《Land》：InSAR-Derived Spatiotemporal Evolution of Land Subsidence and Its Response to Groundwater Overexploitation in Hainan, China
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地面沉降是海南省最关键的地质灾害之一，其主要驱动因素为地下水超采。该研究整合区域尺度短基线集时序InSAR（SBAS-InSAR）形变结果与9口代表性地下水监测井观测数据，以探究海南省地面沉降的时空演化特征及其地下水响应机制。研究采用2019—2023年的Se
地面沉降是海南省最关键的地质灾害之一，其主要驱动因素为地下水超采。该研究整合区域尺度短基线集时序InSAR（SBAS-InSAR）形变结果与9口代表性地下水监测井观测数据，以探究海南省地面沉降的时空演化特征及其地下水响应机制。研究采用2019—2023年的Sentinel-1A影像反演视线向（LOS）形变时间序列，并在忽略水平位移的假设下，利用局部入射角校正将其转换为垂向地面沉降。进一步采用基于Loess的季节—趋势分解（STL）、Pearson相关分析、动态时间规整（DTW）以及滞后相关分析，对多尺度信号进行分离，并检验代表性水文地质环境中地下水—沉降响应关系。结果表明：（1）海南省地面沉降主要集中于滨海平原区，海口、文昌和儋州为主要沉降中心，局部年沉降速率超过?50 mm/yr；（2）基于代表性监测井的分析显示，在主要沉降敏感区，地下水位下降与累积沉降高度同步，DTW距离持续低于10，表明二者具有较高时间一致性；长期地下水亏损是这些代表性区域累积沉降的重要驱动因素；（3）滞后相关分析揭示，地下水位波动与地面沉降之间存在1–6个月的空间异质性滞后响应，且滞后时间和位相关系与含水层结构、低渗透层分布及地下水开采强度密切相关。该研究为热带岛屿地区地面沉降防控与地下水资源可持续管理提供了科学依据。
该文发表于《Land》，围绕海南省这一典型热带岛屿区域的地面沉降问题展开，核心目标是揭示2019—2023年地面沉降的区域时空演化格局，以及地面沉降对地下水超采的多尺度响应机制。研究背景在于，地面沉降是沿海地区和地下水高强度开采区普遍存在的渐进性地质灾害，不仅会引发地裂缝、建筑物变形等工程地质问题，还会叠加海水入侵与洪涝风险，威胁区域生态安全与社会经济可持续发展。海南省受季风气候、沿海地貌、第四纪松散沉积物广泛分布及人类开发活动增强等多重因素影响，地面沉降问题日益突出。然而，既有研究多集中于京津冀、长三角、珠三角等典型沉降区，对海南及其他热带岛屿地区的系统研究相对不足；同时，不少研究直接基于原始时间序列开展相关分析，未区分长期趋势与季节变化，容易掩盖地下水与沉降之间的本征耦合关系。因此，开展该研究具有明确的区域现实需求和机制研究意义。
研究人员以海南省为研究区，综合利用Sentinel-1A时序合成孔径雷达（SAR）影像与国家地下水监测工程监测井资料，建立了“区域形变监测—多尺度时间序列分解—地下水沉降响应分析”的研究框架。研究结果表明，海南省地面沉降具有显著空间分异性，主要集中于滨海平原及邻近城镇化区域，海口、文昌、儋州构成主要沉降中心；长期地下水位下降与累积沉降演化高度一致，是代表性沉降区的重要控制因素；季节尺度上，地下水波动对沉降存在1–6个月不等的滞后响应，并表现出明显空间异质性。这些结果加深了对热带岛屿环境下地下水相关地面沉降形成机制的认识，也为区域地下水调控、地面沉降风险识别与地质灾害防治提供了依据。
就主要技术方法而言，研究人员采用131景2019年1月11日至2023年12月28日的Sentinel-1A IW模式影像，在GAMMA平台上基于SBAS-IPTA算法实施时序InSAR反演，生成387组干涉对，并结合30 m空间分辨率的SRTM数字高程模型（DEM）去除地形相位、利用GACOS进行大气校正，获得LOS形变时间序列后在忽略水平形变条件下转换为垂向形变。地下水数据来源于国家地下水监测工程，研究从海南省监测井中筛选出9口具有时间连续性、数据质量高且具水文地质代表性的监测井（W1–W9）。随后采用STL分解提取沉降与地下水位序列的趋势项和季节项，并结合Pearson相关、DTW和1–6个月窗口的滞后相关分析，刻画长期累积响应与短期周期响应。
