基于SBAS-InSAR技術的新疆WLL水庫沉降監測與分析

張紅忠 黃 靜 崔 龍 阿布都沙拉木·托爾遜 馬立平

1 新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊市農大東路311號，830052 2 新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，烏魯木齊市農大東路311號，830052 3 新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊市揚子江路241號，830000

近年來， 隨著遙感技術的快速發展，新型傳感器不斷涌現， InSAR技術作為一種新型對地觀測手段，具有精度高、覆蓋范圍廣、全天時、全天候等優勢，被越來越多地應用于城市地面沉降監測、人工建筑物沉降監測及滑坡監測等方面[1-4]。2002年Berardino等[5]提出小基線集差分干涉測量時序分析技術(SBAS-InSAR)，該技術憑借其獨特優勢，在大區域、長時序的地面沉降監測領域具有巨大的應用前景，監測精度可達mm 級[6-8]。

新疆WLL水庫于2005年建成并投入使用，經過數年運營，水庫北側大壩出現較大沉降變形，給水庫安全運營帶來極大隱患。為保障大壩安全，WLL水庫自建庫以來持續采用水準測量方式進行大壩沉降監測，但水準監測范圍小、頻次低、周期長、成本高、工作強度大。將InSAR技術引入WLL水庫大壩沉降監測工作，是目前解決傳統沉降監測問題的最佳方案。本文基于SBAS-InSAR技術獲取WLL水庫及周邊區域地表沉降信息，分析地表沉降影響因素與規律，可為地表沉降治理和安全事故預防提供決策依據。

1 研究區及數據簡介

新疆WLL水庫距阜康市城區西約15 km、216國道北約5 km，整個水庫呈馬蹄形，面積約為23.8 km2，是建在低液限粉土地基上的碾壓式均質土壩平原水庫。水庫周圍地形以戈壁為主，周邊分布有工業區、住宅小區以及部分耕地。為消除軌道誤差及地形起伏帶來的影響，使用歐空局ESA提供的精密軌道數據(定位精度優于5 cm)和日本宇宙航空研究開發機構JAXA發布的高精度全球DEM數字地面模型AW3D30(水平分辨率30 m，高程精度5 m)，選取2017-03-14～2020-10-24共48景Sentinel-1A影像作為實驗數據。

2 精度驗證

2.1 內符合精度驗證

使用相同數據源，采用PS-InSAR技術進行解算，獲取研究區沉降信息。將PS-InSAR沉降速率與SBAS-InSAR沉降速率進行求差處理，共計37 916個像素。據統計，沉降速率差值在0～5 mm區間內的像素數為22 330個，占總像素數的60%；沉降速率差值在5～10 mm區間內的像素數為13 666個，占總像素數的36%。經計算，二者沉降速率差值中誤差為±5.7 mm。

在WLL水庫大壩不同壩段迎水坡和背水坡選取12個特征點，在甘泉堡工業區、準東石油基地、農田A及農田B各選取1個特征點，共計16個特征點(圖1)。根據PS-InSAR和SBAS-InSAR計算結果，提取上述特征點各期累積沉降量，求取兩種方法下同期累積沉降量差值，并根據式(1)計算差值中誤差，根據式(2)計算二者相關系數。

圖1 部分特征點位置分布Fig.1 Location distribution of some of feature points

(1)

式中，Δ為同期PS-InSAR與SBAS-InSAR累積沉降量的差值，n為特征點個數。

(2)

經計算，16個累積沉降量差值中，最小中誤差為±5.2 mm，最大中誤差為±18.7 mm，誤差均值為±10.5 mm。

2.2 外符合精度驗證

InSAR獲取的地面形變結果是相對于基準點而言的，基準點就是研究區內其他形變點的參考基準[9]。SBAS-InSAR計算時選擇水準基準網點(一等水準點)作為基準點，計算完成后將形變結果由雷達視線方向LOS轉換到垂直方向，同時將同時段SBAS-InSAR計算結果與水準成果統一投影到WGS-84坐標系中，實現InSAR與水準的時空基準統一。

