地下水水位变化及地质结构所部分控制的含水层系统...8.pdfVIP

地下水水位变化及地质结构所部分控制的含水层系统形变导致 地面沉降与隆起的InSAR 派生时空模式 Charles E.Heywood, Devin L.Galloway,and Sylvia V.Stork 摘要 利用6 幅合成孔径雷达图像（SAR ）进行处理形成5 幅解缠的阿尔伯克基盆地大型城市 区域 InSAR 图像。图像中多数干涉模式由地表高程变化导致的排列位错产生。地表高程变 化的地方连同与之相关的含水层系统水位变化在很大程度上由以下因素引起：含水层的主基 质对于可测得的岩石细孔毛细压变化所产生的弹性反映。大量观测到的地面沉降和隆起现象 表明，阿尔伯克基地区的地下水回退导致的含水层变形，可能一直保持在1993 年7 月至1999 年9 月的应力弹性 （可恢复性）范围之中。当然也存在Rio Rancho 地区的非弹性（永恒性） 地面沉降，但是由于没有足够的水位数据，它与含水层系统压缩之间的关系尚属非结论性的。 阿尔伯克基地区与Rio Rancho 地区的弹性形变模式二者表明，盆地内断层在季节性尺度同 时在局部性、区域性空间尺度上阻碍了地下水水流。 引言 由于淤积含水层的过度开采引起非弹性压缩导致了永恒性地面沉降，这一现象成为一个 世界性问题。在美国西部许多干旱与半干旱含水盆地，地下水开采用于农业、市政和工业配 给（Galloway 等，1999 ）引起了区域范围永久性的地面沉降。明显的例子有Antelope （Moj ave Desert ，Ikehara 和Phillips,1994;Galloway 等，2003 ），Santa Ana 地区（Poland 等 1975，Ireland 等 1984 ），以及加 尼亚的Santa Clara 谷地（Poland 与Ireland,1988 ）；内华达州的拉斯维 加斯谷地（Bell,1981a,b;Bell 与Price,1993;Amelung 等，1999；Bell 等2002 ）；还有亚里桑 纳州中南部的许多盆地（Laney 等，1978 ；Carpenter,1999 ）。时至今日，这些盆地的历史最 大地面沉降幅度大约有 2m 至 9m。以上所有例子当中，大量开采的地下水资源被用来灌溉 农作物抑或是为市政和工业提供水配给，这些都导致了地下水位的下降以致低于临界值，从 而引发了永久性的地面沉降。采取邻近地区地下水资源利用和引进地表水资源等措施，有助 于减少与中止了发生在所有这些盆地中的永久性地面沉降。 除了永久性地面沉降，由于含水层系统受岩石细孔毛细压变化影响，可逆性弹性形变发 生在所有含水层系统当中。在其它受日常与季节性水泵抽吸影响的冲淤盆地中，其含水层系 统形变一直被作为研究与监测对象，这种弹性沉降具有典型性地每日可达到1mm 至5mm 而 且季节性地可超过30mm 至60mm 。 地貌学证据证实，Rio Grande 大峡谷自先前更新世时期的河流冲刷淤积平原，至今已 经被侵蚀了足有100m 厚的沉积层，而现存的Llano de 阿尔伯克基大草原却是一个残余体。 下层的沉积层由于其上极度压 的沉积层重 而先被压实，而现在在上部极度压 的沉积层 被侵蚀后又被极度压缩。故而，由于地下水位下降引起的含水层变形，很可能在这些变形导 致的含水层实际应力超过先被压实的沉积层的应力临界值时，不在保持在弹性范围之内。水 位下降有多少 值时才会超过这种临界值，利用简单假设 （Terzaghi,1925 ）可以对其进行估 3 计。假设到古地下水位和到当今地下水位有相似的深度，平均的纹理密度为2.7g/cm ，孔性 为0.3，在受压情况下，等价的地下水位下降大约为所损失的过度负 的1.2 倍或约120m。 至 1996 年，在阿尔伯克基的一些地区，地下水位已经下降到偏离稳定状态 50m 的深度 （Bartolino 与Cole，2002 ）。 本文在总结了Heywood 等人 （2002 ）的研究成果基础上，研究与确定在新墨西哥州阿 尔伯克基地区及邻近区的潜在地表沉降，它们都与地下水位变化不无关系。SAR （合成孔径