摘 要：為研究多年凍土區(qū)地表變形與影響因素之間的相關(guān)性，以青藏工程走廊西大灘至安多多年凍土區(qū)為研究對(duì)象，利用小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(small baseline subset-interferometric synthetic aperture radar，SBAS-InSAR)技術(shù)，獲取研究區(qū)地表變形信息;借助 GIS 平臺(tái)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型，獲取研究區(qū)體積含冰量、年平均地溫、活動(dòng)層厚度 3 個(gè)影響因素基礎(chǔ)數(shù)據(jù);利用簡(jiǎn)單相關(guān)和偏相關(guān)分析法， 分析地表變形與影響因素間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明：研究區(qū)地表年變形速率介于-33～15 mm/a，地表有緩慢下沉趨勢(shì)，整個(gè)研究區(qū)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(qū)域，地表變形與影響因素有強(qiáng)相關(guān)性，偏相關(guān)系數(shù)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(dòng)層厚度大于 3 m 的區(qū)域，地表變形與影響因素有較強(qiáng)相關(guān)性，偏相關(guān)系數(shù) 介于 0.4～0.8，P 值小于 0.05。總體而言，多年凍土區(qū)地表變形與體積含冰量和年平均地溫有正強(qiáng)相關(guān)性，偏相關(guān)系數(shù)均值為 0.75 和 0.70;與活動(dòng)層厚度有正中等相關(guān)性，偏相關(guān)系數(shù)均值為 0.42。

　　關(guān)鍵詞：多年凍土;青藏工程走廊;地表變形;影響因素;相關(guān)性

　　中國(guó)多年凍土分布極為廣泛，其面積約為 2.15×106 km2，占中國(guó)陸地總面積的 22.4%[1]。 多年凍土凍融過(guò)程中冰水相變導(dǎo)致的土體“體縮”和“體脹”現(xiàn)象，會(huì)使地表產(chǎn)生變形。無(wú)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(huì)對(duì)多年凍土區(qū)生態(tài)環(huán)境和 基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性造成影響[2]。

　　研究多年凍土區(qū)地表變形與影響因素間的相關(guān)關(guān)系，在豐 富凍土學(xué)理論的同時(shí)可以為多年凍土區(qū)地表變形問(wèn)題的深入研究提供參考。 多年凍土區(qū)地表變形有諸多監(jiān)測(cè)方法，目前常用的有水準(zhǔn)測(cè)量[3]、變形儀器測(cè)量[4-6]、 GPS 測(cè)量[7]等。上述方法可以獲得多年凍土區(qū)單點(diǎn)高精度的地表變形信息，但在大時(shí)空尺 度變形測(cè)量中存在很多局限性。

　　近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用合成孔徑雷達(dá)干 涉技術(shù)(interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR)對(duì)多年凍土區(qū)地表變形的監(jiān)測(cè) 取得了很多研究成果。盡管有研究表明，InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果與野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)存在一定差異。 但總體而言，InSAR 技術(shù)為多年凍土區(qū)地表變形大時(shí)空尺度監(jiān)測(cè)提供了新的方法，其監(jiān)測(cè) 精度可達(dá)厘米至毫米級(jí)[8-12]。 多年凍土區(qū)地表變形是諸多因素綜合作用的復(fù)雜過(guò)程。國(guó)內(nèi)外學(xué)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(guān)系。

　　張建明等[5]從多年凍土 區(qū)地表變形機(jī)理來(lái)源出發(fā)，指出多年凍土區(qū)路基工程地表總變形源于路堤的壓密變形、活 動(dòng)層的凍融循環(huán)變形及凍土層的融沉變形，主要受活動(dòng)層厚度、年平均地溫、體積含冰量、 地質(zhì)構(gòu)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(jié)合大量的野 外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析得出多年凍土區(qū)地表變形演化過(guò)程與下伏多年凍土溫度變化一致。

