摘要：在加利福尼亚Coachella河谷，由于水位下降造成的地面沉降已经引起了关注。自上世纪20年代初，地下水就作为河谷中的农业、市政和家庭供水，到40年代末，水位下降了15m。在1949年，该河谷开始引科罗拉多河水，从而减少了地下水抽取量，50年代到70年代地下水位有所恢复。70年代末，河谷的用水需求量超过了引入的水量，抽水量再一次增加，地下水位下降。

对Coachella河谷出现的地面沉降程度和频率了解的不是很多，资料不足，而且精度也不够。同时，这个区域的板块是活动的，在过去几百万年，地面一直在沉降，进一步增加了解译数据的难度。许多相关部门采用不同的方法，以不同的比例尺采集了许多的地面－地表－高程数据，这样，对于1930～1996年间河谷南部-150mm的沉降量的误差在±90mm。采用全球定位系统（GPS）和干涉合成孔径雷达（InSAR）方法确定了1996～1998年的垂直地面沉降的位置、范围和程度。对Coachella河谷的14个位置进行了测量，结果表明，1996～1998年垂直地面变化范围从-13mm～-67mm±40mm，其中的7处，变化超过了±90mm的测量误差，这说明在1996～1998年这些位置出现的地表沉降程度较轻。靠近测量点的一些水位测量结果表明，在这些水井的历史记录中，1996～1998年水位最低。由于历史上水位低造成的应力和测量的地表垂直变化之间的联系，说明在这一阶段已经超过了含水层系统中的预固结应力，因此地面沉降是永久性的。对几个测量点和水井进行比较，说明在Coachella河谷处，短期地下水位变化和地表垂直变化之间的联系并不是很清楚。

1996～1998年的InSAR测量结果说明地表垂直变化范围在-20～-70mm（±5～10mm），出现在Coachella河谷的三个地区，分别在Palm沙漠附近，印度井和Cahuilla湖。Palm沙漠附近和印度井的沉降范围与1996～1998年的实际地下水抽水范围一致。Coachella河谷给水管理局在Cahuilla湖没有修建地下水抽水井，但是可能会有私人抽水井。从这些井中抽水或是板块活动都可能导致地面沉降。

在本文中，GPS采用的大地测量控制网范围从南部的萨尔顿（Salton）海到西北的印第欧市（Indio）。采用InSAR对地图进行处理时，将大地测量控制网中Coachella西部和Cahuilla湖北部，也包括Palm沙漠的部分地区进行叠加，。测量垂直地面变化的两种方法，GPS和InSAR都用于表征从Palm沙漠到Salton海的垂直地面沉降变化。由于InSAR可以在较大范围产生更详细的空间数据，在垂直地面变化没有被识别出之前，一般来说这一技术非常有用。另外，InSAR生成的地图空间分辨率高，是空间分辨率相对较低的GPS测量网的有益补充。

一、概　述

Coachella河谷位于加利福尼亚南部科罗拉多沙漠地区西北。这一河谷是Salton海槽向北的延伸，Salton海槽是加利福尼亚海湾东太平洋隆起转换断层向陆地的延伸。现代加利福尼亚湾和Salton海槽形成于1200万年前，这时俯冲作用停止，开始形成东西向的内陆带、火山活动形成碱性玄武岩、地面沉降形成盆地并开始接受沉积。剪切区域主要由太平洋和北美板块的主要边界组成，经过600万年，将250km的内陆转化为内陆带，开始形成现代加利福尼亚湾和Salton海槽。当Salton海槽敞开时，科罗拉多河三角洲的沉积物对其进行填充。500万年前，科罗拉多河从东部进入海槽，形成三角洲，沉积与沉降速度明显一致（McKibben,1993）。地质历史时期发生的沉降和在本项研究中测量的垂直地面沉降之间的联系是未知数。

自上世纪20年代以来，地下水就是Coachella河谷农业、市政和家庭供水的主要水源。抽取地下水造成了地下水位下降，在20年代初到1949年间，最大下降量达到了15m。在1949年，通过美国运河的Coachella支线，将科罗拉多河水引入到Coachella河谷地势较低处。随着引入地表水源，在该地减少了地下水开采量，从50年代到70年代，河谷中一些水井的水位恢复了15m。然而，自70年代末，在Coachella河谷，用水量超过了地表水引水量，地下水开采量再一次增加，从而地下水位再次下降。自70年代末该区许多水井水位下降量超过了15m（其中一些大于30m），1998年水位下降量超过了历史记录。

