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综述：区域地面沉降伴随地下水开采
Devin L. Galloway amp; Thomas J. Burbey
摘 要
地下水的开采会引起易受影响含水层系统的压实，从而引起地面沉降。这些含水层系统通常是松散的冲积或盆地充填含水层系统，包括含水层和蓄水槽。各种地面和遥感方法被用来测量和绘制沉降图。目前已查明和监测了许多地下水开采引起的沉陷地区，并制定了减缓或停止沉陷的纠正措施。缓解地下水开采引起的地面沉降主要有两种方法:减少地下水开采和人工补给。从水头、应力、压缩性和地下水流量之间的基本关系出发，对含水层系统压实过程进行了分析和模拟，主要采用两种方法:一种基于常规地下水流动理论，另一种基于线性孔隙弹性理论。为提高对含水层系统压实的评价和分析，需要在水闸门的水力学行为、水平变形的作用、差分合成孔径雷达干涉法的应用、并对耦合地下水流动与含水层系统变形进行区域尺度模拟，以支持资源管理和减灾措施。
关键词审查 沉降;含水层系统压缩;数值模拟;合成孔径雷达干涉测量技术
引言
地面沉降这个术语既包括平缓的下挠作用，也包括地表离散部分的突然下沉。位移主要是向下的，虽然与之相关的水平变形往往具有显著的破坏作用。地下水的开采引起了易受影响的含水层系统的压实，对地面沉降起着直接的作用(图1)。从地下地层中开采水、原油和天然气等流体所引起的沉陷，可能是所有引起土地沉陷的人为和自然的原因中最容易理解的一种。已经查明了许多因抽送地下流体而引起的下沉地区，监测了地表和地下的变化，并制订了纠正措施。。几十年前，波兰和戴维斯(1969)对“流体抽离引起的地面沉降”这一主题进行了评述。
“地面沉降”一般列入1965-1974年国际水文十年联合国教育、科学及文化组织(教科文组织)的方案。十年期间，教科文组织举办了第一次地面沉降问题国际研讨会。1975年，教科文组织成立了地面沉降问题工作组，随后编写了《地下水开采引起地面沉降研究指南》(波兰，1984年)。已经召开了八次关于地面沉降的国际研讨会。专题讨论会的会议记录包括许多科学论文，涉及世界各地确定的各种类型的沉降(Tison 1969;IAHS 1977;Johnson et al. 1986;约翰逊1991;Barends等，1995;Carbognin等，2000;Zhang et al. 2005;(karen - freyre et al. 2010)，为地下水开采引起的地表沉陷的研究和案例研究提供了丰富的资源。其他有用的汇编查明了许多因抽送地下流体而引起的下沉地区，监测了地表和地下的变化，并制订了纠正措施。提供关于地下水开采引起的沉陷的重要资料(包括Holzer 1984a;Singh和Saxena 1991;Prince 等人. 1995;Prince 和 Leake 1997;Borchers 1998;Galloway 等人l. 1999;Prince and Galloway 2003,和 Galloway等人. 2008)。Gambolati等人(2005)对事件、测量、机制、地下流体(地下水、石油和天然气)运移引起的人为地面沉降的进行预测和修复。
图1在加利福尼亚州门多塔附近的圣华金山谷最大实测沉降的近似位置拍摄的照片。1925年至1977年，地面沉降约9米，原因是地下水抽采引起的含水层系统压实。在1925年和1955年，旗杆上的标志被定位在陆地表面的大致以前的海拔高度。如图所示是来自R.L.爱尔兰的摄影，USGS, ca. 1977
美国国家研究委员会的地面沉降问题小组(1991)认识到需要有有三种方法来改进减轻地面沉降:“首先，关于地面沉降的大小和分布的基础地球科学数据和信息[hellip;]来认识和评估未来的问题。第二，沉降过程及处置水辅油的工程方法研究沉降[hellip;]，以达到成本效益的损害预防或控制。第三，尽管美国正在使用许多类型的缓解方法，但对其成本效益的研究将有助于决策者作出选择。“许多受补贴影响的地区已采取缓解措施。缓解这些地区下沉的两种主要方法可以简单地总结为(1)通过联合使用、养护和调节减少地下水的抽取;和(2)人工补充地下水(波兰，1984年)。在这些方法实施前，对其进行了详细的水文地质研究、沉降监测与制图以及沉降的一般分析与模拟。本文对随地下水开采而来的含水层系统压实的沉降研究和应用进行了广泛的综述。该审查涉及地面沉降问题小组确定的第一及第二项资讯要求。
检测和评估
