地面沉降是由土层压缩而引起地面标高降低的一种常见而缓慢的地质现象（Zhu Lin et al.，2015; Yuan Min et al.，2016），具有恢复性缓慢或难以恢复性。据不完全统计，全世界约有150个国家和地区均不同程度地发生了地面沉降问题，严重威胁了人类生命、社会经济和财产安全等诸多方面。在我国，地面沉降问题以及诱发因素也备受广大学者关注，已成为影响我国社会经济可持续发展的环境地质问题之一（Yuan Min et al.，2016）。不均匀地面沉降除了诱发地面塌陷和建筑物墙体开裂，还给交通工程带来许多不利影响，改变交通路线坡度，严重威胁安全运营（Jia Xu et al.，2014）。在城市化迅速发展的背景下，采用及时有效的技术手段获取地表形变信息及其时空演化规律，掌握不均匀沉降分布特征，对地面沉降的防治工作具有重要现实意义。

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术可以填补传统水准和GPS测量手段的不足，广泛用于地表形变监测领域，具有较低成本、观测范围大、监测时间短等优点。其中PS-InSAR技术能够较好地解决失相干和大气相位延迟等问题，从而有效地获取区域长时间序列、缓慢变化的形变信息（Ferretti，2000; Guo Lin et al.，2019），并成功用于伊朗西北部（Foroughnia et al.，2019）、意大利北部（Hooper et al.，2004）、中国京津冀和长江三角地区（Gong Huili et al.，2009; Lei Kunchao et al.，2016; Da Lio C，2018）的地表形变监测与相关研究。

利用InSAR技术，许多专家学者从不同角度开展了与地面沉降的相关研究。在地面沉降相关影响因素方面，Yan Xuexin et al.（2002）、Chen Beibei et al.（2015）、Yang Qin et al.（2018）的研究表明，建筑物、土地利用类型与地面沉降的加速发展具有一定相关性。 Lu Yanyan（2019）研究表明建筑和道路车流荷载对地面沉降有一定影响。Luo Zujiang et al.（2018）建立了地面沉降三维全耦合数学模型，对沧州市进行了地面沉降预警分区。 Cao Qun et al.（2019）基于SBAS和IPTA对地面沉降进行监测。Mu Chenbo（2017）研究表明南水进京有效缓解了地下水位下降，一定程度上减缓了地面沉降。发现南水进京后通州新城区地面沉降具有向东扩张的特征。Wang Cong et al.（2018）提取了通州地面沉降信息，结合地下水、土地利用数据，认为区域快速发展对地面沉降具有一定影响。在沉降时空分布特征方面，学者们利用不同数据源和地表形变监测技术，尽管一定程度上揭示了历史不同时期北京平原地面的沉降特征（Gong Huili et al.，2009; Da Lio C，2018），但多数研究仅针对整个北京平原或小部分严重沉降区域开展研究分析。此外，在城市高速发展与新水情变化背景下，地面沉降及其诱发机理已显然发生改变，目前相关工作较少关注新形势下通州地区的地面沉降时空分布特征及其成因机理，对复杂情景下沉降不均匀性的讨论也相对较少，不管是技术手段上，还是实际应用上，仍缺乏相关研究作为科学依据和支撑。

本文综合考虑南水进京和城市副中心发展所面临的现实问题，选取沉降发育显著、人为活动干预强烈的通州区作为研究对象，采用2014年11月~2018年7月覆盖北京通州地区的Sentinel-1A/B卫星影像，利用PS-InSAR技术获取研究区地表形变信息，联合高精度GPS数据，耦合空间分析技术和数理统计等方法，主要目标是分析当前新水情与城市快速发展背景下，通州地面沉降的时空分布特征、不均匀性及其影响因素。研究结果可为研究区后续地面沉降的防治和城市规划提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

通州区位于北京平原东南部，地处潮白河与永定河冲洪积扇中下部，与朝阳、大兴、顺义区相接，地理坐标为北纬39°36′~40°02′、东经116°32′~116°56′，总面积约906 km²，人口150.8万，下辖4街道、11乡镇、囊括北京城市副中心规划区（简称CBD; 图1）。为优化北京城市空间格局、疏解中心区非核心功能、推动京津冀协同发展，北京城市副中心建设项目被快速推动。

