基于PSInSAR技術的曹妃甸新區地面沉降發育特征及其影響因素分析

李曼， 葛大慶， 張玲， 劉斌， 郭小方， 王艷

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

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基于PSInSAR技術的曹妃甸新區地面沉降發育特征及其影響因素分析

李曼， 葛大慶， 張玲， 劉斌， 郭小方， 王艷

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

曹妃甸新區是唐山市地面沉降災害較嚴重的地區之一。地面沉降的快速發展對曹妃甸新區大宗貨物集疏港的功能發揮構成了威脅，因此，全面了解曹妃甸新區地面沉降的分布態勢，特別是掌握不同區域地面沉降的主控因素至關重要。基于中高分辨率雷達數據，采用PSInSAR技術監測了曹妃甸新區的地面累積沉降量分布及演化狀況，結果表明： 近5 a內曹妃甸新區地面整體下沉，地面累積沉降量普遍在77 mm以上； 在曹妃甸區西南部、曹妃甸工業區中部及南部沿海存在數個典型沉降異常區(點)，且中心處的沉降梯度都較大。據現場實地調查，特殊的地質環境條件是曹妃甸新區發生地面沉降的客觀因素，地下水超采、大規模工程擾動是誘發和加劇地面沉降的外在動力。

曹妃甸新區； 地面沉降； PSInSAR技術； 地下水； 工程擾動

0 引言

河北省曹妃甸新區位于唐山沿海南部，受寧河-唐海地下水位降落漏斗影響，地面沉降災害較為發育。隨著2008年10月曹妃甸新區開始大規模全面開發建設，產業集聚性的土地開發和大規模人工擾動，曹妃甸新區不同區域已發生了不同程度的地面沉降，沉降異常區分布集中且中心沉降幅度較大。地面沉降的發育對曹妃甸新區線性工程的平穩運營、建筑基礎設施和人民生命財產的安全都將造成嚴重威脅，成為制約曹妃甸新區科學、快速發展的主要問題[1-2]。

目前，曹妃甸新區的地面沉降數據主要通過水準測量、分層標和GPS標石等點上測量獲得。水準測量往往需要數月的觀測時間，獲得的是一段時間內的地面沉降量或沉降速率，監測結果時間不一致； 分層標和GPS標石的監測精度高，能為地面沉降提供連續、實時的監測數據，但監測點密度小，無法獲取曹妃甸新區地面沉降的整體分布態勢[3-6]。隨著空間對地觀測技術的發展，合成孔徑雷達差分干涉測量(D-InSAR)技術以其全天候、大范圍、高精度以及監測網絡密度高等特點成功應用于地面沉降監測中。永久散射體差分干涉測量技術(permanent scatterer for SAR interferometry，PSInSAR)是在傳統D-InSAR技術基礎上發展起來的，通過選取散射特性和相位信息都較為穩定的地面目標點作為地表形變信息的表征，能夠有效降低時間去相干、空間去相干以及大氣延遲等影響引起的誤差組分[7-9]，進而提高形變信息提取的精度，是調查和監測區域性地面沉降問題的一種有效方法。

本文利用中高分辨率雷達數據，采用PSInSAR技術監測曹妃甸新區的地面沉降分布及演化狀況，全面掌握曹妃甸新區地面沉降的發育特征。這種方法監測網密度大，監測時間頻率高且可以實時、快速地獲取曹妃甸新區地面沉降漏斗的分布范圍和演化特征。同時，通過搜集曹妃甸新區地下水的開采狀況和相應區域人類活動對地面沉降的擾動情況，詳細分析影響曹妃甸新區地面沉降的主控因素，為防治該區地面沉降的進一步發展提供基礎資料。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

曹妃甸新區位于河北省唐山市沿海平原區南部，地勢由北向南逐漸降低，地形較為平坦，地面坡降僅0.6‰左右。區內沉積了巨厚的第四紀細顆粒松散沉積物，厚度由北部山前的數十米逐漸增至曹妃甸一帶的420 m左右，主要為一套沖洪積相及河湖積相沉積物，以粉土、粉質粘土、粉細砂為主，夾有淤泥層或海相層，質地疏松，承載力較低[10-11]。在大地構造單元上，曹妃甸位于冀渤塊陷內，斷塊活動受EW向、NE/NNE向和NW向3組斷裂控制，形成了區內隆起與坳陷相間分布的構造格局。根據天津地質調查中心對曹妃甸新區活動斷裂的研究，區內已探明的活動斷裂有寧河—昌黎斷裂、柏各莊斷裂和高柳斷裂，西南莊斷裂也存在活動的可能性[1,12]。

