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測地所利用雷達衛星技術首次發現華北深層地下水虧損呈減緩趨勢
2018-10-23| 【 】|閱讀次數: |文章來源:

  近日,中科院測地所十三五“123”規劃重點培育方向、江利明研究員首席負責的“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趙勇教授團隊合作,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重要進展,相關成果在水文水資源領域權威期刊Water Resources Research在線發表,并受邀將在2018AGU年會上做口頭報告,論文題目為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)。 

  20世紀70年代以來,華北平原深層地下水(承壓水)長期超采形成世界最大的“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,厘清深層地下水變化與地面沉降的耦合關系,查明華北平原深層地下水儲量變化,對于該地區地下水資源科學管理和調控,減緩與地下水超采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于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系的基礎上,提出了一種基于時序InSAR觀測承壓含水層釋水系數及水儲量變化估算的新方法,并成功用于華北深層地下水超采最嚴重的滄州中部地區。該方法的優勢在于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,也為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1a)),且季節性形變滯后水頭變化最大達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),年虧損率約為8.20±2.36×107 m3,其中大部分為弱透水層壓密釋水(圖1d),意味著該時期地下水嚴重超采,甚至一些地區的含水層呈疏干狀態。值得注意的是,2005年以來滄州政府逐步控制深層地下水開采并增加地表水供給,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采措施對深層地下水超采起到了一定的減緩作用。 

  隨著201412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群體項目(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“城市群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。 

  論文及支撐材料鏈接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2017WR022126 

1 滄州中部2004至2010年年均形變速率(a);深層地下水儲量虧損量(b);可恢復的含水層彈性釋水(c);不可恢復的弱透水層壓密釋水(d)。紫色實線為劃定的深層地下水虧損區域及恢復區域

 

2 典型井位季節性水頭與形變時間序列的相關性分析。地表形變滯后水頭變化為0至175

3 滄州中部20042010年每年不可恢復水儲量虧損的等效水柱高空間分布。2005_2006表示2005年和2006年不可恢復水儲量虧損的平均值

 
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