本文介绍了一项关于意大利Firenze-Prato-Pistoia盆地（中部意大利）地下水抽取引发的地面沉降的数值模拟研究。该研究由Mattia Ceccatelli、Matteo Del Soldato、Lorenzo Solari、Riccardo Fanti、Gaddo Mannori和Fabio Castelli等学者共同完成，并于2020年10月31日发表在《Hydrogeology Journal》期刊上。
意大利托斯卡纳地区长期以来受到地面沉降、滑坡和洪水等自然灾害的影响，尤其是Firenze-Prato-Pistoia盆地，自20世纪60年代以来就因地下水抽取而经历了显著的地面变形。近年来，欧洲遥感卫星（ERS）和Sentinel-1卫星的持久散射体干涉测量（PSI）技术揭示了该地区的长期沉降现象，尤其是在Pistoia市的东南部，该地区的沉降与密集的园艺活动（植物苗圃）密切相关。同时，Sentinel-1数据还意外地发现了Pistoia历史中心区的沉降现象，这一区域过去一直被认为是稳定的。
为了揭示地下水条件与地面位移之间的复杂关系，研究团队开发了一个Pistoia含水层的水文地质模型，并通过Sentinel-1 PSI测量数据对模型进行了校准和验证。研究的主要目的是通过数值模拟，预测未来地面沉降的演变趋势，并为地下水管理政策的制定提供科学依据。
研究采用了综合建模方法，结合了美国地质调查局（USGS）的MODFLOW地下水模型和MOBIDIC水文模型。研究的主要流程包括以下几个步骤：
PSI数据分析：研究使用了Envisat和Sentinel-1卫星的PSI数据，分析了2003-2010年和2015-2018年期间的地面位移。通过PSInSAR和PSP算法，研究团队生成了高精度的地面位移图，并提取了时间序列数据，用于模型的校准和验证。
水文模型构建：MOBIDIC水文模型用于模拟Ombrone河流域的水文过程。模型校准使用了2010-2015年的水文数据，并通过Nash-Sutcliffe效率指数（NSE）和均方根误差（RMSE）等统计指标评估了模型的可靠性。
水文地质模型构建：MODFLOW模型用于模拟Pistoia含水层的地下水流动和地面沉降。模型通过PEST代码进行反演建模，校准了含水层的渗透系数和弹性/非弹性储水系数。模型使用了2015-2017年的Sentinel-1 PSI数据进行了校准，并通过2003-2010年的Envisat PSI数据进行了验证。
未来气候情景模拟：研究使用了全球气候模型（GCMs）和区域气候模型（RCMs）的数据，预测了2020-2050年期间的气候变化对地下水状态和地面沉降的影响。研究分析了三种不同的地下水抽取情景：当前抽取速率、每年增加1%的抽取速率和每年减少1%的抽取速率。
PSI速度图：Envisat和Sentinel-1的速度图显示，Pistoia市东南部的植物苗圃区域在2003-2010年期间经历了高达30毫米/年的沉降，而在2015-2018年期间，沉降速率有所下降，但Pistoia历史中心区出现了新的沉降现象，沉降速率达到-20毫米/年。
水文模型校准：MOBIDIC水文模型在校准后表现出较高的可靠性，Nash-Sutcliffe效率指数在0.46到0.52之间，表明模型能够较好地模拟Ombrone河的径流过程。
水文地质模型校准：MODFLOW模型在校准后，模拟的水头值与观测值之间的相关系数（R²）从0.745提高到0.987，地面位移的模拟结果与PSI数据的相关系数也从0.640提高到0.9784，表明模型能够较好地模拟地面沉降现象。
未来沉降预测：研究预测，如果保持当前的地下水抽取速率，Pistoia市的历史中心区和植物苗圃区域在2020-2050年期间将继续经历显著的沉降，沉降速率在-5到-30毫米/年之间。如果抽取速率增加，沉降速率将进一步上升；而如果抽取速率减少，沉降现象将显著缓解。
研究结果表明，Pistoia地区的地面沉降主要由地下水抽取和高度可压缩的隔水层共同作用引起。通过数值模拟，研究团队生成了Pistoia市的沉降风险图，为城市规划者和政策制定者提供了重要的参考依据。研究还强调了在由细粒可压缩沉积物组成的冲积含水层中，制定合理的地下水管理政策的重要性，以确保地下淡水资源的可持续利用，并避免相关的负面影响。
该研究不仅为Pistoia地区的地下水管理和地面沉降控制提供了科学依据，还为其他类似地区的地下水抽取引发的地面沉降研究提供了参考。研究结果强调了在气候变化背景下，合理管理地下水资源的重要性，以避免地面沉降对建筑物、基础设施和人类活动的负面影响。