基于SBAS-InSAR的新疆呼图壁地下储气库地表形变研究

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地下储气库(Underground Gas Storage,UGS)的建造旨在满足战略性天然气储备和季节性用气调峰等需要。储气库周期性注采气会造成地下圈闭内部压强的增大和减小,进一步改变上覆地层应力状态,最终引发地表变形。为确保工程安全、稳定、可持续运行,对其进行地表形变监测并研究相关影响因素十分必要。依靠测量点密度较高的优势,研究人员运用合成孔径雷达差分干涉(Differential Synthetic Aperture Rader Interferometry,D-InSAR)技术进行地面监测,精度得到了水准、全球定位系统(Global positioning system,GPS)等测量方式的验证。储气库的地表形变特征是非线性的,影响因素也较多,如储气库注采气、地下水抽取、地质构造、地表热胀冷缩等;且其变形缓慢量级微小。这些特性使得D-InSAR技术不能较好适用于储气库地表形变监测。欧洲航天局(European Space Agency,ESA)开展的Sentinel-1任务,通过短时定期获取SAR数据,极大改变了 SAR数据的可用性。时序InSAR技术如永久散射体差分干涉(Permanent scatterer InSAR,PS-InSAR)和小基线集差分干涉(Small Baseline Subset InSAR,SBAS-InSAR)的发展提高了 InSAR技术监测精度。数据的提升(时间分辨率、空间分辨率、可选择性和可获得性等)以及技术的进步使得监测储气库微小循环波动形变成为可能。为了有效地监测新疆呼图壁地下储气库时序形变,搜集时间范围为2017年3月至2019年5月;空间范围覆盖储气库的27景Sentinel-1A SAR影像并采用SBAS-InSAR技术获取储气库地表雷达卫星视线向(Line ofsight,LOS)形变信息,分析总结形变时空分布特征,并探究造成分布特征差异的影响因素。为验证SBAS-InSAR监测精度,引入TOUGH2-FLAC3D程序模拟注采气时气体运移引发地下储气库内压强改变,进而改变地层应力并造成地表形变过程,并把模拟结果和监测结果进行对比。主要研究成果如下:(1)利用SBAS-InSAR技术完成对呼图壁地下储气库第五和第六运行周期地表形变监测,获取影像时间序列上的累积形变:第五周期注气阶段地表逐渐抬升,并在2017年9月达到峰值约30mm,随后抬升量明显减小;西北向大部分区域存在约30mm的靠近卫星视线方向运动,东南向末端抬升不明显;第六周期注气阶段抬升量小于第五周期。第五周期采气阶段地表逐渐下沉,并在2018年02月25日达到峰值约10mm,随后沉降量缓慢减小;地表下沉主要集中在储气库东南侧北部;第六周期采气阶段地表沉降趋势和第五周期相似。(2)通过对储气库时序累积形变的分析,发现空间分布具有差异性,因此将储气库划分为A、B和C三个子区域探究形变规律,查明储气库形变分布差异的影响因素。储气库在时间序列上具有注气阶段抬升、采气阶段沉降的地表变形特征;空间分布上,储气库西侧卫星视线向抬升大于东侧,注气时地表抬升响应也较为迅速;而离灌溉井近区域地表抬升量明显减小。分析发现储气库区域地表形变是注采气与地下水抽取综合作用的结果。(3)为验证SBAS-InSAR监测精度,利用TOUGH2-FLAC3D程序模拟储气库由注、采气引发的地表形变。将各个子区域均值模拟形变结果与监测结果对比,发现监测值与模拟值量级整体变化趋势较相符。
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