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    文學論文

    多年凍土區地表變形與影響因素相關性分析

    時間:2020年09月16日 所屬分類:文學論文 點擊次數:

    摘 要:為研究多年凍土區地表變形與影響因素之間的相關性,以青藏工程走廊西大灘至安多多年凍土區 為研究對象,利用小基線集合成孔徑雷達干涉測量(small baseline subset-interferometric synthetic aperture radar,SBAS-InSAR)技術,獲取研究區地表變形信

      摘 要:為研究多年凍土區地表變形與影響因素之間的相關性,以青藏工程走廊西大灘至安多多年凍土區為研究對象,利用小基線集合成孔徑雷達干涉測量(small baseline subset-interferometric synthetic aperture radar,SBAS-InSAR)技術,獲取研究區地表變形信息;借助 GIS 平臺,根據經驗計算模型,獲取研究區體積含冰量、年平均地溫、活動層厚度 3 個影響因素基礎數據;利用簡單相關和偏相關分析法, 分析地表變形與影響因素間的相關系數。結果表明:研究區地表年變形速率介于-33~15 mm/a,地表有緩慢下沉趨勢,整個研究區年變形速率均值為-13 mm/a;在體積含冰量大于 30%,年平均地溫高于-1 ℃的 區域,地表變形與影響因素有強相關性,偏相關系數大于 0.8,P 值小于 0.05。在體積含冰量為 10%~30%, 年平均地溫為-2~-1 ℃,活動層厚度大于 3 m 的區域,地表變形與影響因素有較強相關性,偏相關系數 介于 0.4~0.8,P 值小于 0.05?傮w而言,多年凍土區地表變形與體積含冰量和年平均地溫有正強相關性,偏相關系數均值為 0.75 和 0.70;與活動層厚度有正中等相關性,偏相關系數均值為 0.42。

      關鍵詞:多年凍土;青藏工程走廊;地表變形;影響因素;相關性

    自然災害學報

      中國多年凍土分布極為廣泛,其面積約為 2.15×106 km2,占中國陸地總面積的 22.4%[1]。 多年凍土凍融過程中冰水相變導致的土體“體縮”和“體脹”現象,會使地表產生變形。無論 是體積收縮引起的沉降變形還是體積膨脹引起的抬升變形,均會對多年凍土區生態環境和 基礎設施的穩定性造成影響[2]。

      研究多年凍土區地表變形與影響因素間的相關關系,在豐 富凍土學理論的同時可以為多年凍土區地表變形問題的深入研究提供參考。 多年凍土區地表變形有諸多監測方法,目前常用的有水準測量[3]、變形儀器測量[4-6]、 GPS 測量[7]等。上述方法可以獲得多年凍土區單點高精度的地表變形信息,但在大時空尺 度變形測量中存在很多局限性。

      近年來,隨著遙感技術的快速發展,利用合成孔徑雷達干 涉技術(interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)對多年凍土區地表變形的監測 取得了很多研究成果。盡管有研究表明,InSAR 監測結果與野外現場實測存在一定差異。 但總體而言,InSAR 技術為多年凍土區地表變形大時空尺度監測提供了新的方法,其監測 精度可達厘米至毫米級[8-12]。 多年凍土區地表變形是諸多因素綜合作用的復雜過程。國內外學者從不同的角度分析 了地表變形的影響因素,并探討了地表變形與影響因素間的關系。

      張建明等[5]從多年凍土 區地表變形機理來源出發,指出多年凍土區路基工程地表總變形源于路堤的壓密變形、活 動層的凍融循環變形及凍土層的融沉變形,主要受活動層厚度、年平均地溫、體積含冰量、 地質構造等因素的影響,且體積含冰量越大,地表融沉變形越大。馬巍等[6]結合大量的野 外實測數據,對比分析得出多年凍土區地表變形演化過程與下伏多年凍土溫度變化一致。

      董昶宏等[13]通過對比分析 66 個監測點野外變形數據與年平均地溫、體積含冰量、氣溫、 太陽輻射、地質條件等因素之間的關系,指出多年凍土區地表變形與年平均地溫、體積含 冰量、工程地質條件密切相關,且地表沉降量與體積含冰量呈正比關系。受地表變形實測 數據來源限制,上述對多年凍土區地表變形影響因素及相關性的研究主要集中在單點尺度 上,且主要以定性分析為主。