研究区属大陆性季风气候，多年平均气温11.3℃，平均降水量约584.6 mm，年内降水集中在夏季七、八月份。通州整体地势平坦，自西北向东南倾斜，海拔8.2~27.6 m（Wang Cong，2018）。境内水系较发育，主要有温榆河、潮白河、北运河等。区内断裂主要包括礼贤、南苑和张家湾断裂。全境被第四系覆盖，由黏性土和砂层组成，多为砂、砂砾石、黏性土层相互交错出现，含水砂层较多，砂层间的黏性土较薄且延展不连续。整体上自西向东，第四系沉积厚度逐渐加大，含水层由黏土与砂层组成，呈现砂层与黏土层交错的多层结构（Yuan Min et al.，2016）。随着通州区建设规模的迅速扩大，地表高层建筑密集分布、地下线性工程频繁建设、地下空间开挖日益加深，增加了局部地面荷载，加之工程施工对地下水开采总量的需求巨大，加重了对区域地面沉降的影响（Gao Yu et al.，2019）。

1.2 数据来源和方法

1.2.1 SAR数据及前处理

Sentinel-1A/B系列卫星是欧盟-欧空局主持的首个用于环境监测和安全监控的卫星。对于地表信息全天时、全天候进行观测，具有较高分辨率和重访率，数据质量较高。Sentinel-1携带C波段合成孔径雷达仪器，重访周期12 d。干涉宽幅（Interferometric Wide Swath，IW）模式是陆地上的默认采集模式，扫描带宽250 km，空间分辨率5 m（方位向）×20 m（距离向）（哨兵数据可以通过网站https://vertex.daac.asf.alaska.edu/?#获得）。本文收集2014年11月至2018年7月IW模式的43景Sentinel-1 A/B 降轨影像，极化方式为VV极化，航向角-166.59°和入射角33.88°，用于分析研究区地表形变特征。

为获取研究区地下水位动态变化特征，收集通州区梨园镇和宋庄镇井深分别为50 m和103 m两孔地下水位逐月监测数据，序列长度2014年11月至2016年12月，源于北京市地质工程勘察院。其他资料包括可压缩层厚度、地层岩性等信息，主要源于《北京市地面沉降》（Gao Yu，2019）及相关文献，路网信息源于Open Street Map开源世界道路地图（https://www.openstreetmap.org），区域规划资料源自北京市规划和自然资源委员会（http://ghzrzyw.beijing.gov.cn/art/2019/1/4/art_5160_565195.html）。本文结合地下水水位、可压缩层厚度、地层岩性和路网数据，用于进一步分析研究区城市副中心发展和南水进京背景下多因素叠加的地面沉降响应。

1.2.2 PS-InSAR方法

Ferretti et al.（2000）提出的基于永久散射体的合成孔径雷达干涉测量（PS-InSAR）技术通过选取相位稳定的点目标克服或降低时空失相干和大气延迟问题，实现时序地表形变的高精度监测。本文以Sentinel-l影像为基础，利用PS-InSAR技术提取研究区地面沉降信息，主要处理流程为:首先，选取一幅SAR影像作为主影像，计算主影像与辅影像（其余影像）在方位向和距离向的坐标映射关系，对辅影像进行坐标变换和重采样，完成影像配准，通过差分干涉处理，采用相干系数法和振幅离差指数法，进行永久散射体（PS）点的选取; 然后，在时间域和空间域上对解缠相位分别进行高通滤波和低通滤波，估算主影像以及辅影像的轨道误差和大气效应误差相位; 最后，去除地形残差以及大气效应等相位误差，重新计算PS点的形变速率及各个时间点的累积形变量，获得工作区地表形变信息。

1.2.3 GIS空间分析方法

GIS空间分析是以地学原理为依托、以空间数据运算为特征，在分析原始地理数据空间位置和属性的基础上，提取新的空间信息的一种技术手段（Peng Jiannan，2008; Qu Feifei et al.，2014）。本文基于通州区的地质环境背景，结合GPS、地下水动态及地面沉降多源监测数据，构建研究区地面沉降空间数据场。利用GIS空间分析技术，首先进行数值统计，分析地面沉降的空间分布特征，然后平行和垂直于断裂带分别构建具有典型意义的剖面线计算沿剖面线的形变梯度，最后采用渔网工具进行路网剖分，计算格网内路网密度，用以代表影响地面沉降的动载荷，统计不同级别路网密度的沉降量信息。耦合分析研究区不均匀地面沉降与各影响因素间的响应关系，分析通州地面沉降发展模式。

