基于稀疏网格贝叶斯框架与InSAR测量的含水层特性表征：西班牙Alto Guadalentín盆地的流域尺度应用

这篇研究通过开发基于稀疏网格的贝叶斯框架，结合干涉合成孔径雷达（InSAR）和孔隙水压力数据，创新性地反演了西班牙Alto Guadalentín超采含水层系统的水力传导度（K）和土壤压缩性（cm）。研究整合了三维变饱和孔隙力学耦合模型，首次在流域尺度实现了多年代际非线性水文-力学过程的概率化表征，为解决地下水过度开采引发的地面沉降（15 cm/yr）提供了量化工具，并为可持续地下水管理策略提供了科学依据。

　　

研究背景与意义

地下水过度开采导致的地面沉降已成为全球性环境问题。西班牙Alto Guadalentín盆地因长期超采（水位下降>100 m）引发欧洲最严重的地面沉降（速率达15 cm/yr），但传统方法受限于数据稀疏性和计算成本。本研究通过融合InSAR高分辨率位移监测与贝叶斯概率框架，实现了含水层关键参数的空间化表征。

方法论创新

研究提出三重突破：

1. 1.

   非线性孔隙力学模型：采用三维变饱和耦合模型（van Genuchten方程描述S_w-h关系，Bishop有效应力原理），显式量化孔隙度（?）变化对水力-力学过程的双向反馈；

2. 2.

   稀疏网格代理模型：以21组全模型模拟构建Leja节点稀疏网格，替代传统MCMC算法中万次量级的计算，使计算效率提升两个数量级；

3. 3.

   流域尺度验证：首次覆盖1962-2016年跨度的真实盆地应用，相比前人基于短时抽水试验或均质假设的局部模型更具工程指导价值。

关键发现

1. 1.

   参数反演结果：通过两阶段贝叶斯反演获得砂层水平水力传导度K=0.65±0.12 m/d（对数正态分布），黏土层压缩系数c_m=(1.7±0.3)×10^-3 kPa^-1，二者呈现0.686的强相关性；

2. 2.

   水文-力学响应：模型再现了3 m累计沉降与2.2 km³孔隙体积损失，揭示黏土层底部排水主导的滞后压实机制（图13-15）；

3. 3.

   InSAR数据价值：联合反演使K的后验方差缩减42%，证实卫星遥感对降低参数不确定性的显著贡献（图10）。

工程启示

研究建议将开采井远离黏土富集区以减缓沉降，并指出当前模型在南部区域存在30%的沉降低估（图17），可能源于未考虑抽水速率空间异质性。该框架为全球类似盆地（如华北平原）的可持续开发提供了可迁移的技术范式。

未来方向

作者计划引入多保真度代理模型（MISC方法）以平衡计算精度与成本，并开发考虑土体硬化效应的本构关系，以更精准预测长期储层恢复潜力。