.1 研究區概況

受第四紀中期多次海陸變遷的影響,寧波平原發育了一套復雜的海陸相沉積物(圖1):第四系厚度于市區一帶約90 m增大至濱海約120 m;其中50 m以上為軟硬相間的海陸相粘性土互層(Q4),包含第一軟土層、第一硬土層、第二軟土層、第二硬土層;50 m以下為陸相堆積層(Q3和Q2),包含Ⅰ1含水層、第三硬土層、Ⅰ2含水層、第四硬土層、Ⅱ含水層、第五硬土層[5]。

寧波市地面沉降始于19世紀60年代,由于城區第四系地下水超量開采引起深部承壓水位下降導致第一軟土層、第二軟土層及第二、三和四硬土層產生彈塑性形變;1986～2002年寧波市采用地下水控制開采、人工回灌等措施,各土層分層沉降向第一軟土層單一土層沉降轉移;2008年地下水禁采至2018年,地下水開采引起的地面沉降比重逐漸減少,但城市擴張建設引起工程性地面沉降比重逐漸增大,第二軟土層及第二、三和四硬土層出現微量壓縮或回彈,僅第一軟土層發生沉降[5]。

圖1 寧波平原第四系松散層地質剖面圖[6]

寧波正以現代化濱海大都市作為總體框架,大力建設“全球海洋中心城市”,構建“一核、三灣、六片”的發展格局,其中包括對前灣新區、鎮海北侖片區、象山港片區和三門灣片區的產業開發,這些地區分布較多沿海圍墾區,需通過填海造地等措施解決土地資源問題,在未固結的泥沙填土上進行工程建設會引起地面沉降廣泛發育[7]。以往文章使用的監測數據以2017年及以前為主,對2018年及以后的監測結果記錄較少,并且主要針對寧波市區平原,對余慈平原、鄞奉平原南部以及象山縣和寧?？h的諸多海岸平原分析較少。

1.2 PS-InSAR方法

(1) SAR圖像預處理和差分干涉

由于寧波市正好位于南北兩幅SAR影像交界處,單幅SAR影像無法覆蓋整個研究區,將同軌道先后采集的兩幅不同框架的SAR衛星進行鑲嵌,之后根據寧波市邊界進行裁剪。

本次差分干涉使用2019年7月11日采集的SAR影像作為主影像與其他SAR影像進行干涉處理(表1),共生成59對干涉對,采用4∶1(距離向∶方位向)的多視比,同時利用歐空局提供的精密軌道數據和精度為30 m的ALOS DEM去除軌道誤差和地形相位的影響。該步驟會生成差分干涉圖、SAR平均強度圖像和振幅離差指數。

表1 SAR影像參數、采集時間及數量

(2) PS(永久散射體)點處理

PS指在整個監測期內能夠有較強后向散射雷達波能力并且在時序上較穩定的地物目標,如建筑屋頂、橋梁、道路、裸露基巖。在地物變化劇烈以及植被覆蓋率高的區域如城鎮新建區、灘涂、農田等,由于影像間相干性較弱,較難獲得可靠PS點。根據差分干涉生成的差分干涉圖、振幅離散指數選擇可靠穩定的PS點,使用形變-時間的線性模型估算殘余高度和形變速率等低通成分,將低通成分從去平干涉圖中去除。之后同樣用形變-時間的線性模型估算干涉圖中的大氣相位成分,干涉圖去除大氣相位成分后即得到最終形變結果。

通過上述反演步驟得到的最終形變為地表相對于傳感器的相對位移,根據傳感器的方位角和入射角視線將形變投影到垂直方向上得到地表沉降。由于相干性閾值設置過低會導致PS點數量過多,增加數據處理時間和難度,經多次試驗本文利用0.85的相干性閾值剔除相干性較小的PS點,并提取出分布于平原區的PS點。

2 PS-InSAR監測成果解譯和分析

2.1 寧波市整體沉降分析

通過SAR影像數據處理,共得到1 312 746個PS點,平原區每1 km2約371個PS點,基本滿足PS-InSAR對地面沉降調查要求。將得到的PS點根據年平均沉降速率和5 a累計沉降量分別分顏色顯示得到研究區地面沉降變化的空間分布圖(圖2和圖3)。為更直觀地反映地面沉降分布特征,利用克里金插值法將PS點年平均沉降速率結果擬合為柵格面(圖4)。

