冉培廉，李少達，戴可人,2，楊曉霞，曾森,3，冉中鑫,4

(1.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059；2.成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點試驗室，四川 成都 610059；3.四川省自然資源廳 信息中心，四川 成都 610059；4.長江水利委員會水文局 漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441100)

0 引 言

雄安新區(qū)于2017年4月1日在中共中央和國務(wù)院指導下成立。該區(qū)由雄縣、容城縣、安新縣及周邊部分地區(qū)合并而成，地處北京市、天津市和保定市腹地，是河北省的國家級新區(qū)，地熱資源豐富，開采條件良好，主要集中在容城凸起、牛駝鎮(zhèn)凸起和高陽低凸起，且已有多年的開采歷史[1-3]。地處暖溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量為516 mm，水資源總量1.73×108m3，其中90%以上為地下水[4]。因地下水長期過度開采，華北平原遭受了較嚴重的地面沉降災害，如北京市[5-6]和天津市[7-8]。隨著城市快速發(fā)展，城市人口增加，地熱資源和水資源需求急劇上升，將導致地面沉降發(fā)展。及時掌握雄安新區(qū)地面沉降狀況，可為該區(qū)的健康發(fā)展和長期規(guī)劃提供重要參考。

合成孔徑雷達干涉(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)測量技術(shù)是一種有效監(jiān)測地面微小形變的新型遙感技術(shù)，與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比，InSAR技術(shù)具有覆蓋范圍廣、全天候、低成本等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測[9-11]。2018年前僅有覆蓋該區(qū)的地面沉降研究結(jié)果，沒有對雄安新區(qū)地面沉降的原因進行詳細分析，如：葛大慶等[12]基于SBAS-InSAR技術(shù)，利用RADARSAT-2數(shù)據(jù)獲取華北平原2012—2015年的地面沉降結(jié)果，但缺少對雄縣、容城縣、安新縣及高陽縣區(qū)域內(nèi)地面沉降情況的專門描述；張永紅等[13]基于SBAS-InSAR技術(shù)，利用ERS，ENVISAT，RADARSAT-2數(shù)據(jù)獲取京津冀地區(qū)1992—2014年的地面沉降結(jié)果，不僅利用水準數(shù)據(jù)驗證SBAS-InSAR監(jiān)測結(jié)果的精度，還對北京市和天津市22年間地面沉降的時空演變特征進行分析，但是未對雄縣、容城縣、安新縣及高陽縣區(qū)域內(nèi)的地面沉降進行專門分析；張永紅等[14]基于SBAS-InSAR技術(shù)，利用RADARSAT-2數(shù)據(jù)監(jiān)測雄安新區(qū)2012—2016年的地面沉降結(jié)果，利用相近時段的水準測量數(shù)據(jù)驗證SBAS-InSAR監(jiān)測結(jié)果的精度，不僅詳細分析了該區(qū)地面沉降的原因，而且還對地面沉降危險性進行了評價；DAI K R等[15]對雄安新區(qū)2017—2018年地面沉降進行監(jiān)測，指出該區(qū)地面沉降分布與區(qū)域內(nèi)地熱井開采的空間分布有關(guān)。

綜上所述，根據(jù)已有的地面沉降研究結(jié)果，雄安新區(qū)存在較大范圍地面沉降，同時其與地熱能及地下水開采分布的關(guān)系值得進一步探究。因此，本文基于SBAS-InSAR技術(shù)，利用2017—2019年覆蓋雄安新區(qū)的32景Sentinel-1B影像對該區(qū)地面沉降進行監(jiān)測，獲取該區(qū)地面沉降速率和累積沉降量，分析地面沉降與地熱資源和地下水之間的關(guān)系，進而揭示雄安新區(qū)地面沉降狀況。

1 研究區(qū)概況及試驗數(shù)據(jù)

雄安新區(qū)位于華北平原，毗鄰北京市、天津市和保定市，是河北省的國家級新區(qū)。該區(qū)總面積1 576.6 km2，境內(nèi)有白洋淀、孝義河、府河、漕河等水系，但依然缺乏淡水資源。雄安新區(qū)成立后將會修建大量基礎(chǔ)設(shè)施，且由于地下水的長期過度開采，華北平原存在較嚴重的地面沉降，為了及時掌握該區(qū)地面沉降狀況，基于SBAS-InSAR技術(shù)，利用Sentinel-1B(1w)數(shù)據(jù)監(jiān)測雄安新區(qū)2017—2019年地面沉降狀況。由于Sentinel-1B干涉寬幅影像覆蓋面積為(250×250)km2，遠大于本文研究區(qū)域，為了提高運算速度和監(jiān)測結(jié)果精度，對合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)影像進行裁剪得到本文研究區(qū)域，圖1中藍色矩形為研究區(qū)影像范圍。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

