Супутники й волоконна оптика відстежують просідання ґрунту

Чому важко виміряти «повільну катастрофу»

Просідання землі через відкачування підземних вод — один із найпоширеніших георизиків, пов’язаних із їхнім надмірним використанням. Воно проявляється у вигляді широких, нерівномірних «корит» просідання, що несуть серйозні економічні й соціальні наслідки.

Класичні інструменти моніторингу — нівелювання та GPS-приймачі — дають дуже точні, але точкові вимірювання. Така «рідка» мережа спостережень майже не дозволяє оцінити повний регіональний масштаб просідання та зрозуміти, які саме підземні шари стискаються.

Дистанційне зондування за допомогою інтерферометричного радару з синтезованою апертурою (InSAR) може картувати деформації поверхні на величезних площах і за будь-якої погоди. Проте сам по собі InSAR мало говорить про те, що відбувається на сотнях метрів у глибину, у складній системі водоносних горизонтів (аквіферів) та слабкопроникних шарів-екранів (аквітардів).

Три кроки: від орбіти до окремого шару ґрунту

Нову рамку розробили Хунвей Сан (Hongwei Sang), Ке Фан (Ke Fang), Цімень Лю (Qimeng Liu), Лян Юань (Liang Yuan) і Бінь Ши (Bin Shi). Вона складається з трьох послідовних етапів, кожен з яких охоплює свій масштаб.

• По-перше, команда застосувала метод Persistent Scatterer InSAR (PS-InSAR), щоб побудувати детальні регіональні карти деформацій поверхні.
• По-друге, дослідники оцінили, як у часі пов’язані супутникові деформації та регіональні зміни наземних водних запасів (terrestrial water storage, TWS), використавши кореляційний аналіз Пірсона. Так вони позначили ділянки, де просідання тісно пов’язане з гідрологічними коливаннями.
• По-третє, вони звернулися до розподілених волоконно-оптичних вимірювань (distributed fiber optic sensing, DFOS) у свердловині, щоб визначити конкретні стисливі шари на глибині, які дають основний внесок у деформацію.

Разом ці кроки утворюють безперервний «ланцюг доказів» — від карт просідання на регіональному рівні до окремих геологічних прошарків у надрах.

Що показав супутниковий радар

Для супутникової частини дослідження команда обробила 171 радарне зображення Sentinel‑1A за період з січня 2017 по грудень 2022 року. Радар у C-діапазоні повертається над регіоном кожні 12 днів, а спеціальний ланцюжок обробки SNAP–ISCE–StaMPS дав змогу отримати швидкості деформації вздовж напрямку «сенсор–поверхня» приблизно в півмільйона точок.

Автори застосували низку виправлень: уточнення орбіти, вилучення топографічної фази за допомогою цифрової моделі висот SRTM з роздільною здатністю 30 м, тривимірне розгортання фази та атмосферну корекцію через сервіс GACOS, який використовує детальні метеодані для усунення впливу атмосфери.

Оскільки досліджувана територія — надзвичайно пласка алювіальна рівнина із середньою висотою менше ніж 6 м, ці лінійні зміщення можна вважати наближеним показником вертикального просідання.

Супутникові карти виявили характерну картину: швидкості зміщень коливалися від −22 мм/рік (рух від супутника) до +10 мм/рік. Найпомітніші аномалії деформації зосередилися в центральній частині регіону — там, де попередні роботи вже фіксували зони просідання.

Як змінилася «поведінка» води та ґрунту

Щоб зрозуміти причини, дослідники використали дані про наземні водні запаси TWS із продукту GLDAS V2.2 CLSM, отримані через платформу Google Earth Engine з просторовою роздільною здатністю близько 25 км і добовим кроком.

TWS включає підземні води, ґрунтову вологу, поверхневі води, сніг, лід, затримання води кронами дерев і вологу біомасу. Тому цей показник слугує регіональним індикатором загального стану водних запасів, зокрема змін підземних вод.

Кореляційний аналіз виявив разючу зміну гідромеханічної поведінки. У 2017 році ділянки з коефіцієнтом кореляції Пірсона від 0,4 до 1,0 (поріг помірної та сильної відповідності, прийнятий авторами) концентрувалися в центрі області — там, де швидкості просідання були найбільшими.

Для двох репрезентативних точок InSAR, P1 і P2, кореляція у 2017 році сягала 0,958 та 0,811 відповідно. Це означає майже синхронну зміну: з падінням запасів води наростало просідання, коли відкачування підземних вод ще домінувало в системі. У 2018–2019 роках позитивні кореляції зберігалися, хоч і послаблювалися.

