0.   引言

地面变形对工程建设安全稳定具有一定影响，对工程建设规划、地质灾害防治等具有重要意义。地面变形剧烈地面稳定性下降，若遇到极端天气、潮汐大潮等动力环境异常情况，容易诱发地质灾害。因此，对区域地面变形监测和地面稳定性变化的定量分析意义重大。

对于地面形变监测，有水准复测、GNSS监测网和InSAR监测等技术和手段^[1]。水准复测技术简单，但工作量大、复测周期长。GNSS监测网以点监测为主，在面监测上还有不足。InSAR监测具有大覆盖、高分辨率的特点，但技术要求高、花费成本较高。对于稳定性的定量研究方面，有因子分析法、模糊数学方法、证据权重法等多种方法，考虑的影响因素也有不同，使定量分析评价结果产生差别^[2-5]。稳定性分析和评价正在不断完善，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^[6]。随着观测手段和观测技术的提高，地面稳定性变化的动态监测将成为可能，为灾害分析和预测等提供更好的支持^[7-8]。气候和地球表层水文环境的改变，引起地面形变和重力变化，可导致区域地面稳定性变化。地面形变和重力变化等是各种动力环境因素的综合响应，监测分析地面形变和重力变化等情况，并建立与地面稳定性的量化关系，就可定量分析地面稳定性变化。

卫星导航定位基准站（Continuously Operating Reference Station, CORS）可以实现对站点的地面形变进行连续观测。利用CORS网连续GNSS（Global Navigation Satellite System）观测成果，结合大气、地表水和海平面变化观测资料，可实现区域地面形变及重力变化等的高精度连续监测^[9-11]。本文利用CORS网连续观测，实现区域地面形变场和重力场变化监测，通过与地质灾害信息进行时空分析，确定用于地面稳定性变化分析的要素和权重，进而定量分析地面稳定性变化。

1.   方法和数据

1.1   基于CORS网的区域地面形变场和重力场变化监测

CORS网连续观测解算得到的是各站点的大地高变化，如果直接进行数据拟合内插只能获得区域大地高变化结果，而且分辨率和精度比较低。受大陆水、大气压及海平面变化等地表负荷变化影响，CORS站点的大地高随时间变化。根据固体地球负荷形变理论，负荷引起的大地高变化满足负荷格林函数积分^[12]。

式中：${H}_{{\rm{t}}}$—计算点处的地面大地高变化；

$\;{\rho }_{{\rm{w}}}$—水的密度；

${h}_{{\rm{w}}}$—等效水高度变化；

$ {G}^{r}\left(\varPsi \right) $—地面径向负荷格林函数；

$ \varPsi $—球面角距；

S—地表面积。

以CORS站网大地高变化为观测量，通过动力学同化和参数估计算法，可求解地面负荷等效水高变化。有了地面等效水高变化，就可按负荷形变理论，计算区域地面大地高、正常高、重力和地倾斜等各种大地测量参数的负荷影响变化。为了提高区域形变场监测的空间分辨率和可靠性，可进行大气和土壤水等已知负荷的移去恢复，利用残余大地高作为观测量进行计算^[10]。

1.2   定量分析区域地面稳定性变化的方法

一段时间内，当某地的地面大地高、地面重力或地倾斜变化频繁，或变化幅度较大，则该地方的稳定性必然较低^[7]。大地高变化主要反映了垂直方向上的地面形变，空间作用范围较大，随距离成反比衰减。重力变化主要受计算点距离较近地表负荷影响，时间上比较敏感。地倾斜变化是不同方向上变化情况的反映。因此，综合利用大地高、重力或地倾斜等的时空变化监测成果，可定量估计监测时间范围内区域地面稳定性变化。

将各种负荷影响的大地高变化、重力变化和地倾斜变化等与地质灾害事件进行空间上的对比分析。以地面稳定性降低与已有地质灾害事件的一致性为优化目标，确定选取典型的要素类型，并确定相应的权重关系。因此，区域地面稳定性变化的定量评价P可表示为：

式（2）中${X_1},{X_2}, \cdots ,{X_n}$为用于评价的大地测量观测要素，${q_1},{q_2}, \cdots ,{q_n}$为各要素所占的权重。

2.   结果与分析

本文利用浙江东南部38座CORS站网2015—2017年的连续观测数据，结合大气压数据、土壤水模型数据和海平面月变化格网时序，在分离CORS站大地高线性变化基础上，利用格林函数积分方法，计算大气、土壤水和海平面变化的模型负荷影响^[10]。采用已有负荷移去恢复法，利用公式（1）计算等效水高，进一步计算重力变化和地倾斜变化，获得地面大地高变化、重力变化和地倾斜变化向量格网时序，空间分辨率为2′×2′，时间分辨率为1月。

