李曼， 葛大庆， 张玲， 刘斌， 郭小方， 王艳

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)



基于PSInSAR技术的曹妃甸新区地面沉降发育特征及其影响因素分析

李曼， 葛大庆， 张玲， 刘斌， 郭小方， 王艳

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

曹妃甸新区是唐山市地面沉降灾害较严重的地区之一。地面沉降的快速发展对曹妃甸新区大宗货物集疏港的功能发挥构成了威胁，因此，全面了解曹妃甸新区地面沉降的分布态势，特别是掌握不同区域地面沉降的主控因素至关重要。基于中高分辨率雷达数据，采用PSInSAR技术监测了曹妃甸新区的地面累积沉降量分布及演化状况，结果表明： 近5 a内曹妃甸新区地面整体下沉，地面累积沉降量普遍在77 mm以上； 在曹妃甸区西南部、曹妃甸工业区中部及南部沿海存在数个典型沉降异常区(点)，且中心处的沉降梯度都较大。据现场实地调查，特殊的地质环境条件是曹妃甸新区发生地面沉降的客观因素，地下水超采、大规模工程扰动是诱发和加剧地面沉降的外在动力。

曹妃甸新区； 地面沉降； PSInSAR技术； 地下水； 工程扰动

0 引言

河北省曹妃甸新区位于唐山沿海南部，受宁河-唐海地下水位降落漏斗影响，地面沉降灾害较为发育。随着2008年10月曹妃甸新区开始大规模全面开发建设，产业集聚性的土地开发和大规模人工扰动，曹妃甸新区不同区域已发生了不同程度的地面沉降，沉降异常区分布集中且中心沉降幅度较大。地面沉降的发育对曹妃甸新区线性工程的平稳运营、建筑基础设施和人民生命财产的安全都将造成严重威胁，成为制约曹妃甸新区科学、快速发展的主要问题[1-2]。

目前，曹妃甸新区的地面沉降数据主要通过水准测量、分层标和GPS标石等点上测量获得。水准测量往往需要数月的观测时间，获得的是一段时间内的地面沉降量或沉降速率，监测结果时间不一致； 分层标和GPS标石的监测精度高，能为地面沉降提供连续、实时的监测数据，但监测点密度小，无法获取曹妃甸新区地面沉降的整体分布态势[3-6]。随着空间对地观测技术的发展，合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术以其全天候、大范围、高精度以及监测网络密度高等特点成功应用于地面沉降监测中。永久散射体差分干涉测量技术(permanent scatterer for SAR interferometry，PSInSAR)是在传统D-InSAR技术基础上发展起来的，通过选取散射特性和相位信息都较为稳定的地面目标点作为地表形变信息的表征，能够有效降低时间去相干、空间去相干以及大气延迟等影响引起的误差组分[7-9]，进而提高形变信息提取的精度，是调查和监测区域性地面沉降问题的一种有效方法。

本文利用中高分辨率雷达数据，采用PSInSAR技术监测曹妃甸新区的地面沉降分布及演化状况，全面掌握曹妃甸新区地面沉降的发育特征。这种方法监测网密度大，监测时间频率高且可以实时、快速地获取曹妃甸新区地面沉降漏斗的分布范围和演化特征。同时，通过搜集曹妃甸新区地下水的开采状况和相应区域人类活动对地面沉降的扰动情况，详细分析影响曹妃甸新区地面沉降的主控因素，为防治该区地面沉降的进一步发展提供基础资料。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

曹妃甸新区位于河北省唐山市沿海平原区南部，地势由北向南逐渐降低，地形较为平坦，地面坡降仅0.6‰左右。区内沉积了巨厚的第四纪细颗粒松散沉积物，厚度由北部山前的数十米逐渐增至曹妃甸一带的420 m左右，主要为一套冲洪积相及河湖积相沉积物，以粉土、粉质粘土、粉细砂为主，夹有淤泥层或海相层，质地疏松，承载力较低[10-11]。在大地构造单元上，曹妃甸位于冀渤块陷内，断块活动受EW向、NE/NNE向和NW向3组断裂控制，形成了区内隆起与坳陷相间分布的构造格局。根据天津地质调查中心对曹妃甸新区活动断裂的研究，区内已探明的活动断裂有宁河—昌黎断裂、柏各庄断裂和高柳断裂，西南庄断裂也存在活动的可能性[1,12]。

