江苏省兴化市主城区地面沉降现状及InSAR监测技术验证分析

陆华　闵望　殷幼松　卢毅　周盈　李洋

摘 要：长期以来，兴化市主城区持续开采Ⅱ、Ⅲ承压水，造成含水层水位埋深不断下降最终导致形成多个地面沉降漏斗。为科学保障地面沉降监测精度和水平，对比2017—2020年高分辨率InSAR监测成果以及63个有效验证点位的水准测量数据，验证结果表明，绝大多数同名点的形变偏差在 5 mm内，均方根误差为3.94 mm，两种监测数据误差值相对较小，具有较好的一致性。

关键词：地质灾害；地面沉降；InSAR监测；水准测量；兴化市

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

地面沉降是一种缓变型地质灾害，也是城市化进程中普遍存在的环境地质问题，已成为影响社会经济可持续发展的重大不利因素（段永侯，1998；武健强等，2014；袁铭等，2016）。目前，全国有50多个城市、120多个地区出现了不同程度的地面沉降，累计地面沉降量大于200 mm的地区，面积超过8万km2，而长江三角洲早已成为我国三大重点片区之一（国土资源部等，2012；蔡田露等，2021）。随着地面沉降监测技术的不断发展，采用合成孔径雷达干涉测量（InSAR）监测方法能够实时全天候获取地表形变信息，是一种当前较为成熟的区域地面沉降监测手段（张杏清等，2015；蔡田露等，2020；孔祥如等，2021）。

近几年来，江苏省兴化市经济发展势头良好，是全国百强县，2021年实现地区生产总值1 020.94亿元，推动了一大批果蔬脱水、食品生产与加工、纺织印染等行业的高速发展。由此，导致各类生产企业不断加大地下水的开采，这种对地下水的过量开采严重威胁地下水安全（江苏省地质调查研究院，2018；徐庆勇等，2021）。近期InSAR监测数据显示，主城区已出现多个地面沉降漏斗，这是继苏锡常地区地面沉降趋缓后苏北地区凸显出的典型地面沉降区，同样，也是全省地面沉降研究新的拓展区和实践区。依据长三角地面沉降联防联控机制，急需加强该地区地面沉降监测和研究，并纳入全省地面沉降监测网络，不断提高全省防控能力，同时，亟待运用多手段多技术方法相互验证，科学保障地面沉降监测精度和水平。

1  研究区概况

1.1  地质背景

兴化市位于江苏省中部，地处江淮之间，长江三角洲北翼，里下河地区腹地。属浅洼平原区，全域地面高程1.40～3.20 m，为周边高、中间低的碟型洼地，是里下河地区三大洼地中最低洼的地方。研究区在第四纪经历了海湾—潟湖—水网平原的演化过程，形成湖荡、沼泽地貌特征，表层均为第四系全新统湖积层和河流泛滥物所覆盖，基底是以碳酸盐岩为主的古生代地层（图1）。

1-研究区范围；2-三垛组；3-阜宁组；4-泰州组；5-浦口组；6-推测地质界限；7-推测不整合地质界限；8-推测正断层；9-推测逆断层；10-推测不明断层。

1.2  水文地质条件

区内地下水资源丰富，可开采量约3.12 亿m3，单井日涌水量可达1 000～2 500 m3。主要包含潜水、Ⅰ承压水、Ⅱ承压水和Ⅲ承压水4个含水层。潜水地层厚度18～23 m，砂层厚度6～16 m，主要为亚砂土、粉砂互层，矿化度为700～1 000 mg·L-1，水化学类型以HCO3-Ca·Na为主；取水类型以广大农村范围内的点状大口井或手压井为主，受早期大规模海侵的影响，水质较差，略带咸味，且受污染情况较为普遍，一般仅作为洗涤和生活用水，开采量较小。此外，Ⅰ承压含水层厚度10～20 m，水质较为复杂，中堡—兴化主城区一線以西多为矿化度小于1 g·L-1的HCO3-Na（Na·Ca）型淡水，以东地区多为矿化度大于1 g·L-1微咸水或半咸水，由于矿化度普遍较高，基本不开采（泰州市国土资源局等，2013）。

