结合InSAR技术与GRACE地下水动态监测的地面沉降分析 ——以贵阳市为例

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地面沉降是世界各大城市地区正面临的主要地质环境问题,地面沉降的发生将对城市建筑设施、社会经济发展、人类生命安全及生存环境造成严重威胁。地下水过度抽取极易引起地表塌陷等地面沉降问题,在全球化进程快速发展的作用下,人类社会对水资源需求不断增加,这促使了人类自身对水资源的开采能力和利用强度不断增强,导致水资源尤其是地下水资源长期面临着不合理开采问题。而地下水资源的过度开发引起的地下水位下降将导致地下含水层结构变形,进而引起地表的弹性形变或永久性形变,当地表发生永久性形变,将会造成地表沉降等一系列的地质环境问题。同时随着岩溶地区经济的快速增长,其不断增加的地下水资源需求也易引起岩溶塌陷等地面沉降问题。因此监测岩溶地区地表沉降变化并分析沉降变化特征,同时对沉降区域进行地下水变化的动态监测,分析岩溶地区地下水动态变化与地表沉降变化之间的关系,对探究认识岩溶地区地表沉降变化及其影响因素具有重要意义。本文以贵阳市为研究区,旨在研究岩溶地区地下水动态变化和地面沉降的关系,通过结合InSAR技术和GRACE动态监测地下水变化分析地下水变化对地面沉降的影响。InSAR技术自发展以来因其具有全天候、全天时、大范围、短周期的优势使其日益成为国内外地表形变监测的主要技术手段,并在一定程度上革新了传统形变监测技术的不足,同时其不断改进的监测技术为制定不同的监测方案提供了多种可供选择的方法模型。其中,PS-InSAR方法和SBAS-InSAR方法作为较常用的两种InSAR形变监测技术已成为广泛应用于城市沉降、矿山形变、地震及滑坡等地质灾害的重要手段。而在实际的应用中,对这些技术进行算法的改进仍处于不断探索的阶段中。本文通过结合PS-InSAR方法和SBAS-InSAR方法,发挥两者的优势,以引入PS点降低SBAS-InSAR方法人为主观选择控制点的误差,进而提高形变估算精度,监测研究区的沉降变化情况。GRACE重力卫星自发展以来因其不受地形、气候等因素的影响,且具有反演观测尺度统一陆地水储量变化的优势,使得GRACE数据在地下水动态监测领域得到广泛的实际应用。同时GRACE数据在监测地下水变化领域弥补了长期以来传统地下水监测技术成本高昂、空间分布不均、数据易缺失、周期长等长期面临的痛难点问题,大大降低了地下水的监测成本,一定程度上提高了区域地下水动态变化的监测效率。本文通过GRACE数据反演陆地水储量变化,通过实验选取改进高斯滤波法等后处理方法提高GRACE数据精度监测研究区长时间序列的地下水储量变化情况,为研究区提供高效、真实可靠的地下水储量变化资料。本文主要研究内容为通过采用引入PS点的SBAS-InSAR方法监测研究区2015年至2016年的地面沉降情况,结合研究区地下水位年鉴资料,利用GRACE数据监测研究区同时期地下水储量变化时间序列,从点到面对比分析地下水储量变化与地面沉降之间的关系,探讨地下水变化对地面沉降的影响,研究结果如下:1)2015年至2016年间,研究区空间上较明显的沉降区域分布在贵阳市主城区及西南方向区域,其中发生最小沉降速率为-3mm/a,发生最大沉降速率为-28mm/a;时间变化上,清镇市、白云区、观山湖区沉降量增幅相对较大,息烽县、开阳县区域沉降量变化不明显;此外,南明区、乌当区、花溪区随着时间变化出现明显漏斗沉降;同时,由实测控制点对比研究区沉降量结果表明本文采用引入PS特征点的SBAS-InSAR方法监测研究区地面沉降具有可靠性。2)2015年至2016年间,研究区地下水储量变化整体呈缓慢下降趋势,其中,地下水储量动态变化最低值为-80mm,最大值为60mm;研究区地下水储量变化有明显的季节性特征,GRACE数据监测的岩溶地下水变化与研究区的降水特征相符;此外,GRACE数据监测的研究区地下水储量变化与2015年及2016年贵州水资源公报发布的历史实际情况总体相一致;因此表明本文采用的改进高斯滤波法等后处理方法在一定程度上提高了GRACE数据的精度,能够很好的反映研究区地下水资源的变化状况;同时,本文采用实测站点水位数据验证了GRACE Rl-06数据监测研究区地下水储量变化的可行性。3)通过对比分析地下水变化与地面沉降变化的关系,研究区监测站点地下水位的下降对地面沉降有显著影响,GRACE数据地下水变化趋势与研究区平均沉降量变化趋势基本呈下降趋势。由此可知,从监测站点区域地下水位变化到GRACE监测整个研究区地下水储量动态变化,地下水变化与地表沉降量的变化规律及趋势变化都有着明显的相关性,表明了地下水的过度消耗是造成地面沉降的重要原因之一。因此,合理开采地下水资源不仅是水资源可持续管理的必要举措,也是进行地面沉降灾害防治的必要手段。
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