نظارت ماهواره ای کاهش آبهای زیرزمینی در دره مرکزی کالیفرنیا
خلاصه
داده های تغییر دامنه، به دست آمده از ماهواره های رادار دیافراگم مصنوعی، مبنای برآورد تغییر حجم آبخوان در دره مرکزی کالیفرنیا را تشکیل می دهند. الگوریتم برآورد شامل یک عملکرد اصلاح کننده تغییرات دور از مکان های شناخته شده چاه است، که تغییرات حجم آبخوان را به پمپاژ کشاورزی، صنعتی و شهری در حوضه تولار پیوند می دهد. ما نشان می دهیم که تغییرات دامنه با این فرضیه سازگار است که منبع تغییرات حجم آبخوان تغییرات فشار موثر در اطراف چاه های مستند است. به طور خاص، درج جریمه فاصله چاه مناسب برای مشاهدات را کاهش نمی دهد، وارونگی با و بدون آن هر دو باعث کاهش واریانس 99.6 می شود. الگوهای تغییر حجم آبخوان از سال خشکسالی، بین اکتبر 2015 و اکتبر 2016، به یک سال مرطوب در سال 2017، و تا 2018، یک سال با تقریبا متوسط بارندگی، به طور قابل توجهی متفاوت است. 2.3 میلیون هکتار فوت کاهش حجم تخمین زده شده، که مقدار کمتری از آب استخراج شده از حوضه بین اکتبر 2015 و 2016 است، با برآوردهای مستقل 1.8 و 2.3 میلیون هکتار فوت موافق است. کاهش حجم آبخوان همچنین با از دست دادن 3.1 کیلومتر مکعب (2.5 میلیون هکتار فوت) در حجم آب زیرزمینی حاصل از داده های ماهواره بازیابی جاذبه و آزمایش آب و هوا (GRACE) سازگار است.
معرفی
تخمین میزان استفاده از آبهای زیرزمینی و از دست رفتن ظرفیت ذخیره آبخوان یک چالش جهانی است که به دلیل عدم نظارت منظم و کمی مانع آن می شود. حتی در مناطق کشاورزی بسیار پیشرفته، مانند دره مرکزی کالیفرنیا، در حال حاضر نیازی به چاه های فعال آب برای نظارت یا گزارش حجم آب استخراج شده به هیچ نهاد عمومی نیست. فقدان چنین اطلاعاتی، تدوین سیاست های مدیریت پایدار برای حوضه های آب زیرزمینی مشترک را دشوار می کند. نظارت در ارزیابی از دست دادن ظرفیت ذخیره سازی یک سفره زیرزمینی مشخص و در تعیین میزان تخلیه آب های زیرزمینی، در مقیاس مربوط به نیاز آژانس های مسئول مدیریت آب های زیرزمینی، از چند کیلومتر تا ده ها کیلومتر، حیاتی است. علاوه بر این، برداشت آب زیرزمینی می تواند تغییر شکل قابل توجهی در سطح ایجاد کند و منجر به آسیب گسترده زیرساخت ها، مانند پل ها، جاده ها، خطوط لوله و کانال ها شود. با توجه به نیاز به مدیریت ایمن و پایدار منابع آب زیرزمینی در کالیفرنیا، داشتن مقادیر مقرون به صرفه و به موقع برای تغییرات حجم آبخوان در مقیاس مکانی مناسب، مطلوب است.
