钙质岛礁沉降变形过程分析❋

兰恒星, 赵晓霞, 伍宇明, 李郎平, 苏奋振

(1.中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101；2.长安大学地质工程与测绘学院, 陕西 西安 710054；3.中国科学院大学, 北京 100049)

钙质岛礁沉降变形过程分析❋

兰恒星1,2, 赵晓霞1,3, 伍宇明1, 李郎平1, 苏奋振1

(1.中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101；2.长安大学地质工程与测绘学院, 陕西 西安 710054；3.中国科学院大学, 北京 100049)

随着海上丝绸之路战略的推进，中国在多个钙质岛礁上开展了工程建设。沉降变形是岛礁建设所面临的主要问题之一。由于钙质砂工程性质的特殊性，钙质岛礁的沉降变形过程和机理具有一定的独特性。然而，由于岛礁位置通常远离内陆，使用常规监测方法不易于开展岛礁沉降研究，有关钙质岛礁沉降变形的研究仍较少。本研究选取我国典型钙质岛礁，利用永久散射体干涉测量技术(Permanent Scatterer Interferometry, PSI)，准确反演了其沉降变形过程，并进行数值模拟分析。 初步结果表明：钙质岛礁的沉降变形存在明显的时空分异特征，总体上，岛礁边缘沉降速率略大于其内部沉降速率，工程扰动区大于非扰动区；与其他吹填材料的区域相比，钙质岛礁沉降速率偏小，总体上稳定。但是沉降过程在时间上表现出明显的非线性波动特征，受工程建设和海洋水动力影响明显。考虑到钙质砂特殊的结构特征和复杂的颗粒破碎机理，钙质岛礁未来的沉降变形仍然存在一定的不确定性，需要进一步的过程监测和机理分析，以期为我国岛礁的安全建设提供科学支撑。

钙质岛礁；沉降变形；过程与机理；永久散射体干涉测量技术

随着对海洋权益认识的加深，各国纷纷在钙质岛礁上进行工程建设[1]。陆上大规模的工程建设已经成为地表变形的重要诱因之一，并容易引发城市建筑物和工程管道破坏等多种灾害[2-4]。在特殊的海洋环境背景和强烈的人工活动影响下，钙质岛礁也面临着更为复杂和难以预测的地表沉降和变形问题。钙质岛礁的主要组成物质是钙质砂，与陆源的石英砂相比，钙质砂在成因、物质成分和结构特性上都存在着明显的差异[5]，使得钙质岛礁的沉降过程和机理都具有明显的独特性。然而，由于岛礁远离内陆，受设备、成本、气象等因素的影响，常规的监测方法不易用于开展岛礁沉降研究，因而目前有关钙质岛礁沉降变形的研究较少甚至空白。

地表沉降变形监测的传统方法主要有全球定位系统(Global Positioning System, GPS)监测、水准测量和原位监测等，但这些方法都需要进行现场作业，由于岛礁抵近困难，一般情况下难以实施现场监测。同时传统的方法只能得到密度较低的离散点的监测结果。近年来，基于合成孔径雷达干涉测量(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)技术发展起来的长时序InSAR技术，例如具有代表性的PSI技术，在地表形变监测中得到广泛的应用[6-9]。长时序InSAR技术可以实现全天时全天候的面监测，监测精度可达毫米级[10]，且不需要与监测目标进行实际接触，因此与传统监测方法相比更适用于钙质岛礁沉降变形监测。

为了更好地研究复杂工程和水动力条件扰动下钙质岛礁的沉降变形特征，本研究选取我国典型钙质岛礁为研究对象，采用PSI技术，反演了其地表的沉降变形过程。同时，根据研究区域的工程地质条件，构建了数值模型，模拟其沉降变形过程，进行变形机理的初步分析。最终，对典型钙质岛礁地表沉降变形的时空分布特征进行了探讨，初步揭示并分析了主要的影响因素。研究成果在一定程度上弥补了钙质岛礁地表沉降变形研究的薄弱环节，并可以进一步为我国岛礁的安全建设提供初步的科学支撑。