水位下降可能会影响或造成地面沉降，造成主要由细粒（粉土或粘土）组成的松散沉积物含水层系统压实。Ikehara等人（1997）报导了在1930～1996年间，在Coachella河谷南部测量的垂直地面变化在-150mm±90mm之间。地面沉降会影响地表排水，减小含水层贮水量，造成地裂缝，破坏水井、建筑物、道路和基础设施。尽管在Ikehara等人（1997）的报导之前，对Coachella河谷南部的地面沉降没有很好的记录，但是1948年在Cahuilla湖以北3km观测到一很大地裂缝，反映早期地下水位下降（上世纪20年代至1949年）已经造成了地面沉降。在美国西部的许多其它地下水盆地，已经证实存在与地面沉降有关的地裂缝。

Coachella河谷给水管理区（CVWD）负责管理该河谷大部分地区的供水。作为水管理策略的一部分，CVWD计划通过监测地表变化来确定是否会发生地面沉降以及会在何处发生地面沉降。在1996年，CVWD与美国地质调查局（USGS）进行合作，建立了大地测量网来监测Coachella河谷的地面沉降。

Ikehara等人（1997）记录了监测网的发展过程，通过比较1996年的GPS调查测量结果与历史水平，确定地面沉降发生的可能性、位置和程度。监测网中1996年和早期的测量结果的垂直地面变化不超过-150mm（Ikehara等,1997）。由于以前的水平测量是在不同时期进行的，而且是由不同机构完成的，另外，方法采用的精度标准不同，测量网的比例尺也不同，因此不确定性范围（±90mm）较大。在进行进一步的GPS调查时，如果按照Zilkoski和Frakes（1996）用GPS调查确定垂直坐标的严格程序，计算垂直地面变化时测量的不确定性可能会只有±20mm。

二、研究目的和研究范围

本文总结了1996和1998年GPS调查的监测网中收集的数据，以及1996～1998年间地下水位变化和GPS测量的数据，同时也采用InSAR编制了地面垂直空间变化详图，图中包括Palm沙漠和Coachella地区。对于InSAR显示有地面变化的地区，用地下水抽水量来确定地面变化是否与抽水有关。

Coachella河谷长105km，呈北西向延伸至加利福尼亚的东南部。河谷面积约为1040km²（加利福尼亚水资源部，1964），包括帕姆斯普林、Palm沙漠、印第欧市和Coachella。河谷西部边界是San Jacinto和圣罗莎山脉，北部边界是圣贝纳迪诺和小圣贝纳迪诺山脉，东边是Cottonwood山脉和麦加山（Mecca），南边是萨尔顿海。本文仅对Coachella河谷，即从萨尔顿海到Palm沙漠的区域，进行了垂直地面变化测量。主要是Whitewater河向Coachella河谷排水，Whitewater河流经Whitewater Stomwater运河，最终汇入到萨尔顿海。地面高程变化很大，在周围的山脉最高处高出海平面3050m，在萨尔顿海低于海平面70m。

Coachella河谷底部干旱，年平均降水量从河谷底部的80mm到河谷西北部山脊的760mm(加利福尼亚水资源部，1964)。在河谷底部夏季气温为49℃，在周围的山脉冬季气温低于0℃。

Coachella河谷有3700m厚的沉积物，上层是610m的含水沉积物(加利福尼亚水资源部，1979)。在本文中，将含水沉积物作为含水层系统，由松散沉积物和部分固结的冲积、湖积砾石、砂、粉土和粘土组成。河谷南部比北部沉积物的细粒(粘土和粉土)含量要高，这主要是由于距山脉远，搬运距离长，以及许多物质来源于古卡惠拉湖的湖相沉积所致。在Coachella河谷，含水层系统由印第欧市东南近地面的半滞水层、上层含水层、隔水层和下层含水层组成(加利福尼亚水资源部，1964，1979)。

在Coachella河谷，下层含水层产水量最大，含水层由松散和部分固结的粉砂、砾石和互层的粉砂和粘土组成，其顶部大约在地面下91～183m处。数据表明下层含水层的厚度至少为152m，而且最大可达到610m的厚度。这一含水层上覆有30～60m厚的隔水层。上部含水层上覆于隔水层，与下部含水层有相似的岩性，但是只有45～91m厚。近地面的半滞水层由粉土、粘土和细砂组成，厚度为0～30m，一般来说可以有效地防止地表水向下渗漏(加利福尼亚水资源部，1964，1979)。

Coachella河谷的地质结构对地下水的存在和变化有显著影响。Coachella河谷的主要地质结构是断层和伴随褶皱。最著名的断层是呈北西向的圣安德列斯断层，位于河谷东翼。尽管圣安德列斯断层带的运动主要是右旋的，在西南处仍有垂直向下的沉降活动(加利福尼亚水资源部，1964)。

