基于InSAR技术的内蒙古巴彦淖尔市地面沉降演化特征及成因分析

葛伟丽 ，李元杰 ，张春明 ，张红霞 ，王志超 ，杨红磊

（1.内蒙古自治区地质调查研究院, 内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古煤炭建设生态环境研究院有限责任公司, 内蒙古 呼和浩特 010020；3.内蒙古自治区测绘地理信息中心, 内蒙古 呼和浩特 010020；4.中国地质大学（北京）土地科学技术学院, 北京 100083）

地面沉降是指由于自然因素或人类工程活动引发的松散层固结压缩并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失[1-2]。地震、采矿、石油、天然气或地下水的过度开采以及构造运动等各种因素都可能导致地面沉降[3-4]。长期地下水超采导致松散沉积物中颗粒间孔隙流体压力降低从而引发的地面沉降，已是世界范围内各大城市面临的主要地质环境问题之一[5-7]。

在地面沉降测量方面，传统的水准测量手段和GPS监测更适合离散点的监测，对于地域范围跨度较大、沉降变化较为缓慢且时间较长的城市地面沉降监测，这两种方法都具有其局限性[8]。合成孔径雷达干涉测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radartechnique, InSAR）以其全天候、全天时、精度高、覆盖范围大的优点被广泛应用[9-10]，其中永久散射体干涉法（Permanent Scatterer Intervention Method，PS-InSAR）和小基线集方法（Small Baseline Set Method，SBAS-InSAR）作为先进的InSAR技术方法，可以克服大气延迟和时空非相干性等缺陷，获得高精度的沉降反演结果，已被许多国家用于城市地面沉降监测[11-12]。此外，高分辨率SAR图像也得到广泛应用，如搭载相控阵型L波段合成孔径雷达（PALSAR）传感器的ALOS卫星（ALOSPALSAR）和搭载C波段传感器的Radarsat-2卫星的SAR图像[13-14]。

巴彦淖尔市位于内蒙古自治区西部，近年来随着人口激增和城市建设加快，地下水降落漏斗范围不断扩大，且该地区固有的第四系粉砂层具有发育广、厚度大的特点，易产生不均匀地面沉降，且沉降持续时间较长[15]，因此巴彦淖尔市具备地面沉降产生的基础条件，然而目前该市地面沉降的区域性研究尚未开展，已有的水平面测点近年来也遭到严重破坏。因此，本文利用PS-InSAR和SBAS-InSAR技术首次对巴彦淖尔市2007—2011年和2015—2016年的地面沉降演化特征进行定量研究分析，通过现场实地调查验证InSAR技术监测结果的可靠性，并进一步分析研究区地面沉降成因及发展趋势，以期为地面沉降防灾减灾提供技术支撑。

1 研究区概况

巴彦淖尔市位于黄河冲积平原上，总面积65 139 km2，地面开阔平坦，海拔1 045～1 209 m，地势由西南向东北倾斜。地表出露多为第四系全新统冲积砂及砂质粉土，厚6～51 m。第四系厚约1 000 m，推测最大厚度为1 200～1 500 m。第四系沉积层厚度大、含水率高、固结程度差，在重力等作用下，易发生地层自然压实、固结。构造上属于河套盆地，西界为郎山前缘断裂，北界为色尔腾山断裂，南界为鄂尔多斯北缘断裂。总体而言，区域地壳处于相对稳定状态。研究区内有2条断裂带：1条分布在东北方向，从晨光村到高峰村；另1条分布在民丰村—友谊村—扶丰村，沿东西方向分布。区内浅层地下水分布普遍，为主要开采层[16]。含水层埋藏厚度受构造控制明显，盆地边缘较薄，深拗陷带较厚，临河区一般为55～60 m，粉砂层厚度自东向西、自南向北逐渐增加，埋深相应加深。粉砂层厚度在北部杭锦后旗地区最大，达280 m[17]（图1—2）。

图1 研究区地理位置及第四系粉砂层厚度图Fig.1 Geographical location of the study area and depth of the Quaternary silt strata

图2 I—I′水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological profile of section I—I′

