揭示差异：雅鲁藏布江中游河谷地区人类活动与自然条件对地表变形的影响分析

《Environmental and Sustainability Indicators》：Unveiling disparities: a surface deformation analysis influenced by the human activities and natural conditions in the middle Yarlung Zangbo River Valley

雅鲁藏布江中游位于欧亚板块与印度板块碰撞带，地表形变威胁显著。本研究利用Sentinel-1A影像（2017-2022）结合SBAS-InSAR与离散小波变换技术，揭示地表形变时空特征及人自然因素差异影响。结果显示：形变速率-59.38至25.50 mm/a，总体微抬升，北部稳定，南部不均，春夏季沉降显著。人类活动方面，采矿（-4.29 mm/a）影响最甚，农业（-2.60 mm/a）与道路建设（-1.40 mm/a）次之；自然因素中降水关联性最强，河流侵蚀与地表载荷亦密切相关。研究表明，人自然因素交互作用导致区域差异，多数区域微抬升，仅局部人类干扰区显著沉降。研究为高原地质灾害防控提供依据。

　　本研究聚焦于雅鲁藏布江中游区域的表层变形问题，该区域位于欧亚板块与印度板块的交汇地带，具有复杂的地质构造和多样的地表形态。随着人类活动的加剧和自然环境变化的加速，表层变形对当地居民的生产和生活造成了严重威胁。为了深入理解这一现象，研究采用了Sentinel-1A卫星影像（2017-2022年），结合SBAS-InSAR技术和离散小波变换，分析了典型区域的表层变形模式和趋势。此外，研究还揭示了不同人类活动和自然条件对表层变形的影响差异。研究结果显示，2017年至2022年期间，表层变形速率在-59.38 mm/a到25.50 mm/a之间，总体呈现轻微上升趋势，其中北部区域相对稳定，而南部区域则表现出不均匀的变形现象。季节性下沉现象显著，春季和夏季的变形量大于秋季和冬季。

人类活动对表层变形的影响主要体现在采矿、农业和道路建设等方面。其中，采矿活动对表层变形的影响最为显著，达到了-4.29 mm/a，农业活动和道路建设的影响分别为-2.60 mm/a和-1.40 mm/a。自然因素方面，降雨量是表层变形的关键驱动因素，土地利用、河流侵蚀和地表负载等均与降雨量水平密切相关。总体而言，自然条件和人类活动对地表演变具有交替影响，大多数区域表现出轻微的上升趋势，仅在一些严重受到人类活动干扰的区域存在显著的下沉现象。这些发现为制定应对雅鲁藏布江中游区域表层变形的策略提供了重要的科学依据。

在方法论方面，本研究采用了SBAS-InSAR技术来监测区域内的表层变形速率。该技术通过处理一系列的SAR影像，利用时间序列分析，能够有效地提取地表变形信息。同时，离散小波变换（DWT）被用于进一步提取表层变形的局部特征和整体趋势。通过这些技术手段，研究能够更精确地识别出表层变形的空间分布和时间演变规律。此外，研究还结合了Jilin-1卫星遥感影像和土地利用数据，对道路建设、采矿活动和土地利用变化对表层变形的影响进行了详细分析。

在研究区域的选择上，考虑到雅鲁藏布江中游区域的广阔范围，研究选取了典型的吉玛区域作为研究对象。该区域位于拉萨河中游和上游的南岸，处于西藏自治区的马攸干贡县，海拔平均约为3900米，具有高原温带半干旱季风气候特征，年均温为5.7℃，年降雨量为515.9毫米，主要集中于6月至9月。该区域的植被以高山草原和高山草甸为主，地质条件复杂，拥有丰富的矿产资源。近年来，随着采矿和基础设施建设等人类活动的增加，该区域出现了显著的表层变形现象。此外，该区域位于印度-欧亚板块碰撞带，具有典型的板块边界地质特征。然而，该区域本身处于次级稳定块体中，这种“边界内的稳定窗口”使其成为研究人类活动和自然地表条件影响的理想场所。