三、抽水诱发地面沉降机制

河谷中发生地面沉降的含水层，部分是由细粒沉积物组成，地下水被过度开采。含水层中的粒状构架和充满粒间孔隙的地下水流体压力组成了沉积含水层的孔隙结构(Meinzer,1928)。在抽取地下水时，孔隙流体压力减小，区域地下水位下降，从而致使由粒状主要构架承受上覆沉积物的重量。流体压力的减小增加了构架的粒间荷载，或有效应力。随有效应力的变化，构架开始变形（有效应力增加，粒状构架被压缩；有效应力减小，粒状构架膨胀恢复）。垂直变形有时会造成含水层的不可逆压实和地面沉降。细粒沉积物(如粉土和粘土)比粗粒沉积物(如砂和砾石)组成的含水层系统构架更易被压实。

如果构架上受到的应力小于历史最大有效应力，含水层变形是弹性的。含水层系统受到的历史最大有效应力(有时是地下水位最低所至)称为“预固结应力”。如果构架上受到的应力大于预固结应力，细粒沉积物的孔隙结构(颗粒结构)会向更稳定的结构进行重新排列，这样会导致孔隙体积不可恢复的减小，从而造成含水层系统的非弹性(不可逆性)压实。此外，应力作用大于预固结应力时发生的变形程度是应力作用小于预固结应力时发生的变形程度的20～100倍（Riley,1998）。

对于细粒沉积物厚度相似的含水层来说，总压缩中一个显著部分是残余压缩（出现在水头与周围含水层中水头相同的承压含水层）。根据承压含水层的垂直水力扩散，压力平衡－导致压缩－压力滞后或者提前，在相邻含水层中会出现压缩。承压含水层的时间常量是很长的一段时间，要求达到最终压缩量的93%的时间段（Riley，1969）。时间常量与排水途径的长度成正比，与水力扩散性（垂直水力传导性与单位偖水量的比率）成反比（Riley,1969；Ireland等，1984）。最终压缩量是如果达到平衡时，水头下降到一定程度造成的总压缩量。例如，在加利福尼亚圣华金河谷的冲积盆地，时间常量的范围在5～1350年，平均159年；在该盆地的沉降量大于-8.5m。Poland（1984）对于含水层系统压缩量进行了更完整的说明，Galloway等（1999）对美国含水层系统压缩造成的地面沉降进行了回顾和研究。

四、全球定位系统（GPS）调查

（一）GPS方法

GPS是美国国防部基于卫星的导航系统，具有在全球进行定位和导航的能力。GPS调查从卫星和地面参照系统获得数据，进而可以精确地确定大地测量点的位置和椭球体高度。1996年，USGS（美国地质调查局）在Coachella河谷建起了地面沉降监测网，来确定地面高程的变化情况（Ikehara等，1997），而且为与将来的监测结果进行比较建立了基准值。

1．地面沉降监测网

地面沉降监测网包括作为GPS站的大地测量标志物，标志物固定在地面或建筑物上，可以重复利用来精确测量水平或垂直变化。在1996的研究中，对Coachella河谷标志物的历史数据进行汇编和评价，以便确定这些标志物的地理位置和控制垂直变化数据的质量。这些数据来自国家大地测量局（NGS，前美国海洋和大地测量局），加利福尼亚交通部和Coachella河谷给水管理区等（Ikehara等，1997）。在开始进行研究前，先察看了大地测量标志物，以确定它们是否受到了破坏并重新评价它们是否适合进行GPS监测。

在Coachella河谷，最早于1996年建立起地面沉降监测网，共有17个标志物。由于其中的两个标志物D12T和C143被破坏，于1998年对监测网进行了修改。在D12T和C143附近增加了另外两个标志物G70和C132。标志物的间距满足Zilkoski和Frakes（1996）的设计标准，该标准要求监测网点间距离不得大于10km。

2．确定椭球体高度

通过大地测量标志物进行GPS测量，来确定水平位置和椭球体高度。椭球体高度是相对于大地参考系统的垂直坐标，在研究区与地球形状相似的椭球体是NAD83。为确定椭球体高度变化，对连续GPS调查的高度进行比较，根据椭球体高度的差异来确定垂直地面变化的位置和程度。对于本项研究，通过比较大地测量标志物的椭球体高度，计算了1996年和1998年GPS调查的垂直地面变化情况。Ikehara等在1997年出版的书中介绍了1996年的GPS调查方法和根据GPS确定的椭球体高度数据。然而，由于GPS数据处理软件和方法的改进，本文对这些数据进行了重新处理，重新确定了椭球体的高度。在进行重新计算时，将1996～1998年垂直地面变化的误差最小化，重新计算结果对Ikehara等报导的计算历史沉降量影响不大。