با توجه به عدم اندازه گیری کمی دقیق و گسترده برداشت آب، همانطور که توسط داده های جریان سنج جامع و دقیق ارائه شده است، تلاش های زیادی برای برآورد استفاده از آب های زیرزمینی انجام شده است. متأسفانه، هر یک از این رویکردها از کوتاهی های جدی رنج می برد که مفید بودن آنها را محدود می کند. به عنوان مثال، مشاهدات سطح آب در یک شبکه توزیع شده از گمانه های نظارتی می تواند وضعیت سفره های زیرزمینی بحرانی را نشان دهد؛ با این حال، به دلیل ملاحظات اقتصادی، چنین گمانه هایی معمولاً کم عمق، کم توزیع شده و فقط تغییرات سطح آب را ثبت می کنند. بنابراین، آنها ممکن است سلامت سفره های زیرزمینی عمیق را منعکس نکنند و همچنین اطلاعاتی در مورد مناطق محلی با استفاده از آب زیاد فراهم نکنند. تقاضای برق به عنوان یک پروکسی برای فعالیت پمپاژ عمل کرده است، اما این اقدامات غیر مستقیم هستند و ممکن است تحت تأثیر عمق سفره آب و کارایی پمپ ها، در میان سایر متغیرها باشند. علاوه بر این، این داده ها که اغلب در کل شهرستانها و به صورت متناوب جمع می شوند، فاقد وضوح کافی برای نظارت سیستماتیک است. از نوع محصول و شدت آب مورد نیاز محصول، همراه با چگالی چاه، برای تخمین میزان استفاده از آب مورد انتظار بهره گیری شده است و این عوامل با فرونشست سطح مشاهده شده و تغییرات مشاهده شده در ذخیره آب زیرزمینی همبستگی دارند. چنین رویکردی را می توان با تصاویر ماهواره ای Landsat با وضوح بالا ترکیب کرد تا توزیع و سلامت محصولات با دقت بیشتری تعیین شود. محاسبات به چندین طبقه از پارامترهای مشاهده شده و برآورد شده، مانند تحویل آب های سطحی، تبخیر و تعرق و بارندگی، از جمله سایر خصوصیات بستگی دارد که منجر به عدم قطعیت قابل توجهی می شود. مشاهدات مبتنی بر ماهواره از جاذبه متغیر زمان، مانند آنچه توسط ماموریت بازیابی جاذبه و آزمایش آب و هوا GRACE8 ارائه شده است، به تغییرات ذخیره کل آب حساس هستند و برای برآورد تغییرات مقیاس حوضه در توده آب در طول زمان استفاده شده است. متأسفانه، وضوح مکانی برای نظارت بر تقاضای محلی در مقیاس مجموعه ای از کاربران آب کافی نیست. نتیجه یک شکاف گسترده در مقیاس نظارت، بین مشاهدات نقطه ای چاه ها و مقیاس حوضه گسترده ای داده های GRACE است.
تکنیک های ژئودزیکی، اندازه گیری تغییر شکل زمین، مجموعه ای از مشاهدات را ارائه می دهد که ممکن است برای توصیف تغییرات حجم آب در مقیاس های میانی بین GRACE و داده های چاه استفاده شود. مدتهاست که شناخته شده است که برداشت آب زیرزمینی ممکن است منجر به تغییر شکل سطح شود، به دلیل تغییرات فشار موثر در یک سفره آب. اخیراً، داده های ماهواره ای مبتنی بر رادار دیافراگم مصنوعی تداخل سنجی (InSAR) برای تصویربرداری از تغییر شکل سطح مرتبط با برداشت و تجدید آبهای زیرزمینی مورد استفاده قرار گرفته است. ثابت شده است که چنین روشهایی در دره مرکزی کالیفرنیا مفید هستند و فرونشست در مقیاس وسیع را به دلیل پمپاژ آبهای زیرزمینی و خطرات احتمالی زیرساخت های موجود شناسایی می کنند. از آنجا که ماهواره ها جابجایی های تصویری هستند که در سطح زمین رخ می دهد، تکنیک هایی مانند InSAR در مقایسه با مشاهدات گرانشی مبتنی بر ماهواره، وضوح مکانی بهبود یافته ای را ارائه می دهند. با این حال، تغییر شکل زمین خود معیاری غیرمستقیم از تغییرات درون یک سفره آب است و برای استخراج مقادیر مورد نیاز مدیران آب، تجزیه و تحلیل اضافی مورد نیاز است. به طور خاص، باید یک مسئله معکوس را حل کرد تا بتوان مشاهدات InSAR را به تغییرات حجم آبخوان مرتبط کرد. پارامترهای اضافی توصیف کننده واکنش تخلخل و الاستیک محیط برای ارتباط تغییرات حجم ساختار آبخوان به تغییرات حجم یا جرم آب موجود در سفره آب مورد نیاز است. این آخرین مرحله معمولاً به داده هایی نیاز دارد که جمع آوری آنها دشوار باشد و احتمالاً در دسترس نباشند، از جمله حداقل فشار موثری که تاکنون به آبخوان رسیده است. تغییر دامنه InSAR، سطح آب و داده های زمین شناسی.
