劉沙

（中國石化集團勝利石油管理局地質(zhì)錄井公司，山東 東營 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70個大中城市之一。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區(qū)域，屬溫帶季風氣候。市區(qū)由于海洋環(huán)境的直接調(diào)節(jié)，受來自洋面上的東南季風及海流、水團的影響，故又具有明顯的海洋性氣候特點。

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，少于世界公認的人均500m 的絕對缺水標準，為全國人均占有量的13%，是沿海城市中缺水嚴重者之一。隨著青島市幾年來經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對地下水的需求也急劇增長，目前青島每年開采的地下水總量超過2830×10m，過量開采地下水引起的地面沉降和生態(tài)環(huán)境惡化，對人們的生產(chǎn)、生活造成巨大的危害，而且極大的制約著青島經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，對水資源尤其是地下水的監(jiān)測與預(yù)測就顯得尤為重要，以便能夠合理的開發(fā)利用地下水資源[1]。

2 地下水現(xiàn)狀

青島市地下水的開發(fā)利用程度較高，地下水的開采量逐年加大，現(xiàn)狀實際利用率平均達到可利用量的90%。但地下水的開發(fā)極不均衡，局部地區(qū)大量超采。僅以嶗山水庫下游白沙河為例，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，由于長期超采地下水，造成地下水位嚴重下降，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

對于地下水過度的開采，使生產(chǎn)與生活的諸多方面面臨嚴重的問題。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，即墨的營上、豐城，城陽的赫家營，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800km；6-9月份，由于汛期降雨量較大，地下水得到補充，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14.52m；汛期過后，降雨減少，地下水資源得不到及時補充，加上開采量過大，地下水位開始下降，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，使河道徑流對地下水的補給能力減弱，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。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。

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，由于地勢低洼封閉，地下水交替緩慢且埋深較淺，長期的蒸發(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，由于過度開采地下水，導(dǎo)致地下水位下降，致使地面凹陷，越來越引起政府部門和研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。對于地下水位的監(jiān)測與預(yù)測是在必行。

3 地下水監(jiān)測與預(yù)測

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題，所以引起很多學者的關(guān)注。早期上海地質(zhì)工程勘察院與比利時合作開展地面沉降研究，于1989年完成了我國第一個地面沉降模型。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)學模型”。

目前監(jiān)測地下水變化主要使用傳統(tǒng)的觀測手段，如鉆井觀測和水準觀測，它們除耗資大、占用勞動力多、精度較低外，而且空間分布相對過于稀疏。例如，在經(jīng)濟發(fā)達的上海地區(qū)，地下水觀測井才5 眼，地下水觀測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節(jié)，也無法做到不間斷的實時監(jiān)測。這些傳統(tǒng)觀測手段的局限性已成為進一步發(fā)展地下水文學研究、地下水資源管理和評價、水文及災(zāi)害預(yù)報的瓶頸。此外，為提供準確的預(yù)警預(yù)報，必須建立符合實際的地下水流-地面沉降模型，導(dǎo)致現(xiàn)有模型預(yù)測精度不高除了建模本身的問題外，主要原因之一是：缺乏高時空分辨率高精度的直接或間接監(jiān)測手段。

圖1 TSKB 站GPS 測得的垂直運動與附近地下水觀測井的水位變化比較

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)

空間對地觀測技術(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)長時間穩(wěn)定度好以及分析處理資料快速及時等優(yōu)點，為解決這一問題提供了新的手段[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)具有時間分辨率高（1 天），水平檢測精度高（mm 級），提供了監(jiān)測由地下水運動產(chǎn)生的地表形變新途徑。2004年，日本學者Munekane研究日本IGS 站TSKB 垂直運動異常時，發(fā)現(xiàn)該站上GPS 測得的垂直運動與該站附近的觀測井的水位變化有很好的統(tǒng)計相關(guān)性，如圖1，從而首先揭示了地下水運動和含水層壓縮是可以在GPS 形變信號中反映出來的。

4.2 合成孔徑雷達干涉技術(shù)

合成孔徑雷達干涉技術(shù)（InSAR）是一種使用微波探測地表目標的主動式遙感技術(shù)。InSAR 相對于其他測量方法而言，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平方公里）。用相位信息進行地表變形測繪，可以達到很高的精度（mm 級，理論上可以達到子波長級的精度）。1998年，美國地質(zhì)調(diào)查局的Galloway 等首先提出用差分干涉測量技術(shù)（DInSAR）監(jiān)測含水層壓縮和地面沉降問題。用一對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，二者在變形趨勢上基本一致Galloway 的這一研究首次證實了地下水活動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[3]。

4.3 衛(wèi)星重力技術(shù)

近年來發(fā)展起來的衛(wèi)星重力測量技術(shù)，如美國與德國合作的重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒炗媱潱℅RACE）衛(wèi)星，由于采用星載GPS 和非保守力加速度計等高精度定軌技術(shù)，使重力場精度與時間分辨率大大提高，這使地下水運動導(dǎo)致的地下水質(zhì)量的重新分布有可能在時變重力信號中反映出來，這為監(jiān)測地下水的變化提供了又一個嶄新的手段。目前GRACE衛(wèi)星資料處理的初步結(jié)果表明：衛(wèi)星重力測量已有能力對全球水循環(huán)提供大尺度的觀測約束，其時間分辨率為30 天，而空間分辨率可達到400 公里左右。在500 公里空間尺度測量的地下水的精度達到1 厘米等效水高[3]。

