北京平原地下水恢复期间地面沉降与回弹的时空演化：热点动态、质心迁移与水文地质关联

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Spatiotemporal evolution of land subsidence and rebound during groundwater recovery in the Beijing Plain: hotspot dynamics, centroid migration, and hydrogeological associations

　　

摘要：地下水位恢复使北京平原（BJP）的地表变形从单纯的沉降转变为沉降与回弹并存。然而，其时空演变及其与多源环境数据的关系仍需进一步研究。基于 2018 年 1 月至 2025 年 1 月的 SBAS-InSAR 变形测量和地下水监测井数据，利用探索性空间数据分析（ESDA）、新兴热点分析（EHSA）和加权质心分析，调查了聚集性沉降和回弹模式的演变和迁移。同时探讨了它们与地下水位、降水、压缩层厚度、含水层物质组成、距河距离以及距断层距离的关系。结果表明，全局莫兰指数从 0.79 增加到 0.94，并在 2021 年后保持高位。变形模式逐渐发展为以相对稳定的沉降区和扩大的回弹区为特征的双结构。持续且加剧的沉降热点集中在北京平原中南部沉降区，而回弹冷点广泛分布在北部、西部地区及中心城区周边。回弹冷点面积约为沉降热点面积的 1.8 倍。截至 2024 年第四季度，这两类区域的质心均向西移动。回弹冷点与更快的地下水位恢复、更薄的压缩层、砾石到砂质含水层材料以及更短的距河距离相关，而持续且加剧的沉降热点则表现出相反的特征。降水与地表变形相关性较弱，且不同变形类型间的距断层距离差异不显著。本研究支持对经历地下水恢复地区的沉降和回弹进行分区监测和风险评估。

引言 地面沉降是华北平原（NCP）最普遍且持久的缓发地质灾害之一，对高速铁路、地下管道和城市生命线基础设施构成持续威胁（Ao 等，2024；Chen 等，2020；Jiang 等，2026）。北京平原（BJP）是华北平原受地面沉降影响的关键区域之一。数十年的地下水过度开采、密集的轨道交通建设以及北京大兴国际机场和通州城市副中心等重大项目带来的快速荷载，在朝阳、通州、昌平和大兴形成了几个相互连通的沉降漏斗（Chen 等，2017；Chen 等，2016；Zheng 等，2024；Zhu 等，2015）。自 2014 年底南水北调中线工程开始向北京供水以来，中心城区的水源供应逐渐从以地下水为主转变为地表水部分替代地下水。在一些核心区域已观察到明显的地表回弹信号（Long 等，2020；Meng 等，2025；Zhao 等，2025；Zhong 等，2026）。如何同时表征沉降和回弹的双向模式及其与地下水位变化的耦合关系，已成为北京平原地面沉降研究中的一个重要问题。
干涉合成孔径雷达（InSAR）从微波相位差中提取地表变形信息，已成为监测北京平原地面沉降的主要技术之一（Chen 等，2020；Lai 等，2024；Wang 等，2024）。早期的差分干涉合成孔径雷达（D-InSAR）使用单个干涉对来获取变形场，但时空去相关和大气延迟误差限制了其精度和适用时间跨度（Massonnet 和 Feigl，1998；Peng，2023）。为了克服这些局限性，永久散射体干涉合成孔径雷达（PS-InSAR）利用建筑物和桥梁等在长时序中相位稳定的点目标来估计变形速率和高程残差。它能在建成区内实现毫米级监测精度，但对郊区和自然表面的覆盖不足（Ferretti 等，2000）。小基线集干涉合成孔径雷达（SBAS-InSAR）结合多幅具有短时间基线和空间基线的图像，生成大量的差分干涉图。它在抑制去相关的同时保留了分布式散射体的信息，能够在混合的城市、农村和农业表面上重建变形场。因此，它特别适合监测长期、大尺度和缓变形（Berardino 等，2002；Casu 等，2006；Wang 等，2026；Wang 等，2025）。自 2014 年以来，哨兵 -1 数据在全球范围内免费开放，ALOS-2 的 L 波段植被穿透能力，中国高分三号（GF-3）提供的独立 C 波段覆盖，以及陆探一号（LT-1）双星星座的 L 波段四天重访能力，共同为构建北京平原多年变形时间序列提供了连续且互补的多波段数据（Han 等，2023b；Hu 等，2019；Jiang 等，2026；Luo 等，2024）。
近期利用多源、长期 InSAR 时间序列的研究系统揭示了北京平原地面沉降的长期演变。结果表明，在南水北调中线工程输水及地下水开采量减少后，北京平原的整体沉降速率显著降低。然而，朝阳 - 通州和大兴的历史沉降中心继续发展，而地表回弹逐渐在北部和西部显现（Dong 等，2023；Fu 等，2025；Lyu 等，2020；Zheng 等，2022）。进一步研究发现，地下水位恢复与地表变形之间存在显著的空间异质性和时间滞后。砂层比例较高且补给条件较好的区域更容易发生弹性回弹，而粘土沉积较厚的区域由于隔水层排水延迟和历史上的不可逆压实可能继续沉降（Meng 等，2025；Shi 等，2024；Zhao 等，2025）。此外，独立成分分析、空间回归和机器学习已被用于分离变形模式并评估地下水、地层结构、断层等因素的影响（Cao 等，2024；Lai 等，2024；Wang 等，2026；Wang 等，2025；Zhao 等，2023）。这些研究为理解北京平原地下水位恢复后的地面沉降减缓和局部地表回弹提供了基础。然而，它们主要关注变形速率的变化、局部地下水位响应或驱动因素的归因。对于在持续地下水恢复过程中聚集性沉降和回弹区的形成、扩展和空间迁移的统一表征仍然缺乏。
因此，在地下水位恢复下，北京平原的关键问题不仅仅是地面沉降是否减缓，还包括残余沉降和地表回弹如何在空间上重新组织，以及这些不同的响应如何对应于地下水恢复程度、水文地质条件和其他环境观测。本研究聚焦于两个相关问题。首先，空间聚集强度以及沉降和回弹的时空类型如何演变，持续沉降区和扩大回弹区的空间重组是否显示出明显的迁移方向？其次，地下水位变化与地表变形响应之间存在哪些差异，地下水位恢复后继续表现出沉降或回弹的区域与压缩层厚度、含水层物质和补给条件有何关联？
为了回答这些问题，本研究利用 2018 年 1 月至 2025 年 1 月的 SBAS-InSAR 地表变形时间序列和 245 口地下水监测井的数据，建立了一个整合空间聚集演变、质心迁移以及地下水位 - 变形联合分析的分析框架。首先，使用探索性空间数据分析（ESDA）中的全局和局部莫兰指数统计量来表征地表变形聚集强度的季度变化和本地聚集类型。其次，应用新兴热点分析（EHSA）识别持续、加剧、偶发和新的沉降热点以及回弹冷点，同时使用加权质心分析追踪它们的迁移轨迹。最后，结合地下水位、降水、压缩层厚度、含水层物质组成以及距河和距断层的距离，比较不同变形类型的地下水位响应和环境背景。本研究旨在分析北京平原地下水恢复过程中沉降和回弹的空间重组，为识别持续沉降区域和实施差异化监测提供依据。