در اینجا ما در مورد واژگونی مشاهدات InSAR برای استنباط تغییر حجم آبخوان، تأثیر خالص کلیه فرایندهای برداشت و شارژ مجدد، در سراسر حوضه تولار در دره جنوبی سن خوآکوین کالیفرنیا بحث می کنیم (شکل 1). این کار باید به عنوان گام اولیه در تلاش برای ایجاد مرزهای تغییر در حجم آبهای زیرزمینی با گذشت زمان دیده شود. فرض بر این است که این تغییرات حجمی عمدتاً با پمپاژ از سفره های زیرزمینی و همچنین با تأثیراتی نظیر شارژ محلی و منطقه ای و تراکم طولانی مدت در سازه های رسی انجام می شود. به منظور گره خوردن تغییرات حجم آبخوان به مصارف کشاورزی، صنعتی و شهری، ما از نقشه دیجیتال عمومی موجود در چاه های ایالتی که توسط هیئت کنترل منابع آب ایالتی کالیفرنیا ارائه شده است، به عنوان محدودیت در الگوریتم وارونگی استفاده می کنیم. این پایگاه داده، که در اوایل سال 2017 در دسترس قرار گرفت، نتیجه تغییرات ایجاد شده توسط قانون مدیریت پایدار آبهای زیرزمینی (SGMA) است و حکمی است که نیاز به گزارش های قابل دسترسی عمومی برای هر نوع ساخت خوب در کالیفرنیا ظرف 60 روز از زمان تکمیل آن دارد.
شکل 1- (الف) موقعیت منطقه مورد مطالعه در کالیفرنیا. (ب) موقعیت دقیق منطقه مورد مطالعه با توجه به شهرهای درون دره مرکزی کالیفرنیا.
کاهش برآورد حجم ارائه شده در زیر، اگرچه مربوط به تغییر در آبهای زیرزمینی ذخیره شده است، در بهترین حالت حدود پایینی بر حجم آب خارج شده از سفره های زیرزمینی در حوضه تولار است. چندین اثر پیچیده وجود دارد که برداشتن گام بعدی یعنی تخمین تغییرات واقعی حجم آب را در عمق دشوار می کند. اولاً، در سفره های زیرزمینی کم عمق، ممکن است تغییرات در سطح آب منجر به تغییر شکل سطح قابل تشخیص نشود، به ویژه در گوشه شمال شرقی منطقه مورد مطالعه ما که تصور می شود رسوبات نسبتاً درشت باشند. در آن منطقه، ممکن است تغییر در فشار موثر منجر به جابجایی سطح قابل مشاهده نشود و برداشت مایع کمتر از حد تخمین زده شود. در سفره های زیرزمینی محدود، رسوبات درشت همچنین می توانند بخشی از بار منتقل شده در هنگام کاهش فشار مایع به دلیل پمپاژ آب های زیرزمینی را پشتیبانی کنند. حتی برای رسوبات دانه ریز، به دلیل انبساط سیال و رفتار الاستیک و پلاستیک ماتریس متخلخل، کاهش حجم الاستیک برابر با کاهش حجم مایع نخواهد بود. صرف نظر از این، توزیع فضایی تغییر حجم می تواند برای شناسایی مناطق و سفره های زیرزمینی در حوضه تولاره استفاده شود که به ترتیب به دلیل استفاده بیش از حد یا بهبود مدیریت، ممکن است متحمل ضرر و زیان قابل توجهی در حجم آب زیرزمینی شوند. این می تواند ابزاری را فراهم کند که به سازمانهای مسئول اجازه دهد یکی از نتایج اصلی نامطلوب ذکر شده در برنامه مدیریت آبهای زیرزمینی کالیفرنیا، یعنی کاهش قابل توجه و غیر معقول ذخیره آب زیرزمینی را ارزیابی کنند. علاوه بر این، می توان از تغییرات مکانی در تغییرات حجم، همراه با یک شبیه ساز ژئومکانیکی، برای محاسبه جابجایی های کامل سه بعدی درون بار بیش از حد به منظور برآورد خطرات احتمالی زیرساخت های موجود، مانند چاه های مجاور، خطوط انتقال گاز و کانال ها استفاده کرد. جابجایی های افقی موضعی، که ممکن است با استفاده از InSAR قابل تشخیص نباشند، می توانند مشکلات مهمی را در چنین ساختارهایی ایجاد کنند.
نتایج
در اینجا نتیجه تحلیل ما از داده های InSAR را با استفاده از تکنیک های وارونگی توصیف شده در بخش روش ها توصیف می کنیم. همانطور که در بالا ذکر شد، ما روش خود را به گونه ای طراحی کرده ایم که از مدل هایی حاوی تغییرات حجم در نزدیکی مکان های شناخته شده چاه استفاده کنیم. ما در می یابیم که ساخت مدلی امکان پذیر است که هم مشاهدات InSAR را مطابق با خطاهای مورد انتظار خود جلب کند و هم توزیع چاه ها را به صورت جانبی و عمیق ارج نهد. برای شروع این بخش، ما تلاش خود را با نشان دادن رویکرد متداول در وارون سازی داده های تغییر دامنه که توزیع چاه ها را در بر نمی گیرد، ایجاد می کنیم، نشان می دهد که منجر به مدلی حاوی تغییرات حجمی می شود که از مکان های شناخته شده دور استخراج مایعات را تجربه کرده باشد.
