Мониторинг оседаний

Мы выполняем мониторинг оседаний и деформаций земной поверхности методом спутникового InSAR в масштабе целых регионов: от истощения водоносных горизонтов под сельхозугодьями и городами до естественного уплотнения грунтов и карстовых провалов. Наша работа показывает, где земная поверхность оседает, с какой скоростью и как картина оседаний менялась с годами, на территориях, слишком обширных для наземных наблюдений.

Где InSAR приносит пользу

Ситуация	Что даёт спутниковый InSAR
Оседание из-за откачки	Выявить оседание в масштабе всего бассейна
Сезонные колебания уровня подземных вод	Отделить обратимую упругую составляющую
Долговременное истощение водоносного горизонта	Определить постоянное неупругое уплотнение
Риск карстовых провалов	Выявить медленные деформации, предшествующие провалу

Оседание из-за откачки подземных вод и истощения водоносных горизонтов

Когда воду откачивают из водоносного горизонта быстрее, чем он восполняется, мелкозернистые отложения между водоносными слоями уплотняются и поверхность оседает, часто на протяжении десятков и сотен километров и нередко на сельхозугодьях и заросшей местности, где пунктов традиционной съёмки мало. Отбор подземных вод является одной из основных причин оседаний земной поверхности в мире, и значительная часть этих оседаний необратима: там, где мелкозернистые слои уплотняются неупруго, утраченное поровое пространство и ёмкость водоносного горизонта не восстанавливаются даже при подъёме уровня воды. Независимые общенациональные исследования InSAR показали, насколько широко распространилось это постоянное неупругое уплотнение. Спутниковый InSAR особенно хорошо подходит для таких региональных оседаний на больших территориях: он измеряет весь контур оседающего бассейна, отличает быстрее оседающие участки от участков с малыми или неизмеримыми смещениями и отслеживает, как картина оседаний реагирует на засуху, откачку и восстановление на протяжении многих лет.

Эти данные также позволяют различить два типа поведения, важные для управления. Сезонные поднятия и опускания поверхности при пополнении и сработке водоносных горизонтов в основном упругие и обратимые; устойчивый долговременный нисходящий тренд указывает на неупругое уплотнение и необратимую потерю ёмкости. Возможность видеть и то, и другое в одном временном ряду делает InSAR практичным инструментом управления подземными водами, проверки эффективности искусственного пополнения водоносных горизонтов и документирования опасности оседаний в региональном масштабе. Среди наших опубликованных работ есть InSAR-анализ деформаций земной поверхности, связанных с добычей природных ресурсов и подземных вод в Западно-Канадском осадочном бассейне, и трёхмерное картирование скоростей смещения поверхности в бассейне Серро-Прието (Мексика).

Естественное оседание земной поверхности

Не все оседания вызваны откачкой. Земная поверхность оседает из-за естественного уплотнения и окисления слабых или органических грунтов, например торфа, из-за просадки рыхлых отложений при их первом замачивании и из-за растворения легкорастворимых пород, приводящего к образованию провалов в карстовой местности. Эти движения могут быть медленными и оставаться незамеченными, пока не затронут здания, дороги или инженерные сети, а в случае карста могут проявиться внезапно. Спутниковый InSAR позволяет выявлять естественные оседания на больших территориях и показывает, где сосредоточено движение, а на закарстованных территориях показывает, где медленное прогибание поверхности может предшествовать провалу. Поскольку приборы не нужны, метод помогает картировать опасность там, где наземной сети нет.

Оседание из-за промышленной деятельности

Оседания вызывают также добыча полезных ископаемых и подземные работы. Эти темы рассмотрены на отдельных страницах. Оседание поверхности над горными выработками рассмотрено на странице о мониторинге деформаций на горных предприятиях, а оседание, связанное с разработкой залежей и добычей, рассмотрено на странице о мониторинге деформаций земной поверхности в нефтегазовой отрасли. В основе всех этих услуг лежат одни и те же спутниковые измерения; различаются условия и задачи.

Что даёт программа мониторинга оседаний

Программа мониторинга оседаний включает карту скоростей оседания по всему бассейну или интересующей территории; временной ряд смещений для каждой точки измерений, позволяющий проследить движение у отдельной скважины, в населённом пункте или на сооружении; разделение сезонной и долговременной составляющих сигнала; и, если доступны подходящие восходящие и нисходящие геометрии съёмки, разделение вертикального и восток-западного движения, а данные GNSS позволяют ограничить и другие составляющие. Результаты предоставляются в виде ГИС-слоёв для работ по управлению подземными водами и планированию и могут обновляться по мере поступления новых радарных съёмок. Спутники C-диапазона обеспечивают охват больших территорий, L-диапазон повышает надёжность на густо заросшей местности, а исторический архив позволяет проследить картину за прошедшие десятилетия.