曹妃甸新區含水層為第四系松散巖類孔隙含水巖組，淺層地下水為咸水，水位埋深一般為2～4 m，基本未開采； 深層地下水是當地重要的用水水源。地下水長期過量開采，在曹妃甸區、豐南尖坨子以及樂亭曹莊子等地已形成地下水降落漏斗，且這3個降落漏斗屬于天津寧河-唐山唐海地下水位降落漏斗的一部分。相應地，在南堡開發區、唐海縣城(曹妃甸區)一帶地面沉降最為顯著，沉降速率大，影響范圍廣，且沉降持續發展[10-13]。

1.2 數據源

基于空間分辨率為25 m、重訪周期為24 d的21景Radarsat-2雷達數據，監測唐山南部沿海平原區的地面沉降場信息，為曹妃甸新區地面沉降影響因素分析提供基礎數據； 采用2009年8月至2014年12月間的空間分辨率為3 m、重訪周期為11 d的46景TerraSAR-X雷達衛星數據(圖1)進行曹妃甸新區地面沉降的精細監測。通過中、高兩種分辨率雷達數據可獲得曹妃甸新區2012—2014年度地面沉降速率和2009—2014年近5 a內地面累積沉降量的分布及演化特征。

圖1 中高分辨率雷達衛星數據覆蓋范圍

雷達干涉數據處理中涉及的DEM數據采用美國SRTM獲取的DEM數據，空間分辨率為90 m，平原區高程精度約為5～10 m[14]。

2 技術方法

根據不同時刻獲取的SAR影像進行干涉對組合，生成多基線差分干涉紋圖集。

利用點目標檢測算法和相干系數均值法，基于這一長時間序列SAR數據，從中篩選出在時間序列上具有穩定散射特性的高相干點目標，這些目標(如建筑物的墻角、屋頂、裸露的巖石等)幾乎不受失相關噪聲的影響，在長時間間隔的干涉對中仍然保持較高的相干性[8-9,14]。

將穩定的相干點目標構成離散觀測網絡，針對每一個差分干涉紋圖，提取穩定點目標處的差分干涉相位，并對所有點目標的差分干涉相位序列進行時間序列分析，即通過分析這些點目標相位的時空變化，分解各個相干目標點上的相位組成，包括高程誤差，形變相位以及由大氣引起的誤差相位，最后由相干點目標干涉相位迭代回歸分析，解算形變量隨觀測時間的變化關系，得到每個觀測時刻地面沉降的累積量[8-9,15-16]。

3 地面沉降分布現狀

3.1 中、高分辨率雷達數據監測結果對比分析

圖2 為采用中等分辨率Radarsat-2雷達數據獲得的2012—2014年度天津漢沽—唐山沿海平原地面沉降速率圖。唐山南部沿海地區區域性地面沉降明顯，主要形成漢沽區東部、豐南縣南部和曹妃甸區西部沉降區以及樂亭縣西南部沉降區。在曹妃甸工業區地面沉降不明顯，僅在個別區域出現沉降異常點，沉降中心的沉降速率小。將圖2中紅色圖框內的地面沉降狀況(基于Radarsat-2雷達數據獲得的)與由高分辨率TerraSAR-X雷達衛星數據獲得的2012—2014年度同一區域的地面沉降(圖3)相比，曹妃甸區北部地面沉降分布態勢基本一致，地面呈整體下沉，沉降速率普遍在20 mm/a以上。所不同的是，由高分辨率雷達數據發現在曹妃甸新區尚存在多處沉降異常區(點)且這些沉降異常區(點)中心處沉降速率梯度變化很大，最大沉降速率都達40 mm/a左右。圖3上a,b,c,d分別為曹妃甸新區典型沉降異常區(點)。

