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综合GNSS和重力数据定量评价三峡地区地质环境稳定性

党亚民 王伟 章传银 白贵霞 杨强

党亚民, 王伟, 章传银, 白贵霞, 杨强. 综合GNSS和重力数据定量评价三峡地区地质环境稳定性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1052-1057. doi: 10.13203/j.whugis20170417
引用本文: 党亚民, 王伟, 章传银, 白贵霞, 杨强. 综合GNSS和重力数据定量评价三峡地区地质环境稳定性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1052-1057. doi: 10.13203/j.whugis20170417
DANG Yamin, WANG Wei, ZHANG Chuanyin, BAI Guixia, YANG Qiang. Quantitative Evaluation of Geological Environment Stability in the Three Gorges Area with Continuous GNSS and Gravity Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1052-1057. doi: 10.13203/j.whugis20170417
Citation: DANG Yamin, WANG Wei, ZHANG Chuanyin, BAI Guixia, YANG Qiang. Quantitative Evaluation of Geological Environment Stability in the Three Gorges Area with Continuous GNSS and Gravity Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1052-1057. doi: 10.13203/j.whugis20170417

综合GNSS和重力数据定量评价三峡地区地质环境稳定性

doi: 10.13203/j.whugis20170417
基金项目: 

国家自然科学基金 41474011

国家自然科学基金 41374081

国家重点研发计划 2016YFB0501702

详细信息
    作者简介:

    党亚民, 研究员, 博士生导师, 主要研究方向为大地测量基准和地球动力学。dangym@casm.ac.cn

    通讯作者: 王伟, 博士, 副研究员。wangwei@casm.ac.cn
  • 中图分类号: P208

Quantitative Evaluation of Geological Environment Stability in the Three Gorges Area with Continuous GNSS and Gravity Data

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41474011

The National Natural Science Foundation of China 41374081

the National Key Research and Develop‐ ment Program of China 2016YFB0501702

More Information
    Author Bio:

    DANG Yamin, professor, specializes in geodetic datum and geodynamics.E-mail:dangym@casm.ac.cn

    Corresponding author: WANG Wei, PhD, associate professor. E-mail: wangwei@casm.ac.cn
图(5) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-26
  • 刊出日期:  2020-07-30

综合GNSS和重力数据定量评价三峡地区地质环境稳定性

doi: 10.13203/j.whugis20170417
    基金项目:

    国家自然科学基金 41474011

    国家自然科学基金 41374081

    国家重点研发计划 2016YFB0501702

    作者简介:

    党亚民, 研究员, 博士生导师, 主要研究方向为大地测量基准和地球动力学。dangym@casm.ac.cn

    通讯作者: 王伟, 博士, 副研究员。wangwei@casm.ac.cn
  • 中图分类号: P208

摘要: 采用三峡地区全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)和重力连续观测数据,结合水文气象和地形资料,计算大地高、地面重力等变化,通过与地质灾害事件的空间对比分析确定评价所用的观测要素和权重,对地质环境稳定性进行了定量评价。研究发现,整个三峡地区的地质环境总体上较为稳定,三峡大坝下游地区稳定性普遍较好。但是,库区腹地秭归-云阳段的长江沿岸有5~6处形状及面积不同的局部地段,稳定性较弱;三峡库区外围的房县、镇坪县也存在一些稳定性较弱的地区。所提出的地质环境稳定性定量评价方法和研究结果对于区域地质环境评估和地质灾害防治等具有重要参考价值。

