空间技术在监测与预测青岛地下水位变化中的应用

刘沙

（中国石化集团胜利石油管理局地质录井公司，山东 东营 257064）

1 引言

青岛位于山东半岛南端（北纬35 °35'-37 °09'，东经 119 °30'-121 °00'）、黄海之滨。是全国70个大中城市之一。青岛地处山东半岛东南部，东、南濒临黄海，东北与烟台市毗邻，西与潍坊市相连，西南与日照市接壤。青岛地处北温带季风区域，属温带季风气候。市区由于海洋环境的直接调节，受来自洋面上的东南季风及海流、水团的影响，故又具有明显的海洋性气候特点。

青岛市多年平均水资源总量为23.921×10m，人均占有水资源量342m，少于世界公认的人均500m 的绝对缺水标准，为全国人均占有量的13%，是沿海城市中缺水严重者之一。随着青岛市几年来经济的飞速发展，对地下水的需求也急剧增长，目前青岛每年开采的地下水总量超过2830×10m，过量开采地下水引起的地面沉降和生态环境恶化，对人们的生产、生活造成巨大的危害，而且极大的制约着青岛经济的可持续发展。因此，对水资源尤其是地下水的监测与预测就显得尤为重要，以便能够合理的开发利用地下水资源[1]。

2 地下水现状

青岛市地下水的开发利用程度较高，地下水的开采量逐年加大，现状实际利用率平均达到可利用量的90%。但地下水的开发极不均衡，局部地区大量超采。仅以崂山水库下游白沙河为例，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，由于长期超采地下水，造成地下水位严重下降，部分地区出现地下漏斗，沿海地区出现海水入侵。

2.1 地下水位下降

对于地下水过度的开采，使生产与生活的诸多方面面临严重的问题。2001年，全市地下水平均埋深3.82m，从全市地下水埋深等值线图看，全市地下水埋深大部分在2-4m，漏斗区主要集中在平度的蓼兰、大孙家，即墨的营上、丰城，城阳的赫家营，胶州的马店、高家庄等地，最大漏斗在平度蓼兰，一般埋深在6-14m。综观全年情况，1-5月份由于干旱少雨，地下水位下降明显，地下漏斗面积较大，最大的蓼兰漏斗中心埋深22.75m(白埠)，漏斗面积达800km；6-9月份，由于汛期降雨量较大，地下水得到补充，地下水位有所回升，漏斗得到一定程度恢复，但平度市的蓼兰漏斗规模仍然较大，漏斗面积700km，中心埋深仍达14.52m；汛期过后，降雨减少，地下水资源得不到及时补充，加上开采量过大，地下水位开始下降，漏斗面积仍在加大。水文地质条件为海水入侵提供通道。沿海地区超采地下水造成海水入侵，另外，河道内大量采砂破坏了砂层蓄水能力，使河道径流对地下水的补给能力减弱，导致地下水位下降，海水入侵[2]。

2.2 地下水污染概况

由于地下水中含氮有机物的增加及农田氮肥的大量使用，直接导致地下水水质恶化，主要是硝酸盐氮超标。污染区主要分布在即墨中北部、莱西南部、平度西部、胶州东部、胶南中部等。沿海地区海水入侵导致地下水中氯离子超标。

地下水的另一污染现状是由地质环境引起的高铁区、咸水区和高高氟区的存在。高铁区、咸水区主要分布在大沽河南端，河道下游亲铁植物繁衍地带被封存形成高铁水区，近海岸带海水封存地带形成咸水区；高氟区主要分布在大沽河西岸南村、蓝村、李哥庄及平度市城区以南、胶莱河以北的部分地区。这些地区地势低洼，基底为火山碎屑岩。一方面，基岩中含有氟的矿物质经风化水解作用而解体，氟离子迁移到地下水中；另一方面，由于地势低洼封闭，地下水交替缓慢且埋深较浅，长期的蒸发作用致使氟离子逐渐浓缩，富集于地下水中，形成高氟区[2]。

总之，由于过度开采地下水，导致地下水位下降，致使地面凹陷，越来越引起政府部门和研究机构的广泛关注。对于地下水位的监测与预测是在必行。

3 地下水监测与预测

由于地下水位的变化，直接影响着人们的生产和生活，地下水位的大幅度下降会造成地表沉降，人们的生活饮用水短缺，海水入侵等一系列的问题，所以引起很多学者的关注。早期上海地质工程勘察院与比利时合作开展地面沉降研究，于1989年完成了我国第一个地面沉降模型。1995年地矿部水文地质工程地质研究所等在此基础上，又提出“地下水水量-水位-沉降联合数学模型”。