圖2 天津漢沽—唐山沿海平原InSAR監測地面沉降速率圖(2012.01—2014.12)

圖3 2012—2014年度曹妃甸新區InSAR監測地面沉降速率圖

Fig.3 InSAR monitoring land subsidence rate of Caofeidian Newly-developed Area during 2012—2014

中、高分辨率2種雷達數據監測結果的顯著差異主要是由曹妃甸新區人為活動頻繁和雷達數據自身指標限制造成的。曹妃甸新區尚處于大規模建設時期，地表地物容易產生非相干移動，使得地表相干性降低； 另一方面，這一地區建筑物分布密度相對較低，造成中等分辨率雷達圖像中相干目標的數目降低，尤其在地面沉降異常區(點)處相干目標會更少，從而進一步造成相干目標點的干涉相位不連續，噪聲影響較大，難以提取出這些地區的地面沉降場信息。高分辨率雷達數據TerraSAR-X重復周期短，空間分辨率高，高分辨率雷達圖像的尺寸效應增大了相干目標的數目，能更加詳細地監測微小地面形變活動，刻畫沉降場局部變化特征和細節，即沉降異常區(點)的沉降中心變化特征，監測精度提高。

3.2 唐山南部沿海地區地面沉降分布狀況

2012—2014年，在唐山南部沿海地區發現2大明顯的沉降漏斗區： 以漢沽區西部與豐南縣南部雙橋子、柳樹圈鎮、黑沿子鎮、濱海鎮為沉降中心的沉降漏斗區和以樂亭縣西南部曹莊子、柳贊鎮為沉降中心的沉降漏斗區(圖2)。雙橋子-柳樹圈鎮-黑沿子鎮-濱海鎮沉降漏斗的沉降影響范圍廣，沉降速率大， 沉降中心的最大沉降速率達80 mm/a左右； 曹莊子-柳贊鎮沉降漏斗中心區的最大沉降速率也達44 mm/a,這2大沉降漏斗與這一區域地下水降落漏斗的分布范圍、演變特征基本一致，地下水的長期過量開采是這一地區地面沉降漏斗發育的主控因素。但在曹妃甸區南部、曹妃甸工業區(曹妃甸島)地面沉降中心不明顯，地面沉降速率較低，都在23 mm/a以下，僅在個別區域發現較明顯的沉降異常區(點)。

3.3 曹妃甸新區地面沉降分布

為全面、詳細地了解曹妃甸新區地面沉降分布及演化狀況，基于高分辨率雷達數據獲取了2012—2014年度曹妃甸新區的地面沉降速率，結果發現，曹妃甸新區地面下沉速率普遍在20～25 mm/a，沉降中心異常突出(圖3)。同時，基于2009年8月至2014年12月間的46景TerraSAR-X雷達衛星數據，進一步獲取曹妃甸新區近5 a的地面累積沉降量分布狀況，這與該區地面沉降的年度沉降速率分布特征完全一致。

在曹妃甸區西南部形成以第七農場、第四生產隊和秋老堡為沉降中心的最大沉降區帶，其中，秋老堡南部與唐曹高速、遷曹鐵路沿線沉降中心相連，形成曹妃甸新區最大的沉降異常區，最大沉降速率都在30 mm/a左右； 第七農場南部沉降異常區中心處最大沉降速率為33 mm/a,累積沉降量最大，可達211 mm。在曹妃甸區南部則形成了以新華港、東林里畜牧隊為主要沉降中心的沉降區，其中新華港北部沉降中心、東林里畜牧隊附近沉降中心的最大沉降速率都為28 mm/a，最大累積沉降量也都在80 mm以上。

與曹妃甸區及區南部的地面沉降特征有所不同，曹妃甸工業區(曹妃甸島)表現為地面整體下沉速率較緩，但個別沉降異常點突出，沉降中心的沉降梯度變化較大，主要集中在物流中心、工廠企業產業園以及線性工程沿線。原油碼頭左側伸向渤海的走廊沿線沉降異常點處的最大沉降速率達41 mm/a，最大累積沉降量，達214 mm為曹妃甸新區的最大值； 原油碼頭油氣儲存區的最大累積沉降也較大，達197 mm，且不同儲油罐的地面沉降發育程度也不同。在曹妃甸工業區北部臺灣產業園附近以及工業區中部首鋼京唐鋼鐵廠附近的沉降中心也相當明顯，最大累積沉降量分別達到172 mm和182 mm。

