江蘇省興化市主城區(qū)地面沉降現(xiàn)狀及InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)驗(yàn)證分析

陸華　閔望　殷幼松　盧毅　周盈　李洋

摘 要：長(zhǎng)期以來(lái)，興化市主城區(qū)持續(xù)開采Ⅱ、Ⅲ承壓水，造成含水層水位埋深不斷下降最終導(dǎo)致形成多個(gè)地面沉降漏斗。為科學(xué)保障地面沉降監(jiān)測(cè)精度和水平，對(duì)比2017—2020年高分辨率InSAR監(jiān)測(cè)成果以及63個(gè)有效驗(yàn)證點(diǎn)位的水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證結(jié)果表明，絕大多數(shù)同名點(diǎn)的形變偏差在 5 mm內(nèi)，均方根誤差為3.94 mm，兩種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差值相對(duì)較小，具有較好的一致性。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害；地面沉降；InSAR監(jiān)測(cè)；水準(zhǔn)測(cè)量；興化市

InSAR verification analysis and status of land subsidence in Xinghua， Jiangsu

LU Hua1，2， MIN Wang1，2， YIN Yousong3， LU Yi1，2， ZHOU Ying1，2， LI Yang1，2

（1.Key Laboratory for Earth Fissures Geological Disaster of MNR， Nanjing 210018， Jiangsu， China；

2.Geological Survey Of Jiangsu Province， Nanjing 210018， Jiangsu， China；

3.EarthSTAR Ltd.， Huzhou 313200， Zhejiang， China）

Abrstract： For a long time， the II and III confined aquifers have been utilized in the main urban area of Xinghua City of Jiangsu Province in China. As a result， the groundwater depth of underground aquifer decreases continuously and eventually leads to the formation of multiple ground subsidence funnels. To ensure the accuracy and quality of land subsidence monitoring， verification and comparison have been made of the InSAR monitoring results and the leveling results of 68 valid verification points during 2017-2020. The results show that the deformation deviation of most of the same points is within 5 mm， and the root mean square error is 3.94 mm. The two measured data are highly consistent and reliable with small errors.

Keywords： geological disaster; land subsidence; InSAR; levelling; Xinghua

地面沉降是一種緩變型地質(zhì)災(zāi)害，也是城市化進(jìn)程中普遍存在的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，已成為影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大不利因素（段永侯，1998；武健強(qiáng)等，2014；袁銘等，2016）。目前，全國(guó)有50多個(gè)城市、120多個(gè)地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的地面沉降，累計(jì)地面沉降量大于200 mm的地區(qū)，面積超過(guò)8萬(wàn)km2，而長(zhǎng)江三角洲早已成為我國(guó)三大重點(diǎn)片區(qū)之一（國(guó)土資源部等，2012；蔡田露等，2021）。隨著地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）監(jiān)測(cè)方法能夠?qū)崟r(shí)全天候獲取地表形變信息，是一種當(dāng)前較為成熟的區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)手段（張杏清等，2015；蔡田露等，2020；孔祥如等，2021）。

近幾年來(lái)，江蘇省興化市經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)頭良好，是全國(guó)百?gòu)?qiáng)縣，2021年實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值1 020.94億元，推動(dòng)了一大批果蔬脫水、食品生產(chǎn)與加工、紡織印染等行業(yè)的高速發(fā)展。由此，導(dǎo)致各類生產(chǎn)企業(yè)不斷加大地下水的開采，這種對(duì)地下水的過(guò)量開采嚴(yán)重威脅地下水安全（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，2018；徐慶勇等，2021）。近期InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，主城區(qū)已出現(xiàn)多個(gè)地面沉降漏斗，這是繼蘇錫常地區(qū)地面沉降趨緩后蘇北地區(qū)凸顯出的典型地面沉降區(qū)，同樣，也是全省地面沉降研究新的拓展區(qū)和實(shí)踐區(qū)。依據(jù)長(zhǎng)三角地面沉降聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，急需加強(qiáng)該地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)和研究，并納入全省地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，不斷提高全省防控能力，同時(shí)，亟待運(yùn)用多手段多技術(shù)方法相互驗(yàn)證，科學(xué)保障地面沉降監(jiān)測(cè)精度和水平。

