科学家利用雷达卫星技术发现华北深层地下水亏损呈减缓趋势

近日，中国科学院测量与地球物理研究所十三五“123”规划重点培育方向、首席研究员江利明负责的“大地测量精密探测新理论与新技术”创新团队，与中国水利水电科学研究院教授赵勇团队合作，在利用卫星干涉雷达测量（InSAR）研究华北深层地下水储量变化方面取得新进展，相关成果在水文水资源领域期刊Water Resources Research在线发表，并受邀将在2018年AGU年会上做口头报告，论文题目为Combining InSAR and hydraulic head measurements to estimate aquifer parameters and storage variations of confined aquifer-system in Cangzhou, North China Plain（《联合InSAR及水头观测估算华北平原沧州地区含水层参数及水储量变化》）。

自20世纪70年代以来，华北平原深层地下水（承压水）长期超采形成世界最大的“地下水漏斗区”，导致大面积地面沉降、地下水资源枯竭和水环境恶化。因此，厘清深层地下水变化与地面沉降的耦合关系，查明华北平原深层地下水储量变化，对于该地区地下水资源科学管理和调控，减缓与地下水超采相关的地质环境问题均具有重要意义。虽然目前重力卫星、地面水井监测及地下水建模用于估算地下水参数和储量变化，但其分辨率、效率和精度不足以满足当前区域尺度上水资源评价和调控的实际应用要求，而且上述方法均无法定量估算深层地下水储量变化中的不可恢复部分。近年来，国际上利用InSAR观测反演含水层参数方面取得了一些进展，然而这些方法需要大量的水力学参数进行约束（如前期预固结水头等），难以在缺乏长期、连续的历史水头和沉降资料的华北平原推广应用。

针对上述问题，江利明团队在深入研究深层地下水变化与地表形变耦合关系的基础上，提出了一种基于时序InSAR观测的承压含水层释水系数及水储量变化估算的新方法，并成功用于华北深层地下水超采最严重的沧州中部地区。该方法的优势在于能够获取高空间分辨率的承压含水层骨架释水系数，而且无需前期固结水头等先验知识，可有效分离深层地下水变化的可恢复部分（含水层弹性释水）及不可恢复部分（弱透水层压密释水）。该研究不仅填补了华北平原地下水弱透水层压密释水研究方面的空白，也为定量探明华北平原深层地下水储量动态变化提供了新的手段。

研究发现，2003至2010年沧州地区呈现多个沉降漏斗（最大沉降速率达7.4 cm/yr），但有部分地区发生了明显抬升（最大抬升速率约2.5 cm/yr）（图1（a）），且季节性形变滞后水头变化最大达175天（图2）。此外，沧州中部地区深层地下水呈明显的亏损趋势（图1b），年亏损率约为8.20±2.36×107 m3，其中大部分为弱透水层压密释水（图1d），意味着该时期地下水严重超采，甚至一些地区的含水层呈疏干状态。值得注意的是，2005年以来沧州政府逐步控制深层地下水开采并增加地表水供给，部分地区水位逐年回升，弱透水层压密释水亏损速率呈减缓趋势（图3），表明该地区地下水压采措施对深层地下水超采起到了一定的减缓作用。

随着2014年12月南水北调中线工程正式向京津冀豫4省市实施生态补水，华北平原地下水预期会有一定程度的恢复，生态环境亦将改善，该团队正在开展联合攻关，进一步评估南水北调中线工程对该地区水资源和生态环境的影响。该项研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目（课题）“华北平原含水层参数及地下水变化InSAR反演”和大地测量与地球动力学国家重点实验室重点项目“城市群地面沉降与地下水动态耦合效应的大地测量集成监测研究”的联合资助。

 

图1 沧州中部2004至2010年年均形变速率（a）；深层地下水储量亏损量（b）；可恢复的含水层弹性释水（c）；不可恢复的弱透水层压密释水（d）。紫色实线为划定的深层地下水亏损区域及恢复区域

 

图2 典型井位季节性水头与形变时间序列的相关性分析。地表形变滞后水头变化为0至175天

 

图3 沧州中部2004至2010年每年不可恢复水储量亏损的等效水柱高空间分布。2005_2006表示2005年和2006年不可恢复水储量亏损的平均值

来源：中国科学院测量与地球物理研究所

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