基于PS-InSAR技术的珠海市地面沉降监测分析

赖 波，江金进，刘 佳

(1.广东省珠海工程勘察院,广东 珠海 519000;2.广东省地质局 第一地质大队,广东 珠海 519000)

近些年,珠海市经济发展迅速,西部中心城区及周边平原区因工程建设活动引发的地面沉降灾害日趋严重。段梅[1]、任伟灿[2]、王双等[3-4]对珠海市地面沉降现状、影响因素及形成机理进行了分析总结;任伟灿[5]、梁向阳[6]、张琢[7]对珠江三角洲地区地面沉降特征、防治措施及沉降预测进行了研究;张杏清[8]、高辉等[9]、戴宜韦等[10]运用PS-InSAR技术开展了珠江三角洲地区地面沉降监测应用研究。以上研究涉及的研究区面积大且精度较低,针对珠海市地面沉降的详细监测数据及分析成果较少。为查清珠海市地面沉降具体分布范围及沉降速率,本文采用PS-InSAR技术进行地面沉降监测分析，提取了珠海市地面沉降信息。本次监测分析成果与地面实地调查现象基本吻合,可为珠海市地质灾害防治规划、国土空间规划等工作提供科学依据。

1 珠海市软土分布概况

珠海市除山地、丘陵及台地外,地貌单元以冲积平原和海积平原为主。冲积平原主要分布在前山、磨刀门、泥湾门、鸡啼门和虎跳门等河道两侧,沉积物以淤泥和淤泥质砂为主。海积平原主要分布在沿海海湾、海岛周边和人工围垦而成的平原区,沉积物以淤泥为主。珠海市软土按沉积成因可分为滨海相、三角洲相和内陆相三类。滨海相软土主要分布于海积平原的海湾地段和海岛周边,为近代海退所形成的浅海堆积物,分布范围广,厚度大,为珠海市最主要的软土层。三角洲相软土主要分布在冲积平原的河道两侧。内陆相软土主要分布于山(台)前洼地或河谷地段。

珠海市软土分布较厚地区主要为珠海西区(包括白蕉镇、三灶镇、红旗镇、平沙镇、南水镇等)和横琴新区中部地区。软土多裸露于地表或伏于填土之下,土体结构呈单层或多层结构，成分以灰—深灰色淤泥质砂或砂质淤泥为主,夹薄层粘土或砂土。软土厚度一般为8～40 m,最大厚度>50 m,具有近山薄、近海厚的规律(图1)。

图1 珠海市软土厚度等值线图Fig.1 Map of the thickness of soft soil in Zhuhai city

2 数据采集与处理

2.1 星载SAR数据源

采用31景Sentinel-1卫星影像数据进行地面沉降形变监测分析。该影像数据具有短重复周期、大幅宽、多极化等特点,在城市建筑物密集区的地面沉降监测方面效果显著[11-12]。本次数据获取时间跨度为2017年3月—2018年4月(图2),采用干涉宽幅(IW)数据成像模式,极化方式为VV极化,所处波段为C波段(表1)。

表1 Sentinel-1卫星影像数据信息表Table 1 Sentinel-1 satellite image data information table

2.2 高程数据参考

为提高监测数据精度,需使用精度较高的地面高程模型作为InSAR处理流程中的地形相位去除参考数据。本次分析采用美国航空航天局(NASA)提供的SRTM全球高精度DEM产品作为高程参考数据，空间分辨率为30 m。

2.3 数据处理平台

对获取的SAR数据采用瑞士GAMMA软件进行干涉处理,提取地面沉降信息。该软件可分成五个部分：组件式SAR处理器(MSP)、干涉SAR处理器(ISP)、差分干涉和地理编码(DIFF&GEO)、土地利用工具(LAT)、干涉点目标分析(IPTA)。

2.4 数据处理流程

近些年,珠海市为建设宜居宜业城市,着力开发西部中心城区,城市化范围逐步扩大。虽然城市化程度较高,建筑物密集，地物的散射特性好,但珠海市植被覆盖率普遍较高,加之河网、鱼塘密布，形成了较为特殊的地表环境,因此在数据处理时需要进行精细的误差去除。PS-InSAR数据处理可分为4个步骤：数据预处理、差分干涉计算、时间/空间域形变估计和形变量计算[13-15],具体数据处理流程见图3。