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本研究采用ALOS PALSAR（2007-01-13—2011-03-11，98景）和Radarsat-2（2015-06-28—2016-12-31，10景）图像。ALOS PALSAR数据较丰富，数据采样较均匀，L波段数据波长较长、穿透性较好，在非建筑区仍有相干性。目前在轨卫星有Radarsat-2、TerraSAR-X、COSMOSkyMed和Sentinel-1，其中Radarsat-2从2015年开始，在研究区有拍摄数据，TerraSAR-X和COSMO-SkyMed在研究区无存档数据。综合对比已有数据情况、数据幅宽和波长等指标，最终选用ALOS PALSAR和Radarsat-2数据分别对巴彦淖尔市2007—2011年和2015—2016年的地面历史沉降情况进行分析研究。采集参数如表1所示。

表1 巴彦淖尔市ALOS PALSAR 和Radarsat-2 数据参数Table 1 Parameters of ALOS PALSAR data and Radarsat-2 SAR data in the city of Bayannur

2.2 研究方法

采用PS-InSAR方法对2007-01-13—2011-03-11期间巴彦淖尔市的地面沉降进行识别。PS-InSAR技术本质上属于雷达差分干涉法，将测量区域的序列SAR图像对应的地面目标分为永久散射（Permanent Scatterer，PS）点和非永久散射点两类，然后提取PS点，采用差分干涉法和建模方法实现信号相位的分离，最后提取PS变形信息并进行插值得到研究区域的地面形变情况[18]，如图3（a）所示。选取2009年9月22日的图像为主影像，与其他影像组合24个干涉像对，得到地表形变信息。采用10景Radarsat-2数据对2015-06-02—2016-12-31期间巴彦淖尔市的地面沉降情况进行简单研究，而PS-InSAR方法要求SAR数据量大于25景，因此采用SBAS-InSAR方法研究2015-06-02—2016-12-31期间的地面沉降情况。以时间基线不超过350 d、空间基线不长于560 m为原则，组成干涉对，得到该地区的地表沉降速率，具体处理过程如图3（b）所示。

图3 数据处理流程Fig.3 Workflow of InSAR data processing

3 研究结果

对2007—2011年98幅ALOS PALSAR数据的SAR图像进行干涉处理，最终获取PS点。巴彦淖尔市的地面沉降主要表现为缓慢性沉降，沉降速率集中在0～10 mm/a。所有PS点中最大沉降速率达23.7 mm/a，位于临河区乔和圪旦的空地上。以InSAR影像解译结果为基础，选择InSAR解译成果沉降速率较大的PS点集中分布区，结合城市地下水开采情况、区域地下水水位动态变化特征、地下水降落漏斗形态特征、第四系粉砂层发育特征等条件，并进行野外验证，综合确定地面沉降区的位置及范围。结果表明2007—2011年巴彦淖尔市存在3处地面沉降集中区，即杭锦后旗沉降区（A）、临河区沉降区（B）、开发区水源地及北部沉降区（C），如表2和图4（a）所示。2015—2016年巴彦淖尔市的沉降也为缓慢性沉降，沉降速率集中在0～2.6 mm/a；沉降速率最大值为5.634 mm/a，位于临河区光明村中央路口以北0.3 km处；且存在1处地面沉降区，即临河区及北部沉降区（D），如表2和图4（b）所示。巴彦淖尔市地面沉降整体表现为缓慢性沉降，按《地面沉降干涉雷达数据处理技术规程》（DD 2014—11）中地面沉降严重程度分级标准，巴彦淖尔市地面沉降严重程度属于低级。

图4 巴彦淖尔市地面形变速度Fig.4 Ground deformation velocity in the city of Bayannur

表2 巴彦淖尔市地面沉降集中区特征Table 2 Characteristics of land subsidence concentration area in the city of Bayannur

实地调查发现，在杭锦后旗陕坝镇西二街村房屋东墙发现多处裂缝，该点距离杭锦后旗地下水超采区约1 km；同时在第一水源地4号水源井、第二水源地6号水源井发现井管相对抬升、井周存在辐射状裂缝，其他地区未见明显地面沉降明显迹象（图5）。这是由于巴彦淖尔市地面沉降尚处于初步发生阶段，地面沉降严重程度属于低级，地面沉降发展较缓，因此未出现较大范围的区域性地面沉降迹象。

图5 巴彦淖尔市地面沉降特征野外调查照片Fig.5 Field survey photos of land subsidence characteristics in the city of Bayannur