目前监测地下水变化主要使用传统的观测手段，如钻井观测和水准观测，它们除耗资大、占用劳动力多、精度较低外，而且空间分布相对过于稀疏。例如，在经济发达的上海地区，地下水观测井才5 眼，地下水观测井之间的距离相差数公里到数十公里，其地理分布极不均匀，难以捕捉到含水层和地下水变化的空间细节，也无法做到不间断的实时监测。这些传统观测手段的局限性已成为进一步发展地下水文学研究、地下水资源管理和评价、水文及灾害预报的瓶颈。此外，为提供准确的预警预报，必须建立符合实际的地下水流-地面沉降模型，导致现有模型预测精度不高除了建模本身的问题外，主要原因之一是：缺乏高时空分辨率高精度的直接或间接监测手段。

图1 TSKB 站GPS 测得的垂直运动与附近地下水观测井的水位变化比较

图2 DInSAR 获取的加州Antelope 峡谷地区的地面沉降与基于水文地质参数模拟的地面沉降比较

4 空间技术

空间对地观测技术（InSAR、GPS 和卫星重力技术）的出现，由于具有全天候、高精度、空间覆盖范围广、系统长时间稳定度好以及分析处理资料快速及时等优点，为解决这一问题提供了新的手段[4]。

4.1 全球卫星定位系统

GPS（全球卫星定位系统）精密定位技术具有时间分辨率高（1 天），水平检测精度高（mm 级），提供了监测由地下水运动产生的地表形变新途径。2004年，日本学者Munekane研究日本IGS 站TSKB 垂直运动异常时，发现该站上GPS 测得的垂直运动与该站附近的观测井的水位变化有很好的统计相关性，如图1，从而首先揭示了地下水运动和含水层压缩是可以在GPS 形变信号中反映出来的。

4.2 合成孔径雷达干涉技术

合成孔径雷达干涉技术（InSAR）是一种使用微波探测地表目标的主动式遥感技术。InSAR 相对于其他测量方法而言，具有很高的空间分辨率（几米至几十米）及覆盖范围（每幅图像几千至一万平方公里）。用相位信息进行地表变形测绘，可以达到很高的精度（mm 级，理论上可以达到子波长级的精度）。1998年，美国地质调查局的Galloway 等首先提出用差分干涉测量技术（DInSAR）监测含水层压缩和地面沉降问题。用一对ERS 影像，Galloway 发现DInSAR 获取的加州Antelope 峡谷地区的变形图和基于水文地质参数模拟的含水层压缩变形图吻合得相当好，如图2。图中彩色的底图为DInSAR 获取的地面沉降图，而白色的等高线为水文地质参数模拟的地面沉降，二者在变形趋势上基本一致Galloway 的这一研究首次证实了地下水活动引起的含水层压缩和地面沉降可以在高分辨率的DInSAR 变形图上反映出来[3]。

4.3 卫星重力技术

近年来发展起来的卫星重力测量技术，如美国与德国合作的重力恢复与气候实验计划（GRACE）卫星，由于采用星载GPS 和非保守力加速度计等高精度定轨技术，使重力场精度与时间分辨率大大提高，这使地下水运动导致的地下水质量的重新分布有可能在时变重力信号中反映出来，这为监测地下水的变化提供了又一个崭新的手段。目前GRACE卫星资料处理的初步结果表明：卫星重力测量已有能力对全球水循环提供大尺度的观测约束，其时间分辨率为30 天，而空间分辨率可达到400 公里左右。在500 公里空间尺度测量的地下水的精度达到1 厘米等效水高[3]。

5 关键问题

利用GPS，InSAR 和卫星重力测量等现代空间对地观测技术提供的观测资料，并结合传统的水文地质观测资料，形成对青岛市地下水变化的常规、一体化和准实时监测。以空间对地观测技术提供的高精度、高时空分辨率的观测资料结合水文地质观测资料作为边界约束条件，辅以地下水运动的地球物理理论模拟，通过一定的地球物理反演过程，以获取该区域地下含水层物质特征的详细信息，并建立更可靠的地下水运动模型，进而为精确预警预报服务。但要完成这样的任务，尚需解决以下几个关键科学问题：

