多年冻土区地表变形与影响因素相关性分析

　　摘 要：为研究多年冻土区地表变形与影响因素之间的相关性，以青藏工程走廊西大滩至安多多年冻土区为研究对象，利用小基线集合成孔径雷达干涉测量(small baseline subset-interferometric synthetic aperture radar，SBAS-InSAR)技术，获取研究区地表变形信息;借助 GIS 平台，根据经验计算模型，获取研究区体积含冰量、年平均地温、活动层厚度 3 个影响因素基础数据;利用简单相关和偏相关分析法， 分析地表变形与影响因素间的相关系数。结果表明：研究区地表年变形速率介于-33～15 mm/a，地表有缓慢下沉趋势，整个研究区年变形速率均值为-13 mm/a;在体积含冰量大于 30%，年平均地温高于-1 ℃的 区域，地表变形与影响因素有强相关性，偏相关系数大于 0.8，P 值小于 0.05。在体积含冰量为 10%～30%， 年平均地温为-2～-1 ℃，活动层厚度大于 3 m 的区域，地表变形与影响因素有较强相关性，偏相关系数 介于 0.4～0.8，P 值小于 0.05。总体而言，多年冻土区地表变形与体积含冰量和年平均地温有正强相关性，偏相关系数均值为 0.75 和 0.70;与活动层厚度有正中等相关性，偏相关系数均值为 0.42。

　　关键词：多年冻土;青藏工程走廊;地表变形;影响因素;相关性

　　中国多年冻土分布极为广泛，其面积约为 2.15×106 km2，占中国陆地总面积的 22.4%[1]。 多年冻土冻融过程中冰水相变导致的土体“体缩”和“体胀”现象，会使地表产生变形。无论 是体积收缩引起的沉降变形还是体积膨胀引起的抬升变形，均会对多年冻土区生态环境和 基础设施的稳定性造成影响[2]。

　　研究多年冻土区地表变形与影响因素间的相关关系，在丰 富冻土学理论的同时可以为多年冻土区地表变形问题的深入研究提供参考。 多年冻土区地表变形有诸多监测方法，目前常用的有水准测量[3]、变形仪器测量[4-6]、 GPS 测量[7]等。上述方法可以获得多年冻土区单点高精度的地表变形信息，但在大时空尺 度变形测量中存在很多局限性。

　　近年来，随着遥感技术的快速发展，利用合成孔径雷达干 涉技术(interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR)对多年冻土区地表变形的监测 取得了很多研究成果。尽管有研究表明，InSAR 监测结果与野外现场实测存在一定差异。 但总体而言，InSAR 技术为多年冻土区地表变形大时空尺度监测提供了新的方法，其监测 精度可达厘米至毫米级[8-12]。 多年冻土区地表变形是诸多因素综合作用的复杂过程。国内外学者从不同的角度分析 了地表变形的影响因素，并探讨了地表变形与影响因素间的关系。

　　张建明等[5]从多年冻土 区地表变形机理来源出发，指出多年冻土区路基工程地表总变形源于路堤的压密变形、活 动层的冻融循环变形及冻土层的融沉变形，主要受活动层厚度、年平均地温、体积含冰量、 地质构造等因素的影响，且体积含冰量越大，地表融沉变形越大。马巍等[6]结合大量的野 外实测数据，对比分析得出多年冻土区地表变形演化过程与下伏多年冻土温度变化一致。

　　董昶宏等[13]通过对比分析 66 个监测点野外变形数据与年平均地温、体积含冰量、气温、 太阳辐射、地质条件等因素之间的关系，指出多年冻土区地表变形与年平均地温、体积含 冰量、工程地质条件密切相关，且地表沉降量与体积含冰量呈正比关系。受地表变形实测 数据来源限制，上述对多年冻土区地表变形影响因素及相关性的研究主要集中在单点尺度 上，且主要以定性分析为主。

　　近年来，随着遥感技术的快速发展，有一些学者开展了面域 范围内多年冻土区地表变形与影响因素相关性的定量分析。Zhao 等[10]分析得出青藏高原多 年冻土区地表变形与当地气温和降水有明显的负相关关系，相关系数分别为-0.80～-0.45 和-0.95～-0.75;曾旭倩等[14]研究表明东北多年冻土区地表变形随土壤含水量的增大而增大， 且二者存在明显的正相关关系，相关系数为 0.51。

