河北省海岸带地面沉降现状及形成机理研究

刘有才（河北省地矿局水文工程地质勘查院，河北·石家庄 050021）



河北省海岸带地面沉降现状及形成机理研究

刘有才
（河北省地矿局水文工程地质勘查院，河北·石家庄 050021）

摘 要：河北省沿海地区位于华北平原与渤海的交会地带，是一个人口聚集、生态环境脆弱、开发程度较高的地区，存在着较为严重的地面沉降灾害，对沿海地区人民生活、城市建设和社会发展造成了不利影响。本文通过InSAR监测及二等水准测量相结合的方式来研究河北省沿海地区地面沉降状况，分析影响海岸带InSAR提取形变精度的误差源及其校正方法，获取大比例尺高精度海岸带形变监测结果，并在此基础上分析研究河北省海岸带地面沉降的原因，为工程建设、区域规划、防灾减灾监测提供技术参考。

关键词：地面沉降；沉降监测；机理研究；InSAR技术；海岸带地区

随着经济和人口城市化的发展，地面沉降及其所造成的环境灾害已十分严重，其造成的损失是综合的，危害是长期的，其危害程度也是逐年增加的。在沿海地区，地面沉降加大了海水入侵、倒灌和内涝积水的危害，引起堤坝下沉、河道淤积、防洪能力大减，还导致工业民用建筑物破坏、地下管道断裂，水准测量高程基准网失效、社会安定等一系列经济、环境及社会问题[1]，我国每年由此造成的直接经济损失达数百亿元[2]。河北省是一个沿海大省，地下水超采现象严重，围填海工程如火如荼，由此引发的地面沉降也愈演愈烈，开展河北省沿海地区沉降监测和研究具有重要意义。

据相关资料，至2012年河北平原累计地面沉降量大于300mm的面积为4.49×104km2，占全省平原区面积的61.35%，主要分布在中东部地区。目前河北平原不同区域的沉降中心仍在持续发展，沉降量增大，沉降范围扩展。至2012年河北平原共形成14个沉降漏斗，其中中部及滨海平原区地面沉降漏斗分布较多，呈串珠状分布，并有连成一片的趋势[3～6]，山前平原地区分布较少，中部及滨海平原共形成了沧州市沉降区、任丘沉降区、肃宁沉降区、河间沉降区、献县沉降区、东光沉降区、衡水沉降区、南宫沉降区、平乡沉降区、丰南沉降区、唐海沉降区、廊坊沉降区12个沉降中心，其中唐海沉降区位于河北省沿海地区。

1　工作方法

利用InSAR与二等水准测量相结合的方式，开展地面沉降研究。研究精度的关键是InSAR解译精度，因此从几何定位精度、SAR基线分布、干涉配准RMS精度评价、时序分析精度评价几个方面对收集的原始SAR数据及其成像和干涉处理质量进行分析，并将处理的结果与水准测量、历史沉降资料进行对比研究，从而取得InSAR监测成果；同时充分搜集地下水开采、水位动态、地层物理力学性质等数据，分析地面沉降机理。

本研究共采集了5种卫星282景SAR数据，获取了1992～2013年SAR数据覆盖时间段内沧州及唐山沿海大范围、高密度地面形变InSAR观测结果，对比分析了1997年以来区内已有的地面沉降监测数据，较为全面和系统地从时间和空间两种尺度上刻画了上述地区的地面沉降特征。

1.1 InSAR数据处理方法

高分辨率InSAR数据处理对硬件配置及存储空间要求很高，InSAR数据处理使用高性能大容量存储服务器。InSAR数据处理采用美国航空航天局喷气动力实验室（JPL）和加州理工大学（Caltech）联合研制的国际先进雷达处理软件ROI_PAC，时序分析采用中国地震局地壳应力研究所自主开发的FRAM-SBAS软件。

InSAR数据处理主要包括基本差分干涉处理和时序分析两部分[7]。基本差分干涉处理采用的ROI_PAC软件，具有SAR成像、干涉图像生成、相位解缠、基线（卫星之间距离）提取和优化、地表形变量提取等多种功能。时序分析采用FRAM-SBAS软件进行，用于消除DEM、卫星轨道等误差，估算大气影响、提取精密的地表形变平均速率和时间序列。