5.1 提升空间观测技术算法和资料分析手段，提高其监测与地下水运动相关的质量迁移和地面沉降信号的精度、可靠性和敏感性的问题。地下水运动产生的地表形变主要反映在垂直方向上。GPS 测定水平运动的精度已经达到亚厘米甚至毫米级的精度，但由于GPS 技术本身的特点，GPS 技术测定垂直运动的精度要比水平运动的测量精度低2-5倍，一般为10mm 或更大。从目前的GPS 垂直运动精度提高到5mm 或更小需要模型改正和数据处理技术的巨大飞跃。通过最新资料了解到，通过一定的手段扣除一个区域内的GPS 精密定位共同误差，垂直运动的测量精度可以明显提高。对于InSAR 而言，基于永久散射体的干涉测量技术（PSInSAR）和角反射器干涉技术（CRInSAR）在一定程度上解决了InSAR 时间和空间失相关的问题，然而它们也使InSAR 以“面”为基础的测量变为以“点”为基础的测量，减小了其空间分辨率。如何将它们与DInSAR 一起综合建模，使其精度稳定可靠地达到理论的3mm 但又不降低其空间分辨率，是我们亟待解决的问题。

5.2 分离空间技术观测得到的与地下水运动相关的地面沉降和质量迁移信号和其他信号（如构造运动信号灯）的问题。由于空间技术的测量得到地表形变信号包括了多种地球物理过程的贡献，地下水运动监测和含水层物理特征研究要求把地下水运动产生的地表形变信号和其它形变信号分离开。这就要求首先对地壳构造运动以及大气、海洋、地表水引起的地表形变作深入的研究，并采用一定的方法从总的信息中予以扣除。

5.3 空间技术观测得到的与地下水运动相关的地面沉降和质量迁移资料以及地面观测资料的同化和融合问题。GPS、InSAR 和卫星重力技术在监测形变方面是互有优缺点的：GPS 的时间分辨率高，但是空间分辨率相对较低；InSAR 的空间分辨率高，但是时间分辨率相对较低；InSAR 是一种一维相对观测，GPS 可以看作是一种三维绝对观测；GPS 技术和InSAR 技术结合，并辅以一定理论（贝叶斯统计理论），可以研究高分辨率的三维地表形变场。卫星重力技术则可以提供大范围的质量迁移信息，对InSAR 和GPS 的地下水运动监测结果提供较大尺度的背景和约束。如何将这三种空间测量技术加以融合，以及将它们与传统水文测量和地面重力观测结果加以融合，是我们需要面临的又一重要问题。

6 结论

青岛市对地下水位变化问题予以高度关注，严禁超采地下水，并利用汛期多余洪水实施超采区回灌补源措施，以保证地下水位回升，使水质变化在允许范围内，不发生危害性地质现象。具体措施是兴建地下水库和地下水回灌工程。目前青岛市已在大沽河建成8座橡胶坝，从运行情况看，效果明显。

地下水变化的监测和预测是一项长期任务，也是难点。由于空间技术的发展，该研究的领域正成为当前世界各国空间技术和水文领域科学家关心的热点和研究前沿。例如，2004年欧洲地球物理年会就有一个主题分会“Continental hydrology observed with GPS inversions,GRACE gravity and microwave remote sensing”交流这方面的进展。近年来，虽然已经有一些用空间对地观测技术研究地下水运动的成功范例发表在科学杂志上，但是还局限于零星的地表形变较显著的地区。从整体看，把空间观测和地面资料以及地球物理模型相整合，形成常规的、一体化的、准实时的监测地下水运动的系统工程，国际上还处于筹划、探讨和试验阶段。如果能及时开展这方面的研究，将是青岛市乃至我国在该领域的国际学术地位有好处，而且对提高我国的国民经济持续发展、合理利用水资源、预防我国地下水开采引起的广泛地面沉降等都有好处。2006年9月在北京召开的“第五届世界水大会”上，建设部副部长仇保兴指出，未来30年将是中国城市供水最艰难的时期，因而利用空间技术监测地面和地下水储量的变化，合理利用水资源就显得特别重要和迫切。

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

[2]孙楠思，姜世强，李宝珠，等.青岛市水资源现状及保护对策，海岸工程，2003，2(22).

[3]叶叔华.地下水变化的空间技术监测和预测，地球物理学进展，2007，4(22)：1030-1034.

[4]何儒云，王耀南，毛建旭.合成孔径雷达干涉测量_InSAR_关键技术研究，测绘工程，2007，5(16).