引言

青藏高原是世界上海拔最高的高原，也是世界上最大的低纬度多年冻土区。由于其独特的地理位置和海拔高度，青藏高原中的多年冻土具有较高的年平均地温（MAGT），并且正在经历严重退化。

随着多年冻土地区经济的迅速发展，青藏铁路工程走廊内建设了青藏铁路、青藏公路等多个大型工程。在气候变暖和人类活动的共同影响下，青藏铁路工程走廊沿线多年冻土的MAGT升高也将加速多年冻土退化，并造成融沉、融滑、湖泊扩张等地质灾害，这将对多年冻土工程的稳定性造成严重损害。因此，全面评估青藏铁路工程走廊潜在的冻土融沉降危险至关重要。

传统测量技术

传统的大地测量技术，如水准测量和全球导航卫星系统，可用于高精度地监测青藏铁路工程走廊的地表变形情况。然而，在进行大范围测量时，会受到人力、物力等限制。

危险性制图

危险性制图可以表示特定危害的空间分布，以识别区域当前或未来可能发生的危险，该方法已成功应用于阿拉斯加和加拿大等高纬度多年冻土地区的当地基础设施。

研究区与数据集

研究区介绍

青藏铁路工程走廊位于青藏高原中部，北起格尔木，南至拉萨，全长约1,100 km，宽度为10 km。走廊内已经建设了许多重要的线性项目，如青藏铁路、青藏公路、格拉萨输油管道、兰西拉光纤电缆和青藏输电线路。

本文研究区位于青藏铁路工程走廊的多年冻土区，即从安多至西大滩。研究区内GAMT均值为-0.74 °C，研究区的安多和西大滩路段以及中部（开心岭至北麓河）的MAGT较高。

研究区域大部分位于高含冰量多年冻土区，20%以上的研究区是高温富冰区，存在较大的冻土融化沉降危险。

研究区域地图

数据集介绍

数据 类型 时间/年 来源
Sentinel_1A SAR数据 2017.03-2018.06 https://search.asf.alaska.edu
DEM 栅格数据 2017 https://www.earthdata.nasa.gov
NDVI 栅格数据 2017 中国科学院资源与环境科学与数据中心
植被类型 栅格数据 2017 中国科学院资源与环境科学与数据中心
MAGT 栅格数据 2000-2015 http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/

研究方法

方法流程

多因子指数方法流程

本文方法的主要步骤为：

  1. 利用InSAR技术获取高精度的研究区地面形变，主要包括SAR图像配准、差分干涉图生成、相位滤波、相位解缠、形变速率和DEM误差反演和大气相位估计
  2. 计算并分析研究区的静态地质灾害指数，对容许承载力指数、危险区指数和融沉指数这3个指数分别进行计算以便后续使用
  3. 利用层次分析法将静态地质灾害指数与动态形变数据相结合来构建融沉风险评估体系，并使用地理信息系统平台得到多因子指数评估结果

多年冻土地表形变

在青藏高原区域，由于其地表植被覆盖会随着气温的变化而产生明显的季节性变化，在干涉处理中极容易引起干涉失相干的现象，因此为了减小失相干的影响，本文采用SBAS-InSAR技术方法来获取冻土区地表形变。

SBAS-InSAR技术的流程如下：

  1. 在所有SAR图像中选择一幅影像作为主影像，将其余影像配准到主影像上
  2. 生成时间基线小于100 d且空间基线小于150 m的干涉对，再基于干涉对生成干涉图
  3. 使用Goldstein滤波方法来抑制干涉相位的噪声
  4. 利用最小二乘法反演形变速率和DEM误差
  5. 使用空间低通三角滤波和时间高通线性滤波来估计大气相位

地质灾害指数

容许承载力指数

容许承载力（Ia）的定义是在工程建设的容许范围内具有足够安全性和形变控制的基础承载力。当多年冻土温度升高时，多年冻土的容许承载力将降低，多年冻土不断变化的状态将对工程基础设施构成威胁。

土壤类型 容许承载力
I: 卵石、碎砾石土 -0.3959MAGT+0.6092
II: 砾砂和粗砂 -0.3021MAGT+0.4954
III: 中砂、细砂、粉土 -0.3021MAGT+0.3454
IV: 黏土、亚黏土和砂壤土 -0.1979MAGT+0.3046
V: 含土冰层 -0.1MAGT+0.05

注：MAGT为年平均地温

危险区指数

危险区指数 (Ir)使用裸岩、地表土壤类型、土壤含冰量、ALT数据计算得到。在工程背景下，冻土融化对裸露基岩的影响较小。

危险区判定流程

根据计算流程，该模型通过全球土壤厚度产品识别出暴露的基岩区域，并将裸露的基岩区域归类为低危险区域。对于不同的土壤类型，砾石/沙属于低敏感性，淤泥/黏土属于高敏感性。

融沉指数

融沉指数（Is）由Nelson等首次提出，并作为无量纲指数应用于北半球多年冻土区冻土融沉风险评价。融沉指数通过VIC和∆ALT这2个极具代表性的冻土参数的乘积来反映冻土融沉风险情况。

