空間技術(shù)在監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)青島地下水位變化中的應(yīng)用

劉沙

（中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局地質(zhì)錄井公司，山東 東營(yíng) 257064）

1 引言

青島位于山東半島南端（北緯35 °35'-37 °09'，東經(jīng) 119 °30'-121 °00'）、黃海之濱。是全國(guó)70個(gè)大中城市之一。青島地處山東半島東南部，東、南瀕臨黃海，東北與煙臺(tái)市毗鄰，西與濰坊市相連，西南與日照市接壤。青島地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域，屬溫帶季風(fēng)氣候。市區(qū)由于海洋環(huán)境的直接調(diào)節(jié)，受來(lái)自洋面上的東南季風(fēng)及海流、水團(tuán)的影響，故又具有明顯的海洋性氣候特點(diǎn)。

青島市多年平均水資源總量為23.921×10m，人均占有水資源量342m，少于世界公認(rèn)的人均500m 的絕對(duì)缺水標(biāo)準(zhǔn)，為全國(guó)人均占有量的13%，是沿海城市中缺水嚴(yán)重者之一。隨著青島市幾年來(lái)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)地下水的需求也急劇增長(zhǎng)，目前青島每年開(kāi)采的地下水總量超過(guò)2830×10m，過(guò)量開(kāi)采地下水引起的地面沉降和生態(tài)環(huán)境惡化，對(duì)人們的生產(chǎn)、生活造成巨大的危害，而且極大的制約著青島經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)水資源尤其是地下水的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)就顯得尤為重要，以便能夠合理的開(kāi)發(fā)利用地下水資源[1]。

2 地下水現(xiàn)狀

青島市地下水的開(kāi)發(fā)利用程度較高，地下水的開(kāi)采量逐年加大，現(xiàn)狀實(shí)際利用率平均達(dá)到可利用量的90%。但地下水的開(kāi)發(fā)極不均衡，局部地區(qū)大量超采。僅以嶗山水庫(kù)下游白沙河為例，流域多年平均可利用地下水量只要1825×10m，而年需提取地下水2830×10m，由于長(zhǎng)期超采地下水，造成地下水位嚴(yán)重下降，部分地區(qū)出現(xiàn)地下漏斗，沿海地區(qū)出現(xiàn)海水入侵。

2.1 地下水位下降

對(duì)于地下水過(guò)度的開(kāi)采，使生產(chǎn)與生活的諸多方面面臨嚴(yán)重的問(wèn)題。2001年，全市地下水平均埋深3.82m，從全市地下水埋深等值線圖看，全市地下水埋深大部分在2-4m，漏斗區(qū)主要集中在平度的蓼蘭、大孫家，即墨的營(yíng)上、豐城，城陽(yáng)的赫家營(yíng)，膠州的馬店、高家莊等地，最大漏斗在平度蓼蘭，一般埋深在6-14m。綜觀全年情況，1-5月份由于干旱少雨，地下水位下降明顯，地下漏斗面積較大，最大的蓼蘭漏斗中心埋深22.75m(白埠)，漏斗面積達(dá)800km；6-9月份，由于汛期降雨量較大，地下水得到補(bǔ)充，地下水位有所回升，漏斗得到一定程度恢復(fù)，但平度市的蓼蘭漏斗規(guī)模仍然較大，漏斗面積700km，中心埋深仍達(dá)14.52m；汛期過(guò)后，降雨減少，地下水資源得不到及時(shí)補(bǔ)充，加上開(kāi)采量過(guò)大，地下水位開(kāi)始下降，漏斗面積仍在加大。水文地質(zhì)條件為海水入侵提供通道。沿海地區(qū)超采地下水造成海水入侵，另外，河道內(nèi)大量采砂破壞了砂層蓄水能力，使河道徑流對(duì)地下水的補(bǔ)給能力減弱，導(dǎo)致地下水位下降，海水入侵[2]。

2.2 地下水污染概況

由于地下水中含氮有機(jī)物的增加及農(nóng)田氮肥的大量使用，直接導(dǎo)致地下水水質(zhì)惡化，主要是硝酸鹽氮超標(biāo)。污染區(qū)主要分布在即墨中北部、萊西南部、平度西部、膠州東部、膠南中部等。沿海地區(qū)海水入侵導(dǎo)致地下水中氯離子超標(biāo)。