      近年來,隨著遙感技術的快速發展,有一些學者開展了面域 范圍內多年凍土區地表變形與影響因素相關性的定量分析。Zhao 等[10]分析得出青藏高原多 年凍土區地表變形與當地氣溫和降水有明顯的負相關關系,相關系數分別為-0.80~-0.45 和-0.95~-0.75;曾旭倩等[14]研究表明東北多年凍土區地表變形隨土壤含水量的增大而增大, 且二者存在明顯的正相關關系,相關系數為 0.51。

      但總體而言,目前在面域范圍內對多年 凍土區地表變形與影響因素相關性的研究還很少。在全球氣候持續升溫和人類活動日益加 劇的大背景下,多年凍土區地表變形在諸多因素的影響下將如何發展變化,是亟待探究的 復雜問題。 鑒于此,首先利用 InSAR 技術獲取了 2015 年 6 月—2019 年 6 月期間青藏工程走廊多 年凍土區的地表變形信息,并利用野外實測數據對其精確度進行了驗證;然后,借助 GIS 平臺,根據經驗計算模型,獲取了研究區地表變形影響因素基礎數據分布情況;最后,利 用簡單相關和偏相關分析法,探究了研究區地表變形與影響因素間的相關性,結果可為多年凍土區地表變形問題的深入研究提供科學參考。

      1 研究區概況

      青藏工程走廊始于青海省格爾木市,止于西藏自治區拉薩市,是聯系內地與西藏的重要戰略通道,全長約 1 120 km,穿越多年凍土區約 550 km,其中高溫凍土約 275 km,高 含冰量凍土約 221 km,高溫高含冰量多年凍土約 134 km[15]。本文以走廊內多年凍土區段 (西大灘-安多)為研究區,探究多年凍土區地表變形與影響因素的相關性。

      研究區地理坐標位于東經 91°~95°E,北緯 32°~36°N 之間,海拔介于 3 000~7 000 m。研究區地形地貌復雜多變,包括中高山區、高平原、盆地、低山丘陵、河谷及融區等。復雜多變的地形地貌給地表變形信息的獲取帶來了諸多困難。近年來持續更新的遙感影像,為獲取面域范圍內精確的地表變形提供了強有力的支持。

      2 多年凍土區地表變形

      2.1 數據與方法

      2.1.1 數據

      選用歐空局(ESA)通過數據分發系統提供的空間分辨 率為 20 m 的 Sentinel-1A 影像數據和美國太空總署提供的空間 分辨率為 30 m 的高程數字模型(DEM),來獲取研究區地表變形信息。其中,Sentinel-1A 數據的時間范圍為 2015 年 6 月—2019 年 6 月(其中 2015 年 11 月—2016 年 5 月期間無數 據),平均每月一景數據,共計 43 景。所有數據均為降軌數據,VV 極化方式,入射角約 39°的干涉寬幅工作模式下的 TOPS 數據。

      2.1.2 方法

      利用 SBAS-InSAR 技術處理收集的 Sentinel-1A 數據,以獲取研究區地表變形。SBAS 計算中,先根據時空基線閾值及多普勒頻率差組合生成干涉像對,然后借助 DEM 數據對 各像對逐一進行差分干涉運算,去除總相位中包含的地形相位和其他多余相位,獲取地表 變形相位(式(1)),最后利用最小二乘法或奇異分解法,根據變形相位與變形量之間的關系,獲取地表時序變形[16]。

      2.2 地表變形結果

      結合 Sentinel-1A 數據獲取的研究區地表年變形速率分布圖。圖中正值表示地表呈現向上的抬升速率,負值表示地表呈現向下的沉降速率?梢 看出,研究區地表變形空間分布差異大,年變形速率介于-33~15 mm/a,這可能與地質條件、 局地凍土特征等因素有關。但就整個研究區而言,地表有緩慢下沉趨勢,整個研究區地表 年變形速率的平均值為-13 mm/a,這與前人基于野外實測數據的分析結果一致[5,18]。

      此外, 研究區大部分地區相對穩定,地表年變形速率較小,在楚瑪爾河高平 原、五道梁、沱沱河、通天河及安多等區域,地表存在較大的年變形速率,且以沉降速率 為主,這可能與氣溫升高背景下研究區內多年凍土的年平均地溫升高和冰融化等因素有關。

      2.3 精度驗證

      為驗證 InSAR 監測結果的精確性。文中獲取了同時期野外 4 個監測點的現 場實測變形數據。變形測量用沉降桿,觀測采用水準儀進行人工定期觀測。4 個監測點現場測量值與 InSAR 測量值之間的絕對誤差分別為 1.4~12.6 mm、1.6~15.3 mm、1.2~9.4 mm、1.3~38.2 mm,平均絕對誤差分別為 9.8 mm、7.2 mm、4.3 mm、7.9 mm。

