南水北調中線區域地面沉降SBAS-InSAR監測研究

張雙成 余 靜 宋明鑫 張彬玲 樊茜佑 司錦釗 張雅斐

1 長安大學地質工程與測繪學院，西安市雁塔路126號，710054 2 地理信息工程國家重點實驗室，西安市雁塔路中段1號，710054 3 西安市勘察測繪院，西安市南二環東段29號，710054

地面沉降是指在自然因素和人為因素的作用下，由于地殼表層未固結土體壓縮變形而引起的區域性地面高程降低的環境地質現象[1]，具有持續時間長、影響范圍大和多種因素共同作用等特點[2]。南水北調中線工程是世界上最大的跨流域調水工程，意在解決華北平原區域性缺水的問題，保障干渠的安全運營是推進受水區人民生活與經濟發展水平的重要措施[3]。而工程沿線部分渠段受城市地下水開采、礦區開采及區域地質構造活動等多種威脅，區域地質結構穩定性較差[4]。為避免沿線城市地面沉降影響到中線工程正常通水運行，對沿線區域進行長時間、高精度的地表形變監測具有重要意義。

與傳統監測技術相比，合成孔徑雷達干涉測量InSAR技術具有獲取數據速度快、可覆蓋范圍大、全天時全天候監測及精度高等優勢，被廣泛用于各個領域[5]。由于受到時空失相干和大氣延遲等的影響，常規差分干涉測量D-InSAR技術的監測精度較低，為突破D-InSAR技術的限制，小基線集技術SBAS-InSAR[6]應運而生。該技術大幅提高了形變監測精度，并且在探測長期累積的緩慢形變方面表現出極大的潛力。

本文利用SBAS-InSAR技術對南水北調中線工程沿線2015-04～2020-11的地表形變進行研究，得到沿線區域形變特征分布及時空演變規律，并結合有關資料著重探討了北京市地面沉降在南水進京后的時空演變特征，其結果可為相關單位在防災減災決策方面提供參考。

1 SBAS-InSAR數據處理方法

1.1 SBAS-InSAR基本原理

2002年，Berardino等[6]首次提出小基線集SBAS技術，該方法廣泛應用于長時間序列的地表形變監測中，基本原理如下[7]：若有同一研究區域的N+1景SAR 影像，則可能得到M個干涉對，M需滿足：

(1)

設初始時刻為t0，任意時刻ti(i=1,…,N)相對于初始時刻的相位差是未知參數φ(ti)，干涉處理獲取的差分干涉相位δφ(tk)(k=1,…,M)為觀測量。若不考慮其他相位誤差，則第k景差分干涉圖的像元(x，y)地表形變相位δφdef可表示為：

δφdef=φ(tB,x,y)-φ(tA,x,y)=

(2)

式中，tA、tB(tA

將所有差分干涉圖進行自由組合，φ為N幅SAR影像上的干涉相位值組成的矩陣，δφ為M幅差分干涉圖上相位組成的矩陣。則有：

(3)

(4)

將上式寫成矩陣形式：

Aφ=δφ

(5)

式中，A為M×N維矩陣。

(6)

當基線組L>1時，式(5)秩虧，秩虧數為N-L+1，為此對系數矩陣A進行奇異值分解，求出累積形變相位φ最小范數意義上的最小二乘解。

1.2 數據處理

設置一定的時空基線閾值，滿足條件的SAR影像自由組合生成干涉圖集。將DEM數據與主影像進行配準，模擬相位對去平后的干涉圖進行地形相位去除，得到差分干涉圖。對差分干涉圖進行濾波來降低由于失相干引起的噪聲等，并對濾波后得到的干涉圖進行相位解纏。構建矩陣方程，基于奇異值分解(SVD)方法估算解纏相位的高程誤差和平均形變速率，通過時間域和空間域濾波對殘余相位中的失相干噪聲相位和大氣延遲相位進行去除，得到非線性形變速率。結合線性形變速率和非線性形變速得到不同影像時間序列間的地表形變速率結果。SBAS方法的數據處理技術路線如圖1所示。

圖1 SBAS數據處理技術路線Fig.1 Data processing technique flowchart by SBAS

2 研究區域及實驗數據來源

2.1 研究區域概況

南水北調中線工程輸水干渠源自丹江口水庫，流經河南、河北，最后到達北京、天津，總長1 432.8 km。自2014年底通水后，中線工程已全面進入運行階段，截至2021-07-19，南水北調中線一期工程自陶岔渠首累積調水入渠水量達400億m3，分別向河南省、河北省、天津市、北京市供水135億m3、116億m3、65億m3及68億m3，沿線直接受益人口增加至7 900萬人，比2015年通水1周年時的3 800萬受益人口增加1倍多。

2.2 實驗數據來源

Sentinel-1A衛星是歐空局繼ERS和Envisat系列衛星后發射的環境監測衛星，基于C波段的成像系統采用條帶成像、干涉寬幅、超寬幅及波浪模式4種成像模式，其中干涉寬幅模式(IW)采用中等分辨率5 m×20 m獲取幅寬250 km的影像，成為陸地覆蓋的默認模式。本文收集IW模式下Sentinel-1A數據，其覆蓋情況如圖2所示，詳細數據參數如表1所示。除此之外，利用歐空局提供的POD精密軌道數據提高SAR衛星影像軌道精度，利用美國宇航局提供的分辨率為30 m的SRTM DEM數據去除地形相位。