地下水的另一污染現(xiàn)狀是由地質(zhì)環(huán)境引起的高鐵區(qū)、咸水區(qū)和高高氟區(qū)的存在。高鐵區(qū)、咸水區(qū)主要分布在大沽河南端，河道下游親鐵植物繁衍地帶被封存形成高鐵水區(qū)，近海岸帶海水封存地帶形成咸水區(qū)；高氟區(qū)主要分布在大沽河西岸南村、藍(lán)村、李哥莊及平度市城區(qū)以南、膠萊河以北的部分地區(qū)。這些地區(qū)地勢(shì)低洼，基底為火山碎屑巖。一方面，基巖中含有氟的礦物質(zhì)經(jīng)風(fēng)化水解作用而解體，氟離子遷移到地下水中；另一方面，由于地勢(shì)低洼封閉，地下水交替緩慢且埋深較淺，長(zhǎng)期的蒸發(fā)作用致使氟離子逐漸濃縮，富集于地下水中，形成高氟區(qū)[2]。

總之，由于過(guò)度開(kāi)采地下水，導(dǎo)致地下水位下降，致使地面凹陷，越來(lái)越引起政府部門(mén)和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。對(duì)于地下水位的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)是在必行。

3 地下水監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

由于地下水位的變化，直接影響著人們的生產(chǎn)和生活，地下水位的大幅度下降會(huì)造成地表沉降，人們的生活飲用水短缺，海水入侵等一系列的問(wèn)題，所以引起很多學(xué)者的關(guān)注。早期上海地質(zhì)工程勘察院與比利時(shí)合作開(kāi)展地面沉降研究，于1989年完成了我國(guó)第一個(gè)地面沉降模型。1995年地礦部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所等在此基礎(chǔ)上，又提出“地下水水量-水位-沉降聯(lián)合數(shù)學(xué)模型”。

目前監(jiān)測(cè)地下水變化主要使用傳統(tǒng)的觀測(cè)手段，如鉆井觀測(cè)和水準(zhǔn)觀測(cè)，它們除耗資大、占用勞動(dòng)力多、精度較低外，而且空間分布相對(duì)過(guò)于稀疏。例如，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的上海地區(qū)，地下水觀測(cè)井才5 眼，地下水觀測(cè)井之間的距離相差數(shù)公里到數(shù)十公里，其地理分布極不均勻，難以捕捉到含水層和地下水變化的空間細(xì)節(jié)，也無(wú)法做到不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些傳統(tǒng)觀測(cè)手段的局限性已成為進(jìn)一步發(fā)展地下水文學(xué)研究、地下水資源管理和評(píng)價(jià)、水文及災(zāi)害預(yù)報(bào)的瓶頸。此外，為提供準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報(bào)，必須建立符合實(shí)際的地下水流-地面沉降模型，導(dǎo)致現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)精度不高除了建模本身的問(wèn)題外，主要原因之一是：缺乏高時(shí)空分辨率高精度的直接或間接監(jiān)測(cè)手段。

圖1 TSKB 站GPS 測(cè)得的垂直運(yùn)動(dòng)與附近地下水觀測(cè)井的水位變化比較

圖2 DInSAR 獲取的加州Antelope 峽谷地區(qū)的地面沉降與基于水文地質(zhì)參數(shù)模擬的地面沉降比較

4 空間技術(shù)

空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)（InSAR、GPS 和衛(wèi)星重力技術(shù)）的出現(xiàn)，由于具有全天候、高精度、空間覆蓋范圍廣、系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定度好以及分析處理資料快速及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，為解決這一問(wèn)題提供了新的手段[4]。

4.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）精密定位技術(shù)具有時(shí)間分辨率高（1 天），水平檢測(cè)精度高（mm 級(jí)），提供了監(jiān)測(cè)由地下水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地表形變新途徑。2004年，日本學(xué)者M(jìn)unekane研究日本IGS 站TSKB 垂直運(yùn)動(dòng)異常時(shí)，發(fā)現(xiàn)該站上GPS 測(cè)得的垂直運(yùn)動(dòng)與該站附近的觀測(cè)井的水位變化有很好的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，如圖1，從而首先揭示了地下水運(yùn)動(dòng)和含水層壓縮是可以在GPS 形變信號(hào)中反映出來(lái)的。

