星載合成孔徑雷達(dá)SAR差分干涉測量測得的地面位移在水文地質(zhì)中的應(yīng)用三

星載合成孔徑雷雷達(dá)（SAR）差分干干涉測量測測得的地面面位移在水水文地質(zhì)中中的應(yīng)用星載合成孔徑雷達(dá)（SAR）差分干涉測量，主要是相干（InSAR）技術(shù)，其次是永久散射體技術(shù)（PSI），在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用已經(jīng)提高了我們繪制、監(jiān)測、分析和模擬地下水運(yùn)動、含水層系統(tǒng)壓縮和地面沉降的能力。在過去的10年中，大量調(diào)查顯示，利用InSAR獲得的地面位移空間分布詳圖已經(jīng)加深了我們的水文地質(zhì)認(rèn)識，特別是當(dāng)時間序列的圖像與水位的歷史變化和管理實(shí)踐得到綜合應(yīng)用的時候。重要進(jìn)展包括：（1）識別地下水運(yùn)動和系統(tǒng)變形的結(jié)構(gòu)或巖層邊界（如斷層或者過渡相）；（2）確定變形含水層系統(tǒng)的巖性和水力性質(zhì)的非均質(zhì)性；（3）估計系統(tǒng)性質(zhì)（如儲水系數(shù)和滲透系數(shù)）；（4）約束地下水流、含水層系統(tǒng)壓縮和地面沉降的數(shù)值模型。作為松散沖積盆地地下水水文地質(zhì)監(jiān)測和刻畫的一種綜合方法的一個部分，SAR差分干涉測量提供了獨(dú)特的信息，推動了地下水資源管理的進(jìn)步。未來專門針對差分干涉測量而設(shè)計的其它星載SAR將會做出更大的貢獻(xiàn)。一、前言利用相干干涉（InSAR；Massonnet和Feigl，1998；Rosen等，2000）和永久散射體（PSI；Ferretti等，2000，2001）技術(shù)的星載合成孔徑雷達(dá)（SAR）差分干涉能夠以非常高的空間分辨率測量大范圍內(nèi)毫米量級的地面形變。過去的10年間，這些技術(shù)在水文地質(zhì)研究和監(jiān)測中的應(yīng)用已提高了對地下水儲量變化所引起的含水層系統(tǒng)的水—應(yīng)力應(yīng)變時空響應(yīng)的刻畫能力。本文的目的：（1）描述InSAR獲得的地面位移如何提高了我們對地下水流動系統(tǒng)的認(rèn)識；（2）確定這些技術(shù)的不足之處；（3）推測未來SAR干涉測量支持水文地質(zhì)研究和監(jiān)測的潛力。文中簡要介紹了很多例子，同時比較詳細(xì)地介紹了4個研究實(shí)例。尤其是地下水流動系統(tǒng)和含水層應(yīng)力將作為本文的論述重點(diǎn)，但是文中討論的很多過程和應(yīng)用也與地下水中碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)生和地?zé)嵊嘘P(guān)，本文在此不予介紹。對不斷涌現(xiàn)的InSAR在水文學(xué)和地形學(xué)中的應(yīng)用所進(jìn)行的回顧表明，這些技術(shù)中的一部分在很大程度上被地理學(xué)和雷達(dá)學(xué)界忽視了，InSAR向水文學(xué)家和地貌學(xué)家提供有用信息的能力也未得到充分的認(rèn)識（Smith，2002）。水文地質(zhì)學(xué)家利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行研究的進(jìn)程相對緩慢，部分原因是進(jìn)行儀器開發(fā)和運(yùn)行工作的研究團(tuán)體和水文地質(zhì)研究團(tuán)體脫節(jié)了（Hoffmann，2005）。盡管阻礙重重，但SAR這一遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品仍然推動了水文地質(zhì)學(xué)的新發(fā)展。利用InSAR和PSI對松散沖積含水層系統(tǒng)所做的地面形變測量使研究人員重新對含水層應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生了興趣。許多研究已經(jīng)證實(shí)，含水層系統(tǒng)變形是伴隨著地下水排泄和補(bǔ)給而出現(xiàn)的，與之相關(guān)的地面形變不但很常見，而且可以從空間和時間上進(jìn)行詳細(xì)可靠的測量（如Galloway等，1998；Amelung等，1999；Hoffmann等，2001，2003a；Watson等，2002；Schmidt和Bürgmann，2003；Ferretti等，2004；Canuti等，2005）。SAR干涉測量，尤其是InSAR，已經(jīng)在幾個關(guān)鍵領(lǐng)域加深了我們的水文地質(zhì)認(rèn)識：識別地下水流動的阻水屏障；描述季節(jié)性的地面運(yùn)動；估計含水層系統(tǒng)的儲存和流動性質(zhì)；為地下水流數(shù)值模型提供其它約束條件。已經(jīng)識別和定義了以前不了解和定義不清的能夠控制地下水流動和（或）含水層系統(tǒng)變形的結(jié)構(gòu)或者巖石地層（如Amelung等，1999；Galloway等，2000a；Bawden等，2001；Lu和Danskin，2001；Valentine等，2001；Bell等，2002；Buckley等，2003；Schmidt和Bürgmann，2003）。已測量了隨季節(jié)性氣候變化和用水變化而變化的季節(jié)性的地面沉降和回彈（Amelung等，1999;Galloway等，2000a；Bawden等，2001；Hoffmann等，2001；Lu和Danskin，2001；Watson等，2002；Colesanti等，2003；Schmidt和Bürgmann，2003）。InSAR測量已被用于評價地下水流的儲存和水力傳導(dǎo)性質(zhì)（Hoffmann等，2001，2003a；Halford等，2005），并用來約束地下水流和沉降模擬模型（如Hoffmann等，2003a；Hanson等，2004；Halford等，2005）。二、利用星載SAR差分干涉測量改進(jìn)變形含水層系統(tǒng)的繪圖、監(jiān)測和分析美國國家研究委員會地面沉降座談會（NRC；1991）就3種信息需求達(dá)成了共識：“第一，有關(guān)地面沉降大小和分布的基本的地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息……要得到認(rèn)可并用來評價未來的問題。這些數(shù)據(jù)……不僅能夠幫助研究局部地區(qū)的沉降問題，也能識別國家范圍內(nèi)的問題。……第二，針對地面沉降開展沉降治理和工程方法的研究……為了有效阻止或控制破壞……第三，盡管美國現(xiàn)行的地面沉降減輕方法有很多種，但是對這些方法的成本效益進(jìn)行研究將有助于決策者做出更好的選擇?！庇懈鞣N基于地面和衛(wèi)星的方法可用來測量含水層系統(tǒng)的壓縮和地面沉降（表1）。SAR干涉測量理論上適合測量與含水層系統(tǒng)壓縮相關(guān)的地面變形的空間范圍和大小。InSAR可以提供一個區(qū)域內(nèi)覆蓋整個含水層系統(tǒng)的數(shù)百萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)，與使用大量人力而只能獲得有限個點(diǎn)測量數(shù)據(jù)的水準(zhǔn)測量，和GPS測量相比，通常而言，花費(fèi)要更低一些。通過識別研究區(qū)內(nèi)某一變形的特定區(qū)域，SAR干涉測量也可以用于定點(diǎn)測量并同時監(jiān)測局部和區(qū)域尺度上的地面沉降（如鉆孔伸長計、GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、水準(zhǔn)路線；Bawden等，2003）。