تمرکز مطالعه ما تغییر حجم آبخوان در حوضه تولاره، یکی از مهمترین مناطق کشاورزی در جهان است. حوضه تولاره قسمت جنوبی دره مرکزی کالیفرنیا را تشکیل می دهد، یک حوضه رسوبی به طول 700 کیلومتر و عرض 80 کیلومتر که از غرب به رشته کوه ساحلی و از شرق به کوههای سیرا نوادا محدود می شود (شکل 1). مساحت حوضه تولاره تقریباً 14000 کیلومتر مربع است. حداکثر عمق رسوب در امتداد محور دره مرکزی 16 کیلومتر است، اما پایین تشکیلات تحمل آب شیرین در حوضه Tulare، تمرکز این مطالعه، در 750 متر عمق است و به جنوب غربی فرو می رود (نگاه کنید به شکل مکمل) این کانسارها از شن و ماسه بهم پیوسته و مخلوط با خاک رس و لجن تشکیل شده و کاملاً ناهمگن بوده و محیطهای رسوبی بسیار متغیر را منعکس می کند، و در نتیجه رسوبات منطقه ای کمی قابل نقشه کردن است. یک استثنا رسوب خاص، نفوذپذیری ضعیف و ضعیف جانبی Corcoran Clay، یک رسوب بستر دریاچه پلیستوسن به ضخامت 10 تا 30 متر است. این ویژگی منطقه ای در اعماق 90 تا 260 متر در حوضه تولاره قرار دارد و سفره های زیرزمینی با نفوذ پذیری بالاتر و نیمه محدود را از سفره های زیر آب با نفوذ پذیری پایین جدا می کند. مقادیر تخلخل و نفوذ پذیری از 37-48 و 1-10 برای سفره های زیرزمینی و از 36-51 و 1 میلی دارسی برای دشت متغیر است.
استفاده از آبهای زیرزمینی منجر به تغییر شکل سطح وسیعی در قسمت جنوبی دره مرکزی کالیفرنیا شده است که توسط رادار دیافراگم (SAR) از ماهواره های مدار مشاهده می شود. نظارت SAR، با تفکیک فضایی دهها متر، می تواند تغییرات موضعی را تعیین کند، برخلاف مشاهدات جاذبه GRACE که هسته های میانگین فضایی چند صد کیلومتری را با هم مرتبط کرده اند. تغییر شکل مشاهده شده در سه فواصل یک ساله تغییرات دامنه، تغییر در فاصله ماهواره با گذشت زمان، برای سالهای 2016، 2017 و 2018، که در شکل 2 نشان داده شده است، مشهود است. پانل ها، تغییرات دامنه را نشان می دهند که بین اکتبر سال قبل تا اکتبر سال داده شده. چنین بازه زمانی کل فصل بارندگی را می گیرد و باران های زمستانی را بین سالها تقسیم نمی کند. توجه داشته باشید که طبق تعریف سازمان زمین شناسی U. S. این تعریف از یک سال آبی است. تغییرات قابل توجهی در میزان جابجایی ها برای هر سال وجود دارد، که نشان دهنده تأثیرات خشکسالی مداوم در سال 2016، به دنبال آن بارندگی قابل توجه در سال 2017 و یک سال با بارش متوسط در سال 2018 است. با استفاده از این داده ها می توان توزیع فضایی را استنباط کرد، هر دو جانبی و عمیق، از تغییرات حجم در سفره های زیرزمینی شامل سیستم هیدرولوژیکی دره مرکزی. همانطور که در قسمت روش ها نشان داده شده است، با این فرض که بار اضافی، از جمله قسمت هایی از سفره آب زیرین که دچار تخلیه مایعات نشوند، در فاصله زمانی بین عبور ماهواره ها به صورت انعطاف پذیر رفتار کنند، می توانیم یک رابطه خطی بین تغییر حجم آبخوان و تغییر دامنه InSAR ایجاد کنیم. توجه داشته باشید که ما فرض نمی کنیم که حجم تغییر شکل دهنده فعال سفره انعطاف پذیر رفتار کند. چنین تغییرات حجمی می تواند به دلیل تغییر شکل غیرالاستیک، به ویژه در لایه های رس تغییر شکل پذیر، و همچنین به دلیل تغییر شکل الاستیک باشد که اغلب در اجسام شن و ماسه یا سازندهایی مشاهده می شود که فشار آب زیر سطح تاریخی پایین نیاید.
