华北平原衡水市地下水超采与地面沉降的TS-InSAR定量评估：机制解析与可持续管理启示

本研究针对华北平原(NCP)衡水市因农业密集开采导致的地下水超采与地面沉降问题，采用Sentinel-1A时序干涉雷达(TS-InSAR)技术，结合水文地质数据，量化了2017-2024年深层含水层弹性骨架储水系数(ESSC)和地下水储量变化(GWSC)。研究发现年均沉降速率达141 mm，深层地下水年损失量0.57 km3 ，揭示了含水层非均质性导致的不均匀沉降机制，为地下水-沉降耦合建模提供了新约束。

　　

华北平原作为中国重要的粮食生产基地，长期面临地下水超采引发的生态危机。衡水市作为典型区域，深层地下水年均开采量达0.59×10⁴
m³
/y·km²
，导致地下水位以3-4 m/年的速度下降，引发大面积地面沉降。这种"看不见的塌陷"不仅威胁基础设施安全，更通过改变含水层结构造成不可逆的地下水储存能力损失。传统监测手段受限于点状观测的局限性，难以揭示大尺度水文-力学耦合机制。为此，中国科学院等机构的研究团队创新性地将增强型小基线集(Enhanced-SBAS) InSAR技术与水文模型结合，首次系统量化了衡水市多含水层系统的动态响应规律，相关成果发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

研究采用三大关键技术：1) Sentinel-1A卫星C波段雷达数据(2017-2024年89景)的Enhanced-SBAS处理，融合永久散射体(PS)和分布式散射体(DS)分析；2) 季节性信号分离的谐波函数模型与时间滞后互相关(TLCC)分析；3) 基于弹性骨架储水系数(ESSC)的地下水储量变化量化模型，整合中国地质环境监测院(CIGEM)的16口监测井数据。

【5.1 地表形变时空分布特征】
通过226幅干涉图处理发现，衡水市形成以饶阳县、景县-阜城县为中心的三大沉降区，最大沉降速率达141 mm/年。交叉剖面显示农业区沉降量显著高于其他区域，2019-2022年干旱期季节性变形幅度增至25 mm，证实灌溉用水是主要驱动因素。

【5.2 承压地下水变化规律】
创新性采用季节性相位图解析发现，地下水储量峰值反常出现在11-4月(而非自然补给的7-9月)，揭示农业灌溉对水文周期的颠覆性影响。地形梯度与相位梯度的空间分异证实，厚层黏土弱透水层阻碍了地表水对深层地下水的垂直补给。

【5.3 地表对地下水动态的响应机制】
通过W2-W10等监测井的耦合分析，识别出两类响应模式：在持续沉降区(W2)，水位每下降0.84 m引发22.65 mm沉降；在滞后沉降区(W8)，即使水位回升仍持续沉降，表明前期超采已触发弱透水层的滞后压密。

【5.4 地下水储量变化估算】
计算得到ESSC空间异质性显著(0.98×10^-3
-3.63×10^-3
)，东南部较低值区对应更稳定的含水层结构。2018-2022年总地下水损失2.85 km³
，其中不可恢复储量占96.5%，凸显地质储水功能的永久损伤。

讨论部分指出，南水北调工程实施后(2015年)，衡水市水位下降速率反从1.19 m/年增至2.04 m/年，证实跨流域调水未能缓解深层地下水危机。研究创新点在于：1) 首次量化NCP多层含水层系统的相滞后响应；2) 提出基于InSAR季节性信号的水文参数反演新方法；3) 揭示灌溉活动对水文周期的人为改造效应。该成果为联合国SDG6目标中的"被忽视的地下水监测"提供了技术范式，对全球37个主要含水层系统的可持续管理具有参考价值。未来需结合GRACE重力卫星与三维水文模型，进一步区分浅层与深层含水层的贡献率。