曹妃甸新区含水层为第四系松散岩类孔隙含水岩组，浅层地下水为咸水，水位埋深一般为2～4 m，基本未开采； 深层地下水是当地重要的用水水源。地下水长期过量开采，在曹妃甸区、丰南尖坨子以及乐亭曹庄子等地已形成地下水降落漏斗，且这3个降落漏斗属于天津宁河-唐山唐海地下水位降落漏斗的一部分。相应地，在南堡开发区、唐海县城(曹妃甸区)一带地面沉降最为显著，沉降速率大，影响范围广，且沉降持续发展[10-13]。

1.2 数据源

基于空间分辨率为25 m、重访周期为24 d的21景Radarsat-2雷达数据，监测唐山南部沿海平原区的地面沉降场信息，为曹妃甸新区地面沉降影响因素分析提供基础数据； 采用2009年8月至2014年12月间的空间分辨率为3 m、重访周期为11 d的46景TerraSAR-X雷达卫星数据(图1)进行曹妃甸新区地面沉降的精细监测。通过中、高两种分辨率雷达数据可获得曹妃甸新区2012—2014年度地面沉降速率和2009—2014年近5 a内地面累积沉降量的分布及演化特征。

图1 中高分辨率雷达卫星数据覆盖范围

雷达干涉数据处理中涉及的DEM数据采用美国SRTM获取的DEM数据，空间分辨率为90 m，平原区高程精度约为5～10 m[14]。

2 技术方法

根据不同时刻获取的SAR影像进行干涉对组合，生成多基线差分干涉纹图集。

利用点目标检测算法和相干系数均值法，基于这一长时间序列SAR数据，从中筛选出在时间序列上具有稳定散射特性的高相干点目标，这些目标(如建筑物的墙角、屋顶、裸露的岩石等)几乎不受失相关噪声的影响，在长时间间隔的干涉对中仍然保持较高的相干性[8-9,14]。

将稳定的相干点目标构成离散观测网络，针对每一个差分干涉纹图，提取稳定点目标处的差分干涉相位，并对所有点目标的差分干涉相位序列进行时间序列分析，即通过分析这些点目标相位的时空变化，分解各个相干目标点上的相位组成，包括高程误差，形变相位以及由大气引起的误差相位，最后由相干点目标干涉相位迭代回归分析，解算形变量随观测时间的变化关系，得到每个观测时刻地面沉降的累积量[8-9,15-16]。

3 地面沉降分布现状

3.1 中、高分辨率雷达数据监测结果对比分析

图2 为采用中等分辨率Radarsat-2雷达数据获得的2012—2014年度天津汉沽—唐山沿海平原地面沉降速率图。唐山南部沿海地区区域性地面沉降明显，主要形成汉沽区东部、丰南县南部和曹妃甸区西部沉降区以及乐亭县西南部沉降区。在曹妃甸工业区地面沉降不明显，仅在个别区域出现沉降异常点，沉降中心的沉降速率小。将图2中红色图框内的地面沉降状况(基于Radarsat-2雷达数据获得的)与由高分辨率TerraSAR-X雷达卫星数据获得的2012—2014年度同一区域的地面沉降(图3)相比，曹妃甸区北部地面沉降分布态势基本一致，地面呈整体下沉，沉降速率普遍在20 mm/a以上。所不同的是，由高分辨率雷达数据发现在曹妃甸新区尚存在多处沉降异常区(点)且这些沉降异常区(点)中心处沉降速率梯度变化很大，最大沉降速率都达40 mm/a左右。图3上a,b,c,d分别为曹妃甸新区典型沉降异常区(点)。

图2 天津汉沽—唐山沿海平原InSAR监测地面沉降速率图(2012.01—2014.12)

图3 2012—2014年度曹妃甸新区InSAR监测地面沉降速率图

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

中、高分辨率2种雷达数据监测结果的显著差异主要是由曹妃甸新区人为活动频繁和雷达数据自身指标限制造成的。曹妃甸新区尚处于大规模建设时期，地表地物容易产生非相干移动，使得地表相干性降低； 另一方面，这一地区建筑物分布密度相对较低，造成中等分辨率雷达图像中相干目标的数目降低，尤其在地面沉降异常区(点)处相干目标会更少，从而进一步造成相干目标点的干涉相位不连续，噪声影响较大，难以提取出这些地区的地面沉降场信息。高分辨率雷达数据TerraSAR-X重复周期短，空间分辨率高，高分辨率雷达图像的尺寸效应增大了相干目标的数目，能更加详细地监测微小地面形变活动，刻画沉降场局部变化特征和细节，即沉降异常区(点)的沉降中心变化特征，监测精度提高。