1.3 精度可靠性验证

为了验证PS-InSAR监测结果的准确性，本文采用研究区内及周边的高精度GPS监测数据对InSAR结果进行验证。选取了2014年12月至2017年12月6个高精度GPS监测站数据作为验证点，数据监测结果见表1，将GPS监测数据（东西向、南北向、垂向）投影至InSAR监测的视线（LOS）向。选取监测站150 m缓冲区内的PS点的平均值与对应的GPS监测站进行对比验证（图2a）。另外，通过图2b可以看出，最大绝对误差为15.3 mm/a，最小绝对误差为-1.1 mm/a，标准偏差为5.2 mm/a。GPS监测数据与InSAR监测数据的相关系数高达0.97。总的来说，InSAR与GPS监测结果具有较好的一致性，InSAR监测结果可靠。

2 结果与讨论

2.1 地面沉降时空分布特征

利用2014~2018年43景Sentinel-1影像，采取PS-InSAR技术提取通州区地表位移信息（负值代表沉降，正值代表抬升）。分析得出，截止2018年7月，累积沉降量在-389~+13 mm、且沉降量大于100 mm的地区主要集中于研究区的西北部，沉降量最大值出现在台湖、梨园、永顺等地，总体表明城市副中心范围内的沉降现象较为严重（图3）。结合水文地质条件，分析发现累积沉降量严重地区是潮白河与北运河冲洪积扇中下游过渡地区，表明水文地质过渡带可能为地面沉降提供了有利的孕育环境（图4）。

由图5PS点年度累积沉降量变化图和表1统计结果可见，2015~2017年均沉降速率整体保持平稳且略有增加，可能原因是受到南水进京、地下水减采等人类活动影响，研究区地面沉降处于相对平稳状态。在研究时间段，相对于2014年，2016年累计抬升最为明显，但图5箱体长度基本保持一致，说明随时间推移年度累积沉降量分布变化较小。此外，通过研究区年均沉降速率分布图可得（表2），沉降速率最大为-101.5 mm/a，最大抬升速率为+16.7 mm/a，平均沉降速率为-11.5 mm/a，超过49.6%的地区发生地面沉降，其中沉降速率超过50 mm/a的面积为86.6 km²，占通州区总面积的7.8%（图6）。空间上，年均沉降速率整体呈现由西北到东南降低的阶梯式分布格局。依据《地质灾害危险性评估》、《地质环境承载能力评价与监测预警指标体系和技术方法》及当地实际情况影响下的分级标准，即沉降速率大于25 mm/a为强发育等级，10~25 mm/a为中等发育等级，小于10 mm/a为弱发育等级，西北部沉降速率值大于25 mm/a的区域占比49.6%，中偏西北部沉降速率值10~25 mm/a的区域占比28.34%，东南部沉降速率值＜10 mm/a的区域占比50.4%。

CHAO—朝阳区GPS监测站; CHPN—昌平区GPS监测站; DSQI—东三旗GPS监测站; DAXN—大兴GPS监测站; XIJI—西集GPS监测站; Zjiawan—张家湾GPS监测站;（a）—GPS测点数据与InSAR解译数据对比图;（b）—GPS形变速率与InSAR形变速率对比图

CHAO—Chaoyang district GPS monitoring station; CHPN—Changping district GPS monitoring station; DSQI—Dongsanqi GPS monitoring station; DAXN—Daxin GPS monitoring station; XIJI—Xiji GPS monitoring station; Zhangjiawan—Zjiawan GPS monitoring station; (a) —comparison diagram of GPS survey point data and InSAR interpretation data; (b) —comparison diagram of GPS deformation rate and InSAR deformation rate

2.2 地面沉降的影响因素分析

总的来说，地面沉降产生的原因可归纳为自然和人为因素两方面（Jia Sanman，2018）。前者主要包括地质构造作用、欠固结土层压密和海平面上升等，后者主要由于人类开发利用地下资源以及建设地下空间所造成的土体变形等。众所周知，地下水水位下降导致含水层孔隙压力减小，造成土体压缩（Kong Yaping et al.，2001），土体是产生地面沉降的物质基础，其中可压缩层是发生形变的主要部分，而断裂上下盘之间会产生蠕滑变形，因此地质构造对地面沉降起控制作用。另外，城市建筑静载荷和道路动荷载对地面沉降也有明显的影响（Zhou Qing，2014; Wang Yunlong et al.，2020）。鉴于以上考虑，本文分析地面沉降与断裂构造、地下水水位、可压缩层厚度和道路密度之间的响应关系，为沉降机理研究提供支持与依据，具体分析如下。