English Abstract

党亚民, 王伟, 章传银, 白贵霞, 杨强. 综合GNSS和重力数据定量评价三峡地区地质环境稳定性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1052-1057. doi: 10.13203/j.whugis20170417
引用本文: 党亚民, 王伟, 章传银, 白贵霞, 杨强. 综合GNSS和重力数据定量评价三峡地区地质环境稳定性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1052-1057. doi: 10.13203/j.whugis20170417
DANG Yamin, WANG Wei, ZHANG Chuanyin, BAI Guixia, YANG Qiang. Quantitative Evaluation of Geological Environment Stability in the Three Gorges Area with Continuous GNSS and Gravity Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1052-1057. doi: 10.13203/j.whugis20170417
Citation: DANG Yamin, WANG Wei, ZHANG Chuanyin, BAI Guixia, YANG Qiang. Quantitative Evaluation of Geological Environment Stability in the Three Gorges Area with Continuous GNSS and Gravity Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1052-1057. doi: 10.13203/j.whugis20170417
  • 地质环境稳定性可理解为在一定类型技术成因作用影响下,地质环境保持其性能和成分、结构、状态不变的能力和强度,或者其在不会引起自然技术体系功能破坏或产生有害生态后果的范围内变化的能力和强度[1]。地质环境稳定性评价能够提供区域整体稳定性情况,为城市建设和规划以及地质灾害防治等提供支持。三峡地区地质灾害频发而且危害严重[2],对该地区地质环境稳定性评价十分必要。

    地质环境稳定性的评价有因子分析法、模糊数学方法、证据权重法等多种方法[3-6]。稳定性评价理论与方法正在不断完善,向着定量化、综合化,并与多种自然科学相融合、交叉的方向发展[7]。目前对于区域地质环境稳定性的评价以定性评价和半定量评价为主,定量评价方面还不够完善。

    全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)连续观测数据来自卫星导航定位基准站(continuously operating reference station,CORS)的观测,主要监测的是地壳形变。区域地壳形变和重力变化是各种动力环境因素的综合响应[8-11]。因此,在缺乏其他信息和调查资料的情况下,地壳形变和重力变化监测成果也能较为准确地反映区域地质环境的稳定性情况。

    本文利用三峡地区GNSS和重力连续观测等数据,在负荷形变影响计算的基础上,通过与地质灾害信息进行时空分析,确定用于地质环境稳定性评价的大地测量观测要素和权重,定量评价了该区的地质环境稳定性。

    • 地质环境稳定性变化情况往往通过地质灾害等信息具体显现,伴随地壳形变和重力变化信息,特别是地下水等负荷影响变化。本文基于负荷形变理论和时变重力场方法,计算区域地壳形变和重力变化时空分布情况,通过大地测量观测大地高、地面重力或垂线偏差随时间的变化频率统计分析,并与整个时间段内的地质灾害事件进行空间对比分析,确定用于地质环境稳定性评价的大地测量要素和权重,从而实现定量评价。

    • 根据负荷形变理论[12],负荷引起的大地高变化可表示为:

      $$ \Delta r\left( {\varphi , \lambda } \right) = G{\rho _w}\frac{{\Delta {h_w}\left( {\varphi ', \lambda '} \right)}}{L}{G^r}\left( \psi \right){\rm{d}}S + \varepsilon $$ (1)

      式中,(φλ)为地面计算点;G为万有引力常数;ρw为水的密度;S为地球表面;Δhw为负荷等效水高变化;(φ'λ')为地面积分流动点;L为流动点到计算点的空间距离;Gr为径向格林函数;ψ为球面角距;ε为随机噪声等微小影响。

      利用重力格林函数替换径向格林函数,可得对应的重力变化。通过构建以大地高变化和重力变化为观测量、以负荷等效水高为待估参数的观测方程,采用适当的参数估计算法,可获得区域地壳负荷形变及地面重力场变化[13-14]

    • GNSS数据来自中国地壳运动观测网络、中国大陆构造环境监测网络和省市测绘勘察部门在三峡地区的26座CORS站观测,采样间隔30 s,利用GAMIT和GLOBEK软件解算获得2010- 01—2015-06坐标日值解,本文采用各站的非潮汐大地高变化。CORS网解算时的地球动力学改正采用IERS2010协议[15],移去了固体潮、海潮负荷、周日和半日大气潮负荷影响[8]

      连续重力观测数据来自国家重力台网中心在三峡地区8座重力台站非潮汐重力变化。采用IERS2010协议,移去了固体潮和海潮负荷影响,忽略周日和半日大气潮负荷影响[16]。CORS站与重力台站点位分布如图 1所示。

      图  1  三峡地区CORS站与重力台站点位分布图

      Figure 1.  Location of CORS Stations and Gravity Stations in the Three Gorges Area