4.2 合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)（InSAR）是一種使用微波探測(cè)地表目標(biāo)的主動(dòng)式遙感技術(shù)。InSAR 相對(duì)于其他測(cè)量方法而言，具有很高的空間分辨率（幾米至幾十米）及覆蓋范圍（每幅圖像幾千至一萬(wàn)平方公里）。用相位信息進(jìn)行地表變形測(cè)繪，可以達(dá)到很高的精度（mm 級(jí)，理論上可以達(dá)到子波長(zhǎng)級(jí)的精度）。1998年，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的Galloway 等首先提出用差分干涉測(cè)量技術(shù)（DInSAR）監(jiān)測(cè)含水層壓縮和地面沉降問(wèn)題。用一對(duì)ERS 影像，Galloway 發(fā)現(xiàn)DInSAR 獲取的加州Antelope 峽谷地區(qū)的變形圖和基于水文地質(zhì)參數(shù)模擬的含水層壓縮變形圖吻合得相當(dāng)好，如圖2。圖中彩色的底圖為DInSAR 獲取的地面沉降圖，而白色的等高線為水文地質(zhì)參數(shù)模擬的地面沉降，二者在變形趨勢(shì)上基本一致Galloway 的這一研究首次證實(shí)了地下水活動(dòng)引起的含水層壓縮和地面沉降可以在高分辨率的DInSAR 變形圖上反映出來(lái)[3]。

4.3 衛(wèi)星重力技術(shù)

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的衛(wèi)星重力測(cè)量技術(shù)，如美國(guó)與德國(guó)合作的重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒?yàn)計(jì)劃（GRACE）衛(wèi)星，由于采用星載GPS 和非保守力加速度計(jì)等高精度定軌技術(shù)，使重力場(chǎng)精度與時(shí)間分辨率大大提高，這使地下水運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的地下水質(zhì)量的重新分布有可能在時(shí)變重力信號(hào)中反映出來(lái)，這為監(jiān)測(cè)地下水的變化提供了又一個(gè)嶄新的手段。目前GRACE衛(wèi)星資料處理的初步結(jié)果表明：衛(wèi)星重力測(cè)量已有能力對(duì)全球水循環(huán)提供大尺度的觀測(cè)約束，其時(shí)間分辨率為30 天，而空間分辨率可達(dá)到400 公里左右。在500 公里空間尺度測(cè)量的地下水的精度達(dá)到1 厘米等效水高[3]。

5 關(guān)鍵問(wèn)題

利用GPS，InSAR 和衛(wèi)星重力測(cè)量等現(xiàn)代空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)提供的觀測(cè)資料，并結(jié)合傳統(tǒng)的水文地質(zhì)觀測(cè)資料，形成對(duì)青島市地下水變化的常規(guī)、一體化和準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。以空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)提供的高精度、高時(shí)空分辨率的觀測(cè)資料結(jié)合水文地質(zhì)觀測(cè)資料作為邊界約束條件，輔以地下水運(yùn)動(dòng)的地球物理理論模擬，通過(guò)一定的地球物理反演過(guò)程，以獲取該區(qū)域地下含水層物質(zhì)特征的詳細(xì)信息，并建立更可靠的地下水運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)而為精確預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)。但要完成這樣的任務(wù)，尚需解決以下幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：

5.1 提升空間觀測(cè)技術(shù)算法和資料分析手段，提高其監(jiān)測(cè)與地下水運(yùn)動(dòng)相關(guān)的質(zhì)量遷移和地面沉降信號(hào)的精度、可靠性和敏感性的問(wèn)題。地下水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地表形變主要反映在垂直方向上。GPS 測(cè)定水平運(yùn)動(dòng)的精度已經(jīng)達(dá)到亞厘米甚至毫米級(jí)的精度，但由于GPS 技術(shù)本身的特點(diǎn)，GPS 技術(shù)測(cè)定垂直運(yùn)動(dòng)的精度要比水平運(yùn)動(dòng)的測(cè)量精度低2-5倍，一般為10mm 或更大。從目前的GPS 垂直運(yùn)動(dòng)精度提高到5mm 或更小需要模型改正和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的巨大飛躍。通過(guò)最新資料了解到，通過(guò)一定的手段扣除一個(gè)區(qū)域內(nèi)的GPS 精密定位共同誤差，垂直運(yùn)動(dòng)的測(cè)量精度可以明顯提高。對(duì)于InSAR 而言，基于永久散射體的干涉測(cè)量技術(shù)（PSInSAR）和角反射器干涉技術(shù)（CRInSAR）在一定程度上解決了InSAR 時(shí)間和空間失相關(guān)的問(wèn)題，然而它們也使InSAR 以“面”為基礎(chǔ)的測(cè)量變?yōu)橐浴包c(diǎn)”為基礎(chǔ)的測(cè)量，減小了其空間分辨率。如何將它們與DInSAR 一起綜合建模，使其精度穩(wěn)定可靠地達(dá)到理論的3mm 但又不降低其空間分辨率，是我們亟待解決的問(wèn)題。