　　董昶宏等[13]通過(guò)對(duì)比分析 66 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)野外變形數(shù)據(jù)與年平均地溫、體積含冰量、氣溫、 太陽(yáng)輻射、地質(zhì)條件等因素之間的關(guān)系，指出多年凍土區(qū)地表變形與年平均地溫、體積含 冰量、工程地質(zhì)條件密切相關(guān)，且地表沉降量與體積含冰量呈正比關(guān)系。受地表變形實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù)來(lái)源限制，上述對(duì)多年凍土區(qū)地表變形影響因素及相關(guān)性的研究主要集中在單點(diǎn)尺度 上，且主要以定性分析為主。

　　近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，有一些學(xué)者開展了面域 范圍內(nèi)多年凍土區(qū)地表變形與影響因素相關(guān)性的定量分析。Zhao 等[10]分析得出青藏高原多 年凍土區(qū)地表變形與當(dāng)?shù)貧鉁睾徒邓�有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)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(qū)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(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為 0.51。

　　但總體而言，目前在面域范圍內(nèi)對(duì)多年 凍土區(qū)地表變形與影響因素相關(guān)性的研究還很少。在全球氣候持續(xù)升溫和人類活動(dòng)日益加 劇的大背景下，多年凍土區(qū)地表變形在諸多因素的影響下將如何發(fā)展變化，是亟待探究的 復(fù)雜問(wèn)題。 鑒于此，首先利用 InSAR 技術(shù)獲取了 2015 年 6 月—2019 年 6 月期間青藏工程走廊多 年凍土區(qū)的地表變形信息，并利用野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其精確度進(jìn)行了驗(yàn)證;然后，借助 GIS 平臺(tái)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型，獲取了研究區(qū)地表變形影響因素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分布情況;最后，利 用簡(jiǎn)單相關(guān)和偏相關(guān)分析法，探究了研究區(qū)地表變形與影響因素間的相關(guān)性，結(jié)果可為多年凍土區(qū)地表變形問(wèn)題的深入研究提供科學(xué)參考。

　　1 研究區(qū)概況

　　青藏工程走廊始于青海省格爾木市，止于西藏自治區(qū)拉薩市，是聯(lián)系內(nèi)地與西藏的重要戰(zhàn)略通道，全長(zhǎng)約 1 120 km，穿越多年凍土區(qū)約 550 km，其中高溫凍土約 275 km，高 含冰量?jī)鐾良s 221 km，高溫高含冰量多年凍土約 134 km[15]。本文以走廊內(nèi)多年凍土區(qū)段 (西大灘-安多)為研究區(qū)，探究多年凍土區(qū)地表變形與影響因素的相關(guān)性。

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

　　2 多年凍土區(qū)地表變形

　　2.1 數(shù)據(jù)與方法

　　2.1.1 數(shù)據(jù)

　　選用歐空局(ESA)通過(guò)數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)提供的空間分辨 率為 20 m 的 Sentinel-1A 影像數(shù)據(jù)和美國(guó)太空總署提供的空間 分辨率為 30 m 的高程數(shù)字模型(DEM)，來(lái)獲取研究區(qū)地表變形信息。其中，Sentinel-1A 數(shù)據(jù)的時(shí)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(wú)數(shù) 據(jù))，平均每月一景數(shù)據(jù)，共計(jì) 43 景。所有數(shù)據(jù)均為降軌數(shù)據(jù)，VV 極化方式，入射角約 39°的干涉寬幅工作模式下的 TOPS 數(shù)據(jù)。

　　2.1.2 方法

　　利用 SBAS-InSAR 技術(shù)處理收集的 Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，以獲取研究區(qū)地表變形。SBAS 計(jì)算中，先根據(jù)時(shí)空基線閾值及多普勒頻率差組合生成干涉像對(duì)，然后借助 DEM 數(shù)據(jù)對(duì) 各像對(duì)逐一進(jìn)行差分干涉運(yùn)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(jù)變形相位與變形量之間的關(guān)系，獲取地表時(shí)序變形[16]。

　　2.2 地表變形結(jié)果

　　結(jié)合 Sentinel-1A 數(shù)據(jù)獲取的研究區(qū)地表年變形速率分布圖。圖中正值表示地表呈現(xiàn)向上的抬升速率，負(fù)值表示地表呈現(xiàn)向下的沉降速率。可以 看出，研究區(qū)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(zhì)條件、 局地凍土特征等因素有關(guān)。但就整個(gè)研究區(qū)而言，地表有緩慢下沉趨勢(shì)，整個(gè)研究區(qū)地表 年變形速率的平均值為-13 mm/a，這與前人基于野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果一致[5,18]。

