《Journal of Hydrology》：Mapping new pre-consolidation head, safe pumping buffer, and safe pumping volume for groundwater management in post-subsidence cities: a case study from Houston, Texas
编辑推荐：
•实用的NPCH、SPB和SPV映射方法可适用于其他沉降后城市。•VHG调整可解决厚承压含水层中的垂直水头梯度问题。•截至2025年，NASA-克莱尔湖地区仅保留约5米的SPB，极易发生沉降复发。•截至2025年，帕萨迪纳保留约24米的SPB，作为周边区域的应急储备。•HGS
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实用的NPCH、SPB和SPV映射方法可适用于其他沉降后城市。
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VHG调整可解决厚承压含水层中的垂直水头梯度问题。
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截至2025年，NASA-克莱尔湖地区仅保留约5米的SPB，极易发生沉降复发。
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截至2025年，帕萨迪纳保留约24米的SPB，作为周边区域的应急储备。
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HGSD 1&2的SPV = 58百万加仑/日 × 365 ≈ 年地下水用水量的1.5倍。
引言
一百多年来，人类一直在与地面沉降这一挑战作斗争，地面沉降是全球大城市面临的重要问题（例如，Zhu等，2015，Herrera-García等，2021，Noori等，2023，Hasan等，2023）。为工业、市政和农业用途大量抽取地下水被广泛认为是城市地面沉降的主要驱动因素（例如，Galloway和Burbey，2011，Ao等，2024）。在长期抗击地面沉降的努力中，一些城市通过调入地表水并严格管控地下水使用，成功减缓甚至停止了沉降，例如东京（Hayashi等，2009）；台北（Chen等，2007）；上海（Zhang等，2015）；太原（Tang等，2024）；以及华北平原（Long等，2020，Yang等，2022，Li等，2025，Su等，2025）。得克萨斯州休斯顿是抗击地面沉降最著名的成功案例之一（Turco等，2025）。休斯顿东南部地区从20世纪40年代到70年代经历了快速沉降，但自1976年哈里斯-加尔维斯顿沉降区（HGSD）实施地下水管控法规以来，沉降自20世纪80年代起逐渐停止（Coplin和Galloway，1999）（图1）。
在大型城市地区，地下水往往作为紧急情况下的关键备用淡水水源。此类紧急情况包括自然灾害（例如，长期干旱、飓风破坏水处理设施、地震破坏管道）、水质事件（例如，洪水或化学品泄漏导致的地表水污染）以及人为中断（例如，对控制系统的网络攻击、冲突期间基础设施的物理破坏或区域输水系统故障）。这种依赖引发了地下水管理者和研究人员共同关注的一个关键问题：在已停止沉降的地区，如何防止地面沉降复发？更具体地说，在紧急情况下，可以在哪些位置安全抽取的地下水最大量是多少，才能不重新引发永久性沉降？
这些担忧在休斯顿地区尤为紧迫，该地区在过去十年中反复面临干旱——包括2011年至2014年的长期干旱、2022年夏季的严重干旱以及2023年夏季的异常干旱（Welch等，2024）。在长期干旱期间，当地表水变得稀缺时，紧急抽取剩余的备用水源——地下水——可能会重新引发沉降。
为应对地面沉降复发和地下水可持续利用的担忧，引入了新预固结水头（NPCH）的概念（Wang，2023a）。NPCH被定义为承压含水层系统在经过长期地面沉降后达到新的孔隙水压力平衡时的水头。它标志着在最近一个固结周期中黏土所经历的最低水头，并与黏土非弹性压实停止的时刻相吻合。只要水头保持在以上述阈值之上，就不会发生显著的非弹性压实——即不会发生永久性地面沉降。在此基础上，随后提出了安全抽水缓冲（SPB）的概念，用于量化当前水头与NPCH之间的间隔（Wang等，2024）。SPB定义了允许的最大水头下降幅度：10米的SPB意味着水头可以相对当前水头下降最多10米，而不会重新引发永久性沉降。本研究进一步提出了安全抽水量（SPV），即在SPB限值内可安全提取的最大地下水体积。NPCH、SPB和SPV共同构成了一套完整的管理工具，用于在沉降后城市平衡紧急用水需求与长期沉降防控。
尽管NPCH、SPB和SPV的概念定义清晰，但其实际应用受到现实条件复杂性的阻碍。现场测量本质上存在局限性，揭示了水头在时间和空间上的显著变异性，无论是水平方向还是垂直方向。这些复杂性为将理论概念转化为可操作的地下水和沉降管理策略带来了巨大挑战。本研究通过提出实用的方法来应对水头固有的时空变异性，弥补了这一差距。基于得克萨斯州休斯顿东南部的综合数据集，我们展示了一种确定NPCH、SPB和SPV值的实用方法，该方法考虑了这些自然变异，从而促进更加有效和富有弹性的地下水管理实践。
章节摘要
研究区域
德克萨斯州休斯顿大都市区近一个世纪以来一直面临地面沉降的挑战，自20世纪40年代以来，由于快速城市化和工业化，问题尤为严重。1950年代至1970年代沉降问题最为严峻，促使1975年成立了HGSD。HGSD被赋予在其管辖区域内管控地下水使用、制止沉降并鼓励负责任的节水实践的职责（Turco和Petrov，2015，
NPCH和SPB的概念
预固结水头这一术语源自岩土工程中的预固结应力概念——即细粒沉积物土骨架在其地质历史中所经历的最大有效应力（Casagrande，1936）。在水文地质学中，研究者将承压含水层系统中与该预固结应力相对应的水头称为预固结水头。对于经历了因过度
战略分区
休斯顿地区下方的奇科特-伊万杰琳含水层系统表现出显著的各向异性，其特征为非连续层，渗透率和水力传导率各异（Chowdhury和Turco，2006，Young等，2017）。这种各向异性导致即使在系统接近平衡时，不同区域和深度的水头也各不相同。这些水头差异主要归因于垂直和水平水力梯度。为应对
整合垂直水力梯度的水头映射
休斯顿地区下方厚重的承压奇科特-伊万杰琳含水层系统中始终存在显著的垂直水力梯度（VHG）——无论是在大规模地下水开采开始之前，还是在几十年前沉降停止之后（Wang，2025）。Wang（2025）建议在实际应用中采用0.07的区域平均VHG值。该估计值是通过三个互补数据集的多数据集统计分析得出的：
讨论与结论
本研究提出了确定NPCH、SPB和SPV的实用方法，以支持长期地下水管理并防止地面沉降复发。NPCH和SPB阈值提供了更具操作性、更直接的地下水管理决策标准。本文展示的NPCH、SPB和SPV映射的实用方法可推广适用于面临类似地下水管理挑战的其他沉降后城市。
所得NPCH和SPB图揭示
CRediT作者贡献声明
王冠全：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的财务利益或人际关系。
致谢
作者感谢哈里斯-加尔维斯顿沉降区和美国地质调查局慷慨提供地下水和沉降测量仪数据集的访问权限。作者感谢三位匿名审稿人提出的深思熟虑的评论。
王冠全