3.2 唐山南部沿海地区地面沉降分布状况

2012—2014年，在唐山南部沿海地区发现2大明显的沉降漏斗区： 以汉沽区西部与丰南县南部双桥子、柳树圈镇、黑沿子镇、滨海镇为沉降中心的沉降漏斗区和以乐亭县西南部曹庄子、柳赞镇为沉降中心的沉降漏斗区(图2)。双桥子-柳树圈镇-黑沿子镇-滨海镇沉降漏斗的沉降影响范围广，沉降速率大， 沉降中心的最大沉降速率达80 mm/a左右； 曹庄子-柳赞镇沉降漏斗中心区的最大沉降速率也达44 mm/a,这2大沉降漏斗与这一区域地下水降落漏斗的分布范围、演变特征基本一致，地下水的长期过量开采是这一地区地面沉降漏斗发育的主控因素。但在曹妃甸区南部、曹妃甸工业区(曹妃甸岛)地面沉降中心不明显，地面沉降速率较低，都在23 mm/a以下，仅在个别区域发现较明显的沉降异常区(点)。

3.3 曹妃甸新区地面沉降分布

为全面、详细地了解曹妃甸新区地面沉降分布及演化状况，基于高分辨率雷达数据获取了2012—2014年度曹妃甸新区的地面沉降速率，结果发现，曹妃甸新区地面下沉速率普遍在20～25 mm/a，沉降中心异常突出(图3)。同时，基于2009年8月至2014年12月间的46景TerraSAR-X雷达卫星数据，进一步获取曹妃甸新区近5 a的地面累积沉降量分布状况，这与该区地面沉降的年度沉降速率分布特征完全一致。

在曹妃甸区西南部形成以第七农场、第四生产队和秋老堡为沉降中心的最大沉降区带，其中，秋老堡南部与唐曹高速、迁曹铁路沿线沉降中心相连，形成曹妃甸新区最大的沉降异常区，最大沉降速率都在30 mm/a左右； 第七农场南部沉降异常区中心处最大沉降速率为33 mm/a,累积沉降量最大，可达211 mm。在曹妃甸区南部则形成了以新华港、东林里畜牧队为主要沉降中心的沉降区，其中新华港北部沉降中心、东林里畜牧队附近沉降中心的最大沉降速率都为28 mm/a，最大累积沉降量也都在80 mm以上。

与曹妃甸区及区南部的地面沉降特征有所不同，曹妃甸工业区(曹妃甸岛)表现为地面整体下沉速率较缓，但个别沉降异常点突出，沉降中心的沉降梯度变化较大，主要集中在物流中心、工厂企业产业园以及线性工程沿线。原油码头左侧伸向渤海的走廊沿线沉降异常点处的最大沉降速率达41 mm/a，最大累积沉降量，达214 mm为曹妃甸新区的最大值； 原油码头油气储存区的最大累积沉降也较大，达197 mm，且不同储油罐的地面沉降发育程度也不同。在曹妃甸工业区北部台湾产业园附近以及工业区中部首钢京唐钢铁厂附近的沉降中心也相当明显，最大累积沉降量分别达到172 mm和182 mm。

此外，在曹妃甸区东部蒋各庄、杨岭镇、蚕沙口等地沉降异常点也较显著，除蚕沙口沉降中心处的最大累积沉降量较大达160 mm外，其他地区地面沉降幅度相对较小。

4 曹妃甸新区地面沉降发育特征

1) 地面沉降呈片状分布。受唐山沿海宁河-唐海地下水位下降漏斗影响，曹妃甸区及周边区域地面整体下沉，呈连片分布特征。曹妃甸区与西部以大灶、第七农场、第四生产队和秋老堡为沉降中心的沉降带，经由第五农场第二生产队、东林里畜牧队沉降区与曹妃甸区东南部新华港、十里海养殖场沉降带相连。

曹妃甸工业区中部的综合服务区、激光产业园和中兴产业园等企业聚集地，地面整体沉降量也较大，沉降速率为15～25 mm/a。这一地区地面整体下沉与人为工程活动频繁扰动密切相关。