　　但总体而言，目前在面域范围内对多年 冻土区地表变形与影响因素相关性的研究还很少。在全球气候持续升温和人类活动日益加 剧的大背景下，多年冻土区地表变形在诸多因素的影响下将如何发展变化，是亟待探究的 复杂问题。 鉴于此，首先利用 InSAR 技术获取了 2015 年 6 月—2019 年 6 月期间青藏工程走廊多 年冻土区的地表变形信息，并利用野外实测数据对其精确度进行了验证;然后，借助 GIS 平台，根据经验计算模型，获取了研究区地表变形影响因素基础数据分布情况;最后，利 用简单相关和偏相关分析法，探究了研究区地表变形与影响因素间的相关性，结果可为多年冻土区地表变形问题的深入研究提供科学参考。

　　1 研究区概况

　　青藏工程走廊始于青海省格尔木市，止于西藏自治区拉萨市，是联系内地与西藏的重要战略通道，全长约 1 120 km，穿越多年冻土区约 550 km，其中高温冻土约 275 km，高 含冰量冻土约 221 km，高温高含冰量多年冻土约 134 km[15]。本文以走廊内多年冻土区段 (西大滩-安多)为研究区，探究多年冻土区地表变形与影响因素的相关性。

　　研究区地理坐标位于东经 91°~95°E，北纬 32°~36°N 之间，海拔介于 3 000~7 000 m。研究区地形地貌复杂多变，包括中高山区、高平原、盆地、低山丘陵、河谷及融区等。复杂多变的地形地貌给地表变形信息的获取带来了诸多困难。近年来持续更新的遥感影像，为获取面域范围内精确的地表变形提供了强有力的支持。

　　2 多年冻土区地表变形

　　2.1 数据与方法

　　2.1.1 数据

　　选用欧空局(ESA)通过数据分发系统提供的空间分辨 率为 20 m 的 Sentinel-1A 影像数据和美国太空总署提供的空间 分辨率为 30 m 的高程数字模型(DEM)，来获取研究区地表变形信息。其中，Sentinel-1A 数据的时间范围为 2015 年 6 月—2019 年 6 月(其中 2015 年 11 月—2016 年 5 月期间无数 据)，平均每月一景数据，共计 43 景。所有数据均为降轨数据，VV 极化方式，入射角约 39°的干涉宽幅工作模式下的 TOPS 数据。

　　2.1.2 方法

　　利用 SBAS-InSAR 技术处理收集的 Sentinel-1A 数据，以获取研究区地表变形。SBAS 计算中，先根据时空基线阈值及多普勒频率差组合生成干涉像对，然后借助 DEM 数据对 各像对逐一进行差分干涉运算，去除总相位中包含的地形相位和其他多余相位，获取地表 变形相位(式(1))，最后利用最小二乘法或奇异分解法，根据变形相位与变形量之间的关系，获取地表时序变形[16]。

　　2.2 地表变形结果

　　结合 Sentinel-1A 数据获取的研究区地表年变形速率分布图。图中正值表示地表呈现向上的抬升速率，负值表示地表呈现向下的沉降速率。可以 看出，研究区地表变形空间分布差异大，年变形速率介于-33~15 mm/a，这可能与地质条件、 局地冻土特征等因素有关。但就整个研究区而言，地表有缓慢下沉趋势，整个研究区地表 年变形速率的平均值为-13 mm/a，这与前人基于野外实测数据的分析结果一致[5,18]。

　　此外， 研究区大部分地区相对稳定，地表年变形速率较小，在楚玛尔河高平 原、五道梁、沱沱河、通天河及安多等区域，地表存在较大的年变形速率，且以沉降速率 为主，这可能与气温升高背景下研究区内多年冻土的年平均地温升高和冰融化等因素有关。