（1）1996年GPS调查

在1996年6月3～14日，采用6个双频半波长移植码接收器和阻塞环天线，在17个大地测量标志物进行GPS测量，来确定水平位置和椭球体高度(Ikehara等，1997)。GPS调查结果与Zilkoski和Frakes（1996）的“获取GPS椭球体高度导则”基本一致，但有两处有所差异。第一处差异是在现场测量的持续时间是“导则”规定的三倍，因而采用半波长接收器而非全波长GPS接收器来进行校正。至少在不同的两天对17个大地测量标志物进行GPS测量，而且每个观测周期内，每2.5～3小时要对数据进行采集（Ikehara等，1997）。17个标志物中的6个点也是监测网控制点，在接下来的3天对6个控制点进行GPS测量，在每个观测周期内每隔6小时都要进行数据采集。与“导则”的另一处差异是采用单基线而非多基线处理软件进行后处理，目前尚无对采用单基线而非多基线处理软件影响的客观评价（Craymer和Beck，1992）。用于基线和相关定位计算的软件是GPSurvey2.30版。

确定监测网中17个标志物的椭球体高度，需要测量两个阶段的相对位置。在第一个阶段，通过GPS测量确定6个控制点（C101，CAHU，COCH，PAIN，D12T和DUNE）的水平坐标和椭球体高度，这个测量还包括在加利福尼亚南部的3个连续操作参考点（DHLG，PIN1和CRFP），另外采用了精确的卫星轨道数据和由NGS提供的连续准确操作参考点（CORS）坐标。连续记录（以30秒的间隔）操作参考点（CORS）的GPS观测结果，并且进行存档。根据地理位置选择网络控制标志物，主要分布在监测网的周边。在第二个阶段，将Coachella河谷的6个网络控制标志物的位置作为已知点和固定点，来确定其它11个标志物的位置和椭球体高度，根据重复测量的垂直差异给定椭球体高度的不确定度水平，在95%的置信区间内的不定确定水平是±40mm。在95%的置信水平，期望95%的重复测量结果在40mm以内。

（2）1998年GPS调查

在1998年10月5～9日，在17个标志物采用5个双频全波长移植码GPS接收器和阻塞环天线进行了GPS测量，来确定水平位置和椭球体高度。GPS测量结果与Zilkoski和Frakes（1996）的第4版“获取GPS椭球体高度导则”基本一致。要至少在不同的两天，对17个大地测量标志物进行GPS测量，在每个观测周期对45分钟的数据进行记录。在1998年的GPS调查中，选择17个标志物中的5个作为网络控制点，在另外3天对这5个控制点进行GPS测量，在每个观测周期对至少4.5小时的数据进行记录。与“导则”规定的唯一的差别是采用单基线而非多基线，用处理软件进行后处理。处理基线和计算相对位置的软件是GPSurvey2.30版。

确定监测网中17个标志物的椭球体高度，需要两个阶段的相对位置。在第一个阶段，通过对GPS测量结果进行处理，确定Coachella河谷5个网络控制标志物（C101，CAHU，COCH，PAIN和G70）的水平坐标和椭球体高度，同时也对在加利福尼亚的3个连续操作参考点（DHLG，PIN1和WIDC）进行测量，另外还采用了精确的卫星轨道数据和由NGS提供的准确操作参考点坐标。连续记录（以30秒的间隔）操作参考点的GPS观测结果，并且进行存档。由于1996年GPS调查中采用的一个控制标志物（D12T）受到破坏，将附近的G70作为网络中的一个标志物。由于在DUNE邻近的COCH和CAHU可以对该地区的测量进行有效控制，所以在1998年的GPS调查中没有把DUNE作为控制点。在第二个阶段，将Coachella河谷的5个网络控制标志物的位置作为已知固定点，来确定其它12个标志物的位置和椭球体高度，在95%的置信区间内椭球体高度的不确定水平是±20mm。

（二）GPS调查结果

重新计算GPS网络中的标志物椭球体高度，这是对1996年GPS数据的重新处理，与1998年监测网中的标志物椭球体高度进行比较，来确定Coachella河谷的垂直地面变化位置和程度。由于在1996～1998年有两个标志物（D12T和C143）受到破坏，而且在1996年标志物C427采集的数据质量不高（两次重复测量差异很大），1996年GPS调查的17个标志物中，只有14个适合与1998年的GPS调查的标志物椭球体高度进行比较。两个新标志物（C132和G70）的椭球体高度将作为将来GPS调查的基线标准。