在研究结果方面，论文首先报告了“4.1. Analysis of Spatiotemporal Characteristics of Land Subsidence”。其中，“4.1.1. Spatial Distribution Characteristics of Ground Subsidence in Hainan Province”显示，海南省中部山区以基岩出露和丘陵地貌为主，第四纪松散沉积层较薄，整体较稳定，平均年形变速率多在?10至10 mm/yr之间；与之相对，滨海平原区地势低平、第四纪松散沉积物发育，地面沉降显著集中，且与城市扩张和农业开发活跃区高度重合。研究通过Sentinel-1A反演结果识别出多个显著沉降中心，主要位于儋州、海口和文昌，其中海口东南部和文昌地区沉降范围最广、强度最大，局部平均年沉降速率超过?50 mm/yr。该结果说明海南地面沉降的空间格局受地貌条件、沉积环境和地下水开发强度共同控制。
“4.1.2. Temporal Evolution Characteristics of Land Subsidence in Hainan Province”进一步揭示了2019—2023年沉降的时间演化。2019年，北部儋州、海口附近及文昌东部沿海已出现明显沉降，局部累积沉降约达?150 mm。2020—2021年，沉降区空间范围扩大、连续性增强，特别是儋州沿海沉降显著增强并向外扩展，反映出持续地下水开采条件下含水层系统压密的累积性。2022年以后，整体沉降强度略有减弱，高沉降区范围有所收缩，但儋州北部沿海、海口西部沿海及文昌东部郊区仍为主要沉降区。研究还指出，局部区域存在短期回弹和非线性波动，说明地面沉降不仅受地下水开采影响，也受季节性补给等外部因子调制，表现为长期不可逆压密与短期弹性响应并存。
接着，论文在“4.2. STL-Based Time-Series Signal Decomposition for Land Subsidence and Groundwater Levels”中，基于9口代表性监测井构建沉降—地下水位配对时间序列，并实施STL分解。结果表明，原始序列中沉降与地下水位总体存在对应关系，但不同监测点差异明显。例如W2、W4、W6等井地下水位持续下降且沉降逐步增强，表现出典型“地下水下降—沉降加剧”模式；W3、W7则出现阶段性波动或突变；W8在研究后期地下水位回升，与沉降速率下降乃至局部回弹相对应。趋势项分析显示，多数监测井中地下水位长期下降与累积沉降发展具有稳定一致性，如W2、W5、W6等，表明持续地下水亏损是控制累积沉降的重要因素；而W1、W3地下水位相对稳定，沉降速率也较低；W8、W9在后期地下水恢复时，沉降减缓或轻微抬升，说明地层对地下水补给存在部分弹性或延迟弹性响应。季节项则显示，所有监测点均存在约12个月的稳定年周期，地下水位主要受降水补给控制，而沉降季节变化更复杂，但多数监测点在地下水位上升期沉降减缓甚至弹性回弹，在地下水位下降期沉降增强，并在部分地点表现出时间滞后。
在“4.3. Response of Land Subsidence to Groundwater Time-Series Components”中，研究从趋势项和季节项两个尺度系统分析了响应关系。“4.3.1. Trend Component Variation Characteristics and Correlation Analysis”显示，各监测井沉降趋势项与地下水位趋势项整体一致性较高。研究人员利用DTW识别两类时间序列的最优匹配路径，发现9口井的DTW距离均低于10，说明长期演化过程高度相似；同时，DTW距离较小的站点通常具有更高的Pearson相关系数。典型如W2、W6、W9，DTW距离均低于2，Pearson相关系数超过0.94，表明沉降与地下水变化近乎同步。尽管2022—2023年部分地点地下水位下降趋缓甚至局部稳定，但沉降仍持续累积，说明细粒沉积层或低渗透层中的缓慢排水和固结过程会造成延迟压密。