目前，Ⅱ、Ⅲ承压水为区内主要开采层，其中，Ⅱ承压水含水岩性以粉细砂、中细砂为主，顶板埋深介于100～120 m，一般由1～3个含水砂层组成，厚度多小于15 m，单井涌水量小于1 000 m3·d-1，局部地段含水砂层厚度15～25 m，单井涌水量可达1 000～2 000 m3·d-1，以矿化度小于1 g·L-1的HCO3-Na型淡水为主。此外，Ⅲ承压水含水岩性大多以中细砂、粉细砂为主，局部含中粗砂，厚度15～30 m，顶板埋深总体上呈西浅东深的变化规律，一般为160～200 m。单井涌水量1 000～2 000 m3·d-1，水质多为矿化度小于1 g·L-1的淡水，但在兴化北部及中部局部地区矿化度为1～3 g·L-1，水化学类型以HCO3·Cl-Na·Ca、Cl·HCO3-Na·Ca型為主（图2）。

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

调查结果显示，由于多年高强度持续开采，主城区Ⅱ、Ⅲ两个主要承压含水层水位埋深，已由20世纪80 年代的1～2 m，逐步下降至现在的25～30 m，平均降幅超过25 m。Ⅱ承压含水层水质普遍优于Ⅲ承压含水层，故此层地下水开采量较大，地下水水位埋深基本维持在30 m上下，且受开采强度影响波动性也相对较大，而Ⅲ承压含水层开采量则相对较小，水位埋深基本保持在20 m上下，波动性较小，见图3。

2  地面沉降现状

监测数据显示，兴化市主城区早期（2012—2016年）历史地面沉降情况并不突出，从图4中可以看出，该阶段主城区地面沉降发育较为轻微，沉降范围不大且沉降漏斗相对独立，主要集中在主城区中北部以及南部小范围地区。其中，中北部沉降区主要分布在城西农贸市场—金兴花园—建行小区一带，南部沉降区主要分布在经济技术开发区一带，最大累计沉降量在25 mm左右。2017年后，随着地下水长期持续开采，主城区地面沉降迹象逐步凸显，沉降漏斗中心和影响范围也呈现出逐渐加大的趋势。

2.1  数据源

本次研究采用的数据源为加拿大RADARSAT-2卫星降轨时序SAR影像，空间分辨率为5 m，幅宽125 km，监测时段为2017年1月至2020年12月，采用的影像期数共计56景。相邻影像获取时间间隔以24 d为主，少数达到48 d；空间垂直基线小于250 m，充分满足时序InSAR处理要求。

2.2  InSAR处理方法

考虑到研究采用的影像时间跨度较长且数据量多，利用PS-InSAR处理技术开展地表形变信息解译获取。该方法通过将单一主影像与各辅影像逐一建立干涉组合，选取监测时段内具有较高相干质量的点目标作为地表形变信息获取载体，经相位解缠、高程残差计算和大气影响估计等操作后得到区内的地表形变信息。

2.3  监测结果

2017—2020年InSAR监测数据显示，兴化市主城区监测时段内存在较为严重的地面沉降现象，在主城区北部、中部和南部呈现出多个地面沉降漏斗。昭阳街道同悦家园—祥和家园—阳山公寓、兴化城西农贸市场—金兴花园—建行小区一带已形成多个沉降区（B处），市区东北部兴东镇脱水果蔬电商产业园（A处）和经济开发区工业园区（C、D处）存在明显的局部地面沉降漏斗（图5）。经核查，A、C、D处均为地下水集中开采区，区内分布多家果蔬脱水、食品生产与加工、纺织印染等企业，各企业均存在长期开采地下水现象。B处相对特殊，以居民区为主，推测可能由小区抽采地下水以及建筑物荷载所致（浙江环球星云遥感科技有限公司，2021），此处地基大部分为淤泥质黏土、亚黏土，少数区域为后期回填而成。