1? 研究區(qū)概況

1.1? 地質(zhì)背景

興化市位于江蘇省中部，地處江淮之間，長(zhǎng)江三角洲北翼，里下河地區(qū)腹地。屬淺洼平原區(qū)，全域地面高程1.40～3.20 m，為周邊高、中間低的碟型洼地，是里下河地區(qū)三大洼地中最低洼的地方。研究區(qū)在第四紀(jì)經(jīng)歷了海灣—潟湖—水網(wǎng)平原的演化過(guò)程，形成湖蕩、沼澤地貌特征，表層均為第四系全新統(tǒng)湖積層和河流泛濫物所覆蓋，基底是以碳酸鹽巖為主的古生代地層（圖1）。

1-研究區(qū)范圍；2-三垛組；3-阜寧組；4-泰州組；5-浦口組；6-推測(cè)地質(zhì)界限；7-推測(cè)不整合地質(zhì)界限；8-推測(cè)正斷層；9-推測(cè)逆斷層；10-推測(cè)不明斷層。

1.2? 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水資源豐富，可開采量約3.12 億m3，單井日涌水量可達(dá)1 000～2 500 m3。主要包含潛水、Ⅰ承壓水、Ⅱ承壓水和Ⅲ承壓水4個(gè)含水層。潛水地層厚度18～23 m，砂層厚度6～16 m，主要為亞砂土、粉砂互層，礦化度為700～1 000 mg·L-1，水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Na為主；取水類型以廣大農(nóng)村范圍內(nèi)的點(diǎn)狀大口井或手壓井為主，受早期大規(guī)模海侵的影響，水質(zhì)較差，略帶咸味，且受污染情況較為普遍，一般僅作為洗滌和生活用水，開采量較小。此外，Ⅰ承壓含水層厚度10～20 m，水質(zhì)較為復(fù)雜，中堡—興化主城區(qū)一線以西多為礦化度小于1 g·L-1的HCO3-Na（Na·Ca）型淡水，以東地區(qū)多為礦化度大于1 g·L-1微咸水或半咸水，由于礦化度普遍較高，基本不開采（泰州市國(guó)土資源局等，2013）。

目前，Ⅱ、Ⅲ承壓水為區(qū)內(nèi)主要開采層，其中，Ⅱ承壓水含水巖性以粉細(xì)砂、中細(xì)砂為主，頂板埋深介于100～120 m，一般由1～3個(gè)含水砂層組成，厚度多小于15 m，單井涌水量小于1 000 m3·d-1，局部地段含水砂層厚度15～25 m，單井涌水量可達(dá)1 000～2 000 m3·d-1，以礦化度小于1 g·L-1的HCO3-Na型淡水為主。此外，Ⅲ承壓水含水巖性大多以中細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，局部含中粗砂，厚度15～30 m，頂板埋深總體上呈西淺東深的變化規(guī)律，一般為160～200 m。單井涌水量1 000～2 000 m3·d-1，水質(zhì)多為礦化度小于1 g·L-1的淡水，但在興化北部及中部局部地區(qū)礦化度為1～3 g·L-1，水化學(xué)類型以HCO3·Cl-Na·Ca、Cl·HCO3-Na·Ca型為主（圖2）。

1-<10 m；2-10～<20 m；3-20～<30 m；4-30～<40 m；5-40～<50 m。

調(diào)查結(jié)果顯示，由于多年高強(qiáng)度持續(xù)開采，主城區(qū)Ⅱ、Ⅲ兩個(gè)主要承壓含水層水位埋深，已由20世紀(jì)80 年代的1～2 m，逐步下降至現(xiàn)在的25～30 m，平均降幅超過(guò)25 m。Ⅱ承壓含水層水質(zhì)普遍優(yōu)于Ⅲ承壓含水層，故此層地下水開采量較大，地下水水位埋深基本維持在30 m上下，且受開采強(qiáng)度影響波動(dòng)性也相對(duì)較大，而Ⅲ承壓含水層開采量則相對(duì)較小，水位埋深基本保持在20 m上下，波動(dòng)性較小，見圖3。

