地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (6): 2636-2641   PDF    
郑州市地表形变与地下水位相关性分析
何琪1, 杨红磊1, 方媛1, 汪宝存2, 刘思远1, 韩磊1     
1. 中国地质大学(北京)土地科学技术学院, 北京 100083
2. 河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院, 郑州 450006
摘要:地下水资源的过度开采会直接导致地表沉降等问题,地下水位的变化与地表形变存在一定相关性.郑州虽然未进入地表沉降现象严重城市之列,但从20世纪末到现在正在遭受地表沉降危害.本文借助InSAR在地表形变监测中的优势,对郑州地区已有的数据进行分析,量化分析近些年郑州市地下水位变化趋势、地表沉降量走势及地区分布,得出地下水位变化与地表沉降量直接相关,探寻原因,提出合理化建议,有效采取一系列防护措施,从而既能解决目前由超采地下水和地表沉降所产生的问题,又能有效遏制该不良趋势的发展,对郑州地表形变防治规划具有重大意义.
关键词InSAR    地表形变    地下水位    相关性    
Correlation analysis of surface deformation and groundwater level in Zhengzhou city
HE Qi1 , YANG Hong-lei1 , FANG Yuan1 , WANG Bao-cun2 , LIU Si-yuan1 , HAN Lei1     
1. School of land science and technology, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
2. Institute of Surveying, Mapping and Geoinformation of Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development, Zhengzhou 450006, China
Abstract: The excessive exploitation of groundwater resources will directly lead to the surface subsidence and other issues, and the correlation between the change of groundwater level and the ground surface deformation has not been further studied. Although Zhengzhou does not belong to cities with serious surface subsidence at present, it does have been suffered from it from the end of the last century to the present. With the advantages of InSAR in surface deformation monitoring, this article will analyze and interpret the data now available of Zhengzhou area, do quantitative analysis to the trends of groundwater level and surface subsidence, and the regional distribution of these factors in recent years, so that we can infer that the change of groundwater level is directly related to the surface subsidence. Then we explore the reason, put forward reasonable suggestions and take a series of effective protective measures, which can not only solve the problems resulting from the over-exploited groundwater and land subsidence, but also can effectively curb the development of adverse trends, which is of great significance to the surface deformation prevention plan of Zhengzhou area.
Key words: InSAR     surface deformation     groundwater level     correlation    
0 引言

地表沉降,简称“地陷”,在我国《地质灾害防治条例》中,被定义为“缓慢性地质灾害”.造成地表沉降现象的主要原因包含自然因素与人为因素.自然因素可分为两种,一种是在地表松散或半松散的沉积层在重力的作用下,由松散到细密的成岩过程; 另一种是由于地质构造运动、地震等原因引起的地表沉降.人为因素主要是由于人类活动,如集中建造建筑物,或大量抽取地下水所致,即由于过量抽汲地下水(或油、气)引起水位(或油、气压)下降,在欠固结或半固结土层分布区,土层固结压密而造成的大面积地面下沉.

地下水资源的过度开采会直接导致地表沉降等问题.超采范围内的岩土层地下水释放,土层被压密变薄,引起其上部岩土体沉降,上覆土层因自重和疏水向下移动,弯曲变形,一直发展到地表,引起地面变形,这样就有可能使建筑物倾斜、墙体裂缝,从而造成巨大经济损失.但地下水位的变化与地表变形的相关性仍未得到进一步的研究.

郑州市位于丘陵岗地与泛滥平原的交接地带,为华北平原的一部分.地形较平坦,地貌类型复杂多样.郑州市人均水资源占有量仅为全国平均水平的十分之一,是一个典型的严重缺水城市,对地下水的无序开采已经带来了严重的生态和环境恶果(王荣彦和苏巧荣,2011).中深层地下水的开采始于20世纪50年代,下降漏斗的出现在60年代初(李桂荣等,2005),西部棉纺区有小范围的下降,随着城市的发展,市区工业和生活用水以及分散在郊区的工业逐年对地下水扩大开采,70年代中期到80年代初是市区严重超采地下水阶段(邱东方等,2009).地下矿物资源尤其是煤炭资源造成地下水位不断下降,城市地下水的集中过量开采也造成区域地下水位下降,周边地下水流场发生改变,周边的地下水向集中开采区流动,形成区域性漏斗状凹面,其边缘已延伸到中心城区以外(樊津江等,2002).2013年前郑州市尚未开展过系统的地表沉降观测,汪宝存等在2013年采用2004—2010年之间的26景Envisat-1数据,利用PS-DInSAR技术获得郑州市地表形变速度场,发现郑州市存在5个较大的沉降漏斗,且形变区域面积逐年扩大(汪宝存等,2013).但是缺少对形变漏斗成因的分析.

