基于SBAS-InSAR的西安市鱼化寨地区地面沉降与地裂缝时空演变特征研究*

2022-05-11孙月敏杨天亮卢全中占洁伟

工程地质学报 2022年2期

孙月敏杨天亮卢全中④⑤ 刘聪④⑤ 占洁伟④⑤

(①长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054，中国)(②自然资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072，中国)(③上海市地质调查研究院，上海 200072，中国)(④西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，西安 710054，中国)(⑤自然资源部地裂缝与地面沉降野外科学观测研究站，西安 710054，中国)

0 引言

地面沉降和地裂缝是影响城市发展的两种典型缓变型地质灾害。世界上许多国家和地区，例如中国、美国、墨西哥等都出现过地面沉降、地裂缝造成的严重环境地质问题(耿大玉等，2000; 张阿根等，2000; Peng et al.，2020a,2020b; 卢全中等，2021)。我国的汾渭盆地、河北平原以及长江三角洲等地区长期遭受地面沉降和地裂缝危害，累计经济损失超百亿(殷跃平等，2005; 卢全中等，2013; 兰恒星等，2019; 乔建伟等，2020)。

西安地处中国西北部和汾渭断陷盆地中部，受临潼—长安断裂的影响，区域内构造活动强烈(张家明，1990; 朱立峰等，2005; 刘阳等，2020)。自20世纪50年代末开始，为满足城市发展所需的生产生活用水需求，西安市开始大规模抽取地下水，由此，西安市出现严重的地面沉降和地裂缝现象。西安地面沉降区共存在14条近平行的地裂缝，这些地裂缝穿越工厂、民房，横切地下洞室、路基，造成建筑破坏、机器停转、道路变形、管道破裂，严重制约着西安市的建设用地使用和城市规划(石明，2009)。

目前，国内外研究学者对于地面沉降和地裂缝的研究，主要着眼于监测手段、时序演化、成因机理等方面(孙刚臣等，2008; 李宁，2010; 王启耀等，2014; 赵强，2019; 冯文凯等，2020; 蒲川豪等，2020)。在监测研究方面，随着InSAR技术的发展和精度的提高，其已成为水准测量、GPS监测和分层标监测等传统城市地表变形研究方法的重要补充。在地面沉降地裂缝时序演化研究方面，祝意青等(2005)通过对1972～2002年水准监测结果分析，获得西安地区地面沉降发展规律，并通过分层标数据揭示地面沉降与地下水开采具有强的相关性；张勤等(2009)利用GPS和InSAR测量技术研究了2005～2007年西安地区地面沉降和地裂缝的演化特征，发现地裂缝和地面沉降在时空活动和分布方面都存在明显的关联性；Qu et al.(2014)利用SBAS-InSAR技术对2005～2012年西安市地面沉降的时空演变特征进行了研究；张建军等(2017)对西安市西南郊鱼化寨段f4地裂缝活动特征及地面沉降现状进行研究，提出浅层承压含水岩组中的粉细砂的渗透变形和弱透水层中(特别是淤泥质土)释水压密是引起地面沉降地裂缝最主要因素，且建筑荷载、地铁的修建运营对地裂缝和地面沉降影响也不容忽视；Peng et al.(2019)基于SBAS-InSAR技术，对2012～2018年西安地区地面沉降和地裂缝的现状开展了分析，并对地面沉降、地裂缝与地下水开采之间的关系进行了定性和定量描述。关于西安市地面沉降与地裂缝的形成机理，不同学者持有不同的看法，目前较为公认的观点是构造活动和地下水过量开采的复合成因(彭建兵等，2007; Peng et al.，2020a，2020b)。

已有研究表明，地裂缝的空间分布与演化特征与地面沉降之间存在显著相关性(吴在宝等，1986; Peng et al.，2016)。西安市地面沉降与地裂缝最早均于20世纪50年代末被发现(朱慕仁等，1982; 闫文中，1998)，截至2000年，其发展均经历以下3个阶段：1959～1972年初始发展阶段，1972～1983年加速发展阶段，1983～1997年缓慢发展阶段(朱立峰等，2005; 赵超英等，2009)。随着地下水开采结构趋于合理以及政府一系列干预措施的实施，地面沉降和地裂缝总体变化较之前趋于平缓，前人关于2000年至今长时间序列地面沉降和地裂缝时空演变规律的研究相对较少。