2? 地面沉降現(xiàn)狀

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，興化市主城區(qū)早期（2012—2016年）歷史地面沉降情況并不突出，從圖4中可以看出，該階段主城區(qū)地面沉降發(fā)育較為輕微，沉降范圍不大且沉降漏斗相對(duì)獨(dú)立，主要集中在主城區(qū)中北部以及南部小范圍地區(qū)。其中，中北部沉降區(qū)主要分布在城西農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)—金興花園—建行小區(qū)一帶，南部沉降區(qū)主要分布在經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)一帶，最大累計(jì)沉降量在25 mm左右。2017年后，隨著地下水長(zhǎng)期持續(xù)開采，主城區(qū)地面沉降跡象逐步凸顯，沉降漏斗中心和影響范圍也呈現(xiàn)出逐漸加大的趨勢(shì)。

2.1? 數(shù)據(jù)源

本次研究采用的數(shù)據(jù)源為加拿大RADARSAT-2衛(wèi)星降軌時(shí)序SAR影像，空間分辨率為5 m，幅寬125 km，監(jiān)測(cè)時(shí)段為2017年1月至2020年12月，采用的影像期數(shù)共計(jì)56景。相鄰影像獲取時(shí)間間隔以24 d為主，少數(shù)達(dá)到48 d；空間垂直基線小于250 m，充分滿足時(shí)序InSAR處理要求。

2.2? InSAR處理方法

考慮到研究采用的影像時(shí)間跨度較長(zhǎng)且數(shù)據(jù)量多，利用PS-InSAR處理技術(shù)開展地表形變信息解譯獲取。該方法通過(guò)將單一主影像與各輔影像逐一建立干涉組合，選取監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)具有較高相干質(zhì)量的點(diǎn)目標(biāo)作為地表形變信息獲取載體，經(jīng)相位解纏、高程殘差計(jì)算和大氣影響估計(jì)等操作后得到區(qū)內(nèi)的地表形變信息。

2.3? 監(jiān)測(cè)結(jié)果

2017—2020年InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，興化市主城區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)存在較為嚴(yán)重的地面沉降現(xiàn)象，在主城區(qū)北部、中部和南部呈現(xiàn)出多個(gè)地面沉降漏斗。昭陽(yáng)街道同悅家園—祥和家園—陽(yáng)山公寓、興化城西農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)—金興花園—建行小區(qū)一帶已形成多個(gè)沉降區(qū)（B處），市區(qū)東北部興東鎮(zhèn)脫水果蔬電商產(chǎn)業(yè)園（A處）和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)工業(yè)園區(qū)（C、D處）存在明顯的局部地面沉降漏斗（圖5）。經(jīng)核查，A、C、D處均為地下水集中開采區(qū)，區(qū)內(nèi)分布多家果蔬脫水、食品生產(chǎn)與加工、紡織印染等企業(yè)，各企業(yè)均存在長(zhǎng)期開采地下水現(xiàn)象。B處相對(duì)特殊，以居民區(qū)為主，推測(cè)可能由小區(qū)抽采地下水以及建筑物荷載所致（浙江環(huán)球星云遙感科技有限公司，2021），此處地基大部分為淤泥質(zhì)黏土、亞黏土，少數(shù)區(qū)域?yàn)楹笃诨靥疃伞?/p>