Після 2020 року ситуація різко змінилася. Просторовий розподіл коефіцієнтів кореляції зсунувся до менших і навіть від’ємних значень. Частка InSAR-пікселів із кореляцією понад 0,4 впала з 16,9 % у 2017 році до 4,3; 9,1 і 7,1 % у 2020–2022 роках.

Регіональні водні запаси TWS почали зростати — це відображає поступове відновлення води після запровадження обмежень на відкачування ґрунтових вод. Однак просідання поверхні тривало практично незалежно від цього.

Пояснення дає теорія консолідації Терцагі. Коли рівень підземних вод відновлюється, тиск порової води в проникному замкненому аквіфері зростає швидко, тоді як навколишні слабкопроникні аквітарди розряджають надлишковий поровий тиск набагато повільніше. Консолідація цих стисливих шарів продовжується ще довго після зміни гідрологічного режиму, створюючи часовий лаг між відновленням запасів води та уповільненням просідання. Надра, по суті, «зберігають пам’ять» про періоди надмірної відкачки.

Волоконно-оптична «рентгенографія» свердловини

Щоб з’ясувати, де саме в товщі порід зосереджена ця затяжна деформація, команда використала волоконно-оптичну систему моніторингу в свердловині SZ1. Вона розташована в місті Шенцзе (Shengze Town), текстильному центрі на південному сході Су-чжоу, де промисловість тривалий час спричиняла інтенсивне перекачування підземних вод.

Система використовує рефлектометр BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer), який вимірює зсув частоти Бріллюена, що виникає під час взаємодії світла з акустичними фононами у волокні, та перетворює його на осьовий механічний деформаційний сигнал (strain).

За дальності вимірювань до 20 км, просторової роздільної здатності 1 м і точності близько ±50 мікродеформацій безперервне волокно вздовж стовбура свердловини фіксує профіль деформацій по всій товщі водоносної системи — те, чого неможливо досягти набором точкових сенсорів.

Спостереження з волоконно-оптичної лінії дали чітку відповідь щодо глибини. Негативні деформації (стиснення) зосередилися в замкненому водоносному горизонті Af2 та сусідніх аквітардах Ad2 і Ad3. При цьому найбільші сумарні деформації припали не на сам Af2, де ведеться основне відкачування, а саме на сусідні слабкопроникні шари Ad2 і Ad3.

На перший погляд це парадокс, але класична гідромеханіка передбачає саме таку картину. Відкачування спершу знижує тиск води в добре проникному аквіфері, де зміни тиску швидко розповсюджуються й викликають відносно невеликі пружні деформації. Натомість аквітарди з низькою проникністю дренуються повільно, довго консолідуються та накопичують значну незворотну (інеластичну) компресію.

Отже, шари Ad2 і Ad3 роблять набагато більший внесок у загальне просідання, ніж сам водоносний горизонт, з якого відкачують воду. Цей висновок узгоджується і з теорією Терцагі, і з попередніми дослідженнями багатошарових водоносних систем.

Значення для міст, що просідають

Значення дослідження виходить далеко за межі однієї ділянки в дельті Янцзи. Су-чжоу має давню історію проблем із просіданням: до кінця 2005 року глибоке водозабезпечення в регіоні Су-чжоу–Усі–Чанчжоу було повністю заборонено, рівні води піднялися, а швидкість просідання зменшилася. Та локальні осередки інтенсивних деформацій зберігаються.

Автори визнають кілька обмежень: відсутність радарних зйомок з низхідної орбіти, те, що TWS не є прямою заміною даних рівнів підземних вод, а також опора лише на одну репрезентативну свердловину.

Попри це, рамка задумана як загальна, а не прив’язана до конкретного району. Подібні поєднання регіональних деформацій поверхні та глибинної компресії порід спостерігаються на Північнокитайській рівнині, у Центральній долині Каліфорії, Джакарті, Мехіко та басейні Конья в Туреччині.

Дослідники вважають, що зв’язка регіонального InSAR-моніторингу з репрезентативним волоконно-оптичним спостереженням у свердловині дає практичну й масштабовану стратегію для виявлення просідання, спричиненого відкачуванням підземних вод, і розуміння того, які саме шари його зумовлюють.

Для управлінців водними ресурсами, які мають справу з повільною загрозою «міст, що тонуть», висновок однозначний: ґрунт зберігає пам’ять про те, скільки води ми з нього викачали — і тепер цю пам’ять можна «прочитати» з орбіти та з глибини надр.

Супутники й волоконна оптика відстежують просідання ґрунту з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com