由图5可知，2017—2018年，市区内主要沉降区有所加剧，2018年之后，各主要沉降区均出现减缓趋势，沉降范围、沉降速率均有明显减小。市区内居民住宅区、工业集中区与建筑施工区（B、C、D处）沉降均表现出明显的线性沉降特征，兴东镇脱水果蔬电商产业园（A处）周边沉降呈现非线性特征，沉降速率总体逐年减缓，调查结果表明与当地果蔬加工季节性生产有着直接关系，通常情况下上半年生产总量要明显高于下半年，使得地下水开采量也存在阶段性变化，故上半年沉降速率明显高于下半年。

3  验证分析

时序InSAR监测地面沉降的成果精度可以通过内符合和外符合2个方面进行评定。内符合验证是指对时序InSAR的相位模型进行分析，确定主要误差项的影响程度，也就是时序InSAR能够达到的理论精度评估；外符合是通过与水准、分层标地面实测的形变监测结果进行对比，将地面观测量作为真值验证时序InSAR能够达到的精度水平（何平，2014；赵峰等，2015）。

3.1  理论精度分析

时序InSAR技术以D-InSAR为基础，因此传统D-InSAR是建立时序InSAR误差模型及精度评估的基础，轨道误差、大气延迟相位、相位解缠误差和噪声相位等仍是主要的误差源，这些误差项的有效分离不仅受时序InSAR影像的采样间隔、影像期数影响，还与研究区内的地物分布、气候特点有明显关系，因此无法定量评估能够达到的精度水平（雷坤超等，2013）。但就小区域地表形变监测而言，由于大气一致性程度高、轨道误差和相位解缠处理较为容易，因此其对形变解译的影响相对较小，在以月度为影像采样频次开展年度地表形变监测时的速率精度可以达到5 mm·a-1的水平。

3.2  InSAR-水准对比分析

就外符合精度评定而言，时序InSAR技术获取的地面沉降监测结果，通常采用与同期获取的高等级外业测量数据进行定点比较的方法评价精度，为了客观评价InSAR监测结果的精度，利用与监测时段基本同步的水准测量结果进行对比，其中水准测量的施测时间为2019年11月和2020年11月。项目组共收集兴化市水准测量点位75个，以及相关测量结果（施测时间分别为2019年的11月和2020年的11月）。区内水准测量点基本沿主城区主要道路布设，空间上较好地覆盖了兴化主城区范围（图6）（江苏省地质调查研究院，2021）。考虑到相干点目标可能存在因提取对象不同而产生的形变差异，故采用水准点50 m范围内的所有相干点目标均值与其进行对比。

75个水准点位中，共筛选出67个与InSAR相干点目标对应的同名点，各对应点位的水准和InSAR数值对比如表1所示（其中，存在4处与水准测量值差异大于10 mm的点位，经过对周边点位分析确定由水准测量粗差点引起，已剔除）。

利用剩余63处水准数据对InSAR形变进行定标校正，定标方法如式（1）所示。

D_cal=mean（D_situ-D_InSAR） （1）

式中，D_cal为计算得到的定标值，D_situ为水准测量值，D_InSAR为对应水准点位的InSAR观测值。

当得到D_cal后，利用该值对InSAR观测结果进行调整。定标后发现，研究区内的大多数同名点的形變偏差在 5 mm内，其中，误差最大值为9.53 mm，最小值为-7.48 mm，均方根误差为3.97 mm，表明2种测量数据具有较好的一致性（图7、图8）。由此不难看出，区内InSAR地面沉降监测成果与水准测量结果误差值相对较小，具备较好一致性和准确性，监测成果可信度高。

4  结论及建议

4.1  结论

1）兴化市主城区长期开采Ⅱ、Ⅲ承压水，导致含水层水位埋深不断下降，最终使得区内出现多个地面沉降漏斗。

2）兴化市主城区共存在4处较为严重的地面沉降漏斗区，包括同悦家园—祥和家园—阳山公寓、城西农贸市场—金兴花园—建行小区一带、兴东镇脱水果蔬电商产业园和经济开发区工业园区，其中，3处为地下水集中过量开采引起，1处为地下水过量开采及建筑物荷载引起。