随着国内大中型城市加速发展和扩张，以及一系列地面沉降与地裂缝治理措施的实施，城市地面沉降和地裂缝的空间分布呈现出逐年变化，准确掌握现今城市地面沉降和地裂缝随城市建设发展的时空演变特征，对于城市规划及灾害防治具有重要意义。本文以西安市高新区鱼化寨周边地面沉降和地裂缝活动为研究对象，采用3种不同卫星的SAR数据，综合SBAS-InSAR处理结果及前人研究成果，获取研究区1992～2020近30年间地面沉降和地裂缝活动的时空演变规律，并揭示该区域地裂缝空间分布现状及成因机制。

1 研究区概况

研究区位于西安市鱼化寨周边区域，研究范围介于108°49′26.57″～108°55′43.83″，34°11′34.51″～34°15′57.82″(图1)。研究区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温12～13.6 ℃，年均降水量563.59 mm。区域内以河流阶地为主，覆盖层多为孔隙发育的中压缩性黄土状土和松散的素填土。水文地质条件属于松散的多层多孔含水层系统，地下水由孔隙潜水、浅层承压水和深层承压水组成。承压含水层含水岩组由第四系中下更新统冲洪积、冲湖积粉质黏土与砂、砂砾石层不等厚互层组成(张建军等，2017，2018)。

截至2020年，区内分布有f4、f5、f6、f7、f8 5条近平行的地裂缝，整体呈NEE走向(图1)。

图1 1992～2020年研究区内地裂缝空间分布演化

研究区属西安高新区经济圈。改革开放至今，高新区经济得到了飞速的发展，大批租房客涌入位于高新区边缘的鱼化寨，高峰时居住人口超过20万，为西安市最大的城中村之一。从谷歌地球历史影像资料来看(图2)，自2000年之后，鱼化寨村民大兴土木，民房建设速度史无前例，区内建筑物密度显著提高，并且房屋加盖情况突出。2018年11月鱼化寨正式开始拆迁改造，于2020年基本完成拆迁工作(图2d)。

图2 研究区城市建设发展演化(数据来源于谷歌地球历史影像)

2 研究方法

为了揭示1992～2020年间研究区地面沉降和地裂缝的发展情况，本文选取来自3个卫星的104景SAR影像，包括4景降轨ERS1/2数据(1992.7～1993.3)、33景降轨Envisat数据(2003.12～2010.9)和67景Sentinel-1A数据(2015.6～2020.8)，3种数据的详细情况及覆盖范围分布见表1和图3。同时使用NASA提供的分辨率为30 m的SRTM数据作为外部DEM，使用AUX_POEORB精密轨道星历参数对Sentinel-1A数据进行修正，采用荷兰代夫特对地空间研究中心提供的轨道数据对ERS和Envisat数据进行修正。

表1 3种SAR数据基本参数

图3 研究区及SAR影像覆盖范围

利用SARscape软件，基于SBAS-InSAR模块对获得的3种SAR数据进行处理。第1步，通过设置合适的时间和空间基线阈值，获得满足要求的干涉相对。接下来，使用SRTM 30 m分辨率的DEM数据消除地形相位的影响，生成差分干涉图。3种数据源均采用Goldstein方法滤波，采用最小费用流法进行相位解缠。经过SBAS两次反演，估算并去除大气及残余地形造成的误差后，得到研究区年均沉降速率及时序地表变形结果。

3 结果

3.1 研究区地面沉降和地裂缝活动特征

3.1.1 地面沉降速率及沉降区的时空演化

图4 1992～2020研究区平均沉降速率图(地裂缝分布为2017年分布情况)

3.1.2 地裂缝时空变化特征

结合图4及已有研究成果(张勤等，2009; 彭建兵，2012; 张建军等，2018)，绘制1992～2020年研究区内地裂缝空间演化图(图1)。从图1中可以看出，时间上，本研究区内地裂缝多为2000年之后发现或出露的裂缝；空间上，研究区内地裂缝总体呈沿走向方向扩展的趋势，自东向西不断扩展。