選擇56個二等水準點作為檢驗點，根據2017-11、2018-06和2018-11水準監測成果，分別在同時段SBAS-InSAR計算結果中提取相應位置處累積沉降量，根據式(1)和式(2)計算PS-InSAR和SBAS-InSAR差值中誤差及相關系數。經計算，上述3期數據中，中誤差分別為±3.8 mm、±7.3 mm和±11.9 mm，相關系數分別為0.92、0.79和0.82。年均沉降速率方面，二者相關系數為0.82，中誤差為±7.5 mm/a。

由內、外符合精度驗證可知，SBAS-InSAR技術具有較高可靠性和精度，可滿足WLL水庫大壩及周邊區域地表沉降監測需求。

3 計算結果分析

3.1 大壩沉降分析

WLL水庫大壩軸線總長為17.7 km，將整個水庫大壩分為西壩、中壩、東壩及南壩4個壩段。大壩及周邊2 km范圍內SBAS-InSAR平均沉降速率及累積沉降量如圖2所示。總體上看，大壩及周邊2 km范圍內形變區主要集中在中壩、農田B、水產養殖中心和蘇通創業園。WLL水庫大壩處于整體下沉階段，沉降速率自東南至西北方向逐漸增大，沉降主要集中在中壩。中壩平均沉降速率為-12.0 mm/a，Z4150(為Z4+150簡寫，其含義為：該點距Z4點里程150 m,下文同)～Z5750區間為沉降最快區域，最大速率達-24.6 mm/a。西壩、東壩及南壩下沉速率較小，平均沉降速率分別為-4.1 mm/a、-4.5 mm/a和-3.3 mm/a。

圖2 SBAS-InSAR計算結果Fig.2 Calculation results of SBAS-InSAR

為獲得大壩壩體整體沉降數據，自WLL水庫大壩中壩Z0處開始，在壩頂間隔200 m取點，提取各點沉降數據，制作2017～2020年累積沉降量圖，如圖3所示(2017-04-07為參考零點)。

由圖3可知，中壩沉降量明顯大于其他3個壩段，尤其是放水涵洞(Z4200)附近。截至2020-10-24，Z4400處最大累積沉降量達-86.6 mm，平均累積沉降量達-47.1 mm，西壩、東壩及南壩平均累積沉降量分別為-11.5 mm、-19.5 mm和-9.0 mm。從累積沉降量曲線來看，2017～2020年期年沉降速率逐漸減小，表明WLL水庫沉降趨于穩定。

圖3 WLL水庫大壩壩頂2017-04-07～2020-10-24累積沉降量Fig.3 Cumulative settlement of WLL reservoir dam crest from April 7, 2017 to October 24, 2020

大壩周邊2 km范圍內，分布有農田A、農田B、水產養殖中心及蘇通創業園4個沉陷區。其中，農田A、農田B及蘇通創業園3處沉降速率及沉降量較大，但距離大壩較遠，目前沉降影響范圍被戈壁阻斷，未對大壩造成不利影響；水產養殖中心距離大壩較近，但沉降范圍較小，且沉降速率、沉降量都不大，目前也未對大壩造成影響。

3.2 周邊典型區域沉降分析

由圖2可知，甘泉堡工業區、準東石油基地和農田B各形成一個較大沉降漏斗，漏斗中心最大沉降速率分別達-53.6 mm/a、-36.4 mm/a和-25.0 mm/a；紅柳樹工業園、蘇通創業園和阜西工業區各形成一個較小沉降漏斗，漏斗中心最大沉降速率分別達-25.4 mm/a、-18.9 mm/a和-23.6 mm/a。由于農田A相干性較差，大部分地區沒有解算結果，但在有解算結果的農田邊緣，最大沉降速率已達-44.9 mm/a。由此可見，農田A也形成了一個覆蓋范圍廣、下沉速率大的沉降漏斗。

上述沉降漏斗自2017年出現后發展迅速，沉降范圍及沉降數值不斷增大。截至2020-10-24，甘泉堡工業區、準東石油基地、農田B、紅柳樹工業園、蘇通創業園和阜西工業區最大累積沉降量分別達到-195.5 mm、-117.4 mm、-106.4 mm、-98.9 mm、-76.4 mm和-102.2 mm。