      采用欧洲中期天气预报中心提供的全球大气重分析产品和中国地面气候资料日值数据集中实测大气压数据计算大气负荷影响。利用全球大陆同化系统的土壤水模型采用负荷形变理论,计算土壤水负荷影响。采用资源3号高分辨率影像提取的水体结合水位数据计算每月江河湖库水负荷影响[17-18]

      从CORS站大地高月变化和重力台站非潮汐重力变化中,移去大气、土壤水、江河湖库水负荷影响,按负荷格林函数积分法组成观测方程,联合解算地下水等效水高月变化;然后进一步采用负荷格林函数积分法获得地下水负荷影响[14]。在反演中,采用高斯函数配置平滑系数,以控制收敛速度,采用正则化方法解算法方程。由于负荷形变模型采用了基于时域潮汐分析的空间同化法构建,采用负荷形变动力学方法,同化离散站点处周期项的关键参数,最终能获得一个高分辨率的解。

      将计算的大气负荷影响、土壤水负荷影响、江河湖库水负荷影响、地下水负荷影响进行求和,可获得总环境负荷变化影响。

    • 一段时间内,当某地的地面大地高、地面重力或垂线偏差变化频繁,或变化幅度较大,则该地方的地质环境稳定性必然较低。因此,利用大地测量全要素(如大地高、重力或垂线偏差等)时空变化监测成果,可定量估计监测时间范围内区域地质环境的总体稳定性。

      将各种负荷影响的垂直形变、重力变化与地质灾害事件进行空间上的对比分析。根据各大地测量要素与地质灾害事件空间分布上的一致性,确定选取典型的要素类型,并确定相应的权重关系。此外,考虑到地形对地质环境稳定性的作用,以及重力信息的敏感性,采用扰动重力的局部地形影响。因此,区域地质环境稳定性的定量评价P可表示为:

      $$ P = {q_1}{X_1} + {q_2}{X_2} + \cdots + {q_n}{X_n} + {q_{n + 1}}R $$ (2)

      式中,X1X2Xn为用于评价的大地测量观测要素;q1q2qn + 1为各要素所占的权重;R为扰动重力的地形影响。为了方便数字化表示,可以将稳定性数值统一归算到一定的数值范围内,例如可以归算到[0,10)范围。

    • 利用CORS站和重力台站连续观测数据,采用负荷形变理论,分别计算了2′×2′分辨率的大气负荷影响、土壤水负荷影响、江河湖库水负荷影响、地下水负荷影响,并进行求和,获得总负荷变化影响[14]图 2中是2014年3月、6月、9月和12月相对于2010年11月的总负荷变化对垂直形变的影响。

      图  2  总负荷变化对地壳垂直形变的影响(相对2010年11月)

      Figure 2.  Influence of Total Load Change on Vertical Crustal Deformation (Relative to November 2010)

      结合地质灾害的空间分布情况,在区域的边缘地质灾害发生较少,可认为边缘稳定性相对较好,并且考虑到边缘效应,因此重点选择了106°~ 112°E、28.5°~32°N的研究范围进行了地质环境稳定性评价。

      将各种负荷影响的垂直形变标准差、重力变化标准差与研究区域内2011-01—2015-06发生并可收集到的地质灾害事件进行空间上的对比分析,不包括用于稳定性检测验证的2013年5月‒7月的地质灾害。图 3是彭水CORS站(PESH)附近地质灾害与地壳形变和重力变化情况。2012年5月‒6月及2013年7月,PESH站30 km范围内发生5起滑坡或危岩灾害,灾害发生时PESH站大地高都接近局部极大,重力接近局部极小。

      图  3  彭水站(PESH)附近地质灾害与地壳形变情况

      Figure 3.  Geological Hazards and Crustal Deformation near PESH CORS Site

      地质环境稳定性变化变低的地壳及重力场形变响应存在地面大地高变化率增大、地面重力变化率减小等典型特征。根据一致性情况确定选取总负荷地壳垂直形变、地下水负荷重力变化用于具体定量评价。地质环境在物质基础上主要由岩土环境和地下水环境系统构成,它们之间有着密切的依存关系和相互作用[19]。通过对比发现,用于评价的这两种要素体现了区域地壳形变和重力变化的典型特征,其他负荷影响因素的变化表现不明显,这也是选择评价要素的原因。