图3 PS-InSAR数据处理流程图Fig.3 Flowchart of PS-InSAR data processing

3 监测结果分析

3.1 地面沉降现状

根据InSAR技术获取的珠海市2017—2018年高精度地表形变图(图4)可知,珠海市主要分布2个地面沉降区,即斗门区白蕉镇—西部中心城区地面沉降区和平沙地面沉降区。斗门区白蕉镇—西部中心城区地面沉降区沉降中心速率为30 mm/a,造成该地区沉降速率大的原因是其东西两侧均为河道(东侧为西江,西侧为黄杨河和坭湾门水道),形成的软土较厚,成分以灰—深灰色淤泥质砂或砂质淤泥为主,加上后期工程建设加大地表荷载和城区居民抽取地下水,造成地面沉降速率过快。平沙地面沉降区沉降中心速率为10 mm/a,其沉降速率较大原因是其西侧为黄茅海,区域内软土较厚,成分同样以灰—深灰色淤泥质砂或砂质淤泥为主,且沉降区内分布一处温泉旅游胜地,该旅游胜地抽取地下水可能是其发生沉降的主要原因之一。

图4 珠海市2017—2018年地面沉降监测形变图Fig.4 Deformation map of land subsidence monitoring in Zhuhai city from 2017 to 2018

实地调查发现，西部中心城区及其周边地区地势平坦,该地区地面沉降范围约3.9 km2，人类工程活动以城市建设、市政建设为主。新建工程开展前一般采取了有效的软基处理措施来消弱地面沉降的产生,但红旗镇部分工业园区地面沉降十分明显，主要表现为场区地坪开裂、市政道路起伏、市政管线变形等(照片1、照片2)。

照片1 地坪开裂Photo 1 Current situation of floor cracking

照片2 市政管线变形Photo 2 Deformation of municipal pipeline

3.2 地面沉降机理分析

根据《地面沉降干涉雷达数据处理技术规程》(DD 2014—11)关于地面沉降严重程度的分级要求(表2)来看，珠海市地面沉降严重程度较高地区面积约0.5 km2,主要分布于高栏港经济区南水镇以南地区,存在2个沉降中心;地面沉降严重程度中等地区面积约14 km2,主要分布于斗门区白蕉镇和高栏港经济区南水镇,其中斗门区白蕉镇沉降区面积约11 km2,存在3个沉降中心,呈北西向串珠状分布;高栏港经济区南水镇沉降区面积约2 km2,存在2个沉降中心,呈北东向哑铃状分布；地面沉降严重程度较低面积约128 km2，其中面积最大的沉降区为斗门区白蕉镇—西部中心城区地面沉降区,共存在5个沉降中心;其次为平沙地面沉降区,其它各区零星分布(图5)。

图5 珠海市InSAR地面沉降监测速率分布图Fig.5 Map of the monitoring rate of InSAR ground subsidence in Zhuhai city

表2 地面沉降严重程度分级Table 2 Grading the severity of ground subsidence

通过PS-InSAR地面沉降监测发现，珠海市地面沉降空间分布以点源地面沉降为主,大部分地区(包括香洲区、横琴新区、高新区)地面沉降趋于稳定。沉降速率最大地区位于高栏港经济区南水镇,年均沉降速率达到50 mm/a，该地区广泛分布海陆交互相的淤泥质砂或砂质淤泥,目前仍处于土地自重沉降状态,其完全沉降稳定需要较长时间；该地区存在两个地面沉降漏斗中心,并且漏斗间存在连通现象。斗门区白蕉镇—西部中心城区地面沉降速率最大达到30 mm/a,存在多个沉降中心,其中沉降速率在10～30 mm的地区已经连通,说明该地区同样存在多个地面沉降漏斗连通成片趋势。

通过地面沉降时间序列图(图6)可知，珠海市地面沉降存在季节性变化,白蕉镇、南水镇沉降区地表形变在2017年7月—9月均出现抬升或减缓现象,可能为梅雨季节降水补给引起的地表抬升现象,但随着周边人为抽取地下水,地表形变逐渐恢复至原有沉降趋势。

图6 珠海市地面沉降时间序列图Fig.6 Time series of ground subsidence in Zhuhai city

综上所述，珠海市形成地面沉降的原因主要分为内因和外因两个方面，其中软土分布较厚、物理力学性质差是发生沉降的内因，外因主要包括人为抽取地下水导致水位下降、上覆荷载增大、固结处理措施不当等几个方面。珠海市地面沉降发生的范围与软土分布范围高度稳合，沉降深度与软土的高含水量、孔隙比、高压缩性等有紧密联系。而人类工程活动对地面沉降的影响主要表现在抽排地下水、填土加载、建筑物加载和机械动荷载等情况[16-17]。

4 结论

本文采用PS-InSAR技术对获取的珠海市31景Sentinel-1卫星影像数据进行形变监测分析,提取了珠海市地面沉降信息，显示珠海市主要分布斗门区白蕉镇—西部中心城区和平沙2个地面沉降区,其中斗门区白蕉镇—西部中心城区地面沉降区沉降中心速率为30 mm/a，平沙地面沉降区沉降中心速率为10 mm/a。对地面沉降机理进行了简要分析,认为沉降区软土分布较厚、物理力学性质差是引起地面沉降的内因，而人为活动抽排地下水、工程建设增大上覆荷载等是外因，可为珠海市地质灾害防治规划、国土空间规划等提供科学依据。