2.2.1 断裂构造

研究区内断裂主要包括南苑、张家湾和礼贤断裂带，本文利用ArcGIS软件，基于平行和垂直于断裂带构建了两条典型剖面线A—A’和B—B’，两条线穿过整个城市副中心区域（图1）。由典型线A—A’沿线的沉降信息可知（图7），区内三条断裂带对该线上的地面沉降影响不明显，A—A’穿越断裂前后沉降曲线未发生剧烈波动，而穿越城市副中心时曲线则表现出明显波动。在副中心规划区边界之外（张家湾断裂以南），沉降速率的极差沿典型线高达79.3 mm/a，等距离间隔内，地面沉降速率及逐年累积沉降量曲线梯度的斜率变化较大，达41.4 mm/（a·km）。穿越副中心规划区之后，除距A点21150~23975 m处地面沉降有所减轻以外，其它地区地面沉降基本稳定，无大幅度波动。通过B—B’地面沉降信息可见（图6b），B—B’在进入副中心规划区前，地面沉降速率及累积沉降量曲线波动较小，进入副中心规划区后，曲线梯度变化增大，局部地区高达27.8 mm/（a·km），不均匀沉降较严重，自张家湾断裂以北沉降速率的极差沿典型线高达60.7 mm/a。与A—A’沉降信息相比，B—B’沿线地面沉降的曲线变化更为剧烈，表明B—B’沿线沉降发展的地质环境背景更替更快。礼贤断裂对地面沉降变化影响较小，张家湾断裂前后沉降速率及沉降量出现大幅度转折，城市副中心规划区内地面沉降曲线波动较大。综合A—A’和B—B’两条典型线，发现城市副中心规划区不均匀地面沉降较为严重。

2.2.2 地下水位动态

因PS点与地下水位监测孔不完全重合，为尽可能使沉降数据与水位数据保持匹配以及减小误差，以两监测孔位置为中心分别做150 m缓冲区，取缓冲区内所有PS点沉降量平均值作为观测孔处地面沉降值，绘制该区地面沉降与地下水水位的动态曲线（图7a、b）。根据研究区地层剖面资料显示，通州地区在地下50~70 m分布有比较稳定的连续隔水层（图4），因此通常把70 m以浅的水位称之为浅层地下水，70 m以下的水位称之为深层地下水。图8a反映了井深50 m的地下水水位与地表形变的动态过程，随时间推移水位整体上略有升高，2014年11月至2016年12月期间的地下水水位升高约0.1 m。同时受降水影响，地下水位具有明显季节波动性，表现为夏季水位升高、冬季水位降低的普遍现象。在此期间，地表高程持续下降115.2 mm，根据有效应力原理，含水层水位的变化影响土体孔隙压力、造成土体形变，但井a水位及其相邻地面沉降点并未呈现上述变化特点，两者相关性较差。由此说明，在降水补给正常的条件下，该点附近的浅层水位变化对地面沉降影响较小。分析认为浅层地下水位可能由于未低于历史最低水头，其上的黏性土在总应力不变的情况下已经固结完成，仅有少量的弹性形变，故所造成的地面沉降较小。由井深103 m的水位变化与沉降变化过程可见（图8b），2014年11月至2016年7月期间水位整体呈降低趋势，2016年7月后水位逐步抬升，其受季节性降水影响不大，表现为曲线随时间波动较小。在此期间内，地面沉降量持续累加，地面标高累积降低135.8 mm，且在水位抬升后的一段时间存在回弹现象，在2016年2月和12月分别抬升4.1 mm和2.2 mm，具体表现为一定程度的弹性形变，说明井b附近的深层地下水水位变化与地面沉降具有一定的相关性。结合前人研究资料（Chen Beibei et al.，2019），浅层地下水水位变化对地面沉降的影响较小，而深层地下水水位变化对地面沉降的影响较大，是发生地面沉降的主要诱因。根据北京市水文地质工程地质大队张家湾地面沉降监测站资料显示，研究区内地面沉降主要贡献层为埋深126 m以下地层，约占94%左右。其中，主要压缩层位于埋深257 m以下范围内，其压缩量占整个地层总压缩量的49%，其次126~193 m和193~257 m地层，其压缩量分别占整个地层总压缩量的32%和13%（图9）。这与深层水位变幅对地面沉降的影响较大基本一致。