1 研究区和数据

本研究中选取的某钙质岛礁位于我国南沙群岛中东部海域，由珊瑚生长发育形成，为典型的钙质岛礁。该岛礁于2015年完成陆域吹填工程，其礁坪吹填材料主要为珊瑚砂。其中，重点研究区域上的主要工程建设是机场，于2016年上半年完成建设。研究区建设前后的对比如图1所示。根据岛礁上的工程建设时间和数据覆盖情况，本研究选取COSMO-SkyMed雷达卫星数据开展研究，该卫星星座由四颗X波段合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)卫星组成，波长为31.25 mm[11]。

图1 研究区建设前后的对比图Fig.1 The Study area before and after construction

研究区域机场的工程建设时间为2016年上半年，为了更好的反应工程建设对岛礁沉降变形的影响，并满足时间上和空间上形变反演的需要，选择数据的时间覆盖范围为2016年8月—2017年2月，时间间隔为199天，共12幅(见表1)，空间分辨率为3 m，极化方式为HH，轨道和观测方向分别为降轨和右视。

表1 COSMO-SkyMed雷达卫星影像成像时间Table 1 COSMO-SkyMed radar data acquisition time

2 研究方法

2.1 基于PSI技术的沉降反演

PSI技术是从多时相的SAR影像中选取人工建筑、岩石等保持高相干性的永久散射 (Permanent Scatterer, PS) 点，这些地物在长时间序列的影像上能够较好的保持相位和后向散射信息的稳定性，受时间和空间去相干影响较小，从而利用这些PS点上的可靠相位信息，进行地表变形的反演[12]。在支持PSI技术的多款软件中，GAMMA是较为成熟的一种，并为众多研究所采用[13-14]，本研究使用该软件中的IPTA模块进行数据处理，基本处理流程如图2所示。

由于研究区域的SAR影像中覆盖有大面积的海域，海浪和往来船舶等移动物体给影像带入大量噪声，严重影响影像的配准精度。为确保目标信息的有效提取，首先，本研究通过图像识别的方法抑制噪声，增强有效信号，并设置合理的初始偏移量进行配准，获取配准精度符合要求(小于0.2个像元)的影像数据堆。另外，需要准备一个数字高程模型，由于研究区域没有SRTM高程数据覆盖，本次研究采用的高程数据由D-InSAR生成。然后，从配准好的影像中提取出时序上的PS点，本研究中初始候选PS点的数量超过500个，经过候选点的质量评估及去除质量差的点后，剩余PS点的数量超过240个(见图3(a))，监测点密度约为135个/km2，符合PSI技术要求。最后，对PS点处的影像进行差分干涉处理、回归分析、去大气效应等后期处理，得到高质量PS点处的形变速率和历史形变曲线。

图2 PSI数据处理流程图(IPTA)Fig.2 PSI processing flow using IPTA

2.2 模型构建及沉降模拟

为了进一步分析钙质岛礁的沉降过程和机理，本研究依托Rocsettle的Settle3D软件构建了数值模型，模拟钙质岛礁上机场建设区域的沉降变形过程。

Settle3D是一款用于分析地基、堤岸和地面载荷下的垂直固结和沉降的三维软件，该软件将一维分析的简单性与更复杂的三维程序的功能和可视化功能相结合。该软件把沉降分为三个主要部分：瞬时沉降、固结造成的沉降和二次固结造成的沉降(蠕变)。由于本研究没有考虑二次固结过程，所以研究中的沉降主要由初始沉降和固结沉降两部分组成。

2.2.1 初始沉降 对于砂土的初始总应力计算公式为：

σ'=σ-u。

(1)

式中：σi=∑γH为土重的总和，孔隙水压力u的计算公式为

(2)