5 關(guān)鍵問題

利用GPS，InSAR 和衛(wèi)星重力測量等現(xiàn)代空間對地觀測技術(shù)提供的觀測資料，并結(jié)合傳統(tǒng)的水文地質(zhì)觀測資料，形成對青島市地下水變化的常規(guī)、一體化和準實時監(jiān)測。以空間對地觀測技術(shù)提供的高精度、高時空分辨率的觀測資料結(jié)合水文地質(zhì)觀測資料作為邊界約束條件，輔以地下水運動的地球物理理論模擬，通過一定的地球物理反演過程，以獲取該區(qū)域地下含水層物質(zhì)特征的詳細信息，并建立更可靠的地下水運動模型，進而為精確預(yù)警預(yù)報服務(wù)。但要完成這樣的任務(wù)，尚需解決以下幾個關(guān)鍵科學問題：

5.1 提升空間觀測技術(shù)算法和資料分析手段，提高其監(jiān)測與地下水運動相關(guān)的質(zhì)量遷移和地面沉降信號的精度、可靠性和敏感性的問題。地下水運動產(chǎn)生的地表形變主要反映在垂直方向上。GPS 測定水平運動的精度已經(jīng)達到亞厘米甚至毫米級的精度，但由于GPS 技術(shù)本身的特點，GPS 技術(shù)測定垂直運動的精度要比水平運動的測量精度低2-5倍，一般為10mm 或更大。從目前的GPS 垂直運動精度提高到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。通過最新資料了解到，通過一定的手段扣除一個區(qū)域內(nèi)的GPS 精密定位共同誤差，垂直運動的測量精度可以明顯提高。對于InSAR 而言，基于永久散射體的干涉測量技術(shù)（PSInSAR）和角反射器干涉技術(shù)（CRInSAR）在一定程度上解決了InSAR 時間和空間失相關(guān)的問題，然而它們也使InSAR 以“面”為基礎(chǔ)的測量變?yōu)橐浴包c”為基礎(chǔ)的測量，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題。

5.2 分離空間技術(shù)觀測得到的與地下水運動相關(guān)的地面沉降和質(zhì)量遷移信號和其他信號（如構(gòu)造運動信號燈）的問題。由于空間技術(shù)的測量得到地表形變信號包括了多種地球物理過程的貢獻，地下水運動監(jiān)測和含水層物理特征研究要求把地下水運動產(chǎn)生的地表形變信號和其它形變信號分離開。這就要求首先對地殼構(gòu)造運動以及大氣、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)觀測得到的與地下水運動相關(guān)的地面沉降和質(zhì)量遷移資料以及地面觀測資料的同化和融合問題。GPS、InSAR 和衛(wèi)星重力技術(shù)在監(jiān)測形變方面是互有優(yōu)缺點的：GPS 的時間分辨率高，但是空間分辨率相對較低；InSAR 的空間分辨率高，但是時間分辨率相對較低；InSAR 是一種一維相對觀測，GPS 可以看作是一種三維絕對觀測；GPS 技術(shù)和InSAR 技術(shù)結(jié)合，并輔以一定理論（貝葉斯統(tǒng)計理論），可以研究高分辨率的三維地表形變場。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InSAR 和GPS 的地下水運動監(jiān)測結(jié)果提供較大尺度的背景和約束。如何將這三種空間測量技術(shù)加以融合，以及將它們與傳統(tǒng)水文測量和地面重力觀測結(jié)果加以融合，是我們需要面臨的又一重要問題。

6 結(jié)論

青島市對地下水位變化問題予以高度關(guān)注，嚴禁超采地下水，并利用汛期多余洪水實施超采區(qū)回灌補源措施，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，從運行情況看，效果明顯。

地下水變化的監(jiān)測和預(yù)測是一項長期任務(wù)，也是難點。由于空間技術(shù)的發(fā)展，該研究的領(lǐng)域正成為當前世界各國空間技術(shù)和水文領(lǐng)域科學家關(guān)心的熱點和研究前沿。例如，2004年歐洲地球物理年會就有一個主題分會“Continental hydrology observed with GPS inversions,GRACE gravity and microwave remote sensing”交流這方面的進展。近年來，雖然已經(jīng)有一些用空間對地觀測技術(shù)研究地下水運動的成功范例發(fā)表在科學雜志上，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、準實時的監(jiān)測地下水運動的系統(tǒng)工程，國際上還處于籌劃、探討和試驗階段。如果能及時開展這方面的研究，將是青島市乃至我國在該領(lǐng)域的國際學術(shù)地位有好處，而且對提高我國的國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、合理利用水資源、預(yù)防我國地下水開采引起的廣泛地面沉降等都有好處。2006年9月在北京召開的“第五屆世界水大會”上，建設(shè)部副部長仇保興指出，未來30年將是中國城市供水最艱難的時期，因而利用空間技術(shù)監(jiān)測地面和地下水儲量的變化，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，李寶珠，等.青島市水資源現(xiàn)狀及保護對策，海岸工程，2003，2(22).

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

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