شکل 2- جابجایی های بینایی از مشاهدات Sentinel InSAR. (پانل سمت چپ) جابجایی در امتداد خط دید به ماهواره Sentinel که بین اکتبر 2015 و اکتبر 2016 [سال آب 2016] رخ داده است. جابجایی مثبت با بالا آمدن سطح همراه است در حالی که جابجایی منفی نشان دهنده فرونشست است. جابجایی برای سال آبی معین تجمعی است که با افزودن تغییرات افزایشی از عبورهای ماهواره ای متوالی بدست می آید. (پانل مرکزی) جابجایی تجمعی خط دید بین اکتبر 2016 و اکتبر 2017 مشاهده شده است. (پانل راست) جابجایی تجمعی خط دید بین اکتبر 2017 و اکتبر 2018 اندازه گیری شده است. چندین شهر دره مرکزی با حلقه های باز در شکل و در پانل وسط برچسب گذاری شده اند.
مسئله رو به جلو شامل محاسبه جابجایی های سطح از تغییرات حجم مشخص شده است، در حالی که مسئله معکوس مربوط به تخمین تغییرات حجم آبخوان از جابجایی های سطح مشاهده شده است. یکی از مشکلات مرتبط با مشکلات معکوس، از دست دادن وضوح با عمق زمین است. یعنی یک تغییر حجمی با دهانه افقی ده متر، در عمق صدها متر، به ناهنجاری سطحی که عرض آن صدها متر است، گسترش خواهد یافت. توزیع چنین ناهنجاری هایی در عمق به طور مشابه گسترش یافته و در یک ویژگی سطح وسیع ادغام می شود. این اثر صافکاری هنگام تلاش برای استنباط تغییرات حجم در عمق مجموعه ای از مشاهدات سطح، منجر به ایجاد یک مشکل معکوس می شود. یک مسئله مربوط به غیر منحصر به فرد بودن است که به موجب آن چندین مدل از تغییرات حجم آبخوان منجر به مجموعه ای از جابجایی های سطح می شود. این مشکل به ویژه هنگامی حاد است که تغییرات حجم می تواند در اعماق مختلف اتفاق بیفتد، زیرا می تواند بین تغییرات در اعماق مختلف درون آبخوان معامله انجام شود.
روش مرسوم برای ایجاد ثبات در مسئله معکوس، افزودن اصطلاحات سخت است که سعی دارد زبری مدل و اندازه تغییرات حجم مجاز را به حداقل برساند، همانند عملکرد (P(v داده شده توسط معادله (4) در بخش روش ها. این اصطلاحات دارای اثرات نامطلوب تمرکز تغییرات حجم در سطح یا نزدیک آن و هموار کردن توزیع فضایی آنها است. به عنوان مثالی از محدودیت های این شکل از قاعده گذاری، یک وارونگی از تغییرات دامنه InSAR را با استفاده از قاعده بندی متعارف داده شده توسط معادله (4) در نظر بگیرید. در این تصویر ما از تغییرات دامنه ای که بین اکتبر 2015 و اکتبر 2016 رخ داده است، که در پانل سمت چپ شکل 2 نشان داده شده است، به عنوان داده ورودی استفاده خواهیم کرد.
ما برای تغییر حجم در یک مدل با شش لایه ضخامت 100 متر که عمق آن از 50 متر تا 650 متر است، معکوس می کنیم. هر لایه به یک شبکه 45 در 45 بلوک مستطیل، 2 کیلومتر در یک طرف تقسیم می شود و مدل با تعیین تغییر حجم در هر سلول از مدل مشخص می شود. از آنجا که ما در حال تغییر مستقیم برای تغییرات حجم بر اساس مشاهدات InSAR هستیم، و نه تغییرات جریان یا فشار درون سفره، ما لایه های افقی ساده را اتخاذ می کنیم. به این معنی که مرزهای لایه های ما با مرزهای هیدرولوژیکی همزمانی ندارند و حوضه عمیق را که بر هیدروژئولوژی منطقه ای مسلط است منعکس نمی کنند (نگاه کنید به شکل مکمل س-1). با این حال، ما برای ساخت یک مدل ژئومکانیکی برای تفسیر خود از تغییرات دامنه InSAR، از مدل بافتی 31 به همراه خواص مکانیکی مرتبط با رسوبات دره San Joaquin استفاده می کنیم. این مدل تا حد زیادی لایه لایه است و از آنجا که همه لایه ها رسوبات غیر یکپارچه ای هستند، تفاوت در خصوصیات مکانیکی بین لایه ها زیاد نیست. بنابراین عدم قطعیت و خطاهای موجود در مدل احتمالاً تأثیر قابل توجهی در مکان تغییرات حجم ندارند.