在14个标志物中，1996～1998年的垂直地面变化计算结果范围在-13～-67mm±40mm。7个标志物（R70R，5211，54JA，CAHU，S753，K572和C101）的椭球体高度变化超过了±40mm的测量误差，说明在1996～1998年间，在这些标志物发生了地面沉降。另外7个标志物（DUNE，COCH，PAIN，JOHN，K70，P572和SWC）的的椭球体高度变化没有超过±40mm的测量误差，说明这些地区在1996～1998年间相对稳定。总的来说，在监测网南部和最北部比在中部地区的沉降程度要小。

7个椭球体高度大于测量误差的标志物说明沉降范围在-44～-67mm±40mm之间。在1996年前，标志物K572的沉降量是-120mm；然而，测量误差为±90mm时，对于标志物5211和S753，垂直变化量为-90mm，对于R70R，变化量为-60mm。没有标志物54JA的历史记录，不能确定1996年前该标志物的沉降量。由于GPS处理程序的原因，Ikehara等没有给出1996年前标志物CAHU的垂直变化记录。

其余7个标志物的椭球体高度差异说明垂直变化范围在-13～-39mm±40mm之间，所有这些测量结果都在测量精度内。在1996年前，标志物K70和P572的沉降量是-150mm（Ikehara等，1997）。然而，在±90mm的测量误差内，标志物DUNE和JOHN的垂直变化量是-90mm，SWC的变化量是-30mm。由于GPS处理程序的原因，Ikehara等没有给出1996年前标志物COCH和PAIN的垂直变化记录。

（三）地下水位变化和含水层系统变形

对椭球体高度变化等于或大于GPS测量误差的标志物数据与标志物附近井中的水位变化情况进行比较，由于没有获得CAHU附近水井的水位资料，在比较中不考虑该标志物。比较结果表明在1996～1998年，Coachella河谷地下水位变化和地面沉降之间的相关性不是很明显；含水层系统受到压力而非由于地下水位波动（如构造应力）可能才是造成垂直地面变化的原因。在本文中，通过比较地下水位变化，分析了1996～1998年预固结应力和有效主应力之间的联系。

如前所述，抽水诱发的地面沉降可能是弹性的（可以恢复），也可能是非弹性的（永久性的），这与有效应力是否大于或小于预固结应力有关。由于在Coachella河谷进行的1998年GPS调查，是在抽水旺季的末期进行的，水位可能接近全年最低的时候，这样季节性地面沉降量可能达到最大。如果在GPS调查时有效应力小于预固结应力（即如果地下水位高于历史最低水平），当地下水位上升时，出现的一些地面沉降是可以恢复的。相反，如果有效应力大于预固结应力，大多数地面沉降是永久性的，即使水位上升，这些地面沉降也不可恢复。由于垂直地面变化和水位变化数据有限，不能确定1996～1998年出现的弹性变形量。与1996年的研究一致，本文与Ikehara等（1997）采用的是相同的水井。

在区域范围，地下水位下降主要发生在大地测量网的北部和西部，可恢复的水位主要是在东部。将1998年的水位变化资料与历史资料相比，结果表明许多水井水位处于历史最低。

在标志物5211测得有一些垂直地面变化，为-44mm±40mm；然而，对5211附近的3口水井资料分析，结果表明1996～1998年水井6S/8E-2D1和12Q1平均水位在上升，水井6S/8E-2F1的平均水位在下降。1996、1997和1998年6S/8E-2F1的年平均水位低于任何以前的观测水位。如果标志物5211的垂直变化与含水层系统的水位变化有关，那么6S/8E-2F1（上下两层含水层都加了隔板）比6S/8E-2D1和12Q1（在上层含水层加了隔板）的水位下降对含水层的变形影响更大。

标志物S753和54JA的地面沉降量分别为-50mm和-64mm，然而这两个标志物附近的水井资料表明，在1996～1998年间水井6S/8E-27C1的年平均水位在上升，水井6S/8E-19D1和6S/7E-23D3的年平均水位在下降。1996、1997和1998年6S/8E-19D1的年平均水位，以及1997和1998年6S/7E-23D3的年平均水位低于任何以前的观测水位。如果标志物S753和54JA的地面沉降与含水层系统的地下水位变化有关，那么水井6S/8E-19D1（在下层含水层加了隔板）和水井6S/7E-23D3（在上层含水层加了隔板），比水井6S/8E-27C1（在两层含水层都加了隔板）的水位变化对含水层的变形影响更大。

