InSAR技术在普光气田地质灾害调查中的应用

赵 果

(中国石化中原油田普光分公司,四川达州 635000)

0 前言

普光气田位于四川盆地东北部,该气田地面集输系统主要由采气井场、集气站和集输管线组成。集输站场和集输管道输送介质高含硫化氢和二氧化碳,地区内地层出露以侏罗系地层为主[2]。地区内地质灾害“点多面广”,对普光区块净化厂、所有集气站、采气站、酸气管道、净化气管道、输水管道等存在严重安全隐患。随着气田开发深入,地质灾害和硫化氢泄漏的风险逐渐增大,一旦发生事故,社会及经济影响巨大。气田常规地质灾害评估以人工地面调查为主,存在调查范围小、精度低和效率差等问题,同时受现场调查人员个人经验影响较大。

本文以合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Rada,InSAR)技术为主,结合地面调查手段,构建以“技防为主、人防为辅”的调查评估方法,查明了普光气田输气管线区域范围内地质灾害分布发育特征、科学评价其危害性,有助于普光气田地质灾害防控工作。

1 InSAR技术

近年来随着卫星遥感技术的发展,InSAR技术以其长时间、大范围、高精度等优势,已成为地表形变监测的新手段。InSAR技术与卫星定位系统(Global Positioning System,GPS)、水准测量等传统地表形变监测技术相比,技术优势主要表现在以下几个方面[3]:

a) 监测精度高。雷达图像的分辨率可达到米级,InSAR技术可达到毫米级。

b) 监测范围广。可监测地表上百至上千平方千米的范围,能够对城区及山区实现全覆盖监测。

c) 监测具有连续性。对地面同一目标进行周期或非周期的长期观测,数据更新快,可监测地面目标在时间序列上的连续形变过程。

d) 全天时全天候,受天气影响小。使用探测频段较长,在不良天气条件下也能对目标进行监测,受天气影响较小,具备长时间连续工作的能力。

e) 监测实施方便。传统监测方法需要在地面布设水准点,InSAR技术只需卫星获取地表影像,不需要现场作业。

f) 成本相对低。InSAR技术不需要观测网的布设和维护费用,数据的成本相对不高。

2 数据与方法

InSAR地表形变分析主要采用的是SBAS-InSAR计算方法,对2019-2021年Sentinel-1A(哨兵一号)升轨数据进行时序监测与分析,升轨数据编号为20190111～20211226,共91景,历时1 080天,入射角值约39.456°,形变分析范围为管道两侧1 000 m。

Sentinel-1干涉模式8幅宽为250 km×250 km,分辨率为2.3 m×14.1 m[4]。同时,还收集了宣汉县气象站2018-2021年的降水量相关数据,用于分析滑坡形变与降雨量之间的关系以及地区内已有基础地质、地质灾害评价等的成果资料。

借助日本航天局(ALOS)发布的12.5 m分辨率的外部DEM作为参考,通过GoogleEarth平台选取稳定的基岩、远离研究区的基础建筑设施等点作为GCP点,数据源详情见表1。

表1 卫星影像数据参数信息

采用Goldstein滤波算法进行地表植被及覆盖物的滤波处理,用最小费用流算法进行奇异值分解,最终获得了研究区的形变范围[5]。

3 滑坡探测及分析

通过InSAR技术进行地表形变探测可识别出mm/a级的地表变形信息,本文重点对工区范围内420.45 km2探测数据,以及典型滑坡的形变特征进行分析。

3.1 地质灾害分布特征

根据Sentinel-1A卫星升降轨数据时序分析,普光气田的地质灾害主要以滑坡、崩塌、不稳定斜坡、水毁为主,共计4类,均为小型规模。采用1∶10 000InSAR解译形变点共58处,解译出地灾隐患点32处,其中崩塌1处、滑坡6处、不稳定斜坡23处、水毁2处。

3.1.1 时间分布特征

a) 同步性。每年5～10月是川东北区域降雨量集中的时段,同时地质灾害发生频率也较高。

b) 周期性。每年在降雨量较少的时候,地质灾害基本稳定,降雨量大的时候稳定性降低[6]。从横向上看,区内地质灾害主要发生在每年5～10月降水集中时间段,主要受本区气候条件所控制。调查区属亚热带湿润季风气候,年均降水量多在1 000 mm以上。

3.1.2 空间分布特征

a) 相对集中性。气田地质灾害主要集中在毛坝镇、普光镇和胡家镇。主要分布在斜坡地带,地形斜坡坡度多在25°～35°之间,局部斜坡70°～80°的坡度。

b) 垂直分带性。上面较陡下部较缓的斜坡[4],上部常易形成危岩崩塌,中下部易形成崩积物的堆积,具有上崩下滑的分布特点。

c) 各类型灾害点分布。崩塌灾害发育极少,为小型规模;滑坡灾害相对发育,共解译6处,其中5处对油气设施及矿区道路有潜在安全隐患,均为小型规模;不稳定斜坡较为发育,具有沿沟谷发育特征,共解译不稳定斜坡23处,规模较小,较为稳定;水毁2处,小型规模,详见表2。