（3）对比2017—2020年高分辨率InSAR监测成果以及63个有效验证点位的水准测量结果，分析结果表明，大多数同名点的形变偏差在 5 mm内，均方根误差为3.94 mm，两种测量数据误差值相对较小，具有较好的一致性，充分证明InSAR监测结果可信度较高。

4.2  建议

1）继续加大研究区内主要地下水开采层水位监测工作，系统研究地下水水位变化与地面沉降速率相关性；进一步了解同悦家园—祥和家园—阳山公寓一带地下水开采状况，以及该区建筑物建筑历史和地基处理情况，加强该区段地面沉降机理分析和研究。

2）在条件允许的情况下，除水准测量以外可结合多源数据验证，如GPS测量、实地考察、自动化监测等不同技术手段，多方面、多角度验证InSAR监测技术在地面沉降监测中的可靠性和准确性，不断推动多手段融合式地面沉降监测技术发展。

参考文献

蔡田露，龚绪龙，卢毅，刘明遥，2020. 江苏沿海地区InSAR精度评定与多源数据验证［J］. 遥感技术与应用，35（6）：1426-1435.

蔡田露，卢毅，刘明遥，龚绪龙，2021. 江苏沿海地区地面沉降监测网络建设与优化［J］.地质学刊，45（3）： 290-298.

段永侯，1998. 我国地面沉降研究现状与21世纪可持续发展［J］. 中国地质灾害与防治学报（2）：3-7.

国土资源部，水利部，2012.全国地面沉降防治规划（2011—2020年）［Z］.

何平，2014. 时序InSAR的误差分析及应用研究［D］. 武汉大学.

江苏省地质调查研究院，2018. 江苏沿海地区综合地质调查报告［R］.

江苏省地质调查研究院，2021. 江苏省地面沉降监测（2018-2020）项目研究报告［R］.

孔祥如，罗勇，刘贺，王新惠，赵龙，沙特，2021. PS-InSAR技术在北京通州区地面沉降监测中的应用［J］.城市地质，16（1）：25-31.

雷坤超，贾三满，陈蓓蓓，罗勇，韩征，2013. 基于PS-InSAR技术的廊坊市地面沉降监测研究［J］. 遥感技术与应用， 28（6）：1114-1119.

泰州市国土资源局，江苏省地质调查研究院，2013. 泰州市地质环境综合调查评价报告［R］.

武健强，吴曙亮，闵望，李伟，2014. 苏锡常地区地面沉降防控最新进展评述［J］.地质学刊，38（2）：319-323.

徐庆勇，林健，2021.北京平原区浅层地下水演化的生态环境效应评价指标初探［J］.城市地质，16（1）：56-61.

袁铭，白俊武，秦永宽，2016. 国内外地面沉降研究综述［J］. 苏州科技学院学报（自然科学版）， 33（1）：1-5.

张杏清，谢荣安，戴吾蛟，周元华，匡翠林，2015. 高时空分辨率地面沉降监测体系研究与实现［J］.测绘通报，（7）：68-71.

赵峰，汪云甲，闫世勇，2015. 时序InSAR技术地表沉降监测结果可靠性及沉降梯度分析［J］. 遥感技术与应用，30（5）：969-979.

浙江环球星云遥感科技有限公司，2021. 江苏省高分辨率InSAR地面沉降遥感地质调查成果报告［R］.

收稿日期：2022-09-14；修回日期：2022-11-08

基金项目：中国地质调查局与江苏省地质勘查基金联合项目“江苏省沿海地区综合地质调查”（1212011220005）、原江苏省国土资源厅地勘基金项目“江苏省地面沉降监测（2018-2020）”（苏财建［2018］96号文）联合资助

第一作者简介：陆华（1977- ），男，学士，正高级工程师，主要从事水文地质工程地质环境地质调查研究工作。E-mail：9158911@qq.com

引用格式：陆华，闵望，殷幼松，卢毅，周盈，李洋，2023.江苏省兴化市主城区地面沉降现状及InSAR监测技术验证分析［J］.城市地质，18（1）：33-40