3 中線區域地面沉降時空演變特征分析

由于研究區域較大，需進行數據分塊處理。將每景影像經SBAS-InSAR技術處理后的結果轉換到地理坐標系下，在ArcGIS軟件中依據一定的規則進行柵格鑲嵌拼接，得到中線工程沿線區域形變結果。

圖3為中線工程沿線區域2015-04～2020-11 LOS向的平均形變速率，由圖可見，整個沿線區域存在多處地面沉降，主要分布在京津冀地區，包括北京市、保定市、天津市、廊坊市、邢臺市及邯鄲市等。大部分沉降分布在河北省東南部，幾乎接連成片，最大地面沉降速率達139 mm/a，位于邢臺市南宮市沉降中心。北京市最大地面沉降速率達133 mm/a，位于朝陽區沉降中心。天津市西南部最大地面沉降速率為81 mm/a，相對較小。位于河北省東南部的地面沉降由于距離中線干渠有一定的距離，對輸水影響較小，但天津市支線經過2個小范圍沉降區，應引起重視。

圖3 中線沿線區域2015～2020年LOS向平均形變速率Fig.3 Mean deformation velocity in LOS of the middle route project from 2015 to 2020

由于覆蓋各個區域的影像日期不統一，在計算累積形變時以2016-12為時間基準。圖4為以2016-12為時間起點，至2017-12、2018-12、2019-12、2020-11獲取的中線沿線區域LOS向累積形變分布。在此期間，整個中線沿線的地表累積形變與形變速率具有相似的空間分布格局，且隨著時間的推進呈持續發展趨勢。最大累積沉降量位于北京市朝陽區沉降中心，2016-12～2017-12的最大沉降量為158 mm，2016-12～2018-12的最大累積沉降量為287 mm，相比于2016-12～2017-12，2016-12～2018-12的累積沉降量增量為129 mm；2016-12～2019-12的最大累積沉降量為402 mm，比2016-12～2018-12增加了115 mm；2016-12～2020-11的最大累積沉降量為476 mm，比2016-12～2019-12增加了74 mm。

圖4 中線沿線區域2016-12～2020-11 LOS向累積形變量Fig.4 Cumulative deformation in LOS of the middle route from December 2016 to November 2020

以天津支線主干渠兩側5 km緩沖區范圍為研究對象，利用SBAS-InSAR技術獲取覆蓋天津支線的2015-09～2020-11年平均形變速率(圖5)。沿線區域的最大形變速率為-94 mm/a，整條線貫穿地面沉降區域，主要沉降區有2個：沉降區Ⅰ位于保定市與廊坊市交界處，區內最大平均形變速率為-94 mm/a；沉降區Ⅱ位于廊坊市與天津市交界處，區內最大平均形變速率為-81 mm/a。地面沉降的不均勻分布容易對地下箱涵造成破壞，產生裂縫，從而導致滲水。相比于干渠，沉降區Ⅰ、Ⅱ內沉降的不均勻分布較為明顯，應對上述典型地段進行實地調查，檢查箱涵的健康狀況，防患于未然。

圖5 天津支線2015-07～2020-11 LOS向平均形變速率Fig.5 Mean deformation velocity in LOS of the Tianjin branch line from July 2015 to November 2020

4 重點區域時序特征分析

4.1 北京市沉降結果及驗證

為探究區域地面沉降在南水北調中線工程通水后的時空演變特征，對北京市的地面沉降進行重點分析。北京市2015-11～2020-11 LOS向平均形變速率如圖6所示，由圖可見，北京市地面沉降空間分布差異性很大，沉降區域主要分布在昌平區、海淀區、順義區、朝陽區、通州區及大興區。各個行政區內形成多個沉降漏斗，分別為HD(海淀)、CP(昌平)、SY(順義)、CY(朝陽)、TZ(通州)、DX(大興)，其中CY的年均沉降速率最大，達到133 mm/a，HD、CP、SY、TZ、DX的年均沉降速率分別為89.72 mm/a、59.07 mm/a、57.01 mm/a、95.67 mm/a和69.15 mm/a。

圖6 北京市2015-11～2020-11 LOS向平均形變速率Fig.6 Mean deformation velocity in LOS of the Beijing from November 2015 to November 2020

為評定InSAR監測結果精度，獲取2017～2019年北京市10個GPS站點的監測結果，依據GPS站點位置選擇InSAR結果的相應點進行對比。為保證時間的一致性，獲取該時段內LOS向InSAR形變速率分布，將GPS監測結果轉換到LOS向與其對應的InSAR結果進行對比分析，如表2(單位mm/a)所示。由表可見，兩者之間具有較高的一致性，互差為0～7 mm，GPS觀測值與InSAR結果之間的RMSE為2.47 mm/a，并表現出明顯的線性相關，最大線性相關系數R2達0.974，說明本次InSAR監測結果精度較高。

