《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》：Differential land deformation patterns and response mechanism to groundwater recovery in the Beijing-Tianjin-Hebei Plain revealed by reconstructing and clustering of TS-InSAR observations
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本文針對南水北調(diào)后華北平原地下水位總體恢復背景下地表形變響應空間異質(zhì)性不清的問題，研究人員利用2016-2024年Sentinel-1A TS-InSAR形變場，結(jié)合重構(gòu)季節(jié)性及長期趨勢分量，發(fā)展長時相特征約束K-means聚類方法，識別出持續(xù)沉降（10.14%）、沉降減緩（18.86%）、穩(wěn)定變形（46.09%）、輕微回彈（24.91%）四類演化模式，并揭示了形變對地下水位變化的年際滯后和長期延遲響應機制。成果對區(qū)域地下水可持續(xù)管理和地面沉降精準防控具有重要科學意義。
千百年來，華北平原這片富饒的土地哺育了無數(shù)人口，然而近幾十年來的地下水過度開采，已使其成為世界上地沉降最嚴重的區(qū)域之一。地面沉降不僅威脅著城市基礎設施和防洪安全，還深刻地影響著地下含水層系統(tǒng)自身的平衡。2014年南水北調(diào)中線工程的通水，為華北地區(qū)帶來了重要的外源補給，加之近年來頻繁的極端降雨，華北平原部分地區(qū)的地下水位呈現(xiàn)出令人欣喜的恢復態(tài)勢。但一個關鍵的科學問題隨之而來：整個華北平原的地表形變是否在同步好轉(zhuǎn)？答案并非如此簡單。研究發(fā)現(xiàn)，盡管部分地區(qū)沉降趨勢顯著放緩甚至出現(xiàn)反彈，但在另一些區(qū)域，嚴重的地面沉降仍在持續(xù)。這種空間上的“同水不同命”現(xiàn)象背后，隱藏著怎樣的地質(zhì)和水文機制？揭示這種差異化的地表形變模式及其對地下水恢復的多尺度響應，對于制定分區(qū)、分類、精準的地下水管理策略，保障區(qū)域地質(zhì)安全與可持續(xù)發(fā)展至關重要。
為了解答以上問題，研究人員利用覆蓋整個華北平原的Sentinel-1A SAR衛(wèi)星影像（2016-2024年），通過時間序列干涉合成孔徑雷達（TS-InSAR）技術，構(gòu)建了高精度、大范圍的區(qū)域性地表形變場。他們巧妙地利用諧波函數(shù)重建了季節(jié)性形變分量，并用二次多項式擬合了長期趨勢分量，從而將復雜的形變信號分解為可解釋的組成部分。為了從海量數(shù)據(jù)中提煉出具有共性的形變演化模式，研究者發(fā)展了一種基于長時相形變特征參數(shù)的K-means聚類方法，依據(jù)形變趨勢的曲率、線性系數(shù)、頂點時間及末期斜率等特征，對整個平原的形變行為進行了客觀、自動化的空間分區(qū)識別。隨后，結(jié)合區(qū)域地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和短時傅里葉變換、指數(shù)衰減模型等分析方法，深入剖析了不同形變模式下，地表沉降對地下水位波動的年際滯后響應和長期延遲恢復規(guī)律。該研究成果已發(fā)表于地學與遙感領域國際期刊《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》。
本研究采用的關鍵技術方法主要包括：1) 利用IPTA算法處理多軌Sentinel-1A數(shù)據(jù)，生成覆蓋全華北平原的時序InSAR形變場，并通過基于同名像素和雙層Delaunay三角網(wǎng)的相鄰軌道校正與拼接技術，構(gòu)建了一致的垂直形變場。2) 采用諧波函數(shù)和二次多項式分別重建季節(jié)性形變和長期趨勢形變分量，提取關鍵特征參數(shù)（如年振幅、曲率a、線性系數(shù)b、頂點時間tvertex和末期斜率slopeend）。3) 基于上述長時相形變特征參數(shù)，應用特征約束K-means聚類算法，將研究區(qū)劃分為具有不同演化模式的同質(zhì)區(qū)域。4) 耦合地下水位觀測數(shù)據(jù)，運用短時傅里葉變換分析形變與水位變化的周期性響應及年際滯后，并利用指數(shù)衰減模型量化沉降漏斗的恢復速率。