研究数据来源包括Sentinel-1A卫星影像、Jilin-1卫星遥感影像、土地利用数据以及降雨量和地表水储量等数据。这些数据来源于国家青藏高原数据中心、欧洲空间局（ESA）和Esri等机构。SBAS-InSAR技术处理了70幅上升轨道和139幅下降轨道的Sentinel-1A影像，时间为2017年3月至2022年12月。通过生成干涉图网络，选择高质量影像作为主影像，并对其他影像进行核心注册。研究还采用了最小成本流方法生成相干图、干涉图和解缠绕相位图，排除了低相干、低质量干涉图和解缠绕误差较大的数据。随后，通过SRTM数字高程模型（DEM）对地表变形进行反演，并进行地理编码处理。

研究结果表明，2017年至2022年期间，研究区域的上升轨道影像显示了表层变形的平均LOS（沿雷达视线方向）速率范围为-59.38 mm/a至25.50 mm/a，大部分值介于-15 mm/a至14 mm/a之间，显示出轻微的上升趋势。下降轨道影像的变形速率范围为-61.94 mm/a至28.82 mm/a，显示出更广泛的范围，但整体上升趋势较弱。总体来看，上升和下降轨道影像显示出一致的趋势，但空间异质性仍然存在，这主要归因于卫星的入射角和观测几何的不同。一般来说，上升轨道影像在表层变形监测中提供了更准确的估计。

在空间分布上，研究区域的北部地区，特别是盆地间的区域，表现出轻微的下沉趋势。中部地区由于湖泊附近的沉积物堆积，显示出明显的上升现象。同时，中部地区的一些轻微下沉区域与道路网络重合。南部地区则呈现出不同程度的上升，特别是在西南部的河谷区域，表现出显著的表层变形和明显的上升趋势。而周边区域则显示出明显的下沉，往往呈现漏斗状分布，这很可能是由于区域内的采矿活动所导致的。

此外，研究还对SBAS-InSAR和PS-InSAR技术在上升轨道影像处理中的表层变形估计进行了比较分析。结果显示，两种技术在大多数区域的估计结果是一致的，SBAS-InSAR更适合监测地形变化较大的区域，而PS-InSAR则在城市区域长期缓慢下沉监测中表现出色。考虑到两种技术的适用性和固有误差，研究去除了存在较大差异的异常点，并对SBAS-InSAR和PS-InSAR的表层变形速率差异进行了统计分析。大多数差异值在-6 mm/a至6 mm/a之间，平均差异为1.49 mm/a。同时，从研究区域中随机选取了120个变形点进行线性回归分析，结果显示相关系数为0.88，R2值为0.77。这些结果验证了SBAS-InSAR技术在监测表层变形中的可靠性和有效性。

在时间演变方面，研究分析了研究区域内的表层变形变化趋势，发现大多数区域的变形速率呈现出波动性下沉趋势。特别是在夏季和秋季，变形量达到最大值，随后在接下来的两到三个月内，下沉现象略有缓解，但随后再次加剧。在某些区域，如采矿区，由于地下水位的变化，变形速率的变化更为显著。例如，点P6在2017年至2022年期间累计下沉量达到172.9 mm，平均变形速率为-27.92 mm/a，而点P5的累计下沉量为105.9 mm，平均变形速率为-16.61 mm/a。点P2、P3和P4的累计下沉量分别为120 mm、128.1 mm和146.2 mm，平均变形速率为-19.70 mm/a、-20.99 mm/a和-23.18 mm/a。点P1的累计下沉量为112.1 mm，平均变形速率为-18.90 mm/a。这些结果表明，采矿活动是导致点P6下沉的主要原因，而其他区域的下沉可能与农业活动、道路建设等人类活动有关。