由圖5可知，2017—2018年，市區(qū)內(nèi)主要沉降區(qū)有所加劇，2018年之后，各主要沉降區(qū)均出現(xiàn)減緩趨勢(shì)，沉降范圍、沉降速率均有明顯減小。市區(qū)內(nèi)居民住宅區(qū)、工業(yè)集中區(qū)與建筑施工區(qū)（B、C、D處）沉降均表現(xiàn)出明顯的線性沉降特征，興東鎮(zhèn)脫水果蔬電商產(chǎn)業(yè)園（A處）周邊沉降呈現(xiàn)非線性特征，沉降速率總體逐年減緩，調(diào)查結(jié)果表明與當(dāng)?shù)毓呒庸ぜ竟?jié)性生產(chǎn)有著直接關(guān)系，通常情況下上半年生產(chǎn)總量要明顯高于下半年，使得地下水開采量也存在階段性變化，故上半年沉降速率明顯高于下半年。

3? 驗(yàn)證分析

時(shí)序InSAR監(jiān)測(cè)地面沉降的成果精度可以通過(guò)內(nèi)符合和外符合2個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定。內(nèi)符合驗(yàn)證是指對(duì)時(shí)序InSAR的相位模型進(jìn)行分析，確定主要誤差項(xiàng)的影響程度，也就是時(shí)序InSAR能夠達(dá)到的理論精度評(píng)估；外符合是通過(guò)與水準(zhǔn)、分層標(biāo)地面實(shí)測(cè)的形變監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將地面觀測(cè)量作為真值驗(yàn)證時(shí)序InSAR能夠達(dá)到的精度水平（何平，2014；趙峰等，2015）。

3.1? 理論精度分析

時(shí)序InSAR技術(shù)以D-InSAR為基礎(chǔ)，因此傳統(tǒng)D-InSAR是建立時(shí)序InSAR誤差模型及精度評(píng)估的基礎(chǔ)，軌道誤差、大氣延遲相位、相位解纏誤差和噪聲相位等仍是主要的誤差源，這些誤差項(xiàng)的有效分離不僅受時(shí)序InSAR影像的采樣間隔、影像期數(shù)影響，還與研究區(qū)內(nèi)的地物分布、氣候特點(diǎn)有明顯關(guān)系，因此無(wú)法定量評(píng)估能夠達(dá)到的精度水平（雷坤超等，2013）。但就小區(qū)域地表形變監(jiān)測(cè)而言，由于大氣一致性程度高、軌道誤差和相位解纏處理較為容易，因此其對(duì)形變解譯的影響相對(duì)較小，在以月度為影像采樣頻次開展年度地表形變監(jiān)測(cè)時(shí)的速率精度可以達(dá)到5 mm·a-1的水平。

3.2? InSAR-水準(zhǔn)對(duì)比分析

就外符合精度評(píng)定而言，時(shí)序InSAR技術(shù)獲取的地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，通常采用與同期獲取的高等級(jí)外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行定點(diǎn)比較的方法評(píng)價(jià)精度，為了客觀評(píng)價(jià)InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度，利用與監(jiān)測(cè)時(shí)段基本同步的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其中水準(zhǔn)測(cè)量的施測(cè)時(shí)間為2019年11月和2020年11月。項(xiàng)目組共收集興化市水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)位75個(gè)，以及相關(guān)測(cè)量結(jié)果（施測(cè)時(shí)間分別為2019年的11月和2020年的11月）。區(qū)內(nèi)水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)基本沿主城區(qū)主要道路布設(shè)，空間上較好地覆蓋了興化主城區(qū)范圍（圖6）（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，2021）?？紤]到相干點(diǎn)目標(biāo)可能存在因提取對(duì)象不同而產(chǎn)生的形變差異，故采用水準(zhǔn)點(diǎn)50 m范圍內(nèi)的所有相干點(diǎn)目標(biāo)均值與其進(jìn)行對(duì)比。

75個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)位中，共篩選出67個(gè)與InSAR相干點(diǎn)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)，各對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的水準(zhǔn)和InSAR數(shù)值對(duì)比如表1所示（其中，存在4處與水準(zhǔn)測(cè)量值差異大于10 mm的點(diǎn)位，經(jīng)過(guò)對(duì)周邊點(diǎn)位分析確定由水準(zhǔn)測(cè)量粗差點(diǎn)引起，已剔除）。