Is = VIC × ∆ALT

式中：Is为融沉指数；VIC为冻土含冰量；∆ALT为活动层厚度变量量，在本文中指2017-2018年活动层厚度的相对变化量。

层次分析法

层次分析是多准则决策中使用最多的方法之一，该方法通过将决策问题分解成一系列层次结构，从而将复杂的决策问题转化为一系列简单的子问题。

1. 构造比较矩阵

根据各指标的重要性程度，建立比较矩阵。若矩阵中的数值用aij表示，则其含义为指数i优于指数j的程度。

2. 计算特征向量

矩阵的特征向量即为指标的权重。

3. 检查一致性

为确保所构建矩阵的一致性，需计算一致性指数(CI)和一致性比率(CR)。

定义描述 aij的数值
同等重要 1
稍微重要 3
明显重要 5
强烈重要 7
极端重要 9

多因子指数的构建

在本研究中基于AHP将传统地质灾害指数与地表形变进行结合，得到的新指数考虑了多年冻土融沉过程的动态变化，可提高评估结果的准确度。

为了构建比较矩阵，需对不同地质灾害指数的重要性进行判断。上述提到的3种地质灾害指数共涉及到6种驱动因子，分别是容许承载力（土壤类型、MAGT），危险区指数（裸岩、土壤类型、土壤含冰量、ALT）和融沉指数（土壤含冰量、∆ALT）。

6种地表融沉驱动因子对形变速率影响的重要性从高到低，分别是土壤含冰量、土壤类型、裸岩、ALT、和MAGT，除了MAGT的重要性外，其他因素的重要性与多年冻土稳定性的理解一致。

权重 形变 危险区指数 融沉指数 容许承载力指数
百分比 56% 26% 13% 5%

结果与分析

地表形变速率

使用SBAS-InSAR方法处理得到研究区的地表形变结果如图6。研究区的形变速率分布跨度较大，抬升最高值达到43 mm/y，最大沉降量为-60 mm/y，研究区地表平均形变速率为-7 mm/y。

青藏铁路工程走廊大部分表现出相对稳定的状态，形变速率小于-10 mm/y。其中沱沱河、开心岭、风火山、北麓河、五道梁等地区沉降形变速率较大，沉降形变速率较大的区域的分布结果与之前的学者研究结果一致。

研究区形变速率图

3种地质灾害指数评估结果

根据3种地质灾害指数的计算方法得到的工程走廊危险评估结果 。

3种地质灾害指数的融沉危险评估结果
指数 低危险区 中危险区 高危险区
容许承载力指数 41% 31% 28%
危险区指数 55% 25% 20%
融沉指数 66% 29% 5%

讨论

地质灾害指数和地表形变速率都是冻土融沉风险评估的工具，二者从不同的角度开展评估工作。3个地质灾害指数常被用来描述多年冻土的静态信息，而地面形变速率则可以反映多年冻土的动态变化。

指数 R值 P值
容许承载力指数 -0.069 0.00 (<0.01)
危险区划指数 0.114 0.00 (<0.01)
融沉指数 0.072 0.00 (<0.01)

危险区指数与形变的相关性是最高的，地质灾害指数与形变之间的相关系数（R值）较低，这表明地质灾害指数和地面形变是从不同的角度评估冻土融化，且二者之间存在一定的独立性。3个地质灾害指数与形变之间的相关性非常显著（P值<0.01），这说明指数与形变之间仍存在一定的相关性，且具有统计学意义。

多因子指数有效性的验证

目前，专家学者们已提出多种地质灾害指数来评估多年冻土的融沉风险。为了进一步验证所提出的多因子指数评估的可靠性，将多因子指数与最新的地质灾害指数结果进行对比。

两种不同危险评估指数方法及冻土地表形变结果对比

多因子指数和综合指数在研究区的低危险区域占比较为一致，都占有60%左右。但是在高危险地区，多因子指数的高危险区占比为22%，要高于综合指数的18%。

虽然综合指数的高危险区主要集中在北麓河和沱沱河区域，这与形变结果中呈现出较大沉降量相吻合，但是在同样发生较大沉降形变的楚玛尔河和五道梁地区，综合指数并未很好地将其中或高危险区域。而在多因子指数的评估结果中，楚玛尔河和五道梁地区的评估结果为高危险，这与形变结果较吻合。

四处高危险区域放大图

多因子指数的局限性

数据限制

受到MAGT和ALT数据的分辨率限制，多因子指数的空间分辨率不高（1 km），使用更高空间分辨率的数据可以提高危险评估结果的准确性。

时间尺度不一致

本研究所使用的形变速率数据的观测期为2017-2018年，而∆ALT的观测期为2009-2018年，二者在时间尺度上的不一致会导致结果的不确定性。

总结

为了更全面、更准确地评估青藏铁路工程走廊的冻土融沉风险，提出了一个综合地表动态形变和3种静态地质灾害指数的多因子指数模型，运用提出的方法对青藏高原冻土工程走廊冻土融沉分析进行评估，对该模型的可靠性进行了深入分析。

主要结论

  1. 使用SBAS-InSAR处理得到研究区的形变速率结果，形变速率分布跨度较大，抬升最高值达到43 mm/y，最大沉降量为-60 mm/y，整个研究区地表平均形变速率为-7 mm/y。
  2. 与基于多种地质灾害指数的综合指数的评估结果对比，综合形变的多因子指数在唐古拉和楚玛尔河两地的评估效果较好，更符合实际情况。
  3. 结果显示研究区约22%的区域被划分为高危险地区，且大部分集中在楚玛尔河至风火山，与收集的青藏铁路工程走廊沿线的热融滑塌数据结果一致。

研究展望

后续可将多因子指数方法应用至整个青藏高原的多年冻土区。此外，结合现有的危险评估指数和其它多种防灾工具也是未来值得深入研究的方向之一。