研究結(jié)果方面，具體如下：
4.1. 基于TS-InSAR的地表形變：研究獲取了2016-2024年華北平原的長期垂直形變速率圖。結(jié)果表明，顯著的地面沉降（年速率≥40毫米）主要集中在平原中部和東部，與歷史地下水漏斗區(qū)高度重合。對比2016-2018年與2018-2024年兩個時段發(fā)現(xiàn)，2018年后（地下水管理政策加強后）沉降范圍明顯縮小、速率減緩，表明區(qū)域地下水條件的改善對抑制地面沉降產(chǎn)生了積極效果。
4.2. 季節(jié)性及長期趨勢形變分量的重建：通過諧波函數(shù)重建的季節(jié)性形變振幅空間分布顯示，山前平原區(qū)季節(jié)性形變較弱（一般低于5毫米），而顯著季節(jié)性形變（振幅可達15毫米）集中于中部和東部平原的主要沉降漏斗區(qū)，與深層承壓水位的季節(jié)性波動幅度空間對應性更強，表明深層地下水開采是驅(qū)動該區(qū)域彈性形變的主要因素。長期趨勢分量（二次多項式擬合）的特征參數(shù)（如曲率a、末期斜率slopeend等）的空間分布揭示了形變演化在時間和空間上的顯著異質(zhì)性。
4.3. 基于特征約束K-means聚類的差異化形變模式識別：通過肘部法則確定最優(yōu)聚類數(shù)為4，將華北平原的地表形變演化模式劃分為四大類，其在空間上呈連續(xù)分布：持續(xù)沉降區(qū)（占10.14%）、沉降減緩區(qū)（占18.86%）、穩(wěn)定變形區(qū)（占46.09%）和輕微回彈區(qū)（占24.91%）。聚類結(jié)果與深淺層地下水位下降漏斗的空間分布具有良好的一致性，例如保定-衡水和邯鄲的長期沉降主要與淺層承壓水位下降有關，而廊坊和邢臺的沉降則主要受深層承壓水位下降控制。
4.3.2. 不同形變模式的時間序列響應：選取各聚類內(nèi)的代表性觀測井進行形變與地下水位時間序列對比分析發(fā)現(xiàn)，不同模式對地下水恢復的響應差異顯著。例如，回彈區(qū)形變與水位變化幾乎同步（相關系數(shù)>0.65），而持續(xù)沉降區(qū)（如集群4）的形變與短期水位波動相關性低，表明存在長期的黏土層壓密滯后效應。重構(gòu)形變與原始TS-InSAR序列的殘差分析表明，極端水文或人為擾動（如強降雨或集中抽水）會引發(fā)短期形變波動，這些信號未被季節(jié)性模型捕獲，反映了不同模式含水層系統(tǒng)對擾動的敏感度差異。
5. 討論——重建季節(jié)性及長期趨勢形變的不確定性評估：通過計算重建形變與原始觀測序列的均方根誤差和歸一化均方根誤差，評估了模型的不確定性。不確定性主要源于測量噪聲和由極端水文事件或突發(fā)人為擾動引起的短期形變波動。這種不確定性本身也包含了含水層系統(tǒng)對不同擾動響應的有價值信息。
綜上所述，本研究揭示了華北平原在南水北調(diào)等人類干預和氣候變化影響下的新水文背景下，地表形變對地下水恢復的差異化響應模式與機制。研究發(fā)現(xiàn)，盡管區(qū)域地下水位總體呈恢復趨勢，但地表形變響應存在顯著的空間分異性：山前區(qū)以穩(wěn)定或輕微回彈為主，而中東部平原沉降漏斗區(qū)則表現(xiàn)出從持續(xù)沉降到減緩沉降的多種模式。這種分異性主要受含水層系統(tǒng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)（如黏土層厚度與分布）和地下水開采歷史的共同控制。通過短時傅里葉變換分析發(fā)現(xiàn)，形變對水位變化的年際滯后也存在差異：以彈性形變?yōu)橹鞯膮^(qū)域滯后≤2個月，而富黏土持續(xù)沉降區(qū)則滯后4-6個月。進一步的指數(shù)衰減模型分析指出，沉降漏斗的恢復受地質(zhì)構(gòu)造（如斷層）影響顯著：與斷層相交的漏斗其邊緣沉降衰減最慢，而無斷層切割的漏斗則呈現(xiàn)出從邊緣到中心更為均勻的恢復模式。本研究的核心貢獻在于構(gòu)建了一個集TS-InSAR形變場重構(gòu)、特征約束聚類和多尺度響應分析于一體的綜合框架，不僅從區(qū)域尺度上系統(tǒng)刻畫了華北平原地表形變的時空演化格局，更重要的是，從物理機制上揭示了不同地質(zhì)-水文條件下含水層系統(tǒng)對地下水恢復的異質(zhì)性響應過程。這一成果為理解長期地下水超采區(qū)含水層變形動力學提供了新的視角，也為區(qū)域尺度地面沉降的精準防控和地下水資源的可持續(xù)管理提供了關鍵的科學依據(jù)。