郑州虽未进入地表沉降现象严重城市之列,但从20世纪末到现在正在遭受地表沉降危害.有效采取一系列防护措施既能解决目前由超采地下水和地表沉降所产生的问题,又能有效遏制该不良趋势的发展.

合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR,Interferometric Synthetic Aperture Radar)是一种对地观测的新技术,可获取厘米甚至毫米精度的大范围地表形变(Monti-Guarnieri et al., 1993),是一种测量不同方向位移的大地测量技术,特别是其对垂直形变的高精度和空间的高覆盖率,使其更容易研究地面沉降现象(Karimzadeh, 2016).InSAR技术的主要用途除进行地形图制作、生成大范围高精度的数字高程模型外,其衍生技术对动态变化的灵敏度、高空间分辨率及宽覆盖率使得其在火山监测、地表下陷、山体滑坡和地震形变监测等方面具有重要的研究意义(张洁等,2004).

本文借助以上技术优势,对郑州地区已有的数据进行分析,量化分析近些年郑州市地下水位变化趋势、地表沉降量走势及地区分布,对地下水位变化与地表沉降量的相关性进行研究,探寻地表形变的影响因素,根据所得结论对郑州市地下水资源的开采提出建议,对郑州地表形变防治规划具有重大意义.

1 研究方法 1.1 研究思路

研究郑州市地下水位与地表形变的相关性,须测量一定区域内地下水的水位变化,结合郑州地区已有的D-InSAR地表形变监测数据进行定性分析和定量分析.为此对2007—2010年间逐月测得的19个地下水观测孔的水位数据进行整理,将已知的水位数据与处理后的监测数据进行时间、空间基准统一,并制作各水位观测孔的形变及水位折线图,以直观体现地表形变与地下水位高度的变化情况,进一步研究二者的相关性.同时研究不同井深对二者相关性的影响.

1.2 数据的获取和预处理 1.2.1 水位数据的获取

选用2007—2013年获取的郑州市19个地下水水位长期观测孔的基本数据信息和与之对应的水位基本数据.地下水观测孔数据内容除基本的点位地理信息以外,还包括井深及监测层位.井深指井口所在平面沿井眼所在轴线到水面的垂直距离,并根据19个观测孔的井深数据将监测层位分为浅层、中层、深层和超深层四个监测层位.其中浅层井有11个,中深层井有4个,深层井有1个,超深层井有3个.地下水水位长期观测孔数据为2007年1月—2013年12月每月观测的水位平均值,将其进行统计并筛选数据,根据该时段内的水位总体变化趋势,结合自然因素,将观测中明显呈现异常的水位数据剔除.由于2011—2013年的水位数据缺失较多,此次研究不包括此时间范围内的数据.利用ArcGIS软件将已知点位展在郑州市地图中,以便能够清晰地确定各观测孔所在位置,这是此次研究的一项重要基础.

1.2.2 地表形变监测数据的获取

本研究的地形数据采用欧洲空间局的ENVISAT ASAR数据.其时间分布在2007年09月到2010年10月,共20景,分辨率为7.8 m×4 m,极化方式为VV(杨红磊,2012).本文只采用整景影像中覆盖郑州市的小块区域作为研究对象, 利用小基线集法(SBAS)对数据进行处理.

小基线集技术在2002年由Berardino和Lanari等人在D-InSAR的基础之上提出的一种经典形变时间序列分析方法(罗铖,2012).该方法将影像分成多个具有较短空间基线的影像集, 利用短基线干涉图提取高相干区域, 并用奇异值分解求得影像序列间平均形变速率的最小范数最小二乘解(黄其欢和何秀凤,2009).因使用短基线,避免空间失相干,同时也减弱差分过程中地形的影响,相比于其他InSAR方法,形变图在空间上更加连续(Berardino et al, 2002).从而充分利用海量SAR数据包含的时间信息获取地表形变的时间序列及变化规律,具有广泛的应用前景.

本研究使用ArcGIS软件,将形变点位按形变速率分为三个等级,分别代表严重形变区(形变速率-42.0~-17.5 mm/a)、相对稳定区(形变速率-17.4~-5.3 mm/a)以及稳定区(形变速率-5.2~19.2 mm/a).共有形变监测点112164个,以郑州市为中心,由市区向郊区过渡,形变监测点位逐渐减少.

将形变监测点与水位观测孔的点位展在同一图层上(图 1),观察并统计观测孔所在区域的形变等级.同时,以每一个观测孔为中心,分别做半径500 m左右的缓冲区.缓冲区内应有足够数量的形变监测点,这些点需处于同一形变等级,且形变趋势差异不可过大,不可有异常数据.因Q5位于沉降区与稳定区交界处,500m缓冲区内地形点极少,所以该观测孔数据不在研究范围内;另外Q11点位于地形监测点点云边界以外,无法得出结论,故也无法用于研究(该点图中未表示).最终剩余17个有效井位.