SAR干涉測量的這些優(yōu)勢，尤其是InSAR，能夠滿足NRC提出的每一種信息需求。SAR干涉測量的另一個重要優(yōu)勢就是SAR歷史數(shù)據(jù)的存檔文件越來越多。在很多地區(qū)，從上世紀(jì)90年代初開始，就已經(jīng)有了大量的數(shù)據(jù)集，因而這一時期的地面形變歷史測量數(shù)據(jù)即可應(yīng)用。此外，為滿足新需求可以定制新數(shù)據(jù)。詳細(xì)的過程和費(fèi)用要依賴于使用的傳感器。表1幾種測量含水層系統(tǒng)壓縮和地面沉降的方法（修訂自Galloway等，2000）方法位移分量分辨率a（mm）空間密度b（取樣/調(diào)查）空間范圍水準(zhǔn)儀垂直0.1-110-100線-網(wǎng)光速測距儀水平110-100線-網(wǎng)鉆孔伸長計c垂直0.01-0.11-3點(diǎn)水平伸長計卷尺水平0.31-10線-列不脹鋼線水平10?41線石英管水平10?51線GPS垂直/水平20/510-100網(wǎng)衛(wèi)星SAR干涉測量InSAR范圍1-10105-107地圖像素ePSI范圍1可變d地圖像素ea最佳條件下的測量分辨率b為說明調(diào)查范圍內(nèi)地面沉降的分布和大小，一般情況下所必需的測量次數(shù)c平衡管伸長計（Riley，1969）d依賴于永久散射體的存在e由已有的星載傳感器獲得的InSAR/PSI形變圖上的像素一般是40~80m的分辨率（一）InSARInSAR可以提供與地震、火山、含水層系統(tǒng)、斜坡等有關(guān)的大范圍地面形變的詳細(xì)測量（Massonnet和Feigl，1998）。與傳統(tǒng)的測量方法相比，InSAR是一種能夠獲得空間上詳細(xì)的、高精度的地面形變的比較經(jīng)濟(jì)的方法。相關(guān)的實(shí)例很多，InSAR為應(yīng)變模型提供了獨(dú)特的輸入，幫助我們認(rèn)識變形過程。InSAR測量地面位移，這個位移在兩幅SAR圖像之間的相位差上進(jìn)行了編碼，在相位差圖像（常稱為干涉圖）中的每個點(diǎn)（像素）上可以測量到。一幅干涉圖是利用圖像幾何特征非常相似的兩幅SAR圖像得到的。在計算每個像素的相位差之前，這兩幅圖像是精確配準(zhǔn)的。大部分干涉圖中的主要信號是從不同軌道位置成像的地形差異的信號（Zebker和Goldstein，1986），可以利用其它干涉圖或者數(shù)字高程模型（DEM）來消除。剩下的“差分”相位（φ）包含了以下幾個部分：地面形變（）、大氣條件（溫度、濕度、氣壓——）的變化、因地形相位影響（）不完全或者不準(zhǔn)確的消除而造成的殘余地形信號，以及因SAR裝置信號能力有限或者沒有模擬出的地表性質(zhì)的變化而造成的噪聲影響（）：（1）由于干涉測量位移分析使用式（1）來估計位移相位，再轉(zhuǎn)換為傳感器視線向（LOS）位移，因此必須要考慮到，和對測量誤差的貢獻(xiàn)。大氣相位可引入誤差，使地面位移的結(jié)果產(chǎn)生高達(dá)幾厘米的誤差，特別是在濕熱的氣候條件下。但是，大氣信號影響通常在獨(dú)立的干涉圖中不會重復(fù)。在多個觀測可用的地方，大氣信號的總誤差可以避免（如Massonnet和Feigl，1998）。的重要性依賴于可用的地形信息（如DEM）和干涉測量基線（軌道幾何形狀的函數(shù)）的準(zhǔn)確程度。沉積含水層系統(tǒng)的地形一般相對平緩，因地形變化而導(dǎo)致的相位誤差一般都比較小。但是，從DEM成像的地表的局部誤差（如大型建筑物或者土工作業(yè)）可能造成相位變化，由此增加了干涉圖中的噪聲。綜上所述，式（1）中的噪聲項(xiàng)主要依賴于由下面幾個因素控制的信噪比：（1）裝置的信號能力；（2）地表的雷達(dá)反射率；（3）兩幅SAR圖像之間的相干系數(shù)（稱為干涉測量的相干性）。一般來說，限制因素是干涉測量的相干性，它依賴于投影到LOS上的兩次信號獲取軌跡之間的軌道距離（稱為干涉測量基線）和發(fā)生在兩次信號獲取之間的時間總變化。時間變化經(jīng)常會阻礙干涉測量分析，尤其對于植被覆蓋區(qū)或者農(nóng)業(yè)區(qū)。對大部分的荒地或者植被密集的地表，非常難以預(yù)測相干性。目前，主要是針對干旱區(qū)休耕的、植被稀疏的地區(qū)以及有大量人口生活的城市地區(qū)進(jìn)行觀測，因?yàn)檫@些地區(qū)有著穩(wěn)定的反射體。（二）永久散射體干涉測量（PSI）永久散射體干涉測量（PSI）利用不同于InSAR的方法來獲得SAR圖像，能夠克服InSAR技術(shù)的某些限制。PSI（Ferretti等，2000，2001）對許多干涉圖（通常多于30個）進(jìn)行處理，以確定持久的、時間穩(wěn)定的、高度反射地面特征的永久散射體網(wǎng)絡(luò)。這些反射體一般都是具有人文特色的地貌特征（如建筑物、電線桿、道路等等）。根據(jù)預(yù)先確定的形變模型（通常是線性的常速率模型）來提取每個散射體的相位歷史，以提供年均形變或者歷史形變的差值圖，甚至每個獨(dú)立散射體的SAR數(shù)據(jù)文件的長度，因而可以認(rèn)為是用“即時”的歷史記錄構(gòu)成了一個“虛擬”的GPS網(wǎng)絡(luò)。由于關(guān)注的是圖像中時間上穩(wěn)定的目標(biāo)，因此就避免了時間去相關(guān)或者顯著減少了時間去相關(guān)。而且，識別出的大部分強(qiáng)而穩(wěn)定的反射體代表了小的單個散射單元。對這類散射體而言，在較大的干涉測量基線下，大部分的反射能量仍然能保持相干性，使得大量SAR圖像能夠應(yīng)用到分析當(dāng)中。最后，在PSI分析中用到的典型SAR數(shù)據(jù)集中存在大量可用的觀測資料，支持了對所觀測的時空上的相位歷史進(jìn)行的統(tǒng)計分析，根據(jù)形變的特征，常有可能把地面形變造成的相位差與由大氣變化和地形變化引起的相位差（即式（1）中的和）區(qū)分開來。PSI技術(shù)一直以來主要用于城市環(huán)境，因?yàn)檫@里穩(wěn)定散射體（如建筑物、道路、電線桿等）的密度一般都相當(dāng)高（多達(dá)每平方公里數(shù)百個）。在自然的地形下，穩(wěn)定目標(biāo)數(shù)量的嚴(yán)重不足極大地限制了PSI的成功應(yīng)用。一少部分的研究已經(jīng)示范了PSI在“鄉(xiāng)村”地形下的成功應(yīng)用（Usai，2001；Kircher，2004）。但是，在荷蘭和德國西部進(jìn)行的研究利用了足夠數(shù)量的穩(wěn)定目標(biāo)，如房屋和其它人工特征。Hooper等（2004）針對自然地形，提出了一個改良算法，但是經(jīng)過證實(shí)，該算法在相對干燥的環(huán)境下才有效，因此，不免對他們的方法是否適用于農(nóng)業(yè)區(qū)產(chǎn)生疑問，因?yàn)樵谵r(nóng)業(yè)區(qū)，水分和作物條件的變化易導(dǎo)致時間去相關(guān)。PSI技術(shù)是一種新興技術(shù)，能夠減少InSAR處理方法中固有的主要誤差——由時間和幾何去相關(guān)以及大氣影響造成的誤差。PSI一個潛在的重要不足就是必須事先確定一個運(yùn)動模型，來解決相位的模糊度問題，特別是在散射體密度小而位移量大的地區(qū)。PSI的另一個不足之處就是很難識別出農(nóng)村和農(nóng)業(yè)區(qū)的穩(wěn)定目標(biāo)。