此外，在曹妃甸區東部蔣各莊、楊嶺鎮、蠶沙口等地沉降異常點也較顯著，除蠶沙口沉降中心處的最大累積沉降量較大達160 mm外，其他地區地面沉降幅度相對較小。

4 曹妃甸新區地面沉降發育特征

1) 地面沉降呈片狀分布。受唐山沿海寧河-唐海地下水位下降漏斗影響，曹妃甸區及周邊區域地面整體下沉，呈連片分布特征。曹妃甸區與西部以大灶、第七農場、第四生產隊和秋老堡為沉降中心的沉降帶，經由第五農場第二生產隊、東林里畜牧隊沉降區與曹妃甸區東南部新華港、十里海養殖場沉降帶相連。

曹妃甸工業區中部的綜合服務區、激光產業園和中興產業園等企業聚集地，地面整體沉降量也較大，沉降速率為15～25 mm/a。這一地區地面整體下沉與人為工程活動頻繁擾動密切相關。

2)地面沉降異常區(點)多，沉降中心沉降梯度變化大。在曹妃甸區西南部、南部以及曹妃甸工業區等地都存在明顯的沉降異常區(點)。第七生產隊南部、唐曹高速沿線、秋老堡西南、唐山灣生態城高尚堡鹽場北部、曹妃甸工業區北端臺灣產業園東部以及最南端原油碼頭等沉降異常區的沉降梯度大，沉降面積都相對較小。沉降中心的最大累積沉降量在135～200 mm之間，其中曹妃甸工業區南端原油碼頭西側岸邊走廊沉降異常點處的最大累積沉降量為曹妃甸新區沉降量之最，達214 mm，最大沉降梯度約為0.77 mm/m，而臺灣產業園東部沉降異常區為曹妃甸工業區內沉降影響范圍最大的沉降異常區。在第十二農場南部、蠶沙口以及工業區中部首鋼京唐鋼鐵廠東北部沉降中心也較明顯，最大累積沉降量也都在150 mm左右，但地面沉降影響范圍都相對較小。

3) 地面沉降非線性特征顯著。不同年份曹妃甸新區的地面沉降速率有所不同，唐山灣生態城高尚堡鹽場以北區域、唐山灣生態城起步區金海灣小區、萬年麗海花城等地地面年沉降速率差別較大(圖4)。2010年，唐山灣生態城地面整體下沉，沉降速率普遍較大，在20～41 mm/a之間。 2012年和2013年沉降速率顯著減緩，其中2012年沉降速率普遍降至20～30 mm/a，僅在青龍湖度假區西側、金海灣小區及其西側有最大沉降速率在30 mm/a左右的沉降異常區； 2013年沉降速率則降至25 mm/a以下，且沉降速率介于20～25 mm/a之間的范圍縮小至高尚堡鹽場北部沉降帶和起步區金海灣小區一帶，其他地區的沉降速率都在20 mm/a以下； 但至2014年，地面沉降速率又出現反彈，高尚堡鹽場北部沉降帶范圍向北延伸至青龍湖度假區南部，沉降速率達25～40 mm/a，起步區也出現數個明顯的沉降漏斗中心，最大沉降速率也都在25 mm/a以上。通過分析2009年8月至2014年12月曹妃甸新區典型沉降異常區地面累積沉降量變化特征可以發現，各典型沉降異常區在各個時段內的地面沉降變化過程也不完全一致(圖5)。唐曹高速最北端沉降異常點a處，2009年8月至2012年8月期間，地面均勻下沉，且沉降速率較小，于2012年底開始沉降速率減小地面沉降消失甚至出現些許回彈，之后在2013年初地面又呈較大速率繼續下沉； 第四生產隊北部沉降異常區b區域分別在2012年底、2013年底出現2次地面沉降減緩現象； 曹妃甸工業區臺灣產業園東部沉降異常區c和原油碼頭沉降異常點d處的地面沉降趨勢基本相同，從2011年8月開始，地表面呈跳躍式下沉，且平均沉降速率都較大。