1.2 处理精度分析

（1）几何定位精度

在经过地理编码以后的SAR图像上，选取易识别的特征点（地面构筑物对应强散射点，水系交汇处附近的点等），通过与获取的地理编码高分辨率光学图像（资源三号卫星2.1m全色）手工选取同名点作为控制点（4～10个）配准并校正（一次或二次项校正），再通过配准多项式反算未校正前SAR图像上的各点的相对偏移量并进行统计。从图1中可以看出项目中几种卫星数据的定位精度TERRASAR-X的定位精度最高，达到了10m×12m，像元之间的相对定位精度在1m以内。ENVISAT卫星的定位精度次之，定位精度达到45m×30m，像元之间的相对定位精度在2m以内；而JERS卫星数据的定位达到了38m×50m，相对定位精度为3m。

图1　SAR图像几何精度估计Fig.1 The geometrical accuracy of estimation of SAR image

（2）时序干涉网络控制

为降低InSAR过程中大气延迟误差[8]、地形误差、孤岛误差等，采用了最优冗余短基线集的方法[9,10]，最优的干涉图集合才能保证后续的InSAR时序分析结果的精确[11]。

（3）干涉配准RMS精度评价

对几种卫星数据的影像配准精度进行评估，配准的精度只有达到亚像元级（1/8像元之内）才能保证干涉图高质量，几种卫星的配准精度均在1/15个像元左右，满足InSAR的精度要求。

（4）时序分析精度评价

在时序分析过程中，控制每个点的质量，在时序分析中将对相干点的质量进行评估，采用计算干涉解缠观测相位和计算相位之间的平方根（RMS），通过评估RMS值来对整体形变解算质量进行精度评估。

（5）雷达波长对结果精度的影响

雷达载波频率或者波长也必须进行考虑。长波长对单个反射体间的相对距离变化是较不敏感的，因此长波长系统可以提供比短波长更佳的像元间的相干性。另外，雷达信号在介质中的穿透性都依赖于观测地表和波长。穿透的深度一般会随着波长的增加而增加，这就意味着在低频率（L，P），波的穿透力会比高频波（C，X）要高。需要强调的是根据观测地形的几何和电介质参数，合适的波长是一个非常关键的因素用于提高PS点的密度。

（6）雷达分辨率对结果精度的影响

雷达影像的分辨率是另外一个需要考虑的参数。时间和空间去相干对高分辨率数据的影响比较小。因为降低了像元的大小，在一个像元内单个反射体的数量也会下降。特别是在城市地区，探测得到的反射体相互之间的距离非常短。像元点成为PS点的几率会变得更高，因为当提高像元的分辨率，每一个点中主要的散射体在散射体集中更加占主导地位的几率会更大。在考虑高分辨率数据时，只有一个像元受到了地面目标的污染，而其他像元都保持了相位反射特性。这就意味着，相干性得到了保留，可以继续后面的相位测量处理。

（7）不同Track同一点的形变的回归分析

同时项目组还利用对不同Track的SAR数据处理得到同一位置近似或相同时间段的形变量进行对比验证，将每个Track的LOS方向的形变结果投影到垂直方向，利用回归分析的方法对不同的Track的结果进行对比验证。在唐山地区的Track404 和 Track268结果进行对比。在垂直方向上形变速率对比差值的平均值在5mm/a以下，两者之间相关系数为0.85。

1.3 监测结果与水准测量成果对比

水准点数据作为测量的重要数据，对于与InSAR作出的沉降结果的比对有重要意义，项目组将获取的水准资料电子化（Excel格式）并在此基础上将其矢量化为点文件（shp格式）。

沧州沿海共有46个水准点在数据处理范围内，时间2006～2013年。唐山沿海共有62个，时间从2005到2012年。

本次工作利用InSAR资料求取的年沉降量与水准对应年沉降量比较，两观测数据重合时间段集中在2008～2012年，因此本项目对期间各年的InSAR（其中2011年InSAR结果部分通过外推+内插获取）与水准结果进行了对比分析，在水准点位分布密集、趋势明显的区域，对比精度较高。顾及到两者数据在空间上位置偏差以及插值等误差影响，InSAR监测形变量与同时段水准结果具有很好的一致性。对于两种监测手段差异点进行了实地验证，发现存在地下水过量开采等人为因素导致InSAR监测点异常的现象，在分析过程中对InSAR监测异常点进行了校正或剔除。