2)地面沉降异常区(点)多，沉降中心沉降梯度变化大。在曹妃甸区西南部、南部以及曹妃甸工业区等地都存在明显的沉降异常区(点)。第七生产队南部、唐曹高速沿线、秋老堡西南、唐山湾生态城高尚堡盐场北部、曹妃甸工业区北端台湾产业园东部以及最南端原油码头等沉降异常区的沉降梯度大，沉降面积都相对较小。沉降中心的最大累积沉降量在135～200 mm之间，其中曹妃甸工业区南端原油码头西侧岸边走廊沉降异常点处的最大累积沉降量为曹妃甸新区沉降量之最，达214 mm，最大沉降梯度约为0.77 mm/m，而台湾产业园东部沉降异常区为曹妃甸工业区内沉降影响范围最大的沉降异常区。在第十二农场南部、蚕沙口以及工业区中部首钢京唐钢铁厂东北部沉降中心也较明显，最大累积沉降量也都在150 mm左右，但地面沉降影响范围都相对较小。

3) 地面沉降非线性特征显著。不同年份曹妃甸新区的地面沉降速率有所不同，唐山湾生态城高尚堡盐场以北区域、唐山湾生态城起步区金海湾小区、万年丽海花城等地地面年沉降速率差别较大(图4)。2010年，唐山湾生态城地面整体下沉，沉降速率普遍较大，在20～41 mm/a之间。 2012年和2013年沉降速率显著减缓，其中2012年沉降速率普遍降至20～30 mm/a，仅在青龙湖度假区西侧、金海湾小区及其西侧有最大沉降速率在30 mm/a左右的沉降异常区； 2013年沉降速率则降至25 mm/a以下，且沉降速率介于20～25 mm/a之间的范围缩小至高尚堡盐场北部沉降带和起步区金海湾小区一带，其他地区的沉降速率都在20 mm/a以下； 但至2014年，地面沉降速率又出现反弹，高尚堡盐场北部沉降带范围向北延伸至青龙湖度假区南部，沉降速率达25～40 mm/a，起步区也出现数个明显的沉降漏斗中心，最大沉降速率也都在25 mm/a以上。通过分析2009年8月至2014年12月曹妃甸新区典型沉降异常区地面累积沉降量变化特征可以发现，各典型沉降异常区在各个时段内的地面沉降变化过程也不完全一致(图5)。唐曹高速最北端沉降异常点a处，2009年8月至2012年8月期间，地面均匀下沉，且沉降速率较小，于2012年底开始沉降速率减小地面沉降消失甚至出现些许回弹，之后在2013年初地面又呈较大速率继续下沉； 第四生产队北部沉降异常区b区域分别在2012年底、2013年底出现2次地面沉降减缓现象； 曹妃甸工业区台湾产业园东部沉降异常区c和原油码头沉降异常点d处的地面沉降趋势基本相同，从2011年8月开始，地表面呈跳跃式下沉，且平均沉降速率都较大。

(a) 图3a处2010年度沉降速率 (b) 图3b处2012年度沉降速率

(c) 图3c处2013年度沉降速率 (d) 图3d处2014年度沉降速率

图4 唐山湾生态城InSAR监测地面沉降速率演化图

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

图5 图3中a，b，c，d4个典型沉降异常区(点)处地面累积沉降量动态演化过程

4)线性工程沿线地面沉降分布极不均匀。曹妃甸新区内迁曹铁路、司曹铁路、唐曹高速等线路工程沿线地面沉降显著，沉降量极不均匀。该区西部的唐曹高速、迁曹铁路沿线沉降最为明显，唐曹高速大灶至第一生产队沿线存在数个明显的沉降异常点，其中秋老堡东南部3个沉降异常区的沉降量都较大，最大累积沉降量由北至南分别达178 mm，165 mm和164 mm。迁曹铁路在秋老堡南部的2个沉降异常区与秋老堡沉降异常区有相连的趋势，形成沉降范围更大的沉降异常区，沉降中心的最大累积沉降量都在150 mm左右。在曹妃甸工业区首钢京唐钢铁厂东侧的通岛路沿线也发现一明显的沉降异常区，近5 a内的最大累积沉降量也达147 mm，沉降梯度非线性变化已造成通岛路沿线地裂缝密集，最大地裂缝约1～2 cm，随着地面沉降速率、地面沉降量的加大，将会对通岛路线路的安全运营造成严重威胁(图6)。除此之外，线性工程其他区段地面也有沉降，但沉降幅度与相应区段的区域沉降基本相当，沉降梯度小。