      由研究范围内2011-01—2015-06期间总负荷地壳垂直形变,统计每个格网点月垂直形变总负荷影响标准差。由地下水负荷重力变化统计每个格网的标准差。利用空间分辨率为90 m的SRTM(shuttle radar topography mission)数据计算扰动重力的局部地形影响,如图 4所示,并统计标准差。

      图  4  扰动重力的局部地形影响

      Figure 4.  Local Terrain of Disturbing Gravity

      考虑到重力变化相对于地壳形变的敏感性,以及地形对滑坡、泥石流等的重要作用,对总负荷垂直形变、地下水负荷重力变化、扰动重力局部地形影响分别配权4、2和4,保证了区域结果与地质灾害分布情况很好的吻合,配权情况如表 1所示,其他地区的地质环境稳定性变化评价可按照这个比例关系并根据实际发生地质灾害的情况进行微调。

      表 1  用于评价的大地测量观测要素标准差和权重

      Table 1.  Standard Deviations and Weights of Geodetic Survey Used for Evaluation

      数据类型 标准差最大值 标准差最小值 配权
      总负荷垂直形变 8.995 7 3.611 8 4
      地下水负荷重力变化 24.203 1 1.893 0 2
      扰动重力局部地形影响 38.571 9 0.155 7 4

      将总负荷垂直形变、地下水负荷重力变化、扰动重力局部地形影响乘以相应的权值,然后求和,并归算到实数区间[0,10),用于量化稳定性评价,如图 5所示。

      图  5  三峡地区地质环境稳定性大地测量定量评价

      Figure 5.  Quantitative Assessment of Geological Environmental Stability in the Three Gorges Area by Geodesy

      图 5中数值越小的地方,表示该地方在2011- 01—2015-06期间地质环境稳定性状态变化越小,可认为该地附近总体上是稳定的,反之,总体的稳定性较差。

      图 5中可以发现,整个三峡库区的地质环境总体上较为稳定,与其他学者利用断层信息在该区地壳稳定性的分析一致[20]。利用2013年5月—7月三峡地区能收集到的19起地质灾害事件对稳定性变化评价结果进行验证,除了一起崩塌,其他都和预期结果一致。不同于因子分析法中采用的地震、沉降和断层等多种类型要素[3, 21],本文采用的是大地测量观测要素。大地测量监测的是地质环境稳定性变化对各种动力环境因素的综合响应。因此,在缺乏其他信息和调查资料的情况下,大地测量监测成果也能较准确地评价地质环境的稳定性。本文的地质环境稳定性评价着重于从负荷形变特征上进行,实现定量评价。

      三峡大坝下游地区地质环境稳定性普遍较好,但库区腹地秭归―云阳段的长江沿岸有5~6处形状及面积不同的局部地段,地质环境较弱,三峡库区外围的房县、镇坪县也存在一些地质环境稳定性较弱的地区。

      三峡地区地质环境稳定性评价成果代表了2011‐01—2015‐06期间三峡库区地质环境稳定性的总体统计性质,刻画了这段时间内三峡库区地质环境稳定性的空间分布结构,可为区域建设规划提供支持。

    • 本文利用GNSS和重力连续观测时间序列成果,定量评价了三峡地区地质环境稳定性情况。基于GNSS和重力连续观测数据能够有效揭示区域环境负荷变化,在与地质灾害事件等对比分析的基础上,可以确定用于区域地质环境稳定性评价的大地测量观测要素和权重,实现定量评价。整个三峡地区的地质环境总体上较为稳定,三峡大坝下游地区地质环境稳定性普遍较好,长江沿岸部分地质环境稳定性较弱。本文研究成果进一步拓展了大地测量数据的应用,能够丰富地质环境稳定性的评价方法,为区域地质灾害防治、城市规划提供支持。

参考文献 (21)

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