5.2 分離空間技術(shù)觀測(cè)得到的與地下水運(yùn)動(dòng)相關(guān)的地面沉降和質(zhì)量遷移信號(hào)和其他信號(hào)（如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信號(hào)燈）的問(wèn)題。由于空間技術(shù)的測(cè)量得到地表形變信號(hào)包括了多種地球物理過(guò)程的貢獻(xiàn)，地下水運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和含水層物理特征研究要求把地下水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地表形變信號(hào)和其它形變信號(hào)分離開(kāi)。這就要求首先對(duì)地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及大氣、海洋、地表水引起的地表形變作深入的研究，并采用一定的方法從總的信息中予以扣除。

5.3 空間技術(shù)觀測(cè)得到的與地下水運(yùn)動(dòng)相關(guān)的地面沉降和質(zhì)量遷移資料以及地面觀測(cè)資料的同化和融合問(wèn)題。GPS、InSAR 和衛(wèi)星重力技術(shù)在監(jiān)測(cè)形變方面是互有優(yōu)缺點(diǎn)的：GPS 的時(shí)間分辨率高，但是空間分辨率相對(duì)較低；InSAR 的空間分辨率高，但是時(shí)間分辨率相對(duì)較低；InSAR 是一種一維相對(duì)觀測(cè)，GPS 可以看作是一種三維絕對(duì)觀測(cè)；GPS 技術(shù)和InSAR 技術(shù)結(jié)合，并輔以一定理論（貝葉斯統(tǒng)計(jì)理論），可以研究高分辨率的三維地表形變場(chǎng)。衛(wèi)星重力技術(shù)則可以提供大范圍的質(zhì)量遷移信息，對(duì)InSAR 和GPS 的地下水運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果提供較大尺度的背景和約束。如何將這三種空間測(cè)量技術(shù)加以融合，以及將它們與傳統(tǒng)水文測(cè)量和地面重力觀測(cè)結(jié)果加以融合，是我們需要面臨的又一重要問(wèn)題。

6 結(jié)論

青島市對(duì)地下水位變化問(wèn)題予以高度關(guān)注，嚴(yán)禁超采地下水，并利用汛期多余洪水實(shí)施超采區(qū)回灌補(bǔ)源措施，以保證地下水位回升，使水質(zhì)變化在允許范圍內(nèi)，不發(fā)生危害性地質(zhì)現(xiàn)象。具體措施是興建地下水庫(kù)和地下水回灌工程。目前青島市已在大沽河建成8座橡膠壩，從運(yùn)行情況看，效果明顯。

地下水變化的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)，也是難點(diǎn)。由于空間技術(shù)的發(fā)展，該研究的領(lǐng)域正成為當(dāng)前世界各國(guó)空間技術(shù)和水文領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)心的熱點(diǎn)和研究前沿。例如，2004年歐洲地球物理年會(huì)就有一個(gè)主題分會(huì)“Continental hydrology observed with GPS inversions,GRACE gravity and microwave remote sensing”交流這方面的進(jìn)展。近年來(lái)，雖然已經(jīng)有一些用空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)研究地下水運(yùn)動(dòng)的成功范例發(fā)表在科學(xué)雜志上，但是還局限于零星的地表形變較顯著的地區(qū)。從整體看，把空間觀測(cè)和地面資料以及地球物理模型相整合，形成常規(guī)的、一體化的、準(zhǔn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)地下水運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)工程，國(guó)際上還處于籌劃、探討和試驗(yàn)階段。如果能及時(shí)開(kāi)展這方面的研究，將是青島市乃至我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際學(xué)術(shù)地位有好處，而且對(duì)提高我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、合理利用水資源、預(yù)防我國(guó)地下水開(kāi)采引起的廣泛地面沉降等都有好處。2006年9月在北京召開(kāi)的“第五屆世界水大會(huì)”上，建設(shè)部副部長(zhǎng)仇保興指出，未來(lái)30年將是中國(guó)城市供水最艱難的時(shí)期，因而利用空間技術(shù)監(jiān)測(cè)地面和地下水儲(chǔ)量的變化，合理利用水資源就顯得特別重要和迫切。

[1]http://baike.baidu.com/view/3393.htm。

[2]孫楠思，姜世強(qiáng)，李寶珠，等.青島市水資源現(xiàn)狀及保護(hù)對(duì)策，海岸工程，2003，2(22).

[3]葉叔華.地下水變化的空間技術(shù)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，4(22)：1030-1034.

[4]何儒云，王耀南，毛建旭.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量_InSAR_關(guān)鍵技術(shù)研究，測(cè)繪工程，2007，5(16).