(a) 地裂缝横穿通岛路 (b) 沿通岛路线路延展的地裂缝

图6 首钢京唐钢铁厂附近通岛路面上形成的地裂缝

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

5)构造断裂对地面沉降发育起围限控制作用。构造断裂两侧地面沉降存在明显差异，对地面沉降异常区的影响范围起一定的围限作用。高柳断裂带阻断东林畜牧队东南部沉降异常区和唐山湾生态城新华港北部沉降带分别向东南、西北方向进一步延展，沉降区仅沿断裂一侧展布； 西南庄断裂带对大灶-第四生产队-秋老堡沉降区、柏各庄断裂带对蚕沙口沉降异常区的扩展也起到一定程度的阻滞作用(图7)。

图7 曹妃甸新区InSAR监测地面累积沉降量图 (2009.09-2014.12)

5 地面沉降的成因及影响因素

1)特殊的地质环境条件是发生地面沉降的内在因素。曹妃甸新区地处渤海湾北岸，在冀东平原区的南部边缘，陆地形成较晚。曹妃甸新区新生代以来持续下降，地表被新生代第四纪冲积、湖积、海积的细颗粒松散沉积物覆盖，厚度为400～500 m，以细颗粒为主，其中粘性土厚度占60%～70%。根据工程地质勘查和实验结果，曹妃甸新区埋深处于0～80 m地层多属欠固结。这为地面沉降的发生提供了内在条件[12]。

2)长期过量开采地下水是诱发地面沉降的主要因素。除曹妃甸工业区外，曹妃甸新区其他地区地面沉降整体下沉，沉降异常区(点)多，且集中分布在城镇地区或工厂企业聚集地，这些地区的工农业生产和人民生活主要是开采深层地下水，而曹妃甸新区沉降较严重的西部沉降区、唐海湾生态城等地分别位于丰南尖坨子地下水位降落漏斗区和乐亭曹庄子地下水位降落漏斗区的边缘。另根据《河北省人民政府关于公布平原区地下水超采区、禁采区和限采区范围的通知》，至2014年6月，曹妃甸区大部(唐海镇、滨海镇、柳赞镇)、滦南县南部、乐亭县东南部为深层地下水一般超采区，曹妃甸区西北部(唐海镇、滨海镇)、丰南区东南部为深层地下水严重超采区。可见，曹妃甸新区深层地下水的开采程度与地面沉降灾害的发育程度以及地下水降落漏斗与地面沉降漏斗基本一致。

3)大规模开发建设、工程扰动加剧了地面沉降的发育。近年来，随着曹妃甸新区开始大规模建设，深基坑开挖、路堤修建等引起的地面沉降地质灾害在曹妃甸工业区、唐山湾生态城分布广泛，尤其是在曹妃甸工业区，钢铁石化产业园、装备制造产业园等地区工程建设期外力扰动较大区域以及在迁曹线(通岛路)运营后基础地基承载力较小甚至是在原油储存区上覆外部荷载变动较大等诸多部位，地面沉降中心异常突出，沉降速率、沉降梯度都普遍较大[17-18](图3)。总之，曹妃甸工业区不具备地下水开采条件，地面沉降异常区(点)的出现可能主要与外力长期扰动、地基土不断压密密切相关。

6 结论及建议

1)特殊的地层结构、长期地下水的超量开采以及大规模地、频繁地外力扰动，使得曹妃甸新区地面沉降中心异常突出，沉降中心范围较小，沉降梯度较大，对基础设施、尤其是对线性工程的危害极大。

2)虽然采用中、高分辨率雷达数据获得了曹妃甸新区第一手详实的地面沉降资料，并定性地分析了曹妃甸新区地面沉降发育的影响因素，但总的说来，仍然对人为活动影响下海积滩涂区地面沉降的发生特点及其过程尚不完全清楚。如何加强InSAR测量与水文地质工作结合，深入分析制约不同区域地面沉降产生、发展的主导因素以及如何预测、预防地面沉降地质灾害的发生，是今后相当长一段时间内责无旁贷的工作任务。

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(责任编辑： 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，葛大庆，张玲，等.基于PSInSAR技术的曹妃甸新区地面沉降发育特征及其影响因素分析[J].国土资源遥感,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

中国地质调查局地质调查项目“曹妃甸新区地面沉降高分辨率InSAR监测研究”(编号： 1212011120086)及国家自然科学基金委员会资助项目“基于改进的高分辨率时序InSAR技术研究Khash Mw7.7级地震震后形变机制”(编号： 41504048)共同资助。

TP 79

A

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

李曼(1981-)，女，硕士，高级工程师，主要从事InSAR技术在监测地面沉降、滑坡、活动断裂等地质灾害方面的研究工作。Email： digong820@163.com。