地下水回采和敏感含水层系统压实引起的沉降往往是一种微妙的现象。由于高程变化的区域尺度较大，且地面沉降影响区域以外需要垂直稳定的基准点—水准点，使得区域地面沉降的检测问题更加复杂。两种类型的地面运动通常发生在敏感含水层系统变形和地面破坏。地表垂直和水平位移形式的变形是地下水开采的主要危害。诸如地裂缝和地表断层等地面破坏与差分(垂直)地面位移(Holzer 1984b)和含水层系统的水平和垂直变形有关，而这些可能与差分(垂直)地面位移无关(Helm 1994;Sheng 等人. 2003)。
表明可能经常发生沉降的辅助信息或传闻信息对于区域尺度的沉降过程是有用的，特别是在沉降较轻微的地方。一些类型的辅助/轶事信息已证明对识别易受影响的地下水盆地有用，包括受损井-突出井和(或)塌陷井套的发生率增加;重复调整本地大地测量控制;江河或沿海泛滥;运输及排水问题;和地面故障(Galloway等人. 2008, 第 60-67)。
沉降评估通常处理地表位置的空间变化(大小和方向)，以及引起沉降的过程。沉降测量与监测是制约未来沉降分析与预测的关键。含水层系统变形的计算模型受现有资料的限制，常被用来评估目前和潜在的未来危险。
测量、测绘和监测
各种方法被用来测量和绘制区域和局部沉降以及水平地面运动的空间梯度和时间速率(Galloway等人. 1999)。这些方法通常测量地表位置的相对变化。可观测到的位置通常是一个大地基准点，它的建立使得任何运动都可以归因于深层的地面运动，而不是地表效应。地面沉降是通过参照已知且假定稳定的基准框架，对基准点进行重复测量来测量的。在许多受影响地区，由于缺乏足够稳定的垂直参考框架(控制)，准确的评估受到阻碍或拖延。表1显示了世界各地选定地点最近测量到的一些沉降率(局部最大值)。
地面大地调查和技术
在1980年代基于卫星的全球定位系统(GPS)出现之前,进行土地测量最常见的方法是使用经纬仪(用于精确测量垂直和水平角),或者自1950年代以来,使用大地距离仪(电子测距仪,简称为EDMS)。如果只要求垂直位置，则选择差动水准测量(使用自动水准测量和刻度杆或数字水准测量和条形读数杆)。当测量以满足规定的标准甚至更低的订单(第二和第三)大地水准测量的准确性,10 - 15毫米以上的距离可以测量高程的变化经常公里,1 - 2毫米的高程变化几公里可以获得最高水准的质量(一阶)。当测量长度较小(约10公里或以下)时，差流水准测量仍被广泛使用，因为它既准确又经济。然而，经过验证的高质量(一阶)调平是乏味的、耗时的和昂贵的。大型区域网络可能需要使用全球定位系统或机载和天基大地测量。如果需要在局部尺度上更精确地测量变化，可以使用伸长计。如果在短距离上需要更多的空间细节，可以使用三脚载激光雷达(光探测和测距)，以及使用真实孔径雷达(Werner 等人. 2008)和合成孔径雷达技术(Leva等人. 2003)的地基差分干涉测量。利用条纹投影和散斑摄影相结合的光学技术在研究变形地球材料的实验模型上显示出了在阐明颗粒介质中三维变形过程方面的前景(Barrientos 等人. 2008)。关于地面干涉和基准光学技术的细节在本综述中不作进一步讨论。
精确微分水准
在历史上看，通常采用精确差水准测量来确定地表水准点的高程。美国国家海洋和大气管理局详细描述了程序或规范(NOAA)的《测量水准测量手册》(NOS NGS 3，大地水准测量)(Schomaker and Berry 1981)中有详细描述。一旦建立和调查了基准点检测网，以后的重复调查将显示垂直移动的位置和幅度(如果有的话)。
通常，监测网的设计目的是覆盖已知和可疑的沉降区，并包括稳定的参考点，这些参考点是更广泛的区域大地测量控制网络的一部分。水准点的间距通常约为1600米，但在特殊的地区，则通常要小得多。安装和保护水准标志的详细资料载于NOAA手册第1号《大地水准标志》(Floyd 1978)。
传统上，在沉降区基准线测量中，一般采用一级或二级水准测量，虽然也使用了三级标准。一级第I级调平是双道调平，要求截面(向前和向后)误差不超过3 mm，其中E是截面线最短的单向长度(以公里为单位)(1984年联邦大地测量控制委员会，3.5节，第3 - 8页)。二级I级调平要求闭合误差不超过6 mm，一般每公里成本低于一级I级测量。由于一级水准测量与二级水准测量的成本差异，在沉降区进行网面重铺时，通常选择一级水准测量的主干线和二级水准测量的次干线。在一级水准测量中，与“稳定”地基(例如固结的沉积物或基岩)的联系是极其重要的。任何减少环路闭合时间的程序都是有益的，这样可以最大限度地减少测量过程中地表高程变化的影响。例如，在局部水头年波动为10-30 m的重泵流域，每年的找平时间是很重要的。通常在春季和夏季出现下降，而在秋季和冬季出现回升，此时的下降幅度较小。因此，夏季施加的应力比冬季大得多，含水层系统的全年度压实可能在5-6个月内发生。在这些地区，找平是在回采水头期间或紧接回采水头之后，压实和沉降最小的情况下最优完成的。