InSAR解译影像显示，部分地区存在地面抬升现象，本研究在野外核查工作中有针对性地对地面抬升特征区域进行了实地核查，核查点分布情况见图4（a）。结果表明，除BN1调查点位于临河区团结路万丰小区外，其余调查点均位于农田、林地、草地、芦苇地，受作物种类、长势影响，对InSAR解译成果造成一定干扰。而BN1调查点处的万丰小区始建于2010年，当时地表人工开挖扰动较大，因此2007—2011年InSAR解译影像显示的地表回升现象与此有关。此外，2015—2016年黄河西南地区遥感解译影像显示，研究区出现大面积的地面沉降集中点；随后野外验证表明，该区域位于库布齐沙漠，地表变形易受水土风蚀等自然因素的影响，因此，推测这些沉降点为地面沉降干扰点；而且由于该区域隶属于鄂尔多斯市，不在本研究区范围内，因此未进行详细分析研究。

4 地面沉降成因及趋势分析

4.1 地面沉降成因分析

4.1.1 自然因素

研究表明地面沉降量主要来自含水层顶板自身的固结压缩[19]。2007—2011年巴彦淖尔市A、B、C等3处地面沉降集中区沉降面积较大，其中B沉降面积达139.98 km2；2015—2016年该沉降区继续向周边及北部扩展，沉降面积增至221.43 km2。由于上述地面沉降区均位于研究区粉砂层厚度较大的区域，因此认为巴彦淖尔市沉积物的固结压实是导致该地区地面沉降的重要因素。为了进一步探讨巴彦淖尔市沉积物固结压实对地面沉降的影响，本研究比较分析了2007—2011年3个地面沉降区平均沉降速率与相应粉砂层厚度的相关性。结果表明，粉砂层厚度最薄的C区沉降速率最低，为4.615 mm/a；中等粉砂层厚度的B区沉降速率最高，为8.336 mm/a；而A区粉砂层厚度最大，达260～280 m，沉降速率却较小。这说明沉积物固结是引发该区地面沉降的原因之一，地面沉降是多种因素共同作用的结果。在本研究中，巴彦淖尔市两条断裂两侧未见明显差异变形，断裂两侧也未见地面沉降的带状分布。此外，由构造活动引起的地表高程差异发生在漫长的历史时期，速度极慢，影响很小[20]。因此，不考虑构造活动对研究区的影响。

4.1.2 人为因素

2007—2011年巴彦淖尔市存在的3个地面沉降集中区中，A区位于陕坝镇水源地的东北方向，该区地面沉降呈小范围小幅度均匀沉降，沉降中心与杭锦后旗地下水超采区及陕坝镇水源地在区域上较为接近，呈现出与地下开采较为相关的特性；B区内有第一水厂、第二水厂、铁路水厂，企事业单位自备井较多，目前区内已形成临河区小型孔隙浅层地下水超采区，该沉降区位于城区地下水降落漏斗中部，区内地面沉降呈大范围小幅度均匀沉降，地面沉降中心与地下水降落漏斗中心在空间分布上具有较高的一致性，但沉降中心与地下水漏斗中心并非完全吻合，沉降漏斗有向东北偏移的趋势，如图6（a）所示。其主要原因可能是软土层固结速度滞后于地下水水头变化，并且不同地区的软土层厚度对该区域地面沉降的发生、发展也有显著影响[21-22]。2004—2015年地下水降落漏斗范围不断扩大，可能导致地面沉降范围逐步扩大，本次对巴彦淖尔市2015—2016年的地面沉降调查也恰好验证了这一发展趋势：B区在原有沉降基础上继续向周边扩展，特别是东北部，北至白虎高圪旦，东到长丰村，沉降区面积达221.43 km2，如图6（b）所示；C区东南紧邻开发区水源地，由于2010年后开发区工业产值增加较快，导致区内企业用水增多，地下水位下降相对较快，因此C区地面沉降速率相对较高，选取巴彦淖尔市2007—2011年两个具有完整水位监测数据的形变特征点，观测其地面形变速度和地下水位，并对二者的相关性进行回归分析。两个特征点分别位于临河区城关镇五四十社村和临河区联邦制药（内蒙古）有限公司，对应的水位监测点分别为B120和B128-1，具体位置如图6（a）所示。结果表明，地下水位与地面形变速度具有一定的相关性，水位下降时地面沉降，水位上升时地面抬升，地面形变与地下水位变化密切相关，各点两者的相关系数均大于0.8（图7）。因此，地下水开采是巴彦淖尔市地面沉降的主要影响因素。