圖2 PS點年平均沉降速率分布圖

圖3 PS點累計沉降量分布圖

根據PS點結果和擬合后的柵格圖結合地質環境以及工程現狀進行初步分析,寧波市現狀地面沉降大體分為兩大類:以慈溪杭州灣新區北部、北侖梅山街道、象山白巖山城東工業區、寧海三門灣新區、慈東工業區-鎮海港-北侖港沿岸為代表的沿海圍墾區和港口工業區,以寧波市城區、奉化區和象山城區為代表的城市建設區。本次監測發現的沉降區域與《寧波市地質災害防治“十四五”規劃》中劃分的地面沉降重點防治區相吻合。

圖4 年平均沉降速率柵格圖

本次分析結果表明上個世紀地下水超量開采對寧波市地面沉降的影響逐漸減少,中心城區沉降速率普遍控制在3 mm/a以內,部分地區如三江口核心區和慈溪庵東鎮南部監測到速率約3～4 mm/a的微量回彈;隨著城市擴張和建設,工程性的地面沉降逐漸替代成為寧波市地面沉降的主要因素,大部分壓縮變形集中于20 m深度內的淺土層[7]。其中圍墾區如杭州灣新區北部、梅山街道能夠監測到15～20 mm/a的形變速率,部分PS點沉降速率達25 mm/a及以上;城市建設區如東部新城、鄞州區、奉化區、象山城區的沉降主要呈小塊狀分布,沉降速率一般5～10 mm/a,沉降中心速率可達15～20 mm/a。

2.2 沿海圍墾區和港口工業區沉降分析

基于城市發展的需要,緩解用地緊張的局面,寧波市于慈溪杭州灣新區、鎮海沿海、寧海三門灣、象山沿海等地進行圍墾造陸工程,大部分用于工業區和新城區建設。造陸工程一般包含新建隔埝、疏浚吹填、軟基加固等工程,松散的吹填砂土下為河口濱海相淤積形成的高飽和軟土,具有承載力低壓縮性高的特點,在負荷下容易固結變形產生大量沉降[8]。

杭州灣新區自20世紀90年代開始大規模圍墾至今,該部分新造陸地大部分用于工廠建設(圖5)。其中大部分由黃色PS點覆蓋的南側工業區圍墾于1998年以前,工廠興建于2004年以前,現狀地面沉降速率較小約0～6 mm/a;中部工業區圍墾于2008年,工廠興建于2009～2010年,大部分由淡藍色PS點覆蓋,現狀地面沉降速率中等約6～15 mm/a;北部汽車工業區圍墾于2009～2012年,工廠于2012年陸續建設至今,大部分由淡藍色和深藍色PS點覆蓋,現狀地面沉降速率較大約15～20 mm/a,無明顯減緩趨勢(圖6);由于北西部工業區于近期進行建設,2017～2021年地表變化較大,無法提取穩定的PS點故無PS點分布。

圖5 杭州灣新區PS點年平均沉降速率分布圖

圖6 北部汽車工業區PS點時序分析沉降量曲線

由于該地區各地塊圍墾時間、建設時間不同,工業區自南向北沉降速率逐漸增大,不均勻沉降現象顯著,圍墾區土層經過十幾年的固結壓縮能夠逐漸穩定,其地面沉降分布規律與其他填海造陸地區類似[9]。

2.3 城市建成區沉降分析

寧波平原淺部軟土層平均埋深約21 m,土質主要為淤泥、淤泥質粘土和淤泥質粉質粘土,具有高飽和度、高壓縮性、低抗剪強度和低滲透性的特點[10],進行工程建設時軟土層極易產生壓縮變形。