章节片段
研究区 北京平原位于华北平原西北边缘，面积约为 6,400 平方公里，如图 1 所示。它由永定河、潮白河、温榆河和拒马河的冲积 - 洪积扇沉积物形成。第四纪松散含水层系统厚 100-500 米，中部盆地局部超过 800 米（Chen 等，2017）。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均降水量约 600 毫米。地面沉降的驱动因素
数据获取 地下水位数据来自中国环境科学研究院。数据集包括 136 口承压含水层监测井和 109 口潜水含水层监测井，覆盖 2018 年 1 月至 2025 年 1 月。额外包含一个月是为了便于聚合为季度间隔。北京平原的压缩层厚度、含水层物质组成以及河流和断层位置的数据也从同一机构获取。这些数据
InSAR 监测结果精度验证 图 4(a-d)显示了四个时期内 88 对有效 InSAR-水准对的空间分布，而图 4(e)给出了它们的定量比较。InSAR 和水准速率紧密分布在 1:1 线上。在整个研究期内，R=0.82，RMSE=9.07 mm/yr，MAE=7.34 mm/yr，Bias=3.04 mm/yr。在研究期间，北京平原的 InSAR 变形速率场显示最大沉降速率为 -159.24 mm/yr，最大隆起速率为 34.75 mm/yr。严重沉降
讨论 结果共同揭示了北京平原地表变形从单纯沉降到沉降与区域回弹共存的转变。这一转变并不代表整个研究区的同步恢复，而是涉及三个相互关联的空间过程：沉降热点在北京平原中部和南部持续并局部加剧，回弹冷点在北部和西部地区逐渐扩大并形成空间连通，以及质心
结果 基于 2018 年 1 月至 2025 年 1 月北京平原的 InSAR 地表变形场和 245 口监测井的地下水位时间序列，本研究开发了一个结合 ESDA、EHSA、加权质心迁移以及地下水位与地表变形联合分析的综合分析框架。该框架系统表征了地下水位...背景下地面沉降和回弹空间聚集模式的演变和定向迁移。

CRediT 作者贡献声明
周超帆：监督、方法论、调查、概念化。陈贝贝：监督、资金获取、概念化。宫慧丽：写作 – 初稿、监督、软件、方法论、正式分析、数据整理。王海刚：方法论、调查、数据整理。王永康：写作 – 初稿、监督、软件、方法论、概念化

利益冲突
作者声明不存在与本研究相关的利益冲突。

数据可用性声明
所有使用的数据均已链接在论文的“数据和方法”部分。

伦理声明
本研究不涉及任何人类参与者、人类组织或动物实验。本研究使用的数据均来源于公开可用的遥感数据集（SBAS-InSAR）、地下水监测记录以及公开可访问的水文地质和地理数据集。不需要伦理批准。

竞争性利益声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能已影响本文所述的工作。

致谢
本研究受国家自然科学基金资助（NO.U24A20433，No. 42201081/D0104，NO.41930109/D0104）。本研究还受内蒙古自治区科技创新重大示范项目（2025ZDSF001702）和中央引导地方科技发展基金（2024ZY0165）支持。

王永康 | 王海刚 | 陈贝贝 | 周超帆 | 宫慧丽
首都师范大学资源环境与旅游学院，中国北京，100048