研究还对不同土地覆盖类型对表层变形的影响进行了分析。2017年至2022年期间，研究区域的主要土地覆盖类型是草地，面积从23,900.09公顷减少到21,985.84公顷，显示出波动性下降趋势。裸地和不透水面的面积则呈现出上升趋势。同时，林业面积在2017年为15.95公顷，到2021年急剧下降至0公顷，显著降低了水土保持能力，进而影响了地下水补给。研究区域的水体保持稳定，没有明显的变化。

此外，研究还发现，不同土地覆盖类型的表层变形速率存在差异。2017年，草地的平均变形速率为1.29 mm/a，不透水面的平均变形速率为-0.67 mm/a，裸地的平均变形速率为0.49 mm/a，而农业用地的平均变形速率为-2.29 mm/a。到了2022年，草地和裸地的平均变形速率分别提高至1.43 mm/a和0.904 mm/a，而不透水面和农业用地的平均变形速率则分别降至-1.08 mm/a和-2.91 mm/a，显示出草地和裸地在监测期间的轻微上升趋势，而不透水面和农业用地则表现出下沉趋势。这表明，土地利用变化对表层变形具有重要影响。

在农业活动方面，研究进一步探讨了耕作对表层变形的影响。研究区域的农业用地主要位于拉萨河支流附近的河谷地带。研究分析了农业用地的遥感特征以及通过InSAR监测的四个典型点的表层变形特征。结果显示，这些点在监测期间均表现出波动性下沉趋势。其中，点G2的累计下沉量最大，为116.3 mm，而点G1的累计下沉量最小，为49.1 mm。点G3和G4的累计下沉量分别为81.9 mm和92.2 mm。这些结果表明，农业活动对表层变形的影响较为显著，尤其是在雨季期间，由于土壤渗透性和地下水补给的增加，导致了土壤侵蚀和地表下沉现象的加剧。

在自然条件的影响方面，研究分析了降雨对表层变形的作用。研究区域具有高原温带半干旱季风气候，主要降雨集中在6月至9月。通过分析2017年至2022年期间的月降雨量和累计表层变形趋势，研究发现，降雨量与表层变形之间存在负相关关系，相关系数为-0.36。降雨量较高的区域更容易出现下沉现象，而降雨量较低的区域则表现出上升趋势。在时间尺度上，夏季强降雨后，研究区域的累计表层变形显示出显著的下降趋势。例如，在2017年8月和9月，降雨量达到342.60 mm，累计下沉量为4.08 mm。在2020年7月至10月，累计下沉量达到5.16 mm，降雨量为231.103 mm。而在2022年6月至7月，累计下沉量为3.49 mm，降雨量为239.02 mm。相比之下，在2020年3月至6月，研究区域的地表显示出一致的上升趋势。在非雨季期间，如2019年1月至4月，研究区域的地表表现出持续的下沉趋势，主要归因于采矿活动的影响。而在其他非雨季时期，地表变形则表现出轻微波动，整体趋势为上升。

在河流侵蚀方面，研究分析了拉萨河支流两岸的表层变形时空特征。研究发现，河岸区域的下沉现象较为显著，下沉区域与河流流向存在高度的空间一致性。选择了三个典型的下沉点，分析了这些点在2017年至2022年期间的表层变形时间演变情况。这些点的月累计变形数据以及最大和最小值也被展示出来。结果显示，这些点在监测期间均表现出波动性下沉趋势。其中，点H3的累计下沉量最大，为57.6 mm，点H2次之，为55.1 mm，点H1的累计下沉量为43.3 mm。这些结果表明，河流侵蚀对表层变形的影响显著，特别是在雨季期间，由于降雨量的增加，河流流量加大，导致河岸侵蚀加剧，从而加快了地表下沉。