(a) 圖3a處2010年度沉降速率 (b) 圖3b處2012年度沉降速率

(c) 圖3c處2013年度沉降速率 (d) 圖3d處2014年度沉降速率

圖4 唐山灣生態城InSAR監測地面沉降速率演化圖

Fig.4 Evolution characteristic of land subsidence rate by InSAR at Tangshan Bay Eco-city

圖5 圖3中a，b，c，d4個典型沉降異常區(點)處地面累積沉降量動態演化過程

4)線性工程沿線地面沉降分布極不均勻。曹妃甸新區內遷曹鐵路、司曹鐵路、唐曹高速等線路工程沿線地面沉降顯著，沉降量極不均勻。該區西部的唐曹高速、遷曹鐵路沿線沉降最為明顯，唐曹高速大灶至第一生產隊沿線存在數個明顯的沉降異常點，其中秋老堡東南部3個沉降異常區的沉降量都較大，最大累積沉降量由北至南分別達178 mm，165 mm和164 mm。遷曹鐵路在秋老堡南部的2個沉降異常區與秋老堡沉降異常區有相連的趨勢，形成沉降范圍更大的沉降異常區，沉降中心的最大累積沉降量都在150 mm左右。在曹妃甸工業區首鋼京唐鋼鐵廠東側的通島路沿線也發現一明顯的沉降異常區，近5 a內的最大累積沉降量也達147 mm，沉降梯度非線性變化已造成通島路沿線地裂縫密集，最大地裂縫約1～2 cm，隨著地面沉降速率、地面沉降量的加大，將會對通島路線路的安全運營造成嚴重威脅(圖6)。除此之外，線性工程其他區段地面也有沉降，但沉降幅度與相應區段的區域沉降基本相當，沉降梯度小。

(a) 地裂縫橫穿通島路 (b) 沿通島路線路延展的地裂縫

圖6 首鋼京唐鋼鐵廠附近通島路面上形成的地裂縫

Fig.6 Ground fissures located at Tongdao road near Shougang Jingtang United Iron and Steel factory.

5)構造斷裂對地面沉降發育起圍限控制作用。構造斷裂兩側地面沉降存在明顯差異，對地面沉降異常區的影響范圍起一定的圍限作用。高柳斷裂帶阻斷東林畜牧隊東南部沉降異常區和唐山灣生態城新華港北部沉降帶分別向東南、西北方向進一步延展，沉降區僅沿斷裂一側展布； 西南莊斷裂帶對大灶-第四生產隊-秋老堡沉降區、柏各莊斷裂帶對蠶沙口沉降異常區的擴展也起到一定程度的阻滯作用(圖7)。

圖7 曹妃甸新區InSAR監測地面累積沉降量圖 (2009.09-2014.12)

5 地面沉降的成因及影響因素

1)特殊的地質環境條件是發生地面沉降的內在因素。曹妃甸新區地處渤海灣北岸，在冀東平原區的南部邊緣，陸地形成較晚。曹妃甸新區新生代以來持續下降，地表被新生代第四紀沖積、湖積、海積的細顆粒松散沉積物覆蓋，厚度為400～500 m，以細顆粒為主，其中粘性土厚度占60%～70%。根據工程地質勘查和實驗結果，曹妃甸新區埋深處于0～80 m地層多屬欠固結。這為地面沉降的發生提供了內在條件[12]。

2)長期過量開采地下水是誘發地面沉降的主要因素。除曹妃甸工業區外，曹妃甸新區其他地區地面沉降整體下沉，沉降異常區(點)多，且集中分布在城鎮地區或工廠企業聚集地，這些地區的工農業生產和人民生活主要是開采深層地下水，而曹妃甸新區沉降較嚴重的西部沉降區、唐海灣生態城等地分別位于豐南尖坨子地下水位降落漏斗區和樂亭曹莊子地下水位降落漏斗區的邊緣。另根據《河北省人民政府關于公布平原區地下水超采區、禁采區和限采區范圍的通知》，至2014年6月，曹妃甸區大部(唐海鎮、濱海鎮、柳贊鎮)、灤南縣南部、樂亭縣東南部為深層地下水一般超采區，曹妃甸區西北部(唐海鎮、濱海鎮)、豐南區東南部為深層地下水嚴重超采區。可見，曹妃甸新區深層地下水的開采程度與地面沉降災害的發育程度以及地下水降落漏斗與地面沉降漏斗基本一致。