“4.3.2. Seasonal Component Periodic Characteristics and Lagged Correlation Analysis”则针对季节项开展1–6个月滞后窗口分析。结果表明，地下水位季节波动与垂向形变之间存在显著空间异质性的滞后与位相关系。正相关系数表示在滞后校正后，地下水位升高通常伴随沉降减弱或地表弹性回弹，地下水位下降伴随沉降增强；负相关系数则表示反位相响应，指示更复杂的季节性过程，如低渗透层慢排水、补给与开采时序差异等。基于最优滞后时间和相关特征，研究将监测井分为两类：其一为中长滞后响应型，主要包括W1–W6，最优滞后集中在3–6个月，多位于滨海平原和严重沉降区，这些地区厚层松散沉积物和低渗透层发育，易产生延迟固结；其二为短滞后响应型，包括W7–W9，最优滞后约1个月，主要分布于内陆或沉降较弱地区，含水层结构较稳定、水力联系较好，地下水变化更快传递到地表形变。该结果表明，滞后时间及相关符号与含水层结构、沉积物可压缩性、地下水开采强度和季节性补给过程密切相关。
论文在“4.4. Reliability and Uncertainty Discussion of SBAS-InSAR Results”中讨论了结果可靠性与不确定性。由于研究区缺乏与2019—2023年Sentinel-1A监测期同步的可靠水准测量或全球导航卫星系统（GNSS）观测，研究未能开展独立大地测量验证，因此转而从参考区选择、大气延迟、解缠误差、轨道误差、时间去相干及LOS向垂向转换假设等方面进行评估。研究将海南中部基岩山区作为参考区，因其地貌稳定、远离主要沉降中心且相干性高；同时利用GACOS削弱热带岛屿区强水汽变化带来的大气误差，并剔除低相干像元和明显异常形变值以提高可靠性。研究认为，尽管单视几何无法完全分解三维形变、垂向转换仍带来一定不确定性，但监测井处地下水变化与InSAR沉降结果之间较好的时间一致性，从物理机制上支持了形变结果的可信性。
讨论部分的核心在于，海南省地面沉降呈现出典型的“长期累积压密+季节性弹性调制”双重特征。长期地下水位下降通过降低孔隙水压力、增大有效应力，驱动含水层系统及其细粒层发生压密，形成持续累积沉降；季风降水补给及周期性开采又叠加了年周期波动，使沉降在局部时段出现减缓、回弹或位相差异。滨海平原区由于第四纪松散沉积物厚、低渗透层多、地下水开发强，表现出更显著沉降与更长的滞后响应；内陆和中部区域则因基岩裸露或含水层条件较稳定而整体变形较弱。论文据此强调，地下水—沉降耦合关系在空间上高度异质，必须在分离趋势项与季节项的基础上，分别识别长期控制因素与短期响应过程。
研究结论部分可译为：研究利用SBAS-InSAR时序形变数据和国家地下水监测井记录，结合STL时间序列分解、Pearson相关分析、动态时间规整（DTW）及滞后相关分析，系统揭示了海南省地面沉降的时空演化特征及地下水—沉降多尺度响应模式。结果表明，2019—2023年海南省地面沉降具有显著时空异质性，整体表现为中部相对稳定、沿海集中沉降，海口、文昌和儋州为主要沉降中心，局部平均年沉降速率超过?50 mm/yr。代表性监测井的长期趋势项显示，地下水位下降与累积沉降发展高度一致，所有监测井DTW距离均低于10，Pearson相关系数最高达到0.98以上，说明地下水亏损是控制代表性区域累积沉降的重要因素。季节尺度上，地面沉降对地下水位波动存在1–6个月滞后，且滞后时间和位相关系具有明显空间差异：严重沉降的滨海监测点多表现为3–6个月中长滞后，内陆及低沉降区则以约1个月短滞后为主。长期地下水下降、季节性降水补给和周期性地下水开采共同塑造了沉降响应特征，土层固结与回弹具有明确滞后效应，部分区域在地下水位恢复后沉降减缓甚至轻微回弹，体现出含水层系统弹性与非弹性变形并存。总体而言，含水层结构、低渗透层分布、开采强度及补给条件共同决定了海南代表性区域地面沉降响应时间滞后的空间差异。