根据上述公式，可以计算土壤在没有受到外力的情况下的应力状况。

2.2.2 固结沉降 对于固结造成的应力变化，该软件主要分两种过程进行计算：

对于超固结土垂直应力变化，其计算公式为：

(3)

对于正常固结的土壤垂直应力变化，公式则变为：

(4)

式中：Cc为固结指数，Cr为再次固结系数，e0为初始空隙比，Pc为先期固结压力，σi为初始有效应力，σf为最后有效应力。

对于孔隙水造成的应力变化，该软件采用太沙基一维固结理论，其计算公式为：

(5)

综合上述应力变化，并以弹性形变过程计算沉降量，珊瑚砂的沉降量为：

(6)

式中：Δσ为垂直总应力的变化量；Es为压缩模量；h为土壤厚度。

本研究中，由于假设该土壤为正常固结土，因此OCR值为1。模型中的其他参数则是根据珊瑚砂蠕变实验获取，试验材料为研究区域吹填时使用的珊瑚砂，具体的参数取值见表2。模型中机场的几何形状从高精度的遥感影像中获取。数值模型中其他参数的设置也与实际情况一致。

表2 模型力学参数Table 2 The model parameters

3 结果与分析

3.1 钙质岛礁沉降过程PSI监测结果

研究区PSI反演形变的结果如图3(a)所示，由于受钙质岛礁西侧和北侧建设的影响，相应区域提取到的高质量的PS点相对较少，其余区域有足够的PS点较好地覆盖。从研究结果中可以看出，研究区的沉降相对稳定，最大沉降率小于32 mm/a，且钙质岛礁边缘沉降率大于钙质岛礁内部沉降率。本研究中岛礁的内部和边缘是相对概念，边缘指吹填完成后的边缘，内部指距离吹填完成后的边缘较远的靠近中心的区域。

本研究从钙质岛礁的边缘和内部区域，分别选取能够代表沉降变形特征的10个典型永久散射点(PS点)进行重点分析。其点号和位置分布如图3(b)所示，监测时间内沉降过程曲线如图4、5所示，年平均沉降率如表3所示。

用可辨识矩阵法对表4进行知识约简，根据公式(5)和公式(6)可先后得出表4的可辨识矩阵和可辨识函数分别为：

图3 PSI监测结果及典型PS点分布Fig.3 The PSI monitoring results and the kepreseritative PS points distribution in the study area

图4 钙质岛礁内部典型PS点沉降过程曲线Fig.4 The settlement curve of the representative PS points in the inner regions of study area

3.2钙质岛礁沉降空间分布特征

监测结果表明，研究区域钙质岛礁在监测时间范围内的最大年沉降量小于32 mm，符合我国关于民用机场建设标准[15]的相关要求，钙质岛礁沉降处于基本稳定的状态。然而，钙质岛礁的沉降特征存在明显的空间分异性。从区域差异上看，研究区域钙质岛礁边缘沉降率大于内部沉降率。钙质岛礁内部选取的10个PS点的年沉降量均小于20 mm，最大年沉降量为18.65 mm，年平均沉降量为16.25 mm。而边缘区域选取的10个PS点的年沉降量均大于22 mm，最大年沉降量为26.96 mm，年平均沉降量为24.52 mm。与内部相比，岛礁边缘的沉降量略大，边缘年平均沉降量比内部大8.27 mm。从岛礁内部的沉降监测结果可以看出，受工程扰动直接影响的区域(如3382)的沉降率略大于其他地区。

初步分析认为，上述钙质岛礁的沉降变形特征主要受岛礁基底、吹填厚度和海洋水动力等因素的影响。与岛礁内部区域相比，边缘区域的珊瑚礁基底地势较低，吹填厚度较大。而内部区域地势较高，吹填厚度较小。在不考虑原始珊瑚礁基底沉降的条件下，吹填厚度较大的边缘区域，沉降量相对较大，吹填厚度较小的内部区域，沉降量相对较小。此外，与岛礁内部区域相比，边缘区域受海洋水动力条件的影响更为显著，导致靠近岛礁边缘的区域表现更为明显的沉降变形特征。