全球定位系统(GPS)
上世纪80年代初，以卫星为基础的导航星全球定位系统进行测试时，发生了一场地壳运动测量的革命,当时测试的卫星导航星全球定位系统(GPS)显示,在相距8 - 40多公里的点之间取得百万分之一的精度是可能的。GPS使用至少四个地球轨道卫星发出的信号来确定一个自动接收器的近似绝对位置(即非差分位置)。对于差分大地测量，在两个接收机同时收集的GPS观测值可以是一个连续的全球定位系统，例如CORS(连续运行的参考站;用于计算接收器之间的精确基线(如果两个接收器之间存在适当的通信，则为实时)。给定已知的CGPS(或基站)位置，将观测到的基线矢量添加到已知位置即可确定粗纱接收机的三维位置。自1995年7月17日以来，导航卫星全球定位系统一直在24颗卫星组成的完整星座内运作，在北美基本上持续不断地提供覆盖，在名义上，随时都能看到至少六颗卫星。GPS卫星参考1984年世界大地测量系统(wgs84)椭球面。GPS定位通常决定椭球体的高度(上面的位置在参考椭球面以下)和高程(地球表面与大地水准面(近似海平面的参考面)的正长高度-距离)由椭球面高度和大地水准面高度(参考椭球面与大地水准面之间的差值)得到。Zilkoski等人(1997)描述了在20和50毫米水平面上建立GPS导出椭球体高度的指南，Zilkoski等人(2008)描述了建立GPS导出正位高度的指南。
在地面沉降和其他地壳运动测量中，利用GPS可以确定基准点的相对位置和绝对位置。因此，用这种方式可以测量和重绘美国大地测量网的基准点。这种网络于1992年在加利福尼亚州莫哈韦沙漠的羚羊谷建立，是第一批专门监测地下水开采引起的地面沉降的网络之一(图2;(池原和菲利普斯，1994年)，以确定以前平整的基准点的沉降，并使测量点的精度精确到几十公里，以便将来进行沉降监测。美国新墨西哥州阿尔伯克基已经建立了其他大型的基于GPS的地面沉降监测网络(C. Heywood, US Geological Survey, personal communication, 2003);亚利桑那州的阿夫拉山谷和图森盆地(Carruth 等人. 2007);德克萨斯州休斯敦-加尔维斯顿地区(Zilkoski 等人. 2003);内华达州拉斯维加斯(Bell 等人. 2002);下科切拉山谷，加利福尼亚州(Sneed and Brandt, 2007);加利福尼亚州萨克拉门托-圣华金三角洲(M。池原，NOAA，个人交流，2008)。GPS测量也是一种通用的探测工具，可用于快速运动、快速静态、快速粗略地确定沉降区域，以实现对伸长计、倾斜仪、CGPS等测量设备的更精确、更具体、更连续的定位。
GPS的优势之一是能够同时测量水平和垂直运动。与管理地下流体生产和储存实践相关的沉降和隆起伴随着地壳中可测量的水平运动。如果这些点位于沉降/隆起特征的边缘，那么垂直运动与水平运动的比例可能接近1:1 (Bawden等. 2001)。例如,在南加州圣盖博谷,地下水抽取附近向内拉向最大落差区域(图3),并记录降雨在2005年冬天春天同一区域产生超过4厘米的隆起，附近的CORS的径向向外运动大于1厘米(King等 . 2007年)。Burbey 等人(2006)在60天的含水层试验中使用垂直和水平GPS测量结果表明，含水层横向渗透率各向异性的单一值而不是趋势各向异性可以产生不同的变形角度（径向和切向的组合）与抽油井径向距离的函数。
图2，1992年，在加利福尼亚州莫哈韦沙漠羚羊谷，测量历史沉降的大地网。大地测量和常规水准测量结果表明，最大沉降量约为2米;自1930年以来，500多平方公里的面积已经下降了0.6多米(池原和菲利普斯1994年)。由加洛韦等人改动(1999;p . 145)
三脚架激光雷达
陆基三脚架光探测测距(TLiDAR)是一种便携式遥感仪器，具备红外激光扫描景观和产生非常详细(厘米到亚厘米)和准确的三维数字模型扫描目标距离2到20
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