顾畛逵,等. J.Hydrol.Reg.Stud.：InSAR观测与Biot固结模型联合反演透视城市地下水文地质环境

　　在过去的70多年里，由于全球人口持续向城市和城镇化地区集中，城市化率已经从1950年的29%上升到了2025年的58%（~47.6亿人口），我国的城镇化率也从1949年的11%增长到了2025年的68%（~9.54亿人口）。这一过程伴随剧烈物质资源聚集、不透水面积扩展及各种工程活动，涉及土地利用适用性、地上-地下空间开发、地震风险和水资源过度开采等一系列关乎地质安全与经济-社会发展稳定的焦点问题，加之全球气候变化加剧，沿海城市还面临海平面上涨带来的困扰，对城市地质安全风险管理提出了更高要求。

　　地面沉降作为平原和沿海地区的易发灾害类型，具有发育缓慢、易损性问题突出、破坏持久等特点，而我国华北平原作为历史上地下水超采诱发的典型沉降区，内在变形机制复杂，近些年开展了一系列治理措施，而这些措施如何改变城市地面变形趋势、水位恢复过程中的水文过程与地层耦合响应状态如何，以及未来城市地下地质环境如何量化检测（图1），已成为城市地质环境研究亟需解决的关键问题。研究以华北平原中部的沧州市为探测区（图2），在开展PS-InSAR时序变形观测基础上，结合月尺度气候变化、地下水深及地下水储量，通过构建贝叶斯结构方程模型和一维Biot-PINN模型相结合的研究方案（图3），对城区地面变形机制进行了解析（图2）。研究发现至少从2017年以来主城区地面整体平均状态保持鼓起趋势（图4），但也存在局部沉降，沉降区范围有逐渐缩小特点。这一过程中，地下水储量和地下水深对渗透率、孔隙压力和孔隙度等介质状态的控制作用比较明显，而气候因素的直接影响相较于人类活动极为有限。基于本研究所构建的一维Biot-PINN模型模拟发现，在“地下水变化-介质状态调整-地表变形响应”这一多级中介机制链中，近20年来城区地下孔隙压力变化活跃，反演区域时序平均值大约在1.75×10⁵ Pa至2.75×10⁵ Pa之间波动（不确定性范围：1.05×10⁵~ 3.01×10⁵ Pa），渗透率维持在1.0178×10⁻¹⁶ -1.0183×10⁻¹⁶ m²极窄区间内（不确定性范围：1.01736×10⁻¹⁶~1.01987×10⁻¹⁶ m²），区域均孔隙度为0.42（不确定性范围：0.419000~0.42001），引起的应力调整对城市地面变形影响显著（图5）。同期，沧州市城区平均状态呈现为气候的低影响与人类活动主导效应的叠加，并主要通过孔隙压力控制着隆起变化响应。因此，在未来治理策略上宜优先维持地下水水位和孔隙压力场的平稳变化，避免因不均匀调水导致地下水位强烈波动。研究所构建的研究方案可为城市地下水管理、基础设施保护和地质环境安全提供支撑。

　　研究成果发表于地球科学类国际期刊《Journal of Hydrology: Regional Studies》：GU Zhenkui（顾畛逵），WANG Guijie* （王桂杰*）, LOU Junpeng（娄俊鹏）, SUN Yayun （孙亚勇）, 2026. InSAR-Constrained Hydro-Mechanical Inversion for Groundwater-Related Urban Deformation: A Case Study of Cangzhou, North China Plain[J]. Journal of Hydrology: Regional Studies, 68: 109197. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2026.103981（中国科学院2区SCI₂₀₂₅/ JCR Q1，IF₂₀₂₅=5.6）；应用程序下载链接https://github.com/guzhenkui/Inverse-PINN-for-a-1D-vertical-Biot-type-poroelastic-consolidation-model.git。

　　研究工作受河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站开放基金（批准号：CGLOS-2025-09）和国家地质安全监测预警网运维（批准号：DD20251300210）等项目支持。

　　

　　图1InSAR与Biot固结模型联合模式下的水文地质环境监测

　　

　　图2 华北平原及沧州市主城区地层及气候特征

　　 

　　图3研究方案与实施技术框架

　　 

　　图4升/降轨条件下InSAR观测到的地面变形：（a）降轨InSAR观测到的2017-2021年平均速率；（b）升轨InSAR观测到的2020-2025年平均变形速率；（c）降轨InSAR观测到的2017-2021年区域平均累积变形量与速率变化；（d）升轨InSAR观测到的2020-2025年区域平均累积变形量及速率。

　　

　　图5 关于气候-变形响应的贝叶斯结构方程模型特征：（a）模型结构特征；（b）基于贝叶斯结构方程模型的观测值与模拟值对比；（c）平均地下水深；（d）累积降水量；（e）地下水储量；（f）温度变化；（g）气候要素的变形驱动效应。