因此，PSI的應(yīng)用主要集中在城市地區(qū)——如法國巴黎（Fruneau和Sarti，2000）；美國舊金山海灣地區(qū)（Ferretti等，2005）；泰國曼谷（Worawattanamateekul等，2004）；美國菲尼克斯市（Beaver等，2005）；意大利亞諾河流域-佛羅倫薩（Canuti等，2005）；德國柏林和美國拉斯維加斯（Kampes，2005）；倫敦（NPA，2006）。（三）研究實(shí)例星載SAR差分干涉測量在由含水層系統(tǒng)壓縮造成的地面沉降當(dāng)中的應(yīng)用已經(jīng)加強(qiáng)了我們對當(dāng)前沉降問題的重視，促進(jìn)了對含水層系統(tǒng)壓縮過程的認(rèn)識。這一信息可以幫助利益相關(guān)者嘗試協(xié)調(diào)目前和已規(guī)劃的地下水資源的開發(fā)利用與伴隨著的脆弱含水層系統(tǒng)的沉降災(zāi)害之間的矛盾。本文介紹了應(yīng)用InSAR進(jìn)行含水層系統(tǒng)壓縮和地面沉降繪圖、監(jiān)測和分析的幾個實(shí)例。盡管很多PSI調(diào)查已經(jīng)觀測到了含水層系統(tǒng)的變形運(yùn)動，但是到目前為止，能夠從水文地質(zhì)角度深刻闡釋這些結(jié)果的例子還是相對較少。因此，下文中所舉的美國的一些例子偏重于InSAR的應(yīng)用。1、美國加利福尼亞莫哈韋沙漠羚羊谷羚羊谷是首批應(yīng)用InSAR探測和繪制含水層系統(tǒng)壓縮并約束地下水流和含水層系統(tǒng)壓縮模擬的地區(qū)之一（Galloway等，1998；Hoffmann等，2003）。InSAR獲得的地面位移是“地面實(shí)況”，這一“地面實(shí)況”也會利用歷史上的測量信息和水文地質(zhì)信息、同時期的含水層系統(tǒng)壓縮測量，以及地下水流和含水層系統(tǒng)壓縮的模擬結(jié)果獲得。水文地質(zhì)信息是從觀測到的沉降和地下水位的時空趨勢與繪制出的水文地層單元分布之間的相關(guān)性中得到的。利用大地測量技術(shù)（水準(zhǔn)測量和GPS）獲得的歷史沉降數(shù)據(jù)（1930~1992）繪制了該地區(qū)的區(qū)域沉降圖，利用稀疏的基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)插值得到。局部最大沉降量近2m，主要?dú)w咎于地下水開采造成的含水層系統(tǒng)壓縮（Ikehara和Phillips，1994）。將1993年10月20日~1999年5月1日這段時期內(nèi)的區(qū)域歷史沉降圖與InSAR位移圖（干涉圖）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)存在區(qū)域尺度上的一致性和局部的差異性（Galloway等，1998；Hoffmann等，2003a）。比較1993年10月20日~1995年12月20日這段時期內(nèi)利用固定在地面以下256m處的一個鉆孔伸長計（Holly站，建于1990年）測得的含水層系統(tǒng)的壓縮量與利用干涉圖（假設(shè)只有垂向變形）計算的地面沉降量，結(jié)果表明，利用干涉圖計算得到的地面沉降量大約是伸長計測得的壓縮量31mm的1.3倍（Galloway等，1998）。這個結(jié)果與大地測量結(jié)果（Holly站的沉降量大約是伸長計測得的壓縮量的1.5倍）基本吻合，表明沉降量的大約1/3可能是由256m處錨定深度以下的地層壓縮造成的。比較1996年1月26日~1999年5月1日期間的22張干涉圖與Holly站和Lancaster站（建于1996年，錨定深度是363m）用伸長計同時期測得的壓縮量，發(fā)現(xiàn)InSAR和伸長計測得的形變時間序列吻合良好（Hoffmann等，2003）。兩個伸長計測得的形變時間序列顯示，大約有5mm的季節(jié)性沉降和回彈，但每年都存在凈沉降量；Holly站的測量結(jié)果支持了早期的觀測，即一部分壓縮發(fā)生在伸長計錨定深度以下的地層。Galloway等人（1998）對Lancaster子流域地下水系統(tǒng)建立了地下水流和含水層系統(tǒng)壓縮的耦合模型，以確定1993年10月20日~1995年12月22日這段時間內(nèi)的干涉圖能否用含水層系統(tǒng)壓縮進(jìn)行合理的解釋。該模型通過可用的水位、抽水量和含水層系統(tǒng)壓縮資料進(jìn)行約束。與水位變化有關(guān)的有效應(yīng)力（Terzaghi，1925）的變化引起的一維垂向變形用MODFLOW地下水流模型（McDonald和Harbaugh，1988）中的IBS1軟件包（Leake和Prudic，1991）進(jìn)行模擬。IBS1假設(shè)弱透水層中的孔隙水壓力可以在一瞬間與相鄰含水層中的水頭變化達(dá)到平衡，即弱透水層具有小的時間常數(shù)。對于薄的弱透水層而言，這是一個合理簡化了的近似。對控制含水層系統(tǒng)垂向變形的彈性和非彈性骨架儲水系數(shù)的估計，根據(jù)以前對加利福尼亞其它沖積含水層系統(tǒng)的壓縮歷史所做的的估計來約束（Helm，1978）。模擬所用的初始水頭利用了測量的水位，等同于前期最大壓力（前期固結(jié)壓力）。因此，進(jìn)一步的水頭下降引起的弱透水層壓縮是非彈性的，并且是瞬時的。InSAR顯示的沉降區(qū)基本上與模型模擬結(jié)果一致，說明觀察到的沉降是含水層系統(tǒng)壓縮造成的。在最大沉降區(qū)，干涉圖和模擬結(jié)果之間的沉降殘差相當(dāng)小。有兩個地區(qū)的沉降殘差出現(xiàn)較大的負(fù)值，一處位于Rosamond湖的西部，另一處位于Lancaster的南部，這兩個地方的模擬沉降量要比干涉圖獲得的沉降量大。從觀測到的兩個地區(qū)的水位下降和繪制的一個地區(qū)的弱透水層的分布表明，具有較小骨架壓縮性和（或者）較大前期固結(jié)壓力的細(xì)粒單元或者厚的弱透水層的存在使這些地區(qū)發(fā)生了殘余變形。利用歷史上的大地測量和InSAR約束的反演模型估計了空間上變化的壓縮時間常數(shù)（3.8~285年）和非彈性骨架儲水系數(shù)（0~0.09）（Hoffmann等，2003a）。模擬基于對以前識別的區(qū)域地下水流和壓縮模型的修正（MODFLOW，IBS1；Leighton和Phillips，2003）。對Leighton和Phillips（2003）模型的修正利用了SUB軟件包（Hoffmann等，2003b），取代了IBS1。SUB軟件包考慮了伴隨孔隙水壓力擴(kuò)散和厚的弱透水層變形的時間滯后。盡管參數(shù)估計結(jié)果顯著提高了模擬沉降量和觀測（測量）沉降量之間的擬合效果，但是SAR數(shù)據(jù)的時間覆蓋率（3年）還不足以約束與羚羊谷厚弱透水層相關(guān)的大的時間常數(shù)。然而，InSAR在沉降的繪制和監(jiān)測、模型中含水層系統(tǒng)水力性質(zhì)的參數(shù)分區(qū)，以及時間常數(shù)較小地區(qū)的儲水參數(shù)估計方面都是非常有用的。用沉降作為約束條件得到的模擬水頭與長期水頭變化的擬合效果要比與短期水頭波動的擬合效果更好一些，短期水頭波動會強(qiáng)烈影響短期內(nèi)的沉降。模擬結(jié)果表明，盡管考慮了弱透水層的釋水滯后而對模型進(jìn)行了修正，但原始模型和觀測的長期水位變化之間的良好的擬合效果幾乎不受修正的影響。因此，盡管厚弱透水層的釋水滯后可能會極大地影響沉降時間，但是在羚羊谷，區(qū)域地下水流對于含水層系統(tǒng)壓縮的這一因素表現(xiàn)得相對不敏感。2、內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯谷在拉斯維加斯谷，地面沉降的影響范圍達(dá)數(shù)百平方公里，從1935年開始，利用大地測量技術(shù)開始對此進(jìn)行監(jiān)測。