图6 地面沉降环境影响因素图Fig.6 Diagram showing the environmental influencing factors in land subsidence areas

图7 地面形变速度与承压水水位相关性Fig.7 Correlation of the ground deformation velocity and artesian groundwater level elevation

2007—2011年，巴彦淖尔市城市建设进入快速增长阶段，新增建筑物较多。地基建设往往需要在开挖过程中抽取地下水，造成地基下沉。本研究查明的几个地面沉降集中区，不仅是地下水开发利用程度较高的区域，同样为居民聚居区（如A区和B区）或新增建筑较多区域（如C区）。分别在3个地面沉降集中区选取沉降点M1、M2、M3，基于历史卫星图像，分析2007—2011年沉降点及沉降点周围建筑物变化情况（图8）。结果表明，3个典型的地面沉降点及周围均为新增建筑物较多的地区，因此地表荷载增加也是巴彦淖尔市地面沉降的影响因素之一。

图8 各沉降区研究期始末历史卫星影像Fig.8 Historical satellite images at the beginning and the end of the study period in each land subsidence area

4.2 地面沉降发展趋势分析

2007—2011年和2015—2016年巴彦淖尔市地面沉降速率分别集中在0～10 mm/a和0～2.6 mm/a。由地面沉降阶段性预测标准[23]可知巴彦淖尔市地面沉降尚属于发生阶段。尽管本次调查显示2015—2016年A区没有继续扩展或加重的趋势，但据《巴彦淖尔市城市总体规划（2011—2030年）》，陕坝镇规划保留现状自来水厂，并新建二水厂，因此若不合理开采地下水，未来该沉降区很有可能向东南部扩展至陕坝镇水源地保护区。B区内设有第一水厂、第二水厂、铁路水厂，企事业单位自备井较多，据《巴彦淖尔市城市总体规划（2011—2030）》，中心城区保留现状一水厂、二水厂、三水厂及铁路水厂，并在规划期末达到设计供水规模，新建四水厂；未来随着地下水开采强度增加，中心城区降落漏斗可能继续扩大，致使该沉降区向东部扩展至第三水厂，沉降速率有所加快。C区东南紧邻第三水厂，近年由于临河东部巴彦淖尔经济开发区建设和开发区最大企业“联邦（内蒙古）制药公司”的入驻，开发区已新建水源地（35眼井）和联邦制药自备水源地（58眼井），未来区内企事业单位新增用水量仍会增加，且已有研究表明，随着建筑荷载的增大沉降范围也会增大，当建筑荷载足够大且建筑物间距过小时，地面沉降漏斗可能连成一片。因此，未来随着地下水用水量增加及开发区大规模城镇建设，该沉降区可能呈辐射状向周边扩展，西南部与临河区沉降区相连通，沉降速率也有所增加。

5 结论及建议

（1）巴彦淖尔市地面沉降呈缓慢性沉降。2007—2011年沉降速率集中在0～10 mm/a，存在3处地面沉降集中区，即杭锦后旗沉降区、临河区沉降区、开发区水源地及北部沉降区；2015—2016年，沉降速率主要是集中在0 ～2.6 mm/a，且存在1处地面沉降区，即临河区及北部沉降区，该沉降区是在2007—2011年形成的临河区沉降区基础上继续向周边及北部扩展形成的。

（2）巴彦淖尔市缓慢性地面沉降的主要影响因素为地下水的开发利用引发的地下水水位下降，沉积固结压实也是该地区地面沉降产生的重要因素，地表荷载增加也产生了一定推动作用。

（3）巴彦淖尔市地面沉降属于发生阶段。未来杭锦后旗沉降区在原有沉降基础上，有可能向东南方向扩展至陕坝镇水源地保护区。此外，临河区沉降区可能呈现出向东部扩展至第三水厂，沉降速率有加快的趋势。开发区水源地及北部沉降区可能呈辐射状向周边扩展，西南部与临河区沉降区相连通，沉降速率也会有所增加。

建议将巴彦淖尔市地面沉降的下一步研究重点放在长时间序列自然因素与短时间序列人为因素各自影响的区分分析上，并建立地面沉降监测系统，开发区域地面沉降预测模型，为地质环境保护、城市基础设施建设、城市发展规划、重要工程选址提供地质环境依据和参考。