1.4 监测结果与历史沉降监测资料的比对

与沧州地区2007～2008年沉降速率图对比：用本次监测沧州工作区对沧州地图进行裁剪，再对裁剪后部分进行矢量化与面积统计；对本次监测得到的2005～2006、2008～2009年平均沉降速率图进行面积统计，对比统计结果如表1所示。对这三年的沉降速率图选取特征点进行对比分析，得到的结果如表2所示。通过对比可以看出，InSAR测量的沉降速率结果与历史沉降速率具有较好的一致性。

2　监测结果

2.1 沧州沿海

表1　沉降速率分区面积对比Table 1 The sedimentation rate comparison partition area

表2　特征点沉降速率对比Table 2 The compare feature points sedimentation rate

1992～1998年地面沉降速率最大区域位于黄骅市黄骅镇，沉降中心区沉降速率超过40mm/a，而2003年之后的监测显示黄骅市城区沉降速率稳定在10～20mm/a，较九十年代已明显减缓；而沧州海岸带2003～2013年沉降速率较大区域则位于中捷农场生活区及临港工业开发区，最大沉降速率超过40mm/a，且沉降速率超过20mm/a的区域持续向东扩展，扩张最快阶段为2005～2007年，海兴县城沉降速率在2010年后有增大趋势，从原有的20mm/a增大到30mm/a量级。根据二等水准测量及InSAR解译成果分析，沧州沿海地区存在两个沉降中心，一是沧州中捷农场主城区，二是沧州临港开发区（六分场十八队—老盘庄—小司庄一带）。至2010年，沧州沿海临港工业开发区沉降中心区速率达30mm/a以上，而沉降速率20～30mm/a的区域也不断向东扩展接近海岸方向，和南排河镇沿海岸线一带的老沉降区域连接。

2.2 唐山沿海

唐山工作区内主要沉降区地面沉降速率在每一年内均呈现周期性波动。1996～1998年地面沉降速率最大区域有两个：一个位于黑沿子镇至涧河一带，一个位于古河乡南至柳赞镇东一带。2003～2010年的InSAR监测结果显示这两区域仍为沉降中心，其中黑沿子镇以西的沉降带向东北方向扩展至滨海镇（南堡经济开发区），古河乡至柳赞镇一带的沉降区域向马头营镇扩展，但最大沉降速率有所下降，两个沉降带部分区域最大沉降速率超过30mm/a。

2012～2013年，曹妃甸工业区地面沉降量以20～30mm/a为主，唐海县沉降速率小于10mm/a，曹妃甸西北部地区地面沉降速率大于30mm/a。曹妃甸工业区内S262省道（通岛路）以西沉降速率超过20mm/a，其中港区油罐区20～30mm/a，中山路南段钢石路以北局部地段超过30mm/a，而S262以东沉降速率较小，为10～20mm/a；曹妃甸区滨海镇以东—唐海镇以西从十一分场至七分场村存在一个面积超过50km2的近南北向的沉降带，沉降速率超过30mm/a，且沉降范围正向东扩展（图2）。

图2　2012～2013年曹妃甸地区地面沉降速率分区图Fig.2 The rate partition of land subsidence in Caofeidian (2012～2013)

3　影响因素分析

引起地面沉降的因素可以分为自然因素以及人为因素，自然因素包括构造活动、软弱土层的自重压密固结、海平面上升等，人为因素包括过量开采地下水、地下热水及油气资源等。据地震分析数据，本区由于构造活动引起的地面沉降速率仅为1～3mm/a。因此，人为因素尤其是深层地下水超量开采是导致地面沉降的主要原因。地面沉降的发生取决于两方面因素，一是引发地面沉降的动因，地层系统内的液态动力场的变化；二是质因，地层系统包含大量塑性黏土层，且多与砂层互层。二者综合作用，致使地层中水动力系统媒介抽空透气，固体介质岩土结构内部在外荷力作用下，发生被动性位移变化，黏性土地层厚度变薄，由此出现地面沉降。现就本区地面沉降主要成因分析如下：

