Francesca Cigna 和 Deodato Tapete 发表了一篇题为“Satellite InSAR survey of structurally-controlled land subsidence due to groundwater exploitation in the Aguascalientes Valley, Mexico”的研究论文。这项研究发表于期刊《Remote Sensing of Environment》（Volume 254, 2021，文章编号112254），并于2020年12月31日在线发表。以下是对这一研究的综合学术报告。

背景与研究目的

本研究聚焦于墨西哥中部的阿瓜斯卡连特斯谷地（Aguascalientes Valley）因地下水开采而造成的地面沉降问题。这一地区的沉降多局限于区域地质构造控制的沉积物上，与地下水资源超采密切相关。地下水超采在许多快速发展的城市已成为全球性挑战，不仅会导致地面沉降，还伴随地表断裂、基础设施破坏以及经济损失，而在中央墨西哥，此类问题尤为常见。

阿瓜斯卡连特斯州是墨西哥人口密度最高的地区之一，其首府城市阿瓜斯卡连特斯的人口近年来快速增长。而地下水资源是该地区农业、工业和居民用水的主要来源，历史上的过度开采已导致长期大规模的地面沉降。然而，尽管墨西哥城的地面沉降问题已被广泛研究，阿瓜斯卡连特斯的长期沉降过程及其影响在文献中鲜有涉及。

研究目的是： 1. 利用多年来卫星合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）影像，分析该区域的长期沉降幅值及时间序列变化； 2. 研究地面沉降与区域地质、地下水开采系统的关系； 3. 探索地表断裂形成的风险因素，并设计风险评估矩阵以分析沉降对居民和基础设施的影响； 4. 提供对阿瓜斯卡连特斯谷地沉降过程空间与时间演化更广泛的科学理解。

研究方法与流程

数据采集与处理

研究使用了从1996年到2020年间的多种SAR影像数据，包括ERS-1/2、Envisat Asar 和 Sentinel-1 卫星的C波段数据。这些数据结合多时间段差分合成孔径雷达干涉技术（DInSAR）和小基线集（SBAS）方法进行处理，并与地面监测数据（静态GPS观测和连续GPS监测点数据）进行校准比较。此外，还参考了Seasat卫星的1978年L波段SAR影像来分析城市发展的历史进程。

1. 数据采集：通过不同空间和时间跨度内的影像堆栈，建立用于分析沉降模式的多时序数据集。所用核心影像如下：

   • ERS-1/2（1996–2002），Envisat（2003–2010），Sentinel-1（2014–2020）。
   • 地面基准点则以稳定区域（城市东部非沉降地带）作为参考。

2. SBAS方法：针对多时序SAR影像，采用小基线差分干涉技术进行处理，提取每个像元的沉降时间序列。所有数据处理基于ESA的图像处理平台（GEP）执行，包括噪声过滤、网络优化以及相位解包处理等步骤。

3. 数据分析：

   • 使用多种技术（例如相关性分析与FFT频谱分析）来检测沉降趋势和潜在的周期性变化；
   • 将Sentinel-1的垂直和水平（EW向）变形速率整合，构建三维速率场；
   • 结合地质背景数据对沉降与区域地下水抽取、沉积物厚度的关系进行分析。

研究结果

时空沉降模式

1. 沉降变形速率：在阿瓜斯卡连特斯谷地，地面沉降幅值主要集中于城市的西部和北部区域。研究记录了1996–2020年的长期沉降动态，其中：

   • 1996–2002年，沉降速率最大达每年-14 cm；
   • 2015–2020年，加速度较明显，速率达每年-12 cm，近工业区和新建住宅区沉降尤为显著。

2. 空间分布：沉降发生于构造控制的地层，包括冲积沉积物；而基岩分布区域则保持稳定。沉降区一般沿N-S方向分布，受主要地质断层（如东方断层）的显著控制。

3. 水平变形与断裂：通过Sentinel-1的多时序分析，首次识别了西部区域指向东、东部指向西的水平变形带，水平变形速率达±3 cm/年。这与GPS观测显示的E-W向运动一致，并与地面断裂现象紧密相关。

引发沉降的因素

1. 地下水超采：研究证实沉降与地下水位下降具有高度相关性。地面沉降速率与地下水位下降速率之间的关系表示：每年1米的水位下降约对应3–4.4 cm的地面下沉。

2. 沉积物厚度：压缩性沉积物的厚度（超过400米）在沉降中起关键作用，研究表明沉降速率与沉积物厚度呈正相关。

地表断裂与应变分析

利用DInSAR技术识别地表断裂活动带，并通过计算角变形（Angular Distortion, β）和水平应变（Horizontal Strain, ε）来评估基础设施面临的风险区域： - 断裂活动带的β值一般达到1/500，部分地区如东方断层达到1/250以上； - 水平应变ε显示出地域扩展和压缩特征，ε值超过0.05%的区域尤为值得关注，这表明这些区域的建筑物可能受到更大的拉伸或压缩应力。

风险评估与量化

将风险划分为四级，并结合地理信息系统与居民/房产密度分析，发现： - 在2003–2010年期间，高风险区域占城市面积的2%，影响了约12,000处房产以及39,000人； - 而2015–2020年，风险区域增长至城市面积的6%，涉及了超过25,600处房产和85,200名居民。

研究意义与亮点

这项研究首次在阿瓜斯卡连特斯谷地实施了时间跨度为25年的综合性InSAR监测，它不仅加深了对地面沉降与地下水管理关系的理解，还揭示了未被记录的东西向变形特征，以及沉降对城市基础设施的潜在风险。

科学意义： - 提供了评估区域地质风险的重要数据支持； - 为未来城市规划中的风险规避策略提供了科学指导。

研究亮点： - 首次整合Sentinel-1多时序数据推导出三维变形场； - 提出了结合β和ε参数的新型表面风险评估矩阵，这种方法可推广到其他沉降地区。

该研究为阿瓜斯卡连特斯以及全球类似地区探索解决地面沉降问题提供了示范性案例。