在标志物R70R也测得了地面沉降，为-67mm；标志物K572也测得了较小的垂直地面变化，-44mm±40mm。在1996～1998年间，标志物R70R附近水井6S/8E-5R2（在上层含水层加了隔板）的年平均水位略有上升。与此类似，在1996～1998年间，标志物K572附近水井7S/9E-7H2（在上层含水层加了隔板）的年平均水位也有所上升。水位上升说明在这些标志物处测得的地面沉降量与同时发生的水位变化无关，但有可能是残余压缩（以前水位下降的影响造成的压缩）造成的。在1965～1995年间，水井7S/9E-7H2水位下降了23m，但是水井6S/8E-5R2的水位相对比较稳定。在标志物K572或R70R附近的较低含水层水位资料不能用来解释观测到的地面沉降现象。

在标志物C101测得-56mm的沉降量，该标志物附近的3口水井（7S/8E-20H1,22K1和28G1）的水位资料表明在1996～1998年水位有所下降。1996、1997和1998年水井7S/8E-20H1和28G1（在上层含水层加了隔板）的水位比以往任何时候测得的水位都低；而水井7S/8E-22K1（在上下两层含水层都加了隔板）的水位在1996年前比较低。这些数据说明含水层系统的水位下降可能是造成该区地面沉降的原因。

根据以上讨论，显然在Coachella河谷，1996～1998年间的地下水位变化与地面沉降之间的联系不明显。某些标志物，例如C101，GPS测量结果指出存在地面沉降，附近水井资料也表明存在水位下降（尽管水位下降程度与历史记录相比很小）。其余的标志物，如S753和54JA，GPS测量结果指出存在地面沉降，附近水井资料表明同一测量时期，有些水井水位有所上升，另一些水井水位有所下降。标志物DUNE的垂直变化程度很小，可以忽略不计，该标志物附近的水井5S/7E-9F1表明1998年的水位低于历史最低水位，而K70和SWC标志物（也是1996～1998年的固定标志物）附近的水井7S/9E-23N1和7S/9E-30M1的水位得到了恢复。假定水位与垂直地面变化有关，以上研究结果说明，一些厚层沉积物比另一些沉积物的水位变化对含水层系统结构的影响要大。另外，承压含水层由于水头变化造成的变形滞后可能会使水位和垂直地面变化之间联系模糊不清。由于基本上是在几百英尺深修建水井来获得最大水量，需要的是反映巨厚层沉积物的水位测量数值，而不是反映用来区别沉积物层段水位的测量数值，需要用根据深度或含水层的监测井数据来更好地确定水位变化和地面沉降之间的联系。

由于在垂直地面变化和地下水位变化之间存在不同的联系，需要考虑其它一些造成垂直地面变化的因素。地质史上的沉积物固结和（或）板块运动（Coachella河谷的Salton海槽沉降或沿一个或多个断层的其它活动）可能也是造成地面沉降的原因，也可能由于水位波动或其它活动加速含水层系统变形（压缩或扩张）。

上文提到地下水位下降不会立即造成承压含水层压实。残余压缩是整个含水层压缩中的重要组成部分，特别是如果粉砂和粘土沉积层较厚时，残余压缩可能会在地下水位停止下降几十年甚至几百年后才出现（Riley，1998）。在Coachella河谷，对3个以上水井进行地球物理测井，结果表明河谷中存在厚层粉砂和粘土沉积物（Ikehara等，1997），因此残余压缩可能是1996～1998年地面沉降的原因之一，如在标志物R70R测得了地面沉降，但在其附近水井的地下水位变化程度非常小。

五、干涉合成孔径雷达（InSAR）

（一）InSAR方法

InSAR是在不同的时期测量地面变形的强大工具，主要是根据反射雷达信号的差异。这一技术已经广泛用于调查地震（Massonnet等，1993）、火山（Massonnet等，1995）和地面沉降（Massonnet等，1997；Fielding等，1998；Galloway等，1998；Amelung等，1999；Hoffmann等，2001）造成的地面变形。在本项研究中，根据欧洲地球遥感（ERS）卫星获得了Coachella河谷部分地区的合成孔径雷达（SAR）图（127轨道，2925帧），据此发展了四种差分干涉测量图。采用三回程（三次通过）方法（Zebker等，1994），将具有相近几何图像（轨道垂直基线等于43m）的两幅SAR图进行合并，形成一幅“变化的”干涉图，时间基线为876天，从1996年5月7日到1998年9月30日。另外，将三组SAR图合并成三幅变化的干涉图，时间基线分别为5,2和3个月，分别在1995，1997和1998年夏季。将三幅干涉图合并（层叠）成一幅变化的干涉图，表示10个夏季月份的时间不连续数据。