從1963年開始，已測到局部沉降量達(dá)1.7m（Bell等，2002）。第四紀(jì)斷層錯動了盆地沉積填充物，在整個盆地范圍內(nèi)，已測量到不同的沉降量，地裂縫也導(dǎo)致了不同程度的含水層系統(tǒng)壓縮。地表形變、地面破壞和傾斜所造成的房屋和其它市政設(shè)施的破壞高達(dá)1千多萬美元的損失（Pavelko等，1999）。利用1992年4月~1997年12月的InSAR獲得的位移使我們獲得了更多關(guān)于沉降的認(rèn)識，如沉降的空間分布和范圍受第四紀(jì)斷層的控制。這個認(rèn)識與只利用大地測量網(wǎng)進(jìn)行簡單插值獲得的更統(tǒng)一的沉降空間分布圖以及區(qū)域地下水流和沉降模型的模擬結(jié)果形成了鮮明的對照（Morgan和Dettinger，1996）。從干涉圖獲得的剖面圖顯示，在1992年~1997年這段測量時間間隔里，斷層兩邊位移的大小和傾斜度等與歷史測量結(jié)果（水準(zhǔn)測量）是一致的。InSAR獲得的剖面圖顯示，從上世紀(jì)80年代開始，沉降速度較慢，尤其是1992年~1997年的沉降速度呈明顯減慢的趨勢。InSAR沉降圖的整體形狀與水位變化（下降）圖和粘土層總厚度圖有一定的關(guān)系（Amelung等，1999）。InSAR位移的空間范圍和大小的時間變化顯示，某些地區(qū)發(fā)生的季節(jié)性沉降和回彈與季節(jié)性的水位下降和恢復(fù)是對應(yīng)的，這就說明了含水層系統(tǒng)的彈性和非彈性儲水性質(zhì)存在一些空間上的變化。InSAR的結(jié)果表明，從1992年~1999年，沉降速度緩慢，主要是由于地下水位的穩(wěn)定或者恢復(fù)，一部分原因是從上世紀(jì)90年代初開始在盆地中部和西北部首先實(shí)施的含水層儲存和恢復(fù)計劃（Amelung等，1999；Bell等，2002）。從1992年9月~1999年12月的40多幅干涉圖的InSAR測量結(jié)果說明，含水層系統(tǒng)發(fā)生了季節(jié)性的、少量的、一般為彈性（可恢復(fù)的）的變形（Hoffmann等，2001；Pavelko等，2006）。在很多地方，尤其是拉斯維加斯谷的中部地區(qū)，變形與含水層系統(tǒng)冬季彈性膨脹和夏季壓縮一致，對應(yīng)了水位的恢復(fù)和下降。在6個地方，利用已測得的形變和同時期附近井水位的變化估計了含水層系統(tǒng)的骨架彈性儲水系數(shù)（S*ke）（Hoffmann等，2001）。利用Lorenzi鉆孔伸長計的測量數(shù)據(jù)（Pavelko，2004）、識別校正后的區(qū)域三維地下水流模型（Morgan和Dettinger，1996）和含水層試驗(yàn)分析（Malmberg，1965）來約束含水層系統(tǒng)變形的一維反演模擬，在此基礎(chǔ)上計算得到的井位置處的骨架彈性儲水系數(shù)均在估計值的范圍之內(nèi)。3、加利福尼亞SantaClara谷SantaClara谷北部地區(qū)是美國第一個公認(rèn)為因地下水開采造成地面沉降的地區(qū)（Tolman和Poland，1940）。在20世紀(jì)的前半期，SantaClara谷屬于密集種植區(qū)。到1960年，該地區(qū)開始邁入從農(nóng)業(yè)向城市發(fā)展的過渡時期，每年要抽取大約246,700m3的地下水，用于作物灌溉并滿足城市用水需求。到1964年，SanJose的一個井水位達(dá)到了歷史最低點(diǎn)，水位埋深71m，從1910年開始，沉降了大約4m。到1969年，與舊金山海灣南端相鄰的地區(qū)，地面沉降了0.6~2.6m，導(dǎo)致4,400公頃的土地位于高潮位之下，引起了嚴(yán)重的沿海和沿河洪澇災(zāi)害（Ingebritsen和Jones，1999）。從上世紀(jì)60年代中期開始，調(diào)用地表水來滿足用水需求，同時補(bǔ)給地下水。承壓含水層的水位恢復(fù)到了70m，同時目前很多地區(qū)都保持著開采之前的水位。自1969年，地下水系統(tǒng)的有效管理顯著遏制了該地區(qū)地面沉降的發(fā)展。始自上世紀(jì)70年代的大地測量和鉆孔伸長計的測量結(jié)果顯示，每年都有小的殘余沉降量（Poland和Ireland，1988；Hanson等，2004）。鉆孔伸長計和InSAR測得的位移結(jié)果顯示，在SilverCreek斷層的西部，可恢復(fù)的（彈性的）季節(jié)性的沉降和回彈可達(dá)30~40mm，伴隨著每年地下水開采和補(bǔ)給的循環(huán)變化（Ikehara等，1998；Galloway等，2000a；Schmidt和Bürgmann，2003）。InSAR測得的多年位移表明，區(qū)域抬升可能被SilverCreek斷層隔開。沿著兩個選定剖面的InSAR時間序列與水準(zhǔn)測量得到的多年高程變化具有良好的可比性（Schmidt和Bürgmann，2003）。InSAR季節(jié)性沉降圖的東北部邊界是線性的，與推斷出的SilverCreek斷層帶沿西北方向的走向線是近似平行的（Ikehara等，1998）。在這個邊界處或邊界附近，位移梯度很大，高達(dá)2×10?5（每1.5km上有30cm）（Galloway等，2000a）。由于干涉圖證實(shí)在這個邊界處有一個埋藏斷層，因此做了地震成像和地球物理調(diào)查（Catchings等，2000；Jachens等，2002；Williams等，2002）。該邊界附近位移的線性形狀表明：（1）斷層帶將時間固結(jié)特征（應(yīng)力歷史、壓縮性、沉積厚度和垂向滲透系數(shù)）形成對比的沉積剖面并置在一塊；（2）斷層帶阻止了地下水的側(cè)向流動（Galloway等，2000a）。已建立了SantaClara谷子盆地的區(qū)域地下水/地表水流模型，為資源管理者提供了一種實(shí)現(xiàn)永久性地面沉降最小化而供水量最大化的優(yōu)化工具（Hanson等，2004）。用水文和沉降的歷史數(shù)據(jù)來約束模型識別。根據(jù)InSAR和最近的地球物理信息，模型模擬了SilverCreek斷層，將其作為地下水流動的阻水邊界。4、內(nèi)華達(dá)州試驗(yàn)基地YuccaFlat從1951年~1992年，在內(nèi)華達(dá)試驗(yàn)基地（NTS）的地下進(jìn)行了核裝置的引爆試驗(yàn)，造成了地面變形，利用InSAR對此進(jìn)行了評價。盡管美國在1992年9月暫停了核試驗(yàn)，核試驗(yàn)延期禁令生效，但是在YuccaFlat（YF）和PahuteMesa（PM）的5次試驗(yàn)推遲了歐洲空間局ERS1衛(wèi)星首個SAR存檔數(shù)據(jù)的使用。在YF和PM，用InSAR探測出地震同震和后震地面變形的多種類型，包括塌陷、斷裂和永久性的局部沉降。時間序列的干涉圖（1992年~1997年）顯示，地震后震信號發(fā)育并持續(xù)了多年?？臻g上變化的沉降速率是局部地質(zhì)、水文地質(zhì)特征和變形過程變化共同作用的結(jié)果（Laczniak等，2003；Vincent等，2003）。正在發(fā)生的變形的分布和速率讓調(diào)查者認(rèn)為，在PM，變形的主要原因是測試震源上部的破碎帶形成的地下裂隙的重力圈閉，在YF，主形變是孔隙彈性介質(zhì)的響應(yīng)。在測試期間，推斷YF處的孔隙彈性變形引起了某些地面的抬升，主要原因是，在凝灰?guī)r堆中水位之下引爆的核試驗(yàn)的能量產(chǎn)生了過大的壓力，導(dǎo)致低滲透性凝灰?guī)r隔水單元（“凝灰?guī)r堆”）的膨脹。