2.2.3 可压缩层厚度

图10和图11分别反映了基于ArcGIS叠加分析的可压缩层厚度与地面沉降速率的空间分布关系以及不同可压缩层厚度上地面沉降速率的分布情况。整体上，可压缩层厚度大小与地面沉降速率呈正相关。平均沉降速率小于-50 mm/a的PS点中有30.4%分布在-230~17 m厚度的可压缩层上; 而平均沉降速率大于-25 mm/a的PS点中51.5%分布在50~140 m厚的可压缩层上。综合分析可知，可压缩层厚度的变化，尤其是可压缩层厚度发生变化的过渡地区，为地面沉降的发生与发展提供了有利的地质条件。有资料表明，上新世在北京平原存在一个古湖（断陷盆地），沉积物主要是湖泊相，同时在北京平原区形成京西隆起、大兴隆起和北京断陷的主体构架（Du Dong et al.，2020）。上新世中后期由于永定河的形成，在断陷盆地内开始形成冲洪积相沉积，主要是砂砾石、砂、黏土、亚黏土互层（Cai Xiangmin et al.，2010）。可压缩性黏性土的存在是地面沉降发生的基本条件之一，其分布与厚度影响着地面沉降的发生与发展（Da Lio C et al.，2018; Foroughnia et al.，2019）。

2.2.4 道路密度

本文利用ArcGIS技术对路网进行剖分，以200 m×200 m格网大小计算路网密度，用来代表影响地面沉降的动载荷（图12），为便于统计，将路网密度按照自然断裂法进行分级，并将不同级别路网密度的沉降量信息进行统计（图13）。由图12和图13可以看出，随着路网密度的增大累积沉降量明显增大，累积沉降量值大于50 mm的PS点中主要分布在等级为3、4、5的路网密度上，占比达30.2%，因此路网密度的大小与地面沉降严重程度呈明显的正相关关系。近年来，随着北京城市副中心规划逐步落地，以通州城市副中心的区域开始大规模交通道路建设，交通道路动荷载在一定程度上加剧了局部地段地面沉降的发育，多以点状和小片状分布。因此交通流量的快速攀升，交通动载荷已成为影响地面沉降因素之一。已有文献表明，车流量、道路密度的增大，会加剧区域地面沉降（Hu Leyin et al.，2019）。

1 —路网密度级别（0~0.002573）; 2—路网密度级别（0.002574~0.007550）; 3—路网密度级别（0.007551~0.013438）; 4—路网密度级别（0.013439~0.023682）; 5—路网密度级别（0.023683~0.113389）

1 —Road network density level (0~0.002573) ; 2—road network density level (0.002574~0.007550) ; 3—road network density level (0.007551~0.013438) ; 4—road network density level (0.013439~0.023682) ; 5—road network density level (0.023683~0.113389)

3 结论

本文应用2014~2018年Sentinel-1卫星影像数据，结合高精度GPS数据，利用PS-InSAR技术获取通州地面形变信息，进而耦合多影响因素的综合数据集，重点分析南水进京与通州区快速发展背景下的地面沉降分布特征及其主要影响因素，服务于区域经济、环境和社会的协同发展。

截止2018年，研究区平均沉降速率最大值为101.5 mm/a，49.6%的地区发生地面沉降，其中沉降速率超过50 mm/a的面积为86.6 km²，约占通州区总面积的8%。整体呈现由西北到东南阶梯式降低分布，城市副中心规划区内不均匀沉降较为严重。潮白河与永定河冲洪积扇中下游过渡地区沉降严重，表明地质条件过渡地带可能为地面沉降的发展提供孕育环境。联合分析地面沉降信息与地下水水位等多因素发现，与深层地下水水位相比，浅层地下水对地面沉降几乎无影响，可压缩层厚度大、处于不同厚度过渡带的区域，伴随着较为严重地面沉降; 同时，路网密度的大小与地面沉降严重程度呈正相关。典型线A—A’和B—B’上沉降曲线梯度在副中心规划区范围内变化较大，最大可达41.4 mm/（a·km），不均匀沉降较为严重。副中心规划区由于长期过量开采地下水、可压缩层厚度大及变化过渡造成土体压缩，因此建议减少该地区地下水抽取，合理优化开采布局。本次研究对地面沉降影响因素的量化不够具体，仅获得了建筑物要素面积信息，下一步应确定南水进京后各因素的贡献率，并获取基于建筑物体积信息，深入研究通州城市扩张条件下，地面沉降对不同高度建筑物的响应规律。

参考文献