3.3钙质岛礁沉降变形时间序列特征

从时间序列来看，钙质岛礁上所有PS点的沉降过程均表现出显著的非线性波动特征，且存在明显的空间分异特性。受工程扰动影响较大的内部PS点(如2630，3021)，与受海洋水动力影响较大的边缘PS点的沉降曲线明显不同。受海洋水动力影响较大的边缘PS点表现出强烈的非线性波动特征，并具有明显的周期性。有些PS点具有典型的台阶状时程变形过程(如3553，3552)，这些特征与运行期的三峡库区的边坡位移时程曲线有某种程度的相似性[16]，进一步表明了海洋水动力环境对钙质岛礁沉降变形的影响。受工程扰动影响较大的靠近岛礁内部PS点的沉降时程曲线的波动性较弱，周期性不明显，线性沉降特征较强。

图5 钙质岛礁边缘典型PS点沉降过程曲线Fig.5 The settlement curve of the representative PS points in the boundary area of island-reef

分析认为工程建设扰动和海洋水动力扰动是影响钙质岛礁沉降变形的主要因素。受不同因素影响的PS点的沉降过程曲线特征明显不同。本研究中SAR数据的覆盖期(2016年8月—2017年2月)内的钙质岛礁沉降变形曲线的波动性很可能受海洋水动力环境周期性变动影响，但是具体的沉降变形波动规律需要结合当地海洋动力资料做进一步分析，结合关于中国南海洋流模式的已有研究[17]，分析研究区域沉降的波动特性。此外，岛礁边缘区域与内部区域沉降波动性大小的差异，也受岛礁基底、吹填厚度的影响。

3.4钙质岛礁沉降机理初步分析

表3 典型PS点年沉降率Table 3 The representive PS points Settlement rate per year

Note：①Average settlement rate

数值模型模拟得到的验证点处的沉降历史曲线呈负指数下降的趋势，与PSI监测的结果有明显的差异性，这可能主要是由于时间跨度的问题造成。PSI监测的周期较短，并没有很好地反映出长时间序列的沉降过程特征。从长时间序列的沉降过程来看，钙质岛礁的沉降应该表现出与传统岩土材料的沉降特征相似的负指数下降沉降趋势，但在沉降过程的局部形变量和形变特征会表现出明显的差异性。

与其他材料的吹填区相比[18]，钙质岛礁的沉降量较小，并且较稳定，该特性与已有研究的结果一致[5, 19]。产生这种现象的主要原因是钙质砂具有较高的变形模量，同时在模型模拟中，并没有考虑到钙质砂颗粒受压破碎对沉降的影响。然而由于钙质砂具有独特骨架结构和特殊的二次固结压实特征，珊瑚钙质砂的颗粒破碎现象与特性有别于石英砂等其他材料[20-22]，珊瑚钙质砂的破碎机理变形较为复杂，并不能排除在外部动力条件影响下沉降加剧甚至突变的可能，尚需进一步加强研究。

图6 模型模拟结果Fig.6 The simulating resultsusing Settle3D

图7 机场跑道某点处模型模拟结果与PSI反演结果对比Fig.7 Comparison between modeling results and PSI monitoring at representative region in the island airport

4 结论

本研究选取我国某南海典型钙质岛礁，并以机场建设区域为具体监测分析对象，利用PSI技术对其地表沉降变形过程进行了反演，并结合数值模型对监测结果进行了分析。得到如下的主要结论：

(1)PSI技术应用到钙质岛礁地表沉降变形监测中，能够快速得到大面积沉降变化趋势，弥补了传统方法点监测的不足。虽然该技术在应用到海洋区域尚有不足，易受大气湿度、海浪等因素的干扰，但是该技术为快速获取岛礁沉降变形趋势提供了一种可能，在有实际监测数据校正的情况下，监测结果将更可靠。