      可以看出,對于監測點 1、監測點 2 和監測點 3,兩種監測結果間的絕對誤差范圍均較小, 而監測點 4,大部分時間點的絕對誤差較小,個別時間點的絕對誤差較大,可達 38.2 mm, 這可能與局地降水等因素有關。但總體而言,InSAR 監測的多年凍土區地表變形與野外現 場監測數據較吻合,4 個監測點的平均絕對誤差均小于 10 mm,結果可信度高,可用于后 續地表變形與影響因素相關性的分析。

      3 多年凍土區地表變形影響因素

      研究結果顯示,多年凍土區地表總變形主要由活動層的凍融循環變形、多年凍土上限 處的融沉變形以及多年凍土層的蠕變變形組成[5]。其中凍融循環變形是多年凍土凍融過程 中土結構受冷生作用影響產生的,與活動層的厚度關系最為密切[5]。融沉變形主要是土中 冰融化后多年凍土上限下移造成的,與體積含冰量密切相關[18]。蠕變變形是多年凍土升溫 導致土物理力學性質改變而產生的,主要與年平均地溫有關[6]。

      由此可見,活動層厚度、 體積含冰量及年平均地溫是影響多年凍土區地表變形的主要因素。鑒于此,主要探討地表 變形與這 3 個影響因素間的相關關系。

      地表地形論文投稿刊物:《自然災害學報》旨在展示我國災害科學的研究成果,促進自然科學與社會科學在災害科學方面的結合?歉鞣N自然災害和社會科學在災害科學方面的結合?歉鞣N自然災害和發生機理、災害與人類社會的關系及其影響、防災減災系統工程等方面的研究論文。讀者對象為災害學研究工作者、防災減災專業技術人員及相關專業大專院校師生。

      5 結 論

      1)研究區地表變形空間差異大,年變形速率介于-33~15 mm/a,但整個研究區的地表年變形速率均值為-13 mm/a,地表有緩慢下沉趨勢。InSAR 監測結果有較高的可信度,與 野外 4 個監測點現場實測數據的平均絕對誤差分別為 9.8 mm、7.2 mm、4.3 mm、7.9 mm, 均小于 10 mm。

      2)在體積含冰量大于30%,年平均地溫高于-1°C的多年凍土區,地表變形與影響因素 存在強相關性。在體積含冰量介于10%~30%,年平均地溫介于-2 ~-1 °C,活動層厚度大于3 m的多年凍土區,地表變形與影響因素存在較強的相關性。在其他區域,地表變形與影響 因素間的相關性較弱。

      3)多年凍土區地表變形與體積含冰量存在正強相關關系,簡單相關系數和偏相關系數 均值分別為0.61和0.75。多年凍土區地表變形與年平均地溫也存在正強相關關系,簡單相關 系數和偏相關系數均值分別為0.64和0.70。多年凍土區地表變形與活動層厚度相關性較弱, 簡單相關系數和偏相關系數均值約為0.38和0.42。

      4)總體而言,多年凍土區地表變形與體積含冰量和年平均地溫的相關性較強,與活動 層厚度的相關性較弱,且前兩者的相關性明顯強于后者。

      參考文獻

      [1] 周幼吾, 郭東信, 邱國慶, 等. 中國凍土[M]. 北京: 科學出版社, 2000 ZHOU Youwu, GUO Dongxin, QIU Guoqing, et al. Geocryology in China[M]. Beijing: Science Press, 2000

      [2] 張中瓊, 吳青柏, 周兆葉. 多年凍土區凍融災害風險性評價[J]. 自然災害學報, 2012, 21 (2): 142 ZHANG Zhongqiong, WU Qingbai, ZHOU zhaoye. Risk assessment of freeze thawing disaster in permafrost zone[J]. Journal of Natural Disasters, 2012, 21(2): 142

      [3] 劉永智, 吳青柏, 張建明, 等. 青藏高原多年凍土地區公路路基變形[J]. 冰川凍土, 2002, 24(1): 10 LIU Yongzhi, WU Qingbai, ZHANG Jianming, et al. Deformation of highway roadbed in permafrost regions of the Tibetan Plateau[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2002, 24(1): 10. DOI: 10.3969/j.issn. 1000-0240.2002.01.002

      作者: 趙 韜 1,2,張明義 1,路建國 1,2,晏忠瑞 1,2

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