當(dāng)1992年試驗(yàn)停止的時候，變形主要表現(xiàn)為地面沉降，主要是由于凝灰?guī)r堆的再壓縮，伴隨著孔隙水壓力的滯后消散，原生凝灰?guī)r中的水釋放進(jìn)入到上面的含水層以及下伏的區(qū)域碳酸鹽巖含水層中（Laczniak等，2003；Halford等，2005）。盡管并不知道抬升是否與1992年以前的作用有關(guān)，但上述解釋的依據(jù)有：（1）InSAR測得的沉降的空間范圍：–5年時間里（1992~1997），在水位之下測試引爆震中的周圍，形成了深達(dá)140mm的橢球形沉降區(qū)，–被限制在Topgallant和Yucca兩條斷層之間（這兩個斷層限制了凝灰?guī)r堆的分布）（2）測得的凝灰?guī)r堆中的觀測井水位：–在1992年試驗(yàn)停止前，其中一個井的水位超過預(yù)先測試的靜水位400多m–試驗(yàn)之后，從1992年到2004年，下降了近75m，與沉降的減少速率一致–打鉆之后，一般要經(jīng)過幾個月乃至幾年的時間才能達(dá)到平衡（3）從1992年到1998年，在一個揭穿試驗(yàn)產(chǎn)生的洞穴的井中測得的水位增加了45m，表明有水涌入利用InSAR觀測的位移和水位來約束地下水流模擬，伴隨著凝灰?guī)r堆中的壓力降低和多孔彈性變形（Halford等，2005）。利用橫斷面模型和三維模型模擬對水位之下核試驗(yàn)引爆產(chǎn)生響應(yīng)的凝灰?guī)r堆中的地下水流和彈性地面形變的變化（1962年~2003年）。模擬結(jié)果和觀測的沉降速率之間擬合較好。利用反演模擬來約束對凝灰?guī)r堆的滲透系數(shù)和儲水率以及地下水向下伏區(qū)域碳酸鹽巖含水層流入量的估計。利用觀測水位（1991年~2003年）和InSAR測得的沉降速率（1992年~1997年）來識別校正模型。在模擬中，將凝灰?guī)r堆作為均質(zhì)各向同性的單元，具有統(tǒng)一的滲透系數(shù)和儲水率。Topgallant斷層和Yucca斷層用通用水頭邊界來模擬，導(dǎo)水系數(shù)為3×10?8m2/d，阻止了地下水的運(yùn)動。將凝灰?guī)r堆的壓縮過程模擬為多孔彈性過程，可以表示為：（2）式中，Δb是厚度的變化，等于地面標(biāo)高的變化（L），ΔS是儲存量的變化——水頭每變化一個單位時，單位面積上釋放或貯存的水量（L3/L3），Ss是儲水率——水頭每變化一個單位時，單位厚度，單位面積上釋放或貯存的水量（L-1）。用橫斷面模型和三維模型估計出的儲水率分別是6×10?6m?1和9×10?6m?1。兩種模型估計的滲透系數(shù)是3×10?6m/d。（四）改進(jìn)含水層系統(tǒng)的概念模型和參數(shù)約束實(shí)例研究示范了InSAR在可壓縮的松散盆地填充物和其它沖積和湖積物中的變形含水層系統(tǒng)的繪圖、監(jiān)測、分析和模擬中的應(yīng)用。從InSAR形變的時空數(shù)據(jù)中獲得的定性認(rèn)識和定量的參數(shù)估計，尤其是與其它水文地質(zhì)信息聯(lián)合使用的時候，對約束地下水流和含水層系統(tǒng)壓縮的區(qū)域水文地質(zhì)概念模型和數(shù)值模型是非常有用的。InSAR對概念模型和參數(shù)約束的改進(jìn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。1、阻礙地下水流動的斷層斷層是區(qū)域地下水流系統(tǒng)中重要的水力組成。在飽和的松散盆地填充物中，影響地下水流動的斷層一般都是阻水的。在有足夠多的水位資料可用的地方，一般能夠從區(qū)域等勢圖上確定出水平水力梯度很大的地方，以此來推斷埋藏斷層的存在或者證實(shí)已繪出的斷層對地下水流的影響（如Dutcher和Garrett，1963）。地下水盆地或子盆地的邊界常常根據(jù)斷層來界定。阻水?dāng)鄬訒⑺綕B透系數(shù)形成對比的水文地質(zhì)單元并置在一塊，包含滲透性低的斷層泥與（或）拉伸、涂抹和壓縮的弱透水層夾層，形成陡傾的阻水邊界，導(dǎo)致斷層上游梯度處水頭（水位）升高，斷層帶兩邊出現(xiàn)非常大的水力梯度。從空間詳細(xì)的InSAR位移圖上獲得的一個更加重要的結(jié)果就是，識別與已繪或未繪斷層相關(guān)的不連續(xù)的差分地面形變。InSAR在確定潛在斷層位置中的有效性要依賴于斷層兩側(cè)相鄰水文地質(zhì)單元（可能是被斷層隔斷的）的骨架壓縮性和水位的時間變化。在位移圖上，若典型線性結(jié)構(gòu)兩側(cè)存在非常大的位移梯度，則可以表明存在潛在的斷層阻礙，至少在斷層一側(cè)的水文地質(zhì)單元相對大的骨架壓縮性和水位變化有利于這些特征的出現(xiàn)。由沉積因素或者后來的侵蝕或者改造引起的沉積相中相對大的水位變化鮮明的空間差異的存在也能夠引起非常大的位移梯度。沉積相的橫向變化是漸進(jìn)的，與沉積相變形有關(guān)的位移也是如此。上文介紹的幾個研究實(shí)例說明了InSAR位移圖如何就特定斷層在它們所處的地下水流系統(tǒng)中的作用提供新的信息。許多其它的研究也證實(shí)，InSAR在確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)對地下水開采和補(bǔ)給造成的變形的影響方面有很好的實(shí)用性（如Bawden等，2001；Lu和Danskin，2001；Heywood等，2002；Buckley等，2003）。在SantaClara谷，SilverCreek斷層（帶）的埋藏范圍第一次從InSAR上得到了識別，隨后經(jīng)過集中的地球物理調(diào)查得到了確認(rèn)。SilverCreek斷層比較有趣的一個方面是差分位移存在明顯的季節(jié)變化。另一方面，該斷層造成的影響很明顯，即使系統(tǒng)的變形在彈性范圍內(nèi)，受儲水率彈性骨架部分的控制，彈性骨架儲水率通常要比非彈性骨架儲水率小一個數(shù)量級還多（Riley，1998）。在拉斯維加斯谷，以前繪制的Eglington斷層的地面痕跡與InSAR繪制的西北部沉降區(qū)的邊界有一定的關(guān)聯(lián)。盡管局部的差分位移（與斷層過去的運(yùn)動相反）已經(jīng)進(jìn)行了測量（Bell和Price，1991），但是在InSAR應(yīng)用之前，并不知道它們與區(qū)域位移場的關(guān)系（Bell等，2002）。InSAR繪制的位移與其它已知斷層也是有關(guān)聯(lián)的，特別是沿著南部沉降區(qū)西南部邊界的斷層，它們將北拉斯維加斯沉降區(qū)與中部沉降區(qū)隔斷。在YuccaFlat，InSAR位移圖的西部和東部邊界與已繪制的Topgallant斷層和Yucca斷層是相互關(guān)聯(lián)的。研究人員把這些分布圖與水位以及其它水文地質(zhì)信息綜合起來研究，最后將斷層刻畫為導(dǎo)水性差的通用水頭邊界，在凝灰?guī)r堆侵入體的水流模擬中是阻水的（Halford等，2005）。2、可壓縮性沉積物的分布當(dāng)與水位和水文地層信息結(jié)合起來應(yīng)用時，空間詳細(xì)的InSAR位移圖就能夠幫助繪制可壓縮性沉積物的分布，確定超固結(jié)區(qū)。InSAR觀測的因含水層系統(tǒng)變形導(dǎo)致的位移發(fā)生在具有足夠大壓縮性的沉積物（通常是松散的粉土和粘土）分布且承受了足夠大應(yīng)力（水位變化，通常是由地下水補(bǔ)排發(fā)生變化造成的）的地方。在一些承受了相對大的應(yīng)力的地區(qū)，沒有觀測到位移，表明該地區(qū)不存在高壓縮性的沉積物或者存在的是超固結(jié)的沉積物。