Почему спутниковый InSAR для мониторинга оседаний

Оседание земной поверхности является проблемой больших территорий, а спутниковый InSAR создан именно для больших территорий. Ему не нужны приборы на местности: он охватывает целые бассейны и муниципальные образования сразу и опирается на многолетний архив, показывая развитие оседаний во времени, а не единичный снимок состояния. Он часто может работать в сельской местности и на территориях с растительностью, где наземные сети редки, в зависимости от густоты растительности, сезона и длины волны. Поскольку нашей обработке методом малых базовых линий когерентность нужна только между близкими по времени съёмками, она может восстанавливать оседания на заросших территориях и в сельской местности, где подходы, опирающиеся только на постоянные рассеиватели, могут давать ограниченный охват; кроме того, для калибровки ей не нужна плотная сеть постоянных станций GNSS, поэтому она работает даже там, где геодезических пунктов мало. Наши методы основаны на рецензируемых исследованиях, опубликованных в международных журналах по дистанционному зондированию. Интеграция с GNSS для восстановления самых длинноволновых составляющих сигнала, независимая проверка и подготовка отчётности для надзорных органов доступны по запросу. Мониторинг оседаний входит в число наших услуг мониторинга, наряду с мониторингом горных предприятий, дамб хвостохранилищ, оползней и склонов, инфраструктуры и нефтегазовой отрасли.

Часто задаваемые вопросы

Чем вызваны оседания земной поверхности, которые может измерить InSAR?

Чаще всего откачкой подземных вод и истощением водоносных горизонтов, а также естественным уплотнением слабых или органических грунтов, просадкой при замачивании и провалами в карстовой местности. Оседания из-за горных работ и нефтегазодобычи рассматриваются на отдельных страницах.

Насколько большую территорию можно наблюдать?

Целые бассейны, водоносные горизонты и муниципалитеты. Спутниковый InSAR рассчитан на региональный охват, что является его главным преимуществом перед точечными наземными наблюдениями за оседаниями.

Обратимо ли оседание из-за откачки подземных вод?

Часто лишь частично. Сезонные поднятия и опускания поверхности в основном обратимы, но длительная чрезмерная откачка необратимо уплотняет водоносный горизонт и снижает его ёмкость. Временные ряды InSAR показывают, какая часть движения носит сезонный характер, а какая представляет собой постоянный долговременный тренд.

Работает ли метод на сельхозугодьях и заросшей местности?

Часто, в зависимости от густоты растительности, сезона, длины волны и геометрии съёмки. Обработка по распределённым рассеивателям и методом малых базовых линий, а также радар L-диапазона с большей длиной волны выбираются именно для того, чтобы улучшить охват в сельской местности и на территориях с растительностью, где геодезических пунктов мало.

Можете ли вы показать, как оседание менялось со временем?

Да. Многолетний спутниковый архив позволяет восстановить прошлые движения и отследить, как оседание реагирует на засуху, откачку и восстановление, а не только измерить текущую скорость.

Как ведётся мониторинг оседаний со спутников?

Повторные радарные снимки одной и той же территории сравниваются, чтобы измерить, как сместилась поверхность между пролётами. Совместная обработка снимков за годы даёт карту скоростей оседания и временной ряд в каждой точке измерений без геодезических реперов и приборов на земле.

Какие существуют методы мониторинга оседаний и почему выбирают спутниковый InSAR?

Нивелирование, станции GNSS и экстензометры точно измеряют несколько точек; спутниковый InSAR измеряет весь бассейн или город сразу, многократно, по уже существующим снимкам. В большинстве программ эти методы сочетаются: InSAR для охвата и истории, наземные точки для абсолютной привязки там, где она нужна.

Это то же самое, что Европейский сервис движения земной поверхности (European Ground Motion Service) или аналогичный национальный сервис?

Нет. Эти свободно доступные продукты дают общеконтинентальный или национальный охват с фиксированным разрешением и циклом обновления и подходят для первичной оценки. Мы выполняем программы под конкретный объект в любой точке мира, с нужным объекту разрешением, с проверкой по наземным данным, с индивидуальными опорными точками и интерпретацией, а публичные сервисы используем как контекст там, где они есть.

Что такое оценка риска оседания?

Карта того, где земная поверхность оседает, с какой скоростью, ускоряется ли оседание и какие объекты находятся в зоне оседания, построенная по спутниковым данным и, где доступны, по данным GNSS и нивелирования. Используется для определения очерёдности осмотров, принятия страховых решений и управления подземными водами.

Обсудите с нами ваш проект: пришлите местоположение или координаты объекта и расскажите, что именно необходимо оценить. Мы можем проверить доступные спутниковые данные, определить глубину архива и обсудить, какую информацию может дать программа InSAR-мониторинга. Свяжитесь с нами.