表2 InSAR解译地灾类型及规模

3.2 典型滑坡分析

3.2.1 普光103集气站南侧(PG-InSAR32)

初步判断该处具有明显变形,平均地表变形速率约为0.021 m/a,根据地表形变探测数据,确定了疑似滑坡点位置,勾绘了变形范围,编号为PG-InSAR32。经InSAR技术识别及初步观测,其变形范围约0.011 km2,且变形速率稳定,在滑坡区域选取形变速率较大的一条剖面,绘制其历史形变累计结果,发现其在3年期间形变量达到0.63 m。

结合现场的地层岩性及作业区的工程建设、使用情况,该斜坡植被覆盖度高,主要以当地农作物为主,平均坡度约18°～35°,斜坡上有道路穿过,公路下侧为陡崖,坡度约50°～60°,斜坡陡崖处基岩可表现为明显的砂岩。主要变形迹象为道路局部出现拉裂缝,裂缝宽0.5～1.5 cm,公路下侧陡崖发育危岩块体,局部有崩落迹象,陡崖下部斜坡农田局部发育拉裂缝。结合现场调查及变形情况,初步判定该处为一滑坡,其位置及范围如图1所示,剖面如图2所示。

图1 PG-InSAR32现场

图2 PG-InSAR32剖面示意

3.2.2 胡家阀室段钾盐矿工程场(PG-InSAR01)

该点位于胡家镇胡家阀室管线附近,平均变形速率约0.045 m/a,并在变形区域选取形变速率较大的一条剖面,绘制其历史形变累计结果,发现其在3年期间形变量达到0.014 m。

结合现场情况,该场地平均坡度小于3°,面积约0.142 km2,地表以杂填土为主,无植被覆盖,地层出露不明显,周围山坡已被削坡,并修有多级马道,现状无变形迹象。场地内部有多间工程厂房,常驻人数约20人。综合分析后,初步判定为该处工程填方后由于填土固结沉降造成的变形,其位置及范围如图3所示,剖面如图4所示。

图3 PG-InSAR01现场

图4 PG-InSAR01剖面示意

3.2.3 毛坝1井—1#阀室管线西侧(PG-InSAR02)

该点位于毛坝1井—1#阀室管线附近,采取同样的InSAR手段,结合普光气田按1∶10 000地灾InSAR干涉结果和地形地貌数据,初步判断该处具有明显变形,平均变形速率约0.038 m/a,根据变形情况,确定了疑似滑坡点位置,勾绘了变形范围,编号为PG-InSAR02。初步判定为滑坡,位置及范围如图5所示,剖面如图6所示。

图5 PG-InSAR02现场

图6 PG-InSAR02剖面示意

根据InSAR形变初步监测情况,对该变形区域做纵剖面并确定InSAR观测点,结果表明,该处的最大变形累计量约0.106 m,主要表现为变形区中部变形大于上部和下部变形体。

4 结论

a) 通过InSAR技术共识别出地表形变点58处,其中崩塌灾害1处,滑坡灾害6处,不稳定斜坡共23处,水毁2处。由于耕种、植被生长、沉降等造成的变形区共26处,现场验证率100%,准确率55.2%,满足山区使用要求。

b) 滑坡和不稳定斜坡是工区主要的地质灾害类型,滑坡主要为土质浅表层滑坡,按规模为小型滑坡。受地貌、岩性、人类工程活动影响,区内滑坡多发育斜坡体的中下部。崩塌灾害仅发育1处,局部坡度大于50°的高差较大的斜坡体表面。水毁仅发育2处,均为小规模灾害。泥石流和地面塌陷灾害在区内不发育。气田地质灾害在平面上的分布主要受地层岩性、地形地貌的控制。

c) 气田地质灾害主要发生于5～9月主汛期时段,降雨量的大小是地质灾害形成的主要诱发因素。

d) 气田内地质灾害多发育于105～740 m高程和17°～37°的坡度。按照地质灾害的不同类型,滑坡主要发育于26°～37°范围内,不稳定斜坡主要发育于17°～26°范围内。

e) 气田地质灾害在低山丘陵地段较为发育,主要原因是人类工程活动较为强烈。主要表现为城镇建设、切坡修路、耕地、房屋修筑等。同时,人类耕作及开挖对斜坡体结构的改造作用,使得坡体岩性结构变得松散、易滑。