　　此外， 研究區(qū)大部分地區(qū)相對(duì)穩(wěn)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(qū)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(qū)內(nèi)多年凍土的年平均地溫升高和冰融化等因素有關(guān)。

　　2.3 精度驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證 InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果的精確性。文中獲取了同時(shí)期野外 4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)。變形測(cè)量用沉降桿，觀測(cè)采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行人工定期觀測(cè)。4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與 InSAR 測(cè)量值之間的絕對(duì)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(duì)誤差分別為 9.8 mm、7.2 mm、4.3 mm、7.9 mm。

　　可以看出，對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn) 1、監(jiān)測(cè)點(diǎn) 2 和監(jiān)測(cè)點(diǎn) 3，兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果間的絕對(duì)誤差范圍均較小， 而監(jiān)測(cè)點(diǎn) 4，大部分時(shí)間點(diǎn)的絕對(duì)誤差較小，個(gè)別時(shí)間點(diǎn)的絕對(duì)誤差較大，可達(dá) 38.2 mm， 這可能與局地降水等因素有關(guān)。但總體而言，InSAR 監(jiān)測(cè)的多年凍土區(qū)地表變形與野外現(xiàn) 場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合，4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均絕對(duì)誤差均小于 10 mm，結(jié)果可信度高，可用于后 續(xù)地表變形與影響因素相關(guān)性的分析。

　　3 多年凍土區(qū)地表變形影響因素

　　研究結(jié)果顯示，多年凍土區(qū)地表總變形主要由活動(dòng)層的凍融循環(huán)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(huán)變形是多年凍土凍融過(guò)程 中土結(jié)構(gòu)受冷生作用影響產(chǎn)生的，與活動(dòng)層的厚度關(guān)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(guān)[18]。蠕變變形是多年凍土升溫 導(dǎo)致土物理力學(xué)性質(zhì)改變而產(chǎn)生的，主要與年平均地溫有關(guān)[6]。

　　由此可見(jiàn)，活動(dòng)層厚度、 體積含冰量及年平均地溫是影響多年凍土區(qū)地表變形的主要因素。鑒于此，主要探討地表 變形與這 3 個(gè)影響因素間的相關(guān)關(guān)系。

　　地表地形論文投稿刊物：《自然災(zāi)害學(xué)報(bào)》旨在展示我國(guó)災(zāi)害科學(xué)的研究成果，促進(jìn)自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)在災(zāi)害科學(xué)方面的結(jié)合。刊登各種自然災(zāi)害和社會(huì)科學(xué)在災(zāi)害科學(xué)方面的結(jié)合。刊登各種自然災(zāi)害和發(fā)生機(jī)理、災(zāi)害與人類社會(huì)的關(guān)系及其影響、防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)工程等方面的研究論文。讀者對(duì)象為災(zāi)害學(xué)研究工作者、防災(zāi)減災(zāi)專業(yè)技術(shù)人員及相關(guān)專業(yè)大專院校師生。

　　5 結(jié) 論

　　1)研究區(qū)地表變形空間差異大，年變形速率介于-33~15 mm/a，但整個(gè)研究區(qū)的地表年變形速率均值為-13 mm/a，地表有緩慢下沉趨勢(shì)。InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果有較高的可信度，與 野外 4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)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(qū)，地表變形與影響因素 存在強(qiáng)相關(guān)性。在體積含冰量介于10%~30%，年平均地溫介于-2 ~-1 °C，活動(dòng)層厚度大于3 m的多年凍土區(qū)，地表變形與影響因素存在較強(qiáng)的相關(guān)性。在其他區(qū)域，地表變形與影響 因素間的相關(guān)性較弱。

　　3)多年凍土區(qū)地表變形與體積含冰量存在正強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù) 均值分別為0.61和0.75。多年凍土區(qū)地表變形與年平均地溫也存在正強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，簡(jiǎn)單相關(guān) 系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)均值分別為0.64和0.70。多年凍土區(qū)地表變形與活動(dòng)層厚度相關(guān)性較弱， 簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)均值約為0.38和0.42。

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

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