3.1 超采地下水

地面沉降伴随着地下水的开采而产生，地面沉降速率和发展趋势随地下水位变化而变化，伴随着开采量增加而发展，又伴随着开采量减少而减缓，地面沉降的漏斗与地下水位下降漏斗基本一致，引起地面沉降的层位与各含水组的开采量相对应[12,13]。因此，超量开采地下水是引起地面沉降的主要原因。

沿海地区沉积物颗粒较细，以第二三含水层组、部分地区为第四含水层组为主要开采层。由于大量开采深层地下水，引起孔隙水压力降低和有效应力增大，致使含水层被压缩，颗粒接触面积增大，孔隙度减小并释水，产生弹性变形。当含水层中的水压恢复后，骨架复原，含水层的储容水量亦能复原，只形成暂时性地面沉降，含水系统的供水能力可以得到恢复，其沉降量小，一般相当黏性土压缩率的15%，沉降反应快。但黏性土层孔隙度大、孔隙微小，内含结合水。大量开采地下水，使含水层水头大幅下降，当含水量水层与黏粘性土层之间的水头差足以克服水与颗粒间的结合力时，水便从黏性土层中排出。释水时孔隙压缩，使黏土矿物颗粒接触面积增大，颗粒间发生相对位移，孔隙结构破坏而发生塑性形变。当含水层中水压恢复后，只能使黏性土层被压缩的孔隙中水压增高，而不能使孔隙度和储水容量恢复到初始状态，形成永久性地面沉降。

本区地面地面沉降的产生和发展过程与地下水的开采过程基本保持一致或滞后一个时段。地面沉降量与地下水水位下降幅度呈高度正相关，其分布范围与地下水水位下降漏斗基本一致[14～16]，唐山沿海地区地面沉降趋势与地下水漏斗的相似性也证明了这一点。地面沉降的产生和发展过程是含水层排水后孔隙水压力发生变化，相邻黏性土层多为欠固结岩层，由于水的顶托压力下降，在上覆土层的自重压力下，排水固结是一个相对缓慢的过程。所以地面沉降滞后水位下降。当开采和补给能够趋向平衡时，开采层和弱透水层水位将先后趋于稳定，黏性土压密释水趋向缓和。在开采水位先期稳定时，地面沉降仍在继续，但随着时间的推移，地面沉降也将趋缓。

3.2 地表荷载

伴随着社会经济的持续发展，城市基础设施建设迅猛发展，旧区改造、新居住区成片开发，大量高层、超高层建筑不断兴建，城市规模不断扩大，交通运输线路越来越密集，使得地表荷载加重，工程建设的地面沉降效应逐渐凸显，成为近年来新的沉降制约因素之一。高层建筑群造成的城区地面沉降的特点是距建筑物一倍基础宽度范围内的地面沉降速率大于建筑物本身的沉降速率，尤以相邻建筑之间中心城区地表的沉降量最大。密集高层建筑群之间地表存在明显的应力迭加效应，并使沉降量超过容许值，从而带来不稳定因素[17]。

3.3 构造活动

华北平原自古近纪始新世以来一直为持续沉降区，第四纪隆起区平均沉降速率0.23～0.54mm/a，同时强烈地震也引起了地壳快速形变，造成地面升降异常。据国家地震局地形变测量大队的资料，华北平原最大构造沉降在沿海地区为2.5mm/a，最小构造沉降在山前为1.7mm/a。根据本区地层厚度和沉积年代资料、历史水准点沉降资料和区域地形变资料推算，华北平原东部沉降区构造活动造成的地面沉降速率在1.3～2.0mm/a左右。