3.3 沉降原因探討

3.3.1 地表荷載

1)水庫庫容。WLL水庫設計庫容為2.81×108m3，屬大(二)型水庫，最大設計庫水位為500 m。在水庫中壩Z1600、Z4000、Z7000處各選擇一個壩頂點，根據庫水位數據，結合2017～2020年SBAS-InSAR計算結果，繪制庫水位-沉降量曲線，如圖4所示。可以看出，大壩沉降量與庫水位之間具有較高相關性。經計算，Z1600、Z4000、Z7000處沉降量與庫水位之間相關系數分別為0.60、0.88、0.64。由于水深自放水口向兩側逐漸下降，因此相關系數自中壩放水口向兩側逐漸減小。

圖4 壩頂沉降量與庫水位關系Fig.4 Relationship between settlement of dam crest and reservoir water level

2)大壩自重。WLL水庫最大壩高(相對)28 m，壩高自中壩向兩側逐漸降低。根據壩高數據，結合2020-10-24累積沉降量，繪制壩高-累積沉降量曲線，如圖5所示(累積沉降量正值表示下沉)。可以看出，除Z0400～Z4200外，其他壩段2020-10-24累積沉降量與壩高保持高度一致性，二者相關系數為0.85。Z0400～Z4200相關性較差，原因可能是受水產養殖中心限制開采地下水措施影響。

圖5 累積沉降量與壩高關系Fig.5 Relationship between cumulative settlement and dam height

3.3.2 地下水位

近年來，WLL水庫周邊工業和農業用水量逐年上升。據新疆統計年鑒，截至2020年，阜康地區水澆地總面積為562.2 km2，占總耕地的99%。隨著地下水的過度開采，WLL水庫周邊工業區和農田形成較大沉降區，威脅到WLL水庫運營安全。

在WLL水庫周邊選擇3個特征點(紅柳樹工業區、農田A、農田B)及2個地下水位監測井(潛2、潛36)，位置分布如圖6所示。

圖6 地表特征點及地下水位監測井位置Fig.6 Location of the feature points and groundwater level monitoring wells

根據2017～2020年SBAS-InSAR計算結果，結合地下水位數據，繪制地下水位-沉降量曲線，如圖7所示。

圖7 潛2井、潛36井地下水位與周邊地表特征點沉降量關系Fig.7 Relationship between groundwater level of Qian 2 and Qian 36 wells and settlement of surrounding the feature points

經計算，紅柳樹工業區特征點沉降量、農田B特征點沉降量與潛2井地下水位相關系數分別為0.55和0.60，農田A特征點沉降量與潛36井地下水位相關系數為0.58。由此可知，地下水位與地表沉降量有顯著的相關關系，即地表沉降量會受到地下水位變化的影響。

4 結 語

根據2017-03～2020-10的 48景Sentinel-1A影像，基于SBAS-InSAR技術，獲取新疆WLL水庫及周邊區域地表沉降信息，并對大壩及周邊區域地表沉降情況、影響沉降的因素、周邊區域地表沉降對大壩的影響等幾個方面進行分析總結，結論如下：

1)使用InSAR技術對水庫大壩沉降進行監測是可行的，年均沉降速率監測精度可達±7.5 mm/a。

2)WLL水庫大壩表現為整體下沉，沉降速率及沉降量均表現為東南至西北方向逐漸增大，在水庫水位、大壩自重及地下水位等因素的共同影響下，WLL水庫中壩段沉降最為嚴重。

3)2017～2020年沉降數據表明，WLL水庫大壩沉降速率逐年減小，進入沉降穩定階段，不同壩段沉降數值過渡平緩，壩段整體性保持較好。

4)由于受到地下水開采影響， 2017～2020年期間沉降范圍不斷向水庫大壩方向延伸，與水庫大壩沉降區有合并趨勢。建議今后密切關注水庫東側農田A和水庫西北角農田B兩處的沉降發展趨勢，并加強水庫東壩及中壩Z4800～Z6200處的沉降監測，水庫周邊其他區域沉降未對大壩產生實質性影響。