3)大規模開發建設、工程擾動加劇了地面沉降的發育。近年來，隨著曹妃甸新區開始大規模建設，深基坑開挖、路堤修建等引起的地面沉降地質災害在曹妃甸工業區、唐山灣生態城分布廣泛，尤其是在曹妃甸工業區，鋼鐵石化產業園、裝備制造產業園等地區工程建設期外力擾動較大區域以及在遷曹線(通島路)運營后基礎地基承載力較小甚至是在原油儲存區上覆外部荷載變動較大等諸多部位，地面沉降中心異常突出，沉降速率、沉降梯度都普遍較大[17-18](圖3)。總之，曹妃甸工業區不具備地下水開采條件，地面沉降異常區(點)的出現可能主要與外力長期擾動、地基土不斷壓密密切相關。

6 結論及建議

1)特殊的地層結構、長期地下水的超量開采以及大規模地、頻繁地外力擾動，使得曹妃甸新區地面沉降中心異常突出，沉降中心范圍較小，沉降梯度較大，對基礎設施、尤其是對線性工程的危害極大。

2)雖然采用中、高分辨率雷達數據獲得了曹妃甸新區第一手詳實的地面沉降資料，并定性地分析了曹妃甸新區地面沉降發育的影響因素，但總的說來，仍然對人為活動影響下海積灘涂區地面沉降的發生特點及其過程尚不完全清楚。如何加強InSAR測量與水文地質工作結合，深入分析制約不同區域地面沉降產生、發展的主導因素以及如何預測、預防地面沉降地質災害的發生，是今后相當長一段時間內責無旁貸的工作任務。

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(責任編輯： 李瑜)

Characteristics and influencing factors of land subsidence in Caofeidian Newly-developed Area based on PSInSAR technique

LI Man， GE Daqing， ZHANG Ling， LIU Bin， GUO Xiaofang， WANG Yan

(ChinaAreoGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResource，Beijing100083，China)

The rapid development of land subsidence in Caofeidian area has threatened its function as international transport and commercial trade center, and this area has become one of the most serious areas in Tangshan. Therefore it is very important to comprehensively understand land subsidence distribution of Caofeidian Newly-development Area, especially to grasp main control factors of different subsidence regions. Based on medium and high resolution radar data, the authors obtained whole land cumulative subsidence condition of Caofeidian Newly-development Area by PSInSAR. The results show that the overall surface subsidence is generally more than 77 mm, and there are a couple of typical land subsidence abnormal places in the southwest of Caofeidian Area and in the middle and south of Caofeidian Industry Zone. Moreover, the subsidence gradients in subsidence cone centers are larger. According to site survey, it can be found that the complicated geological condition is an objective factor resulting in land subsidence, and over-extraction of groundwater and large-scale engineering disturbance seem to be the external factors that induce and accelerate land subsidence in Caofeidian Newly-development Area.

Caofeidian Newly-developed Area； land subsidence； PSInSAR technique； groundwater； engineering disturbance

10.6046/gtzyyg.2016.04.19

李曼，葛大慶，張玲，等.基于PSInSAR技術的曹妃甸新區地面沉降發育特征及其影響因素分析[J].國土資源遙感,2016,28(4):119-126.(Li M，Ge D Q，Zhang L,et al.Characteristics and influencing factors of land subsidence in Caofeidian Newly-developed Area based on PSInSAR technique[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(4):119-126.)

2015-06-03；

2015-09-17

中國地質調查局地質調查項目“曹妃甸新區地面沉降高分辨率InSAR監測研究”(編號： 1212011120086)及國家自然科學基金委員會資助項目“基于改進的高分辨率時序InSAR技術研究Khash Mw7.7級地震震后形變機制”(編號： 41504048)共同資助。

TP 79

A

1001-070X(2016)04-0119-08

李曼(1981-)，女，碩士，高級工程師，主要從事InSAR技術在監測地面沉降、滑坡、活動斷裂等地質災害方面的研究工作。Email： digong820@163.com。