在地表水储量和地下水储量方面，研究利用这些数据分析了水资源对表层变形的影响。地表水储量（TWS）表现出明显的周期性变化，峰值通常出现在5月和7月，具体取决于水供应来源。2017年9月的地表水储量达到最大值，为-8.57 cm，而冬季和早春的地表水储量最低，2022年11月的地表水储量为-33.90 cm。地下水储量的变化则相对较小，表现出轻微的波动。研究利用TWS和GWS之间的差异来反映地表负载的变化，因为地表负载的变化可能引起固体地球的负载变形。研究结果表明，地表负载增加时，地表下沉；地表负载减少时，地表上升。这表明地表负载的变化与地表变形之间存在滞后响应关系。

在讨论部分，研究分析了人类活动和自然条件对表层变形的影响。人类活动对表层变形的影响具有直接性、局部性和累积性。道路建设和农业活动会导致局部、小规模的下沉，而采矿活动则会引发更大范围、更严重的下沉，往往伴随地下水位的变化。针对这些影响，研究提出了相应的应对措施，如加强土地利用规划，避免在地质脆弱区域进行大规模的人类活动；推广环保型采矿技术，减少采矿过程中对地表的破坏和地下水位的下降；同时加强采矿区生态恢复工作。此外，研究还建议采用节水灌溉和轮作/休耕等措施，以减少农业活动对地表的影响。

自然条件对表层变形的影响则具有长期性、广泛性和不可控性。降雨量是局部地区表层变形的重要驱动因素，而河流侵蚀和地表水储量、地下水储量的变化则是显著的影响因素。在自然条件的影响下，表层变形通常表现出一定的周期性和季节性特征。针对这些自然影响，研究提出了相应的措施，如加强气象监测，跟踪降雨量变化，为预测和预防表层变形提供关键数据；合理管理地下水开采，避免过度抽取导致地下水位急剧下降，同时加强地下水资源的保护和恢复工作；此外，加强地质复杂和高风险区域的防护措施，进行地表变形相关灾害的风险评估，以识别高风险区域和潜在风险点，并建立预警系统，以便及时发出警报并采取有效应对措施。生态恢复项目也将被实施，以提高植被覆盖率，增强土壤稳定性，从而减轻自然条件对地表变形的影响。同时，加强跨部门和跨区域的合作，以及国际间的合作，以应对全球范围内的地表变形问题。

在结论部分，研究指出，通过Sentinel-1A数据、SBAS-InSAR技术和离散小波变换，揭示了研究区域2017年至2022年期间表层变形的空间分布和变化趋势。此外，研究还对人类活动和自然条件对表层变形的影响进行了比较分析。结果表明，研究区域的上升轨道影像显示，表层变形速率范围在-59.38 mm/a至25.50 mm/a之间，大部分值集中在-15 mm/a至14 mm/a之间，显示出轻微的上升趋势。其中，草地的平均变形速率为1.29 mm/a，农业用地的平均变形速率为-2.60 mm/a，显示出最大的下沉趋势。离散小波变换被用于提取研究区域表层变形的局部特征和整体趋势，局部快速变化区域与人类活动影响相关，而周围山脉则表现出渐进的上升趋势，代表地质演变过程。

在空间分布上，研究区域的北部地区相对稳定，而南部河谷区域则表现出显著的异质性变形，存在多个漏斗状的下沉区域。研究区域的下沉点表现出明显的季节性变化，春季和夏季的下沉量大于秋季和冬季。表层变形主要受到人类活动和自然条件的共同影响。人类活动如道路建设、农业和采矿破坏了地表植被覆盖，影响了地表稳定性，特别是采矿活动导致了大规模的下沉区域的形成。农业活动和河流侵蚀对表层变形的影响与降雨量密切相关，强降雨导致农业用地和河岸区域的显著下沉事件。此外，地表负载的变化也与表层变形相关。总体而言，大多数区域表现出轻微的上升趋势，仅在一些严重受到人类活动干扰的区域存在显著的下沉现象。本研究为理解雅鲁藏布江中游典型区域的地表动态变化提供了科学依据，并为制定相应的管理策略提供了参考。