从整个西安地裂缝发展阶段来看，2000～2010年，属于西安地裂缝特别是西安南郊地区地裂缝加速活动的时期(彭建兵，2010)。尽管该阶段西安市主管部门采取黑河供水、禁采地下承压水等一系列措施减轻地面沉降和地裂缝灾害的影响，但由于该阶段西安南郊城中村外来人口大幅增加，使得本阶段南郊地下承压水仍处于大幅度抽取状态，导致地裂缝的超常活动，呈现图1中的发展趋势。获得的InSAR结果(图4)也可以验证以上描述。

从图4b可以观测到，相较于20世纪90年代，2005～2010年间，f4、f5、f6、f8地裂缝两侧均有明显的差异沉降现象，差异沉降的不断累积使得该区域地裂缝活动速率增加。从图4c中可以看出，f7地裂缝两侧差异沉降明显，可能导致地裂缝的异常活动，与之前的调查结果基本吻合。

3.2 鱼化寨地面回弹情况分析

为详细研究鱼化寨地面回升特点及机制，利用2018～2020年获取的33景Sentinel-1A数据，计算获得鱼化寨周边区域2018～2020年间的平均沉降速率(图5)。

图5 2018～2020年研究区年平均沉降速率图

如图6所示，将2003年来两个沉降漏斗中心点处的累计沉降量进行统计分析。由于未获得研究区内2010～2015年间的InSAR数据，故本文利用已有研究结果归纳总结区内2010～2015年间地面沉降情况(Qu et al.，2014; Peng et al.，2019)。从图6及InSAR方法得到的时序沉降可知，在2018年11月之后，鱼化寨周边区域地面开始出现回弹。分析原因是因为在2018年西安市政府为解决鱼化寨沉降问题，在该区进行拆迁和城中村改造，彻底关停了自备井。将处理过的地表水注入地下含水层，人工补给地下水的回灌措施(陕西华采招标有限公司，2018)，也使地面沉降速率减缓直至地面回弹。

图6 沉降中心累积沉降量(TerraSAR数据参考Peng et al.，2019)

3.3 结果精度验证

由于缺乏水准测量、GPS等精确测量数据，因而无法准确获得InSAR结果与实际变形值的误差。本文采用与前人研究结果对比及现场实地调查两种方法对InSAR结果的准确性进行验证。

将本文上述结果与刘琮琮(2011)、彭建兵(2012)及彭米米等(2018)的研究结果相对比，可以发现在空间范围和变化趋势上是一致，侧面验证了本文结论的可靠性。

通过实地调查，鱼化寨沉降中心处存在明显的地面沉降现象(图7a，图7b)，与InSAR结果吻合。通过对同一地点不同时间的实地照片与InSAR结果的对比分析，判断InSAR结果与实际情况的符合程度。图7a，图7b均可看出，地裂缝两侧存在明显的差异性沉降，相对于2013年的变形结果，2020年观察到的累计沉降量增大。从沉降量及沉降速率角度，图7c，图7d可以看出，沉降中心外围在2013～2020年间地表变形微弱，原有裂缝不再扩展，与InSAR结果一致。

图7 研究区地面变形特征

4 讨论

4.1 地面沉降与地裂缝的关联关系

为确定地面沉降与地裂缝的空间分布关联关系，沿剖面线P1-P1′(图4b)、P2-P2′(图4c)提取出2005～2010、2015～2020年间研究区地面累积沉降量和地裂缝之间的关联关系，具体见图8。

图8 沿剖面线P1-P1′(2003～2010)和P2-P2′(2015～2020)的地面累积沉降量和地裂缝关联关系

从图4、图8中可以看出，研究区内，地面沉降槽被限制在两条地裂缝之间，地裂缝两侧存在明显的差异形变。以上现象表明，西安地面沉降与地裂缝具有一定的伴生关系，具体表现为：西安市地下承压水的过量开采导致了地面沉降的迅速发展，而地面沉降的差异性形变破坏了土壤表面张力，从而加剧了地裂缝的活动；另一方面，形成后的地裂缝破坏了地下水流系统的完整性，控制了地面沉降槽水平方向的发展。此外，结合InSAR地面沉降速率计算结果，发现鱼化寨沉降中心仍在扩大，因而f4地裂缝还存在向西延伸的可能，具体推测延伸趋势见图1。