2017～2021年連續5 a的監測結果表明,地面沉降現狀和2017年的監測成果有較大差別:2017年監測成果顯示寧波市大規模的城市化建設使東部新城、鄞州中心區、潘火下應及東錢湖等沉降區連成一片形成較大的沉降漏斗,鄞州中心區沉降中心速率約7.8 mm/a,東部新城沉降中心速率約13.5 mm/a[11];2017～2021年的監測結果表明這些沉降漏斗部分地區已穩定,部分地區仍有沉降,但以點狀分布為主,沉降中心的沉降速率10～20 mm/a不等,并以地塊為單元,連片趨勢有所減小。除寧波城區外,余姚市、奉化區、北侖區和象山縣城區均分布有以地塊為單元的沉降區,沉降中心沉降速率10～20 mm/a不等。此外本次監測未發現軌道交通建設引起的地鐵沿線區域不均勻沉降跡象。

以鄞州區東錢湖鎮某工業地塊為例分析沉降區呈點狀分布并以地塊為單元的現象。工業地塊A與工業地塊B距離僅320 m,地質條件相似,且地上建筑均為無基坑開挖的淺基礎工廠,負荷模式相近,兩地塊僅工廠建成時間不同:根據歷史衛星圖(圖7),地塊A內的工廠建成時間為2009年,地塊B內的工廠建成時間約為2015年。根據監測數據,地塊A的5 a年均沉降速率不到1 mm/a,而地塊B能夠監測到7～17 mm/a的不均勻沉降(圖8), PS點時序曲線(圖9)顯示地塊B沉降中心沉降速率從2017年的18.9 mm/a逐漸減小至2021年的10 mm/a。據此可推測與該地塊淺基礎荷載模式類似的工程性地面沉降有隨時間推移而逐漸穩定減小的趨勢。

結合趙團芝等人[5]根據實測資料得出有深大基坑的工程項目引發的地面沉降在5 a左右能恢復至施工前狀態的結論。分析結果表明城市建設區的地面沉降常局限于近幾年進行工程建設的地塊內,并且由此引發的工程性地面沉降衰減過程較快。

圖7 東錢湖鎮某工業地塊衛星圖

圖8 東錢湖鎮某工業地塊B現場不均勻沉降現象

圖9 東錢湖鎮某工業地塊B廠房屋頂PS點沉降量時序曲線

3 可靠性分析

為評價本次PS-InSAR監測結果的可靠性和精度,利用最臨近法對PS-InSAR結果進行評價(圖10)。通過寧波市水準觀測網中的41個水準點與距離小于100 m的臨近PS點進行比較分析,二者差值絕對值最大為4.89 mm/a,最小為0.10 mm/a,均方根誤差RMSE為2.94 mm/a,滿足《地面沉降調查與監測規范》中對PS-InSAR精度的要求。據此驗證了PS-InSAR方法獲取的寧波地區地面沉降結果的可靠性。

圖10 某水準點與臨近PS點沉降量時序曲線對比

4 結論與建議

本文基于60景Sentinel-1影像采用PS-InSAR方法研究了寧波市2017～2021年地面沉降,并利用水準網驗證了PS-InSAR結果的精度和可靠性。2017～2021年期間寧波地面沉降分布主要分布于以下區域:以慈溪杭州灣新區北部、北侖梅山街道、象山白巖山城東工業區、寧海三門灣新區、慈東工業區-鎮海港-北侖港沿岸為代表的沿海圍墾區和港口工業區;以寧波市城區、奉化區和象山城區為代表的城市建成區。并且工程建設是引發寧波市地面沉降的主要因素,其中圍墾和工程建設時間越晚現狀地面沉降越嚴重且圍墾區地面沉降衰減較慢;城市建成區的地面沉降呈點狀分布,常局限于近幾年進行工程建設的地塊內,并且由此引發的工程性地面沉降衰減過程較快。

根據寧波市已從抽水沉降為主轉變為以工程性沉降為主的地面沉降現狀和地面沉降主要集中在城市建成區和沿海圍墾區的分布特點,在已有的地下水開采利用嚴格監管的基礎上,建議寧波市在現代化濱海大都市建設中建立多部門聯合的管理制度并將管理貫穿于建設工程的項目立項、設計、施工、運營全周期;同時完善對沿海圍墾港口工業區的沉降和地下水監測網絡。