這一信息對構(gòu)建一個盆地的沉積相和可能的氣候歷史，以及約束水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)與水流和沉降數(shù)值模型，都是非常有用的（Hanson等，2004）。在內(nèi)華達(dá)州的拉斯維加斯谷，InSAR繪制的1992年~1997年的沉降圖與粘土總厚度的分布和前期開采到1990年的水位下降有關(guān)（Amelung等，1999）。沉降區(qū)向水位發(fā)生最大變化的東部地區(qū)以及粘土總厚度最大的西部地區(qū)偏移。在水位下降最大的地區(qū)沒有任何明顯的沉降，可能是缺少足夠厚度的粘土層且在InSAR觀測前的22年里達(dá)到最低水位。歷史上（1963年~2000年），在水位下降最大的這個地區(qū)，測得的沉降一般小于0.3m（Bell等，2002）。在加利福尼亞羚羊谷Lancaster的南部，沒有從InSAR發(fā)現(xiàn)明顯的位移，可能的原因是，盡管存在細(xì)粒的湖泊沉積物和大的地下水位下降，但這些沉積物是超固結(jié)的（Galloway等，1998）。這個地區(qū)的InSAR沉降圖（可以忽略）和模型的模擬結(jié)果之間存在顯著差異。這并不奇怪，因?yàn)楹畬酉到y(tǒng)壓縮模型是基于可用的水文地質(zhì)和歷史大地測量信息，而不是InSAR觀測。后來，根據(jù)部分的InSAR觀測，對1998年在位于Lancaster南部的一個監(jiān)測井（Lancaster鉆孔伸長計監(jiān)測站附近）建井過程中所取的巖芯進(jìn)行磁性分析，結(jié)果表明在羚羊谷的這個地區(qū)，湖積單元的歷史在大約780,000年以上（Fram等，2002）。對所取巖芯進(jìn)行的固結(jié)試驗(yàn)表明，湖積物是固結(jié)的（PeterMartin，USGS，數(shù)據(jù)未出版公開，2006）。與此相反的是，位于Rogers湖附近Lancaster東北部的湖積單元的歷史可能小于14,000年（Ponti，1985），而且是松散的，比Lancaster鉆孔伸長計監(jiān)測站處的那些單元更易壓縮（Sneed和Galloway，2000）。后來，在Lancaster南部地區(qū)，根據(jù)InSAR觀測和巖芯分析，模型利用較小的壓縮性和較大的前期固結(jié)壓力模擬了沉降（Hoffmann等，2003a；Leighton和Phillips，2003），最終的模擬值與觀測值之間擬合較好。3、儲水性質(zhì)的估計利用鉆孔伸長計對壓縮持續(xù)精確的測量，結(jié)合壓力計測量的時間序列的水位資料，來確定應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，計算變形含水層系統(tǒng)的儲水系數(shù)（如Riley，1969；Hanson，1989；Pavelko，2000，2004；Sneed和Galloway，2000）。利用太沙基（1925）有效應(yīng)力原理將地下水位（壓力水頭）的變化和飽和多孔介質(zhì)骨架上的有效應(yīng)力聯(lián)系起來：（3）式中，是有效應(yīng)力或粒間應(yīng)力（ML?1T?2），是總應(yīng)力（ML?1T?2），是水的比重（ML?2T?2），h是水頭（L）。含水層的儲水系數(shù)是無量綱的，在承壓條件下，有：（4）上式中，是由于含水層系統(tǒng)中孔隙水被壓縮的那部分儲水系數(shù)，是含水層系統(tǒng)骨架儲水系數(shù)（5）上式中，是骨架儲水率，是骨架壓縮系數(shù)（M?1LT2），是含水層系統(tǒng)的厚度（*表示含水層系統(tǒng)性質(zhì)）。盆地填充沖積含水層系統(tǒng)一般是非均質(zhì)的，由不同顆粒大小、孔隙度、滲透系數(shù)和厚度的沉積物構(gòu)成。沉積物分為兩種類型的水文地層單元——含水層和弱透水層。是骨架儲水系數(shù)，由含水層和弱透水層的骨架儲水系數(shù)兩部分構(gòu)成。在特定厚度的松散沖積含水層系統(tǒng)中，一般有>，由水頭變化引起的儲水量的變化在很大程度上由骨架壓縮系數(shù)決定。兩種含水層系統(tǒng)的骨架儲水系數(shù)，\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"和，儲水率\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"和，壓縮系數(shù)和，可以分別針對應(yīng)力的彈性和非彈性范圍來定義。一般地，水文地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)假設(shè)，含水層系統(tǒng)中粗顆粒沉積物為彈性變形，構(gòu)成承壓的和層間弱透水層的細(xì)顆粒沉積物可以發(fā)生彈性和非彈性兩種類型的變形。一般在承壓水流動方程中以及在含水層水力試驗(yàn)評價中所用的儲水系數(shù)是彈性儲水系數(shù)（6）其中，含水層彈性骨架儲水系數(shù)是（7）上式中，b是含水層厚度，或者在含水層水力試驗(yàn)中，含水層中重點(diǎn)研究部分的厚度。Riley（1969）認(rèn)為，在有效應(yīng)力緩慢變化以及總應(yīng)力不變的時間內(nèi)（式3），可以用成對的水頭變化和位移的時間序列來計算，計算公式如下：（8）式中，在應(yīng)力的彈性變化范圍內(nèi)，。拉斯維加斯谷的彈性儲水系數(shù)利用拉斯維加斯谷干涉圖測量的時間序列的位移（Δb）結(jié)合成對的水位時間序列（Δh，見拉斯維加斯研究實(shí)例；Hoffmann等，2001），根據(jù)式（8）進(jìn)行計算。利用拉斯維加斯谷季節(jié)性的InSAR位移圖，結(jié)合地下水位，能夠?qū)崿F(xiàn)有空間變化的發(fā)生顯著彈性變形的那部分含水層系統(tǒng)的儲水系數(shù)的估計。在SantaClara谷的一個監(jiān)測站，利用以前從鉆孔伸長計分析確定的，將測量的水位時間序列利用式（8）轉(zhuǎn)換為位移（Poland和Ireland，1988），結(jié)果與同時期的InSAR時間序列的位移吻合得很好（Schmidt和Bürgmann，2003）。4、弱透水層的排水：滯后，永久性變形在很多承壓和半承壓沖積含水層系統(tǒng)中，弱透水層（低滲透性的粉土層和粘土層）占主要部分，并構(gòu)成系統(tǒng)長期的地下水儲存能力，甚至在基本是彈性變形的條件下。這是因?yàn)榕c滲透性更好的粗顆粒的含水層相比，弱透水層具有足夠大的孔隙和壓縮性，而且，一般來說，總厚度要更大一些。在加利福尼亞SanJoaquin谷的一個大型地區(qū)，SantaClara谷東南部150~200km，Poland等（1975）估計，在1930年~1970年期間，所開采的近37億m3的地下水中，大約有1/3都是來自于“壓縮釋水”——在大大超過前期最大固結(jié)壓力的人為應(yīng)力的條件下，通過弱透水層的非彈性壓縮從儲存量中釋放出來的水。在這段時間內(nèi)，局部地面沉降達(dá)8m多。由于弱透水層和厚夾層的滲透性小，且非彈性儲水系數(shù)相對較大，因此這些單元的排水可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于相鄰含水層中水位的下降。一般來說，當(dāng)相鄰含水層中的水頭變化的時候，弱透水層中水頭的平衡是滯后的，尤其是對于應(yīng)力在非彈性范圍內(nèi)水頭下降的情況。在厚的層間弱透水層的內(nèi)部以及厚的承壓單元的末端出現(xiàn)的滯后效應(yīng)與含水層高頻率的季節(jié)性水頭波動是相對獨(dú)立的，而與含水層水頭低頻率的、年際和長期趨勢更相關(guān)。