变化干涉图中的振幅表示了雷达反射散射的强度，并说明了地面特征，如山脉、公路、沟渠和工程建筑等。变化干涉图的相组成包含了雷达提供的相干位移信息和地形信息。根据1996年5月7日获得的1天干涉图和1996年5月8日获得的第三幅图，去掉了地形因素对地面变形的影响；然而，对于较陡的地形，不能排除地形的影响。

对于装有或多或少稳定雷达反射器的地表（如建筑物或其它工程建筑，或未受扰动的岩石和地面），反射器可以测得由于含水层系统变形造成的较准确位置变化或位移（±5～10mm）（Galloway等，1998；2000）。在干涉图中根据每一点的相变化计算位移量，相变化是通过对同一地区不同时间的两个雷达扫描相减获得的（Galloway等，2000）。

由于雷达回波与脉冲距离成比例，两幅SAR图间的任何地面变化都会造成相差。雷达信号的传送滞后（如由于大气层中的水蒸气变化）也会造成相差（Zebker等，1997）。大气人为因素对于变化干涉图影响不明显。因此，相干相差主要反映地面位移（假定是垂直变化）。在相位图像中，根据彩色边纹可以确定相干位移区（如地面沉降区），彩色边纹越多，地面变化量也就越大，如每一次色彩循环，如蓝－蓝，表明在此范围内有28mm的变化。根据向多边形中心的色阶边纹来确定变化方向（沉降或抬升）。

没有安装固定雷达反射器的地面，如在农业区，采用InSAR不能获得相对长时间段的精确测量结果。相位图像不能显示确定位置形状的彩色边纹。然而，相反色彩会表现为不相干的斑点图。然而，根据较短时间基线获得的图像，由于在较短时间内几乎不受地下水干扰，常常会增加图像的相干性。

（二）InSAR方法调查结果

在1996年5月7日到1998年9月30日，以及1995、1997和1998年10个夏季月获得的Coachella河谷InSAR图，表明至少有三个地区的相干信号显示存在地面沉降。三个信号分别位于Palm沙漠区、Indian水井区和Cahuilla湖附近地区。在以下讨论中，根据1996～1998年的干涉图而非10个夏季月的不连续数据干涉图获得地面沉降程度和范围。

地形变化程度最大，最明显的地面沉降信号位于Palm沙漠西北地区。信号的北部边界在Country Club Drive，南部边界在Fred Waring Drive，西部边界是111高速公路、圣哈辛托和圣罗莎山脉，东部边界是Portola。圣哈辛托和圣罗莎山脉（固结岩石）是地面沉降向西南进一步发展的屏障，但是不能解释地面沉降向北和东方发展。信号在西北方向约4km，在东北方向约3.2km，面积约13km²。根据沉降程度和形状，可以将信号分为两部分。较大的信号部分（从信号边缘到中心沉降量约为-70mm）位于整个信号的西南，呈环形分布，直径约为1.6km。环形信号的北东方向相对较大（展布范围），而且信号也不规则，表明最大沉降量为-30mm。10个夏季月的干涉图也说明了这一沉降信号。

前述的沉降信号区与地下水利用范围相符。在1.6km的沉降信号区内，约有70口水井，在1996～1998年抽取了170000英亩英尺（1英亩-英尺=43560立方英尺=1233.48立方米）的地下水（Steve Robbins，Coachella河谷给水管理区，2000）。地面沉降区与地下水抽水区一致说明在地面沉降和地下水抽水之间存在着一定联系。

第二个地面沉降区在上述沉降信号区东－东南方向5km，该区有两个明显的沉降盆，被一个高尔夫场地分开，西边沉降盆的北部边界是111高速公路，南部边界是圣哈辛托和圣罗莎山脉，西部边界是高尔夫球场地，东部边界是Manitou Drive。如前所述，圣哈辛托和圣罗莎山脉是沉降盆向南部进一步延伸的屏障，但是不能解释地面沉降向北部、西部和东部延伸受何种因素控制。两个沉降盆大致相等（约为0.5km²），沉降信号最大范围约为-40mm。沉降盆向西有一强相干的信号，基本上是同心的，向西北略有伸长。沉降盆向东也有相干信号，但是不象向西的信号基本上同心，说明了沿东西向伸长。10个夏季月的干涉图也说明了这一沉降信号。