利用剩余63處水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)InSAR形變進(jìn)行定標(biāo)校正，定標(biāo)方法如式（1）所示。

D_cal=mean（D_situ-D_InSAR） （1）

式中，D_cal為計(jì)算得到的定標(biāo)值，D_situ為水準(zhǔn)測(cè)量值，D_InSAR為對(duì)應(yīng)水準(zhǔn)點(diǎn)位的InSAR觀測(cè)值。

當(dāng)?shù)玫紻_cal后，利用該值對(duì)InSAR觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。定標(biāo)后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)的大多數(shù)同名點(diǎn)的形變偏差在 5 mm內(nèi)，其中，誤差最大值為9.53 mm，最小值為-7.48 mm，均方根誤差為3.97 mm，表明2種測(cè)量數(shù)據(jù)具有較好的一致性（圖7、圖8）。由此不難看出，區(qū)內(nèi)InSAR地面沉降監(jiān)測(cè)成果與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果誤差值相對(duì)較小，具備較好一致性和準(zhǔn)確性，監(jiān)測(cè)成果可信度高。

4? 結(jié)論及建議

4.1? 結(jié)論

1）興化市主城區(qū)長(zhǎng)期開采Ⅱ、Ⅲ承壓水，導(dǎo)致含水層水位埋深不斷下降，最終使得區(qū)內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)地面沉降漏斗。

2）興化市主城區(qū)共存在4處較為嚴(yán)重的地面沉降漏斗區(qū)，包括同悅家園—祥和家園—陽(yáng)山公寓、城西農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)—金興花園—建行小區(qū)一帶、興東鎮(zhèn)脫水果蔬電商產(chǎn)業(yè)園和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)工業(yè)園區(qū)，其中，3處為地下水集中過(guò)量開采引起，1處為地下水過(guò)量開采及建筑物荷載引起。

（3）對(duì)比2017—2020年高分辨率InSAR監(jiān)測(cè)成果以及63個(gè)有效驗(yàn)證點(diǎn)位的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，分析結(jié)果表明，大多數(shù)同名點(diǎn)的形變偏差在 5 mm內(nèi)，均方根誤差為3.94 mm，兩種測(cè)量數(shù)據(jù)誤差值相對(duì)較小，具有較好的一致性，充分證明InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果可信度較高。

4.2? 建議

1）繼續(xù)加大研究區(qū)內(nèi)主要地下水開采層水位監(jiān)測(cè)工作，系統(tǒng)研究地下水水位變化與地面沉降速率相關(guān)性；進(jìn)一步了解同悅家園—祥和家園—陽(yáng)山公寓一帶地下水開采狀況，以及該區(qū)建筑物建筑歷史和地基處理情況，加強(qiáng)該區(qū)段地面沉降機(jī)理分析和研究。

2）在條件允許的情況下，除水準(zhǔn)測(cè)量以外可結(jié)合多源數(shù)據(jù)驗(yàn)證，如GPS測(cè)量、實(shí)地考察、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等不同技術(shù)手段，多方面、多角度驗(yàn)證InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)在地面沉降監(jiān)測(cè)中的可靠性和準(zhǔn)確性，不斷推動(dòng)多手段融合式地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展。

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收稿日期：2022-09-14；修回日期：2022-11-08

基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局與江蘇省地質(zhì)勘查基金聯(lián)合項(xiàng)目“江蘇省沿海地區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查”（1212011220005）、原江蘇省國(guó)土資源廳地勘基金項(xiàng)目“江蘇省地面沉降監(jiān)測(cè)（2018-2020）”（蘇財(cái)建［2018］96號(hào)文）聯(lián)合資助

第一作者簡(jiǎn)介：陸華（1977- ），男，學(xué)士，正高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究工作。E-mail：9158911@qq.com

引用格式：陸華，閔望，殷幼松，盧毅，周盈，李洋，2023.江蘇省興化市主城區(qū)地面沉降現(xiàn)狀及InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)驗(yàn)證分析［J］.城市地質(zhì)，18（1）：33-40