弱透水層中有效應(yīng)力轉(zhuǎn)移變化的同時，在整個含水層系統(tǒng)中，水頭逐漸達(dá)到平衡，并導(dǎo)致系統(tǒng)的滯后變形。伴隨弱透水層極其緩慢的排水壓縮過程而同時發(fā)生的地面沉降可能會持續(xù)幾十年甚至幾個世紀(jì)。在含水層系統(tǒng)中，永久變形最重要的形式可能就是殘余變形。在外加應(yīng)力增加一定的情況下，最終發(fā)生的壓縮量與特定時間下已經(jīng)發(fā)生的壓縮量之間的差就是殘余變形量。太沙基固結(jié)理論（1925）描述了當(dāng)相鄰含水層中的水頭降低的時候，弱透水層的釋水滯后，以及當(dāng)相鄰含水層水位下降已經(jīng)穩(wěn)定之后的很長一段時間內(nèi)仍會持續(xù)的殘余變形?；谶@一理論，Riley（1969）指出，對于在相鄰含水層中的水頭發(fā)生瞬時下降之后的二次釋水的弱透水層而言，時間常數(shù)（T）可以定義為（9）上式中，符號（′）表示弱透水層的性質(zhì)，是垂向滲透系數(shù)，是儲水率（對于比前期固結(jié)壓力還大的應(yīng)力，，可以在上式中進(jìn)行替換）。時間常數(shù)（）是在相鄰含水層的水頭下降之后，達(dá)到最終壓縮量的大約92%時所需的時間。Riley（1969）根據(jù)SanJoaquin谷的一個鉆孔伸長計測得的非彈性變形的季節(jié)性資料所做的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析確定了的值。他的計算結(jié)果是，在連續(xù)9年間，不同的夏季灌溉抽水量只造成4.6~8.3%的最終壓縮量，很可能是因?yàn)橛^測到的含水層水位季節(jié)性下降導(dǎo)致的。利用這些值最終確定的平均非彈性時間常數(shù)為4.6年，據(jù)此，他利用式（9）計算了平均的垂向滲透系數(shù)。因此，變形數(shù)據(jù)，結(jié)合測得的應(yīng)力變化，能夠用來估計弱透水層的滲透系數(shù)以及壓縮系數(shù)。其他一些學(xué)者也利用這些概念來約束含水層系統(tǒng)壓縮模型中對的估計（如Helm，1975，1978；Epstein，1987；Hanson，1989；Sneed和Galloway，2000；Hoffmann等，2003a；Pavelko，2004）。在這些分析中，已經(jīng)計算出的時間常數(shù)的范圍從1年到1000多年。當(dāng)同時期的地下水位信息也可用的時候，InSAR對于確定受殘余變形影響的地區(qū)是非常有用的。因?yàn)闇y得的觀測井中的地下水位趨向于表示含水層的水頭，當(dāng)?shù)叵滤皇欠€(wěn)定的或者正在恢復(fù)的時候，仍在繼續(xù)的沉降很可能意味著是殘余變形。在羚羊谷和拉斯維加斯谷的大面積地區(qū)，歷史上地下水的開采最終造成了殘余變形，對此利用InSAR進(jìn)行了識別和繪圖。從每個谷鉆孔伸長計監(jiān)測站獲得的時間序列的水頭-變形數(shù)據(jù)證實(shí)了存在殘余變形（Sneed和Galloway，2000；Pavelko，2000，2004）。在羚羊谷，根據(jù)鉆孔伸長計的測量數(shù)據(jù)約束的含水層系統(tǒng)壓縮一維模擬計算的時間常數(shù)是17天~350年（Sneed和Galloway，2000），而在拉斯維加斯谷是100年~1300年（Pavelko，2004）。在羚羊谷，InSAR結(jié)合地下水位信息表明，Rogers湖的南部仍在發(fā)生殘余變形，大體上與已經(jīng)繪制的湖積單元的分布有關(guān)（Hoffmann等，2003a）。在拉斯維加斯谷Eglington斷層南部粘土層總厚度很大的大部分沉降影響區(qū)，地下水位從1990年開始，已經(jīng)基本上得到了恢復(fù)，而InSAR位移（1992年~1997年）顯示出了明顯的沉降，說明殘余變形正在發(fā)生（Amelung等，1999）。在羚羊谷，利用InSAR位移和其它水文地質(zhì)信息來約束地下水流、含水層系統(tǒng)滯后壓縮和地面沉降的耦合反演模型（見羚羊谷研究實(shí)例，Hoffmann等，2003a）。計算出的弱透水層的時間常數(shù)從3.8年~285年。盡管考慮了滯后壓縮明顯提高了沉降的模擬和觀測之間的擬合效果，但是SAR數(shù)據(jù)的時間覆蓋率（3年）沒有能夠緊密地約束較大的時間常數(shù)。在內(nèi)華達(dá)YuccaFlat，所發(fā)生的永久變形是弱透水層釋水導(dǎo)致的，而與地下水開采無關(guān)（見YuccaFlat研究實(shí)例）。InSAR表明，在這個單元水位以下進(jìn)行的地下核武器試驗(yàn)停止后的5年，在弱透水層（凝灰?guī)r堆）中出現(xiàn)了永久沉降（Laczniak等，2003；Vincent等，2003）。1992年，當(dāng)試驗(yàn)停止的時候，凝灰?guī)r堆中的水位最初升高到試驗(yàn)前靜水位以上將近400m，然后朝著未擾動的值下降。InSAR測得的1992~1997年之間的沉降是凝灰?guī)r堆彈性壓縮造成的，伴隨著其緩慢的排水。Halford等（2005）模擬了凝灰?guī)r堆中的地下水流，估計了控制潛在污染的地下水向下伏區(qū)域碳酸鹽巖含水層排泄的水力參數(shù)。參數(shù)估計用測得的水位和InSAR獲得的沉降率來約束。預(yù)測模擬顯示，由于核試驗(yàn)的累積效應(yīng)，將有200萬m3的地下水從凝灰?guī)r堆排泄到碳酸鹽巖含水層，同時由于核試驗(yàn)到目前的影響，2005年會發(fā)生最終排泄量和沉降總量的50%，2200年達(dá)到92%。三、限制在水文地質(zhì)研究中，星載SAR差分干涉測量的主要應(yīng)用就是從空間上進(jìn)行詳細(xì)的制圖和對含水層系統(tǒng)變形時間序列上的測量，對與含水層系統(tǒng)變形無關(guān)的一些水文地質(zhì)過程還未涉及到，但有一個例外,可能就是與淺層土壤介電常數(shù)變化相關(guān)的一些淺層過程（Nolan等，2003）。對于地下水的補(bǔ)給、流動和排泄過程，InSAR和PSI的主要應(yīng)用限制就是，在盆地填充的沖積含水層系統(tǒng)中的大部分固結(jié)的基巖含水層系統(tǒng)和相對薄的、滲透性強(qiáng)的粗顆粒的沉積物在應(yīng)力變化條件下，一般變形都非常小。水資源開發(fā)集中在這些滲透性和導(dǎo)水性好的、比較容易保證開采量的粗顆粒的部分。但是，大部分沖積含水層系統(tǒng)都是非均質(zhì)的，很大一部分都是由高壓縮性、高儲存能力、低滲透性、細(xì)顆粒、富含粉土和粘土類的弱透水層組成，并與承壓的粗顆粒含水層互層。到目前為止，大部分應(yīng)用于變形含水層系統(tǒng)研究的InSAR都受這類系統(tǒng)的限制。另一個重要的限制就是，對于很多類地形，SAR圖像之間的相干性在時間上的快速損失。在植被密集區(qū)或者地面受到擾動的地區(qū)（如農(nóng)業(yè)區(qū)），InSAR會損失相干性。盡管PSI能夠在城市地區(qū)避開這種問題，但是在農(nóng)村和農(nóng)業(yè)區(qū)，仍會受到明顯的限制，這些地方的PSI結(jié)果經(jīng)常不可靠。遺憾的是，在很多易發(fā)生含水層系統(tǒng)壓縮的盆地中，依賴地下水的灌溉農(nóng)業(yè)是一種主要的土地利用方式。在很多干涉圖中，大氣（濕度、氣壓、溫度）影響是十分明顯的。大氣條件的變化引起雷達(dá)發(fā)射波和反射波傳播過程中的時空變化，會造成干涉相位的明顯變化（Zebker等，1997），很難與變形區(qū)分開來。這種大氣的負(fù)面影響在潮濕的沿海地區(qū)很常見（如Stork和Sneed，2002；Buckley等，2003）。