本文使用歐洲航天局網(wǎng)站上2017—2019年覆蓋雄安新區(qū)的32景(按時間順序t0,…，t31排列)Sentinel-1B干涉寬幅影像，采用C波段(波長5.6 cm)，分辨率5 m × 20 m，并采用單極化(VV)觀測方式，Sentinel-1B降軌影像數(shù)據(jù)基本參數(shù)信息如表1所示。采用Sentinel-1B衛(wèi)星的精密軌道數(shù)據(jù)(precise orbit ephemerides，POD)修正軌道誤差；采用日本宇航局網(wǎng)站上ALOS World 3D(AW3D30)數(shù)字表面模型(digital surface model,DSM)作為外部數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)，以去除地形效應(yīng)。

表1 Sentinel-1B IW模式影像數(shù)據(jù)基本參數(shù)信息Tab.1 Basic parameter informations of Sentinel-1B IW mode image data

2 數(shù)據(jù)處理

短基線干涉測量技術(shù)(small baseline subset interferometry,SBAS-InSAR)是由P.Berardino等[16]于2002年提出的一種用于監(jiān)測地面微小形變的新型時間序列分析方法。SBAS-InSAR技術(shù)能有效克服合成孔徑雷達差分干涉(differential interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)測量技術(shù)在數(shù)據(jù)處理過程中的限制因素(時空失相干、大氣效應(yīng)等)，可連續(xù)監(jiān)測地面微小形變[17-18]，監(jiān)測精度可以達到毫米級。SBAS-InSAR技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 SBAS-InSAR技術(shù)流程Fig.2 Flow chart of SBAS-InSAR technology

選擇32景Sentinel-1B干涉寬幅影像中任意一景影像作為超級主影像，其余影像與超級主影像進行配準，設(shè)置時間基線閾值(temporal baseline threshold,TBT)和空間基線閾值(perpendicular baseline threshold,PBT)，N+1幅SAR影像最多可以生成M幅差分干涉圖，并滿足關(guān)系式(1)[16]：

(1)

設(shè)置時間基線閾值為120 d，空間基線閾值為154 m，組合生成132幅干涉對。干涉對時空基線分布如圖3所示。采用最小費流法(minimum cost flow,MCF)對132幅干涉對進行相位解纏，假設(shè)從影像tA和主影像tB時刻獲取SAR影像生成第j幅差分干涉圖，像素的任意干涉相位可以用SAR坐標表示為

圖3 時空基線Fig.3 Time-space baseline

(2)

相位解纏完成后，線性形變和DEM誤差相位之間會建立一個新的SBAS線性方程，即基于線性模型估算殘余高程和形變速率，未解纏的相位將進行二次解纏，其表達式為

[B,C]p′=δφ,

(3)

式中：B為M×N的矩陣；C為與空間基線距離相關(guān)的系數(shù)矩陣。p′滿足關(guān)系式(4)：

p′=[vΔZ]T,

(4)

其中，v為平均形變速率的相位值矩陣。

首先，從生成差分干涉圖到產(chǎn)生殘余相位的過程中，去除線性形變相位和DEM誤差，包括時空失相干、非線性形變相位和大氣延遲相位；其次，空間上利用高通濾波，時間上利用低通濾波，將大氣延遲相位和非線性形變相位分離；然后，運用最小二乘法(least square method,LSM)和奇異值分解法(singular value decomposition,SVD)對所有的干涉對進行解纏，從而得到時間序列的形變結(jié)果；最后，基于地理編碼將SAR坐標系下的累積沉降量和形變速率轉(zhuǎn)換到地理坐標系,得到地理坐標系下的累積沉降量和形變速率。

3 結(jié)果與分析

3.1 地面沉降現(xiàn)狀

從圖4可以看出，研究區(qū)內(nèi)存在2個沉降區(qū)(負值代表地面沉降，正值代表地面抬升)，分別位位于雄安新區(qū)北部(圖4(b))和南部(圖4(a))。北部沉降區(qū)位于雄縣，沉降面積約98 km2，沉降速率超過80 mm/a,南部沉降區(qū)位于高陽縣，沉降面積約152 km2，沉降速率超過90 mm/a，南部地面沉降比北部嚴重。假設(shè)以2017年6月12日的SAR影像為參考影像，即形變量為0 mm，余下SAR影像以該影像為基準，在時間序列中會產(chǎn)生累積形變。由圖5可以看出，從2017年6月12日至2019年8月25日，隨著時間推移，地面沉降現(xiàn)象逐漸明顯，沉降區(qū)范圍也不斷擴大，呈現(xiàn)出不斷加劇沉降趨勢。為進一步探討雄安新區(qū)2017—2019年的地表形變時間序列情況，在南部沉降區(qū)選取6個采樣點，依次編號為1～6，在北部沉降區(qū)選取4個采樣點，依次編號為7～10，在中部選取5個采樣點，依次編號為11～15，采樣點具體分布如圖4所示。由圖6可知，南部沉降區(qū)(采樣點1～6)的累積沉降量分別為130，132，184，180，150，125 mm，北部沉降區(qū)(采樣點7～10)的累積沉降量分別為170，180，140，129 mm，中部區(qū)域采樣點11，13～15的累積沉降量分別為12，5，8，20 mm，采樣點12的累積抬升量為2 mm，其中采樣點3～4，7～8，10起初表現(xiàn)為小幅抬升，此后雖偶有起伏，但不影響整體下沉趨勢，采樣點1～2，5～6，9均表現(xiàn)為整體下沉趨勢，采樣點12表現(xiàn)為向上緩慢抬升，采樣點11，13～15僅發(fā)生微小沉降變化，采樣點11～15均表現(xiàn)為穩(wěn)定發(fā)展趨勢。比較年平均形變速率圖與以往研究結(jié)果[14-15]，沉降區(qū)位置和沉降區(qū)邊界表現(xiàn)出良好的一致性，說明本文InSAR監(jiān)測結(jié)果可靠。