به دلیل از دست دادن رزولوشن با عمق و غیره منحصر به فرد بودن، مشکل معکوس ناپایدار است و خطاهای کوچک در داده ها منجر به خطاهای بزرگ در مدل می شود. در شکل 3 برآورد حجم تغییر را نشان می دهد که عملکرد نامناسب جریمه (P(v را برای سه فواصل عمق به حداقل می رساند. در زیر تغییرات حجم تخمینی، توزیع مرتبط چاه هایی را که تا عمق شناخته شده منطقه گسترش می یابد، از پایگاه داده منابع آب کالیفرنیا نشان می دهیم. در بیشتر موارد، الگوی تغییر حجم شکل خود را در عمق حفظ می کند و تغییرات قابل توجه توزیع چاه هایی را که بین لایه های مختلف مشاهده می کنیم، منعکس نمی کند. این تداوم و صافی به احتمال زیاد به دلیل ترکیبی از دست دادن رزولوشن با عمق و قاعده ای است که هم مدل های خشن و هم تغییرات حجم زیاد در عمق را محدود می کند.
شکل 3- برآورد تغییر حجم و توزیع چاه آبخوان. (پانل های فوقانی) برآورد تغییرات مکانی از تغییرات حجم بین اکتبر 2015 و اکتبر 2016. برای سه بازه عمق در مدل سفره آبخوان حوضه تولار. (پانل های پایین تر) تراکم چاه ها برای سه دامنه عمق در مدل سفره آبخوان حوضه تولاره. دایره های باز در شکل، شهرهای دره مرکزی را نشان می دهد که در صفحه مرکزی شکل 2 برچسب گذاری شده اند.
مجموعه متعارف اصطلاحات محدود، حداقل یک ملاحظه اصلی فیزیکی را که می تواند برای محدود کردن مجموعه محلول استفاده شود، نادیده می گیرد. به طور خاص، تصور می شود که تغییرات حجم آبخوان، در بخش عمده ای، تحت تأثیر تنش موثر، σe است؛
به دلیل خروج مایعات و فشار مایع مرتبط، Pf را از چاه های توزیع شده در منطقه تغییر می دهد. کل استرس در معادله (1)، σt، به طور معمول تحت تأثیر وزن ستون مواد پوشاننده یک وصله خاص از سفره آب قرار دارد. با این حال، تنش های جانبی قابل توجهی ممکن است در لبه های کاسه های نشست یا نزدیک چاه های فعال ایجاد شوند. کاهش فشار مایع در اثر پمپاژ منجر به افزایش تنش موثر در اطراف چاه می شود. تنش موثر افزایش یافته باعث تغییر شکل رسوبات اطراف چاه می شود. مقدار تغییر شکل می تواند بسته به ماهیت رسوبات بسیار متفاوت باشد. شن و ماسه های دارای دانه های کاملاً گرد شده به طور کلی در برابر تغییر شکل قابل توجه مقاومت می کنند در حالی که مواد پلاستیکی در رسهای کاملاً یکپارچه می توانند بچرخند و دوباره مرتب شوند و منجر به تغییر شکل قابل توجهی شود. نکته اصلی این است که انتظار داریم برخی از مکاتبات بین چاه های فعال و تغییر حجم در یک آبخوان تغییر شکل دهنده باشد.
ما می توانیم ارتباطی بین چاه های فعال و تغییر حجم آبخوان را در وارونگی خود، از طریق معرفی یک اصطلاح قاعده آور که تغییرات حجمی دور از هر چاه را محدود لحاظ می کند، اعمال کنیم. این روش علاوه بر مزیت استفاده از یکی از معدود مجموعه داده های کامل و عمومی که کل ایالت را پوشش می دهد، نقشه دیجیتال چاه های ایالتی تکمیل شده، ارائه شده توسط اداره منابع آب کالیفرنیا است. در منطقه مورد مطالعه، 20774 حلقه چاه با عمق مشخص وجود دارد که از سال 2015 فعالیت کرده اند. توزیع فضایی چاه ها در سه لایه مدل در شکل 3 نشان داده شده است، که در آن تعداد چاه های هر بلوک شبکه آورده شده است. از توزیع فضایی چاه ها در یک لایه معین می توان برای ساخت یک اصطلاح محدود کننده به منظور منظم سازی مسئله معکوس استفاده کرد:
جایی که ri مشاهدات تغییر دامنه i است، gti بردار حاوی پاسخ تکانه ای است که به عنوان اجزای عملکرد Green شناخته می شود، v بردار تغییرات حجم آبخوان است و D یک ماتریس مورب است که ورودی iام آن برابر است با فاصله بلوک شبکه iام تا نزدیکترین بلوک شبکه که شامل دو یا چند چاه است. در شکل 4 اصطلاحات محدود کننده را در لایه مدل عمق بین 150 تا 250 متر رسم می کنیم. شرایط محدود کننده در یک باند مورب در عرض لایه مربوط به نوار چاه های جنوب شرقی به شمال غربی صفر یا کوچک است که در سراسر حوضه تولاره گسترش می یابد (شکل 3 را ببینید). تغییرات حجم به حداقل رساندن عملکرد نامناسب جریمه شده نیز در شکل 4 نشان داده شده است، که مربوط به وزن محدود کننده از راه دور Wd = 500 است. در بیشتر موارد، توزیع فضایی تغییرات حجم در نزدیکی محل چاه ها در این فاصله عمق الگوی تغییر حجم در این لایه بسیار متفاوت از الگوهای وارونگی قبلی است که حاوی محدود کننده فاصله چاه نبود (شکل 3). این مدل شامل یک توزیع فضایی بسیار گسترده تر و نرمتر است، که نشان دهنده زبری و محدود کننده های هنجار مدل است [به معادله (4) مراجعه کنید، در بخش روش ها بحث شد].