(2)在监测期内，典型钙质岛礁的年均沉降率基本控制在30 mm 以内，与其他吹填材料的区域相比，表现出良好的稳定性。

(3)钙质岛礁沉降变形表现出明显的空间分异特征，从区域差异上看，研究区域钙质岛礁边缘沉降速率大于岛内内部沉降速率。从岛礁的沉降过程的时间序列来看，所有的监测点均表现出显著的非线性波动特征，同时具有明显的空间分异特征，反映了不同影响因素对岛礁沉降变形作用机理的不同。

(4)钙质岛礁的沉降变形特征与珊瑚礁基底地势、吹填厚度、工程扰动和海洋水动力条件等因素有关。工程建设扰动和海洋水动力扰动是两个重要的外动力因素，钙质岛礁沉降变形曲线的强烈的波动性很可能受海洋水动力条件周期性变动影响。

(5)虽然总体上来说研究区内典型钙质岛礁目前较为稳定，但考虑到珊瑚钙质砂独特的骨架结构和特殊的二次固结压实特征及其复杂的颗粒破碎机理，并不能排除在外部动力条件影响下钙质岛礁沉降加剧甚至突变的可能，其未来的沉降变形趋势仍存在较强的不确定性，需要进一步的过程监测和机理分析。另外，由于研究区域特殊性，海浪、潮汐数据难以获取，在今后的研究借助相关数据和成果进行比对研究，以期为我国岛礁的安全建设提供科学支撑。

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Abstract: A large number of constructions have been carried out on calcareous islands and reefs in China with the advancing of national policy of Maritime Silk Road. Due to the special engineering properties of calcareous sands, the calcareous islands and reefs exhibit distinct characteristics of subsidence and deformation processes compared with other regions with different materials. Traditional techniques are difficult employed in the remote maritime islands and reefs. A remote sensing approach, Permanent Scatter Interferometry (PSI), is used to measure the subsidence processes of typical calcareous island-reefs. Further numerical analysis is carried out to analyze the characteristics of their settlement and deformation. Spatio-temporal variation of subsidence has been observed. In general, the subsidence rate along the boundary of island-reef is larger than that in the center. The disturbance of engineering construction plays an important role on the accelerating the ground deformation of island-reef. The coral calcareous island within the monitoring period is stable as shown from the smaller subsidence rate compared with other regions with different materials. The non-linear fluctuated subsidence processes are observed showing the close effects of engineering construction and marine hydrodynamics. The large of uncertainty of calcareous island deformation process is still a concern due to the special engineering properties of calcareous sands, such as the skeleton grain breakage behavior. Further monitoring and analyzing are necessary to facilitate the safety of engineering construction on the coral calcareous islands and reefs.

Key words: calcareous island-reef; settlement and deformation; process and mechanism; Permanent Scatterer Interferometry (PSI)

责任编辑 徐 环

Settlement and Deformation Characteristics of Calcareous Island-reef

LAN Heng-Xing1，2, ZHAO Xiao-Xia1，3, WU Yu-Ming1, LI Lang-Ping1,SU Fen-Zhen1

(1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101，China; 2. School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054，China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049，China)

TU195

A

1672-5174(2017)10-001-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160483

兰恒星, 赵晓霞, 伍宇明， 等. 钙质岛礁沉降变形过程分析[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(10): 1-8.

LAN Heng-Xing, ZHAO Xiao-Xia, WU Yu-Ming，et al.Settlement and deformation characteristics of calcareous island-reef[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(10): 1-8.

国家自然科学基金国家杰出青年基金项目(41525010)；中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDY-SSW-DQC019)资助 Supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars of China (41525010)； Key Pioneering Project of Chinese Academy of Sciences(QYZDY-SSW-DQC019)

2017-05-20；

2017-07-18

兰恒星(1972-)，博士，研究员，从事工程地质与地质灾害方面研究。E-mail：Lanhx@igsnrr.ac.cn