　　2.3 精度验证

　　为验证 InSAR 监测结果的精确性。文中获取了同时期野外 4 个监测点的现 场实测变形数据。变形测量用沉降杆，观测采用水准仪进行人工定期观测。4 个监测点现场测量值与 InSAR 测量值之间的绝对误差分别为 1.4~12.6 mm、1.6~15.3 mm、1.2~9.4 mm、1.3~38.2 mm，平均绝对误差分别为 9.8 mm、7.2 mm、4.3 mm、7.9 mm。

　　可以看出，对于监测点 1、监测点 2 和监测点 3，两种监测结果间的绝对误差范围均较小， 而监测点 4，大部分时间点的绝对误差较小，个别时间点的绝对误差较大，可达 38.2 mm， 这可能与局地降水等因素有关。但总体而言，InSAR 监测的多年冻土区地表变形与野外现 场监测数据较吻合，4 个监测点的平均绝对误差均小于 10 mm，结果可信度高，可用于后 续地表变形与影响因素相关性的分析。

　　3 多年冻土区地表变形影响因素

　　研究结果显示，多年冻土区地表总变形主要由活动层的冻融循环变形、多年冻土上限 处的融沉变形以及多年冻土层的蠕变变形组成[5]。其中冻融循环变形是多年冻土冻融过程 中土结构受冷生作用影响产生的，与活动层的厚度关系最为密切[5]。融沉变形主要是土中 冰融化后多年冻土上限下移造成的，与体积含冰量密切相关[18]。蠕变变形是多年冻土升温 导致土物理力学性质改变而产生的，主要与年平均地温有关[6]。

　　由此可见，活动层厚度、 体积含冰量及年平均地温是影响多年冻土区地表变形的主要因素。鉴于此，主要探讨地表 变形与这 3 个影响因素间的相关关系。

　　地表地形论文投稿刊物：《自然灾害学报》旨在展示我国灾害科学的研究成果，促进自然科学与社会科学在灾害科学方面的结合。刊登各种自然灾害和社会科学在灾害科学方面的结合。刊登各种自然灾害和发生机理、灾害与人类社会的关系及其影响、防灾减灾系统工程等方面的研究论文。读者对象为灾害学研究工作者、防灾减灾专业技术人员及相关专业大专院校师生。

　　5 结 论

　　1)研究区地表变形空间差异大，年变形速率介于-33~15 mm/a，但整个研究区的地表年变形速率均值为-13 mm/a，地表有缓慢下沉趋势。InSAR 监测结果有较高的可信度，与 野外 4 个监测点现场实测数据的平均绝对误差分别为 9.8 mm、7.2 mm、4.3 mm、7.9 mm， 均小于 10 mm。

　　2)在体积含冰量大于30%，年平均地温高于-1°C的多年冻土区，地表变形与影响因素 存在强相关性。在体积含冰量介于10%~30%，年平均地温介于-2 ~-1 °C，活动层厚度大于3 m的多年冻土区，地表变形与影响因素存在较强的相关性。在其他区域，地表变形与影响 因素间的相关性较弱。

　　3)多年冻土区地表变形与体积含冰量存在正强相关关系，简单相关系数和偏相关系数 均值分别为0.61和0.75。多年冻土区地表变形与年平均地温也存在正强相关关系，简单相关 系数和偏相关系数均值分别为0.64和0.70。多年冻土区地表变形与活动层厚度相关性较弱， 简单相关系数和偏相关系数均值约为0.38和0.42。

　　4)总体而言，多年冻土区地表变形与体积含冰量和年平均地温的相关性较强，与活动 层厚度的相关性较弱，且前两者的相关性明显强于后者。

　　参考文献

　　[1] 周幼吾, 郭东信, 邱国庆, 等. 中国冻土[M]. 北京: 科学出版社, 2000 ZHOU Youwu, GUO Dongxin, QIU Guoqing, et al. Geocryology in China[M]. Beijing: Science Press, 2000

　　[2] 张中琼, 吴青柏, 周兆叶. 多年冻土区冻融灾害风险性评价[J]. 自然灾害学报, 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] 刘永智, 吴青柏, 张建明, 等. 青藏高原多年冻土地区公路路基变形[J]. 冰川冻土, 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： 赵 韬 1,2，张明义 1，路建国 1,2，晏忠瑞 1,2