科學家利用雷達衛星技術發現華北深層地下水虧損呈減緩趨勢

　　近日，中國科學院測量與地球物理研究所十三五“123”規劃重點培育方向、首席研究員江利明負責的“大地測量精密探測新理論與新技術”創新團隊，與中國水利水電科學研究院教授趙勇團隊合作，在利用衛星干涉雷達測量（InSAR）研究華北深層地下水儲量變化方面取得新進展，相關成果在水文水資源領域期刊Water Resources Research在線發表，並受邀將在2018年AGU年會上做口頭報告，論文題目爲Combining InSAR and hydraulic head measurements to estimate aquifer parameters and storage variations of confined aquifer-system in Cangzhou, North China Plain（《聯合InSAR及水頭觀測估算華北平原滄州地區含水層參數及水儲量變化》）。自20世紀70年代以來，華北平原深層地下水（承壓水）長期超採形成世界最大的“地下水漏斗區”，導致大面積地面沉降、地下水資源枯竭和水環境惡化。因此，釐清深層地下水變化與地面沉降的耦合關係，查明華北平原深層地下水儲量變化，對於該地區地下水資源科學管理和調控，減緩與地下水超採相關的地質環境問題均具有重要意義。雖然目前重力衛星、地面水井監測及地下水建模用於估算地下水參數和儲量變化，但其分辨率、效率和精度不足以滿足當前區域尺度上水資源評價和調控的實際應用要求，而且上述方法均無法定量估算深層地下水儲量變化中的不可恢復部分。近年來，國際上利用InSAR觀測反演含水層參數方面取得了一些進展，然而這些方法需要大量的水力學參數進行約束（如前期預固結水頭等），難以在缺乏長期、連續的歷史水頭和沉降資料的華北平原推廣應用。針對上述問題，江利明團隊在深入研究深層地下水變化與地表形變耦合關係的基礎上，提出了一種基於時序InSAR觀測的承壓含水層釋水系數及水儲量變化估算的新方法，併成功用於華北深層地下水超採最嚴重的滄州中部地區。該方法的優勢在於能夠獲取高空間分辨率的承壓含水層骨架釋水系數，而且無需前期固結水頭等先驗知識，可有效分離深層地下水變化的可恢復部分（含水層彈性釋水）及不可恢復部分（弱透水層壓密釋水）。該研究不僅填補了華北平原地下水弱透水層壓密釋水研究方面的空白，也爲定量探明華北平原深層地下水儲量動態變化提供了新的手段。研究發現，2003至2010年滄州地區呈現多個沉降漏斗（最大沉降速率達7.4 cm/yr），但有部分地區發生了明顯抬升（最大抬升速率約2.5 cm/yr）（圖1（a）），且季節性形變滯後水頭變化最大達175天（圖2）。此外，滄州中部地區深層地下水呈明顯的虧損趨勢（圖1b），年虧損率約爲8.20±2.36×107 m3，其中大部分爲弱透水層壓密釋水（圖1d），意味着該時期地下水嚴重超採，甚至一些地區的含水層呈疏幹狀態。值得注意的是，2005年以來滄州政府逐步控制深層地下水開採並增加地表水供給，部分地區水位逐年回升，弱透水層壓密釋水虧損速率呈減緩趨勢（圖3），表明該地區地下水壓採措施對深層地下水超採起到了一定的減緩作用。隨着2014年12月南水北調中線工程正式向京津冀豫4省市實施生態補水，華北平原地下水預期會有一定程度的恢復，生態環境亦將改善，該團隊正在開展聯合攻關，進一步評估南水北調中線工程對該地區水資源和生態環境的影響。該項研究得到國家自然科學基金創新研究羣體項目（課題）“華北平原含水層參數及地下水變化InSAR反演”和大地測量與地球動力學國家重點實驗室重點項目“城市羣地面沉降與地下水動態耦合效應的大地測量集成監測研究”的聯合資助。