شکل 4- تصویر محدود کننده فاصله چاه برای فاصله عمق 150-250 متر در مدل. (چپ) اندازه گیری فاصله چاه، با رنگ نشان دهنده فاصله تا پیکسل ها با نزدیکترین مجموعه از دو یا چند چاه. (صفحه راست) نتایج وارونگی برای تغییر حجم بین اکتبر 2015 و اکتبر 2016 در فاصله عمق 150-250 متر. دایره های باز در شکل، شهرهای دره مرکزی را نشان می دهد که در صفحه مرکزی شکل 2 برچسب گذاری شده اند.
به منظور ایجاد تعادل معقول بین برازش داده های تغییر محدوده مشاهده شده و تولید مدلی با تغییرات حجم در محل چاه یا نزدیک آن، ما یک منحنی مبادله ساختیم. به این معنی که ما توالی وارونگی را انجام دادیم، ضریب وزن Wd را در عبارت محدود کننده در رابطه (2)، به طور سیستماتیک از 0.01 به 3000.00 افزایش دادیم، و عدم تطبیق ریشه میانگین مربع و مجموع تغییرات حجم وزنی فاصله را محاسبه کردیم . نمودار حاصل از داده ها در برابر تغییر حجم وزنی از نظر فاصله، برای همه 151 مدل مورد استفاده برای ساخت منحنی معامله، حاوی یک خم شدید است (همانطور که در شکل س-2 در ضمیمه نشان داده شده است). نقاط در منحنی نشان دهنده مدلهایی است که بیش از حد چاه های موجود دارای تغییر غلط زیاد و حجم زیادی نیستند. مشخص شد که یک مدل نماینده در منحنی دارای وزن Wd 500 است. این وزن منجر به مطابقت خوب بین تغییرات حجم و مکان های چاه، و تناسب مناسب با تغییر دامنه مشاهده شده می شود. تغییرات حجم برآورد شده برای شش لایه مدل در شکل 5 برای سال آبی از اکتبر 2015 تا اکتبر 2016 نشان داده شده است. توزیع فضایی کاهش حجم به طور قابل توجهی با عمق تغییر می کند، و منعکس کننده تغییرات چاه هایی است که به هر لایه می رسد. با عمق، یک تغییر تدریجی از چاه های واقع در شمال و شرق به چاه های واقع در جنوب غربی وجود دارد. این نشان دهنده تعمیق حوضه به جنوب غربی است که در توپوگرافی پایه آبخوان مشهود است (شکل تکمیلی س-1 را ببینید). در برخی از فواصل، مانند دامنه عمق 250 تا 350 متر، به نظر می رسد مناطق تغییر حجم از روند خطی پیروی می کنند، نوعی کنترل ساختار را نشان می دهد.
شکل 5- برآورد تغییرات حجم بین اکتبر 2015 و اکتبر 2016، برای تمام فواصل عمق در مدل سفره آب. دایره های باز در شکل، شهرهای دره مرکزی را نشان می دهد که در صفحه مرکزی شکل 2 برچسب گذاری شده اند.