任何地方都可能存在這種負(fù)面影響，但是在干旱地區(qū)不常見，例如夏季季風(fēng)期的美國西南部地區(qū)（Heywood等，2002），以及位于下風(fēng)向和鄰近沿海山脈的其它干旱盆地，如洛杉磯東北部的莫哈韋沙漠（Sneed等，2003）。InSAR所用的衛(wèi)星軌道和SAR傳感器（ERS，Radarsat，J-ERS和Envisat-ASAR）存在三個主要因素限制了InSAR在地面變形監(jiān)測中的應(yīng)用：（1）植被覆蓋區(qū)的時間去相關(guān)經(jīng)常在ERS、Radarsat、Radarsat和Envisat-ASAR傳感器所用的C波段雷達(dá)頻率上比較嚴(yán)重。正如上文所述，在很多地區(qū)，灌溉農(nóng)業(yè)是導(dǎo)致地下水超采和含水層系統(tǒng)壓縮的主要原因。因此，植被覆蓋導(dǎo)致的去相關(guān)經(jīng)常會阻礙這些含水層系統(tǒng)的InSAR測量。（2）對于位移制圖，理想上能夠利用準(zhǔn)確的重復(fù)軌道，消除地形對測量信號的影響而獲得SAR影像。盡管在處理過程中，用DEM對地形影響進(jìn)行修正，但不一定總有高質(zhì)量的DEM可用，因此還是會存在殘差影響?？梢蕴暨x出適合用來檢測干涉測量變化的SAR影像對，以將地形影響最小化。由于過去最常用的一些傳感器（ERS，Radarsat）都沒有優(yōu)化干涉測量處理的設(shè)計，因此只有部分SAR影像才適合于干涉測量變化的檢測。未來獲取的影像不會與其它任何SAR影像成對，這是因?yàn)檫\(yùn)行軌道的重復(fù)精度不夠。因此，對于InSAR而言，希望SAR圖像樣品的采集頻率能夠明顯小于這些衛(wèi)星的重復(fù)軌道周期（如對于ERS和Envisat，，對于Radarsat，）。（3）SAR干涉測量LOS位移。例如，視角α（在ERS平臺上為20~26°，在Envisat平臺上為20~45°）至少在因子（例如，當(dāng)α=23°時，≈2.4）時，對垂向位移比對水平位移更敏感。利用基本上同時期的上升軌道獲得的SAR影像對和下降軌道獲得的SAR影像對，可以評價反視角能否揭示出水平位移造成的差分信號（Hoffmann和Zebker，2003）。但是，一般來說，可用的上升階段獲取的影像很少，在不做其它假設(shè)的條件下，很難求得水平位移。關(guān)注地面水平位移的研究可能要使用較大入射角下（能夠提高敏感性）獲取的影像。不過，基本上還是需要其它輔助信息，才能從利用極軌道上的空間傳感器獲得的干涉測量得到一個三維位移場。SAR影像的全球可用性存在一些限制。除了以前已成像過的研究區(qū)外，很多地區(qū)幾乎沒有或者根本沒有獲取影像。例如，墨西哥和中國的沉降區(qū)有明顯的含水層系統(tǒng)壓縮問題，但是卻受ERSSAR覆蓋率的限制。對EnvisatSAR覆蓋率而言，SAR發(fā)射信號的多種可選的極化現(xiàn)象會限制適合于InSAR處理的SAR圖像對的可用性。適合干涉測量的ERS1SAR提取的適用時間段從1992年~1996年，ERS-2數(shù)據(jù)的可用時間從1995年至今，但是從2001年開始，由于運(yùn)行問題，ERS-2的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降了。綜合利用1992年至今的ERS-1和（或者）ERS-2數(shù)據(jù)，可以形成合適的干涉像對。Envisat衛(wèi)星已于2002年發(fā)射，預(yù)計將在2011年發(fā)射SENTINEL-1（C波段干涉測量雷達(dá)衛(wèi)星）。Envisat和ERS數(shù)據(jù)一般不能用來形成干涉像對，但是它們可以用于PSI分析中。在大多數(shù)的水文地質(zhì)應(yīng)用中，就探測變化而言，合適的SAR數(shù)據(jù)的時間可用性存在兩個明顯的空白：（1）1995年~1996年，ERS-1和ERS-2先后發(fā)射的9個月；（2）2001~2002年，在Envisat數(shù)據(jù)可用之前，ERS-2數(shù)據(jù)質(zhì)量下降的時候。雷達(dá)衛(wèi)星（Radarsat）獲取，從1996年開始適用，在水文地質(zhì)方面的應(yīng)用還未達(dá)到ERS數(shù)據(jù)的應(yīng)用程度。主要原因可能是，在科學(xué)研究中，雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用沒有像ERS數(shù)據(jù)那樣引起足夠的關(guān)注。此外，還有其它一些問題，如相對不準(zhǔn)確的衛(wèi)星軌道控制給InSAR處理的幾何特征需求增加了更多的復(fù)雜性，缺乏建立有用存檔的科學(xué)的背景衛(wèi)星任務(wù)，以及各種傳感器的獲取模式，這樣就減少了獲得能被干涉測量組合的圖像的機(jī)會。JERS-1是一個L波段傳感器，運(yùn)行時間從1992年~1998年。盡管L波段頻率更少受去相關(guān)影響，因此可能更有應(yīng)用前途，但是數(shù)據(jù)還沒有像ERSC波段數(shù)據(jù)那樣得到更廣泛的應(yīng)用。易于限制星載SAR干涉測量在水文地質(zhì)研究中的廣泛應(yīng)用的其它因素包括數(shù)據(jù)處理、衛(wèi)星圖像采集，以及地面實(shí)況信息不足?？捎玫纳虡I(yè)處理軟件都比較昂貴，同時需要巨大的投資來開發(fā)產(chǎn)生典型干涉圖所必需的技術(shù)?？紤]研究區(qū)的位置和研究時間，可用的SAR影像存檔可能會太小甚至于不存在。讓衛(wèi)星采集新的圖像可能需要獲得首席調(diào)查特權(quán)，進(jìn)一步依賴于其它的采集優(yōu)先權(quán)。這些因素易于限制InSAR的臨時應(yīng)用，阻礙了對變形含水層系統(tǒng)的探測。其它一些限制因素是幫助解譯干涉圖的測量資料和水文地質(zhì)地面實(shí)況信息不足。四、未來的應(yīng)用正在進(jìn)行中的一些InSAR應(yīng)用提高了對非均質(zhì)、沖積含水層系統(tǒng)中的變形弱透水層的空間分布的刻畫，促進(jìn)了對這些單元和含水層關(guān)系的認(rèn)識。InSAR目前的技術(shù)條件能夠進(jìn)一步加強(qiáng)對含水層系統(tǒng)壓縮的監(jiān)測，約束地下水流和含水層系統(tǒng)壓縮模型，但是InSAR目前在盆地填充沖積含水層系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件刻畫中還未得到充分利用。InSAR在水文地質(zhì)中的未來應(yīng)用可能包括新的運(yùn)作和研究應(yīng)用，通過對地下水位和地面變化的綜合監(jiān)測和分析，將提高對含水層系統(tǒng)的可持續(xù)性評價和管理評價，同時也會加深對復(fù)雜含水層系統(tǒng)在自然和人類應(yīng)力下的水力耦合響應(yīng)的認(rèn)識。過去最常用的星載SAR干涉測量傳感器已針對SAR圖像進(jìn)行了優(yōu)化，而不是針對干涉測量本身。結(jié)果是衛(wèi)星的軌道形狀和控制不理想，導(dǎo)致最終獲得的干涉圖質(zhì)量變差。未來的傳感器有望在這點(diǎn)上得到改進(jìn)，使InSAR得到更廣泛地應(yīng)用。兩個方面的發(fā)展將促進(jìn)在水文地質(zhì)領(lǐng)域中的未來應(yīng)用：（1）新的SAR傳感器會越來越可用，能夠在更大的空間精度上并以更高的時間精度輔助調(diào)查。例如，已于2006年10月發(fā)射的TerraSAR-X衛(wèi)星將會以近1m的空間精度，從11天的重復(fù)軌道上提供SAR數(shù)據(jù)