圖4 年平均形變速率圖Fig.4 Annual average deformation rate image

圖5 雄安新區(qū)2017年6月至2019年8月累積沉降量序列Fig.5 Accumulative subsidence sequence of Xiongan New Area from June 2017 to August 2019

圖6 采樣點時間序列形變Fig.6 Time sequence deformation of sampling points

3.2 地面沉降原因分析

雄縣是華北平原地熱資源最豐富的地區(qū)，地熱資源面積約320 km2，占雄縣面積的60%[20]。自20世紀70年代首次發(fā)現(xiàn)地熱資源以來[21]，地熱資源一直被不斷地開發(fā)，至2017年雄縣的地熱井已達到68眼[14]，且隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，地熱井數(shù)量仍在迅速增加，地熱水資源的消耗將加劇雄安新區(qū)的地面沉降。

雄安新區(qū)的地面沉降與地熱資源的開發(fā)密切相關(guān)。由圖7可以看出，雄縣地熱井分布在雄縣東部和北部，2017年6月至2019年8月雄縣東部未探測到明顯地面沉降，雄縣北部(圖4(b))地面沉降嚴重，沉降面積約為98 km2，累積沉降量高達180 mm，地熱井較多。由此可見，雄安新區(qū)北部狹長的沉陷區(qū)(圖4(b))與地熱井分布(圖7)具有較高的相關(guān)性。此外，雄縣東部地區(qū)未開發(fā)地熱[22]，未發(fā)現(xiàn)地面沉降。雄安新區(qū)南部沉降區(qū)(圖4(a))位于高陽縣北部，地面沉降面積約152 km2，累積沉降量高達184 mm。雄安新區(qū)南部沉降區(qū)處于地熱田開采范圍(圖8)，地熱田內(nèi)存在地熱井(圖7)。由此可見，地熱資源開采會對地面沉降產(chǎn)生一定影響，以上研究結(jié)果可為雄安新區(qū)地熱資源和地下水開發(fā)的長期規(guī)劃提供重要參考。

圖7 2019年雄安新區(qū)地熱井位置(修改自文獻[21])Fig.7 Geothermal well locations of Xiongan New Area in 2019(modified from reference[21])

圖8 2017年雄安新區(qū)地熱田分布圖(修改自文獻[23])Fig.8 Geothermal field distribution map of Xiongan New Area in 2017(modified from reference[23])

其次，塑料包裝業(yè)和紡織業(yè)消耗大量的地下水，地下水過度開采是造成雄安新區(qū)地面沉降的又一重要因素。雄縣是華北平原最大的塑料包裝業(yè)基地[24-25]。由于華北平原水資源較匱乏[26]，且塑料包裝業(yè)在生產(chǎn)過程中耗費大量的水資源，導致華北平原的地下水過度開采。高陽縣紡織業(yè)是該縣的支柱產(chǎn)業(yè)[27-28]，紡織業(yè)亦屬于高耗水行業(yè)。因此可以推測地下水過度開采與雄安新區(qū)地面沉降有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)雄安新區(qū)存在2個地面沉降區(qū)：北部沉降區(qū)和南部沉降區(qū)。北部沉降區(qū)沉降速率超過80 mm/a,沉降面積約為98 km2；南部沉降區(qū)沉降速率超過90 mm/a，沉降面積約為152 km2。

(2)雄安新區(qū)地面沉降與地下水和地熱資源的過度開采有關(guān)。北部沉降區(qū)可能由地熱資源過度開采造成，南部沉降區(qū)可能由地下水過度開發(fā)造成。

(3)由于未獲取雄安新區(qū)2017—2019年的水準數(shù)據(jù)，無法直接驗證SBAS-InSAR技術(shù)獲取的雄安新區(qū)2017—2019年地面沉降結(jié)果精度，但通過與現(xiàn)有研究成果比較分析,可間接驗證。本文獲取的沉降區(qū)位置和沉降區(qū)邊界表現(xiàn)出良好的一致性，表明利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取雄安新區(qū)2017—2019年的地面沉降結(jié)果具有一定可靠性。