4.2 地面沉降時空特征分析

為揭示北京市地面沉降形變特征和演化規律，獲取北京市2015-11-03～2020-11-24 LOS向時序累積形變量。圖7為2015-11-03～2020-11-24北京市地面沉降空間特征演化過程，圖8為該時段的累積形變分布。由圖7和8可見，北京市的地面沉降處于持續加重狀態，最大累積沉降量為697 mm，位于朝陽區。為對比沉降區域的形變特征是否具有相似趨勢，選取4個點(點位見圖8)并提取其線性形變時序。由圖9可見，最大累積沉降點位于F4，累積沉降量為507.14 mm，最小累積沉降點位于F2，累積沉降量為342.11 mm。4個特征點呈不同速度的非線性沉降趨勢，經歷了從快速到逐漸減緩的沉降形變過程，由此可知，北京市的地面沉降正在減緩。

表2 InSAR結果與GPS觀測值比較

圖7 北京市2015-11-03～2020-11-24地面沉降空間特征演化過程Fig.7 The evolution of spatial characteristics of ground subsidence in Beijing from November 3, 2015 to November 24, 2020

圖8 北京市2015-11-03～2020-11-24累積形變Fig.8 Cumulative deformation in Beijing from November 3, 2015 to November 24, 2020

圖9 4個點的形變時序Fig.9 Time series deformation of 4 points

圖10為2016～2020年北京市LOS向年均形變速率分布。由圖可見，不同時段內的地面沉降分布相似，研究時段內沉降速率最大的區域始終位于朝陽區，2016年最大沉降速率為167 mm/a，2017年為175 mm/a，2018年為145 mm/a，2019年最大沉降速率為136 mm/a，2020年最大沉降速率持續減緩，變為98 mm/a。

為進一步分析地面沉降速率隨時間的演化過程，選取地面沉降分布區域內的典型特征點。特征點的選取基于局部沉降區域中較為嚴重的沉降中心，即圖6中的HD、CP、SY、CY、TZ、DX，分別提取各點年均速率進行對比分析。由圖11可見，CP的沉降速率變化最為明顯，由134.69 mm/a變為19.16 mm/a；HD的沉降速率從132.95 mm/a變為89.72 mm/a； SY的沉降速率從91.9 mm/a變為48.29 mm/a；CY的沉降速率從165.94 mm/a變為67.76 mm/a；TZ的沉降速率從135.08 mm/a變為54 mm/a；DX的沉降速率從74.86 mm/a變為63.82 mm/a。雖然部分特征點在中間時段的沉降速率有所增加，但相比于2016年，2020年6個點的沉降速率均減小，一定程度上反映了北京市的地面沉降程度正在減緩。

4.3 地面沉降與地下水演化相關性分析

地下水的過量開采會使含水層孔隙度逐漸變小，導致有效應力增加，從而引發地面沉降。北京市由于水量短缺及水體污染導致可用的地表水所剩無幾，不得不長期超采地下水，從而引發大范圍的地面沉降。眾多學者結合北京市的地面沉降現狀，分析了其與地下水演化的相關性[8-9]。

圖10 北京市2016～2020年LOS向形變速率Fig.10 Mean deformation velocity in LOS of the Beijing from 2016 to 2020

圖11 主要沉降區域特征點形變速率對比Fig.11 Comparison of deformation velocity of feature points in main subsidence areas

北京市密云水庫長期擔負著城市生活及農業生產用水的重要任務，僅1999～2003年密云水庫水量就萎縮了3/4，全市超過70%的用水量只能靠抽取地下水維持，因此北京平原地區的地下水位以每年1 m的速度持續下降。盡管2003年后的10 a里，北京通過各項節水措施使用水量下降近七成，22%的用水也已被再生水替代，但地表水稀缺的現實、用水量增長的趨勢難以改變，地下水位仍在逐年下降。2014年底南水北調中線工程進入全面輸水階段，2015年北京地下水水位自1999年以來首次上升，截至2018年，地下水水位已上升了1.2 m[10]。截至2020-08底，進入密云水庫的南水累積超過5億m3，蓄水量達到23億m3，水庫水位超過147 m，徹底扭轉了供水量入不敷出的局面。因此，由北京地下水水位與地面沉降的對應關系可知，南水北調工程與該區域的地面沉降緩解密切相關。

5 結 語

1)利用SBAS-InSAR技術可快速獲取研究區地面沉降信息，通過與GPS觀測值對比可知，InSAR監測結果精度較高，可為研究區域地面沉降現狀及時空演化特征提供參考依據。

2)北京市地面沉降雖處于持續發展階段，但沉降速率呈逐漸減緩趨勢，南水北調工程在一定程度上解決了華北平原的缺水問題，地下水的開采量也隨之減少，從而緩解了地面沉降。

3)工程沿線的地面沉降分布在空間上極不均勻，河北省東南部的地面沉降雖幾乎連接成片，但不會影響正常輸水。而天津市支線經過2個小沉降區，輸水存在安全隱患，為保障南水北調中線工程的正常運行，需對其進行深入研究。