3.4 软弱土层物理力学特性

滨海地区广泛分布有浅海相、滨海相、泻湖相软弱土层，软土的压缩固结是产生地面沉降的一个重要因素[18]。它的力学特征是含水量高、压缩性高、孔隙比大、天然容重低、强度低，属于欠固结地层，不仅会自然压密，而且在荷载长期作用下容易产生次固结变形。据观测资料，此类软土层压缩所引起的沉降占总沉降量的50%～60%，其压缩沉降量为10～20mm/a，这是滨海地区地面沉降的一个主要因素。

3.5 开采液体矿产

本区地热井主要分布在曹妃甸工业区、柳赞镇及唐山市乐亭县马头营镇，地热资源丰富，地热水主要用途为供暖。新近系是本区矿泉水和地热水的主要产出层，属于承压水，底界埋深1350～2080m。本区引起地面沉降的主要原因为过量开采第四系地下水造成，本区地热水取水段主要为新近系馆陶组孔隙热储，地层以砂岩为主，结构致密，处于半胶结状态，开采地下热水短期内引发的地面沉降量较小，对地质环境的影响轻微。

冀东油田、大港油田年产原油1212万吨，天然气7.7亿立方米。根据大港油田的有关资料，2500m以下普遍出现了欠压密地层，黄骅凹陷中最大异常地层压力系数为1.552，发现于3702.7m处沙河街组地层中。古近系是本区石油、天然气的主要聚集层，底界埋深1480～3300m。当油气开发后，必将使流体压力降低，固体颗粒的有效应力增加，使泥岩进一步固结压密，从而引起地面沉降。本区石油开采后均通过注水方式缓解沉降进一步发展，石油开采区未引起大范围沉降，但在油区石油天然气的开采也是引起地面沉降不可忽略的因素之一。地下流体的产出经常与储层岩体的压缩相关联，这种压缩通过上覆地层可以到达地表。

4　结论

（1）为控制InSAR解译精度，从几何定位精度、SAR基线分布、干涉配准RMS精度评价、时序分析精度评价几个方面对收集的原始SAR数据及其成像和干涉处理质量进行分析，极大地提高了数据的精度。

（2）河北省沿海沉降速率较大区域位于中捷农场生活区及临港工业开发区，最大沉降速率超过40mm/a，且沉降速率超过20mm/a的区域持续向东扩展。唐山市黑沿子镇以西的沉降带逐步向东北方向扩展至滨海镇，古河乡至柳赞镇一带的沉降区域向马头营扩展，近年来沉降速率有所下降，但两个沉降带区域最大沉降速率仍超过30mm/a，地下水开采、软弱土压密是本区发生地面沉降的主要原因。

（3）通过InSAR、二等水准测量点面结合的方式开展地面沉降监测，既发挥了InSAR技术具有的面测量优势，又通过水准测量精度控制有效减少了InSAR雷达干涉误差，使InSAR监测能够较客观地反应工作区的实际情况，从而实现了时间和空间两种尺度上展现了工作区的地面沉降特征，可在地面沉降监测研究中推广。

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The current situation of land subsidence and its formation mechanism in the Hebei coastal province

LIU You-Cai
(Hydrology and Engineering Geology Surνey Institute,Hebei Proνince Geology and Mineral Exploration Bureau,Hebei Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:The coastal areas of the Hebei province are located at the intersection of the North China Plain and the Bohai Sea,which is a densely populated and fragile ecological environment with a high development rate.This province is currently facing a serious land subsidence disaster,which has a negative impact on the local living standards,urban construction efforts and social development.In this paper,we investigated the land subsidence in coastal areas of the Hebei province by means of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) and II-grade level measurement.We also analyzed the error sources and their correction methods.The results were obtained from large-scale precision coastal zone deformation monitoring.Accordingly,we determined the reasons controlling land subsidence in the coastal zone of the Hebei province,which serve as a technical reference for engineering construction,regional planning,disaster prevention and reduction.

Key words:land subsidence;deformation monitoring;mechanism research;InSAR technique;coastal zone

基金项目:中国地质调查局地质调查项目“河北省海岸带地质灾害调查评价与防治对策”(2013995454)

作者简介:刘有才(1981-),男,硕士,工程师,主要从事环境地质研究.

修订日期:2015-12-30

收稿日期:2015-12-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.016

中图分类号：P642.26

文献标志码：A

文章编号：2095-1329(2016)01-0069-05

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