地表总负荷变化对地面大地高变化、重力变化、地倾斜的影响如图1所示。图1中的一些细线和虚线分别是河流和地理区划。图1（a）（b）是大地高变化，在2月份大地高变化普遍大于0，8月份普遍小于0，主要受降水影响，沿海地区受海平面变化影响明显。图1（c）（d）是地面重力变化，半年的变化量约在15 μGal。图1（e）（f）是地倾斜变化情况，箭头方向代表地倾斜的水平方向，颜色代表了地倾斜的大小。

图  1  负荷变化对大地高、地面重力和地倾斜变化的影响

Figure  1.  Effect of loading changes on ground height, ground gravity and ground tilt

下载: 全尺寸图片 幻灯片

综上所述，利用CORS网GNSS连续观测，可实现地面变形面的观测，有负荷形变理论，可进一步获得地面负荷重力变化和地倾斜变化等。利用地面形变监测各种量的变化情况，可对地面稳定性变化进行评估。

根据不同负荷形变计算公式和性质，大地高变化、地面重力变化或地倾斜变化，对检测地面稳定性变化的敏感性，无论在时间还是空间上，都存在较大差别。例如，重力变化量在时间上敏感，可以快速捕获地面稳定性变化信号，但由于其有效作用范围随距离平方成反比衰减，不利于确定稳定性变化的空间范围；而大地高变化的有效作用范围，根据负荷形变理论，仅随距离成反比衰减，在确定稳定性变化范围时远比重力变化量有效，但在时间上的敏感度又低于重力变化量。为了提高CORS站网地面稳定性变化监测水平和可靠性，本文综合CORS站网监测的地面大地高变化、地面重力变化和地倾斜变化格网时间序列进行定量分析。

根据大地高、地面重力和地倾斜的以上时空特点，最终选取以下6个观测要素构建地面稳定性变化定量辨识准则：①地面大地高增大；②地面重力减小；③地倾斜由某点向外发散；④地面高程变化梯度较大；⑤地面重力变化梯度较大；⑥地倾斜变化方向在地形坡度方向的投影较大。

以该地区部分地质灾害事件发生的时间和发生位置为参考，通过区域大地高变化和重力变化等的时空特点，与地质灾害在时间和空间上的对比分析，以地面稳定性降低与已有地质灾害事件的一致性为优化目标，调整各种观测要素之间的权比关系，最终确定了区域的地面稳定性变化情况，如图2所示。

图  2  浙江东南部地面稳定性变化

Figure  2.  Changes of ground stability in southeastern of Zhejiang Province

下载: 全尺寸图片 幻灯片

地面稳定性变化格网时序，反映了地面稳定性变化的当前态势，以及不同位置上当前态势之间的空间差异。图2中彩色对应不同的数值。图2中数值越大，稳定性越低；数值增大，稳定性降低。不同月份的地面稳定性变化，用于反映当前时刻地面稳定性变化随时间的累积效应，以及不同位置上累积效应之间的空间差异。如图2（c）所示，丽水市中心左下方存在数值较大明显区域，是地面稳定性变化较大区域。

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，本文采用的是大地测量观测要素，以地面变形监测资料为主，在地面形变场监测基础上开展。大地测量监测的是稳定性变化对各种动力环境因素的综合响应。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为准确地分析评价稳定性变化。

3.   结论

利用CORS网连续观测，实现了区域地面大地高、地面重力和地倾斜变化监测，通过与部分地质灾害信息进行时空分析，确定用于地面稳定性变化分析的要素和权重，进而分析地面稳定性变化。研究发现利用CORS网GNSS连续观测，综合大气、地表水和海平面变化等资料，可实现地面变形面的监测，获得大地高变化、重力变化和地倾斜变化等量。

地面大地高增大、地面重力减小、地倾斜由某点向外发散、地面高程变化梯度较大、地面重力变化梯度较大、地倾斜变化方向在地形坡度方向的投影较大，这6种观测要素可以有效建立地面稳定性变化的准则。根据构建的稳定性变化准则，实现地面稳定性变化的定量监测。

本监测方法在浙江东南部地区进行了测试验证，获得了较好的效果。利用CORS网和连续观测技术能够监测地面变形面的变化，定量分析区域地面稳定性变化情况，可为区域规划和地质灾害防治提供技术支持。