4.2 人类活动对地面沉降和地裂缝活动的影响

选取鱼化寨沉降区和电子城沉降区的沉降中心特征点A和B，结合SBAS-InSAR技术及前人研究结果(Peng et al.，2019)，可获得区内1992～2020年间沉降中心的变化情况，从而可以用于分析区内沉降中心的时空演变情况以及在此过程中人类活动对地面沉降和地裂缝活动的影响。

图9 鱼化寨、西高新地下水位动态变化曲线图(董英等，2019)

图10 沉降中心逐年沉降速率变化图(虚线框内数据参考Peng et al.，2019)

随着城市不断向四周扩展，原先的荒地逐渐变为新的沉降中心，鱼化寨地区便是典型的例子。2003～2015年，鱼化寨地区沉降迅速增加，增幅较大，可以大致分为稳定发展阶段(2003～2010)和快速发展阶段(2010～2015)。据刘琮琮(2011)调查显示，2002～2007年间，鱼化寨附近兴建了大量成片的住宅区，各住宅区的容积率和建筑密度都很高，这一阶段，城市建设对该区地面沉降的发展起到了一定的促进作用。

自2010年来，随着高新区城中村改造工作的加速进行，大批房客涌入鱼化寨，导致用水量急剧增加(图9)。大量地下水开采使该区域成为西安市地下水开采最严重的地区，随之引起严重的地面沉降现象。在2015年后，鱼化寨沉降中心沉降速率逐年明显放缓，并出现地面回弹现象。

4.3 地面沉降与地裂缝成因机制分析

由搜集到的钻孔资料可知，研究区地层分布情况如下：上层为粉质黏土夹细砂层，厚度约100 m，下层为粗砂，分布有3层承压含水层，承压含水层之间为粉质黏土形成的相对隔水层(图11)。

图11 抽水引起地面沉降与地裂缝形成机理及发展过程示意图

自然状态下，各含水岩组地下水补给和排泄保持平衡，地下水位相对稳定，地面沉降和地裂缝活动性较低，且地裂缝多呈隐伏状态(图11a)(彭建兵，2012)。在过量抽取地下承压含水层的影响下，研究区内形成鱼化寨、电子城两个沉降中心。根据有效应力原理，随着孔隙水的排出，作用在承压含水层内粗砂上的有效应力增加，砂层压密。另一方面，由于研究区内承压含水层与黏性土层形成不等厚互层结构，在开采地下水时，承压含水层减压，黏性土层中的孔隙水在压力差的驱动下向砂层渗流，孔隙水压力降低的同时，有效应力增加，黏性土层产生固结。由于以上因素的综合影响，在地面表现为地面沉降(图11b)(彭建兵，2012; 祝意清等，2005)。

曹伟忠(2012)通过对西安地铁工程可行性研究阶段地铁线路沿线地裂缝勘察资料分析得出，由于地裂缝的隔水作用，西安地裂缝两盘地下水位大部分是上盘地下水位较下盘高，故人们在选择抽水井的位置时，出于成本考虑，会优先选择地下水位高的地方即地裂缝的上盘(闫育锋，2014)。上盘抽水活动导致地裂缝两盘水动力条件不平衡，且随着两侧地面沉降速率差异的增大，原有断层面上发生应力集中。随着抽水活动的继续及城市建设造成的地面荷载加大，应变进一步累积，先前存在的断层发生重新激活并开始滑动或形成新的裂缝，延伸至地表形成地裂缝。地表裂缝的生成又会加剧裂缝两盘的不均匀沉降(图11b，图11c)。

随着一系列防治措施的实施，例如地下水回灌工作的开展(图11d)，区内地下水位线有所回升，地面沉降和地裂缝垂直变形活动减弱。