فاصله زمانی از اکتبر 2015 تا اکتبر 2016 یک دوره خشکسالی در کالیفرنیا بود که با برداشت گسترده آب زیرزمینی مشخص شد. از این رو، فرونشست قابل توجهی وجود دارد، که در شکل 2 نشان داده شده است، و کاهش حجم زیادی بیش از 2000 هکتار فوت برای بلوک های شبکه نشان داده شده در شکل 5. در سال آبی بعدی، از اکتبر 2016 تا اکتبر 2017، کالیفرنیا بارندگی قابل توجهی را تجربه کرده است منجر به افزایش آب و در دسترس بودن آب می شود. منابع اضافی آب سطحی منجر به کاهش پمپاژ آبهای زیرزمینی و کاهش تراکم سفره آب و نشست کمتر می شود. در واقع، در گوشه شمال شرقی بالاترین لایه افزایش حجم کم وجود دارد، که ممکن است نشان دهنده بازگشت الاستیک به دلیل شارژ مجدد از دامنه سیرا نوادا باشد (شکل 6). کاهش فرونشست در شکل 2 به طور قابل توجهی کمتر از سال 2016 تغییر کرده است. به همین ترتیب، تغییرات حجم تخمینی بین اکتبر 2016 و اکتبر 2017، نشان داده شده در شکل 6، بسیار کوچکتر از سال قبل است. به نظر می رسد تغییر حجم عمیق بسیار کمی وجود داشته باشد، که نشان دهنده کاهش قابل توجه پمپاژ آب های زیرزمینی از چاه های عمیق است. طی سال بعد، از اکتبر 2017 تا اکتبر 2018، کالیفرنیا بارش متوسطی را تجربه کرد که با میانگین های تاریخی مطابقت بیشتری دارد. به همین ترتیب، تغییر دامنه مقادیر فرونشست بین سال های 2016 و 2017 را نشان می دهد. الگوی تغییر حجم برای سال 2018، که در شکل 7 ترسیم شده است، تا حدودی شبیه به سال 2016 است اما از نظر اندازه بسیار کوچکتر است. قابل توجه است که حجم در انتهای شمالی منطقه کاهش می یابد نسبت به سال 2016 بزرگتر است (شکل 5). این ممکن است نشانه ای از افزایش پمپاژ از سفره های کم عمق پر شده باشد، همانطور که توسط بازگشت در سال 2017 پشتیبانی می شود (شکل 6).
شکل 6- برآورد تغییرات حجم بین اکتبر 2016 و اکتبر 2017، برای تمام فواصل عمق در مدل سفره آب. دایره های باز در شکل، شهرهای دره مرکزی را نشان می دهد که در صفحه مرکزی شکل 2 برچسب گذاری شده اند.
شکل 7- برآورد تغییرات حجم بین اکتبر 2017 و اکتبر 2018، برای تمام فواصل عمق در مدل سفره آب. دایره های باز در شکل، شهرهای دره مرکزی را نشان می دهد که در صفحه مرکزی شکل 2 برچسب گذاری شده اند.
می توان از نمونه گیری زمانی مناسب ماهواره های Sentinel 1a / b استفاده کرد، زیرا هر 6 تا 12 روز یک تصویر SAR از حوضه Tulare تولید می کنند تا تغییرات فواصل ماهانه را بررسی کنند. برای این منظور، تغییرات دامنه به تغییرات ماهانه تبدیل شده و اینها برای مدلهای سه بعدی تغییر حجم معکوس می شوند، همانند آنچه در شکل 5-7 نشان داده شده است. تغییرات حجم در هر بلوک شبکه برای بدست آوردن تغییر حجم کلی برای حوضه تولاره در آن ماه جمع بندی شد. در پانل سمت چپ شکل 8، تغییر حجم تجمعی را برای سه بازه مختلف یک ساله از اکتبر سال قبل تا اکتبر سال ذکر شده، رسم می کنیم. تغییرات ماهانه برای هر سال جمع می شود تا کل حجم آبخوان را برای هر سه سال تغییر دهد. برای سال 2016 یک افت چشمگیر وجود دارد، که اثر ادامه خشکسالی را در آن بازه زمانی ثبت می کند. به دنبال آن سال آبی، در طی دوره مرطوب از اکتبر 2016 تا اکتبر 2017، از دست دادن حجم آبخوان به طور چشمگیری کاهش یافت. کاهش تجمع یافته در حجم آبخوان در صفحه سمت راست شکل 8 نشان داده شده است، جایی که ما تفاوت تغییرات حجم را نسبت به آن سال ارجاع می دهیم، که به سال قبل 2016 اشاره شده است. تفاوت بین سالها بسیار قابل توجه است و نشان می دهد یک پاسخ سریع است از سیستم آبخوان به تغییرات احتمالی در میزان پمپاژ - سایپرز، با این وجود توجه داشته باشید، حتی در طول سال مرطوب از اکتبر 2016 تا اکتبر 2017 نیز کاهش کلی در حجم وجود دارد. با مقایسه 2016 و 2018، تغییرات کمتر چشمگیر است، اما هنوز هم بیش از 0.4 میلیون هکتار فوت حجم