沉降盆出现区域与地下水利用程度高的区域基本上一致。在1.6km的沉降信号范围内，约有20口水井，在1996～1998年抽取了50000英亩英尺的地下水（Steve Robbins，Coachella河谷给水管理区，2000）。地面沉降区与地下水抽水区一致说明在地面沉降和地下水抽水之间存在着一定联系。

第三个沉降区在Cahuilla湖东南约1.6km。沉降信号在东北方向伸长，面积约0.5km²，最大沉降量为-20mm。1996年5月7日到1998年9月30日的干涉图信号是相干的，而且在空间上与表明地面沉降的信号一致，10个夏季月的干涉图说明这一信号可能会向北延伸。CVWD报导在沉降信号附近地区没有CVWD抽水井（Steve Robbins，Coachella河谷给水管理区，2000）。现场调查表明这一地区荒芜，周围是果园。在这一地区附近可能有非CVWD水井，但是它们的位置和产水量不确定。在以后进一步的调查中，需要确定造成这些沉降信号的原因。

10个夏季月的干涉图说明Coachella河谷的其它地区可能会出现地面沉降，总的来说，这些地区沉降面积较小，沉降量也较小。采用干涉图进行进一步的调查需要加入其它的沉降区。

六、将来的监测

应当对Coachella河谷进行连续监测，由于在某些地区地下水位持续下降，因此通过本项研究获得的抽水诱发地面沉降范围可能会增加。由于测得的1996～1998年垂直地面变化量与期望的GPS测量误差相比较小，可以降低进一步的GPS调查频率，即不再是两年。3～5年的GPS调查间隔，对于监测标志物垂直变化明显大于预期GPS测量误差的情况可能更合适。然而，对于空间详细的InSAR图（根据数据的有效性），要用手动处理。可以监测地表微小的垂直变化（±5mm），而且进行了存档（Hoffmann等，2001）。在评价垂直变形的弹性组成时，采用一年内不同时间段的多幅InSAR图处理效果会更好。在将来的调查研究中，可以修改GPS网络，将以前未指出的垂直地面变化区包括在内。采用更详细和分辨率更高的GPS测量，根据将来修改后的GPS网络监测数据和InSAR图获得的信息，可以更好地提供地面的真实情况。

七、总  结

在Coachella河谷，自上世纪20年代以来，地下水就是农业、市政和家庭供水的主要来源。从20年代到1949年，河谷的地下水位持续下降，于1949年开始引入地表水。引入地表水减少了抽水量，而且在某些地区地下水位得到了恢复。在70年代，河谷的用水需求超过了引入的地表水量，地下水位再一次下降。地下水位下降会诱发新的地面沉降。美国地质调查局以前的研究结果表明，在1930～1996年，河谷的南部地区地面沉降量达到了-150mm。

采用GPS和InSAR技术确定了1996～1998年间垂直地面变化的位置、范围和程度。在Coachella河谷进行了GPS调查，在Palm沙漠地区和Coachella河谷采用了InSAR技术。一般来说，在先前不能确定垂直地面变化的地区，InSAR技术非常有用。

GPS调查结果说明了在1996～1998年Coachella河谷的某些地区产生了地面沉降。在Coachella河谷GPS网络中的14个标志物中，进行了GPS测量，两年的监测结果表明，垂直地面变化范围在-13～-67mm±40mm。其中7个标志物的垂直地面变化大于测量误差±40mm，说明在1996～1998年这些标志物的地面沉降量较小。这些标志物附近的水井中，1996～1998年水位处于历史最低水位。尽管沉降量很小，但是地面沉降和在许多水井中测量的低水位之间的联系，说明在这一阶段超过了含水层系统的预固结应力，在这些区压缩性是永久性的。在某些地区，观测的地面沉降可能是由于残余压缩（由于以前的水位降低产生的压缩现象）造成的。1996～1998年地下水位变化和垂直地面变化之间的联系尚不清楚，需要有根据深度或根据含水层的监测井获得的数据来更好地定义这一联系。

采用InSAR技术发展而来的干涉图，表明了1996～1998年间，在Coachella河谷至少有三个地区发生了地面沉降，范围在-20～-70mm±5～10mm。这三个地区分别是Palm沙漠附近、India水井区和Cahuilla湖。沉降量最大的地区在Palm沙漠附近和India水井区。这两个地区的用水量都相当大，在1996～1998年建了许多抽水井。Cahuilla湖附近的地面沉降似乎与CVWD地下水抽水量无关，进一步的研究需要确定造成这一沉降的原因。