图 1 郑州市水位观测孔形变分级图 Figure 1 Zhengzhou City, the water level observation hole deformation grading chart

取观测孔缓冲区内所有地形监测点的形变值的平均值,作为该观测孔点位相应时间的形变值;对2007年9月—2010年10月内的28个监测时间的数据进行分析,并与相关月份的水位数据进行对应.至此,数据预处理完毕.

2 数据分析

绘制每个水位观测孔的形变和水位的折线图,其中水位所选数据在时间上与已知形变数据的时间对应,同时剔除明显的水位异常点.对每个水位观测孔的形变与水位进行相关性分析,其计算公式如式(1)所示.其中r为相关系数,x为水位高度值,y为地表形变量.水位观测孔C1、C2、C3(图 2)、Q1、Q2(图 3)位于严重形变区域,形变速率在-42.0~-17.5 mm/a之间,观测孔井深分别为1100 m、800 m、1012 m、42 m、90 m,水位与形变的相关系数分别为:0.88、0.97、0.93、0.91、0.92,相关系数较高.如图 3,以C2为例,可以看出地表形变相对地下水位变化有明显的延迟现象.比如,从2008年5月到2008年8月水位高度呈上升趋势,而从2008年8月之后开始下降;而地表高程在2008年6月和2008年9月之间抬升,9月之后下沉.水位观测孔Q3、Q4、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Z1、Z2、Z3、Z4等七个观测孔在地表高程相对稳定的区域,形变速率在6.331~12.316 mm之间,观测孔井深分别为0 m、32.9 m、15.0 m、9.3 m、11.6 m、35.0 m、45.0 m、160.0 m、252.0 m、0 m、320.0 m.水位与形变的相关系数分别为:0.51、0.74、-0.7、0.26、0.44、0.63、0.95、0.95、0.67、0.44、0.85.由于位于形变速率较小、地表形变相对稳定的区域,说明除水位因素影响,水位高度变化带动地表形变外,还有包括自然因素在内的其他因素影响地表高度变化,致使相关系数大多较低.其中,Q10、Z1、Z4三个点相比于其余观测孔这三个观测孔的井更深,受井深影响,水位与形变相关系数相对较大.式(1)为

(1)
图 2 严重形变区地下水位观测孔析线图(1) Figure 2 Line diagram of groundwater level observation hole in severe deformation zone (1)

图 3 严重形变区地下水位观测孔析线图(2) Figure 3 Line diagram of groundwater level observation hole in severe deformation zone (2)

S1位于地表高程非常稳定的区域,观测孔井深为754 m.水位与形变的相关系数为0.09,相关程度很低(图 4).

图 4 确定区地下水位观测孔折线图 Figure 4 Line diagram of groundwater level observation hole in Stabilizing deformation zone
3 结束语 3.1 结论

本文利用InSAR地表形变监测数据与实地测量的地下水位数据,对地下水观测孔水位与埋深数据和郑州市地表形变数据进行分析,所得结论如下:

(1) 在地表形变速率较快的区域,地下水位高度变化对地表形变影响较大,呈正相关;在地表形变速率较平缓的区域,地下水位高度变化与地表形变相关性不大.在地表形变速率稳定的区域,地下水位高度变化与地表形变相关性很小.

(2) 在地表形变较大的区域,地下水位变化带动地表高度抬升或下降,使地表产生形变.所以地表形变相对水位高度有时间上表现出延迟.相关性越大,延迟现象越明显.

(3) 在地表形变相同区域,地表形变与地下水位高度变化的相关性和延迟性受井深影响明显,井深越深,相关性越大,延迟越明显.

3.2 建议

由于在地表形变稳定区域,地下水位变化对地面形变影响较小.建议在地下水开采的过程中,为减少地表沉降,尽量选取地表形变稳定地区.地下水具有流动性,通常我们要求开采量稳定而不减少,要有相应的补给与之平衡(楚学涛和李海峰,2011).建议开采前制定详尽而合理的开采方案,确定每次开采量,做到有计划且科学的开采,避免某地区水位突然大量减少造成有害的地表沉降或塌陷.

根据地表形变相对水位高度有时间上表现出延迟的特性,建议每一井孔控制地下水开采量,减少地表形变延迟现象造成的影响.同时控制井孔深度,选取海拔较低区域开挖井孔,人为降低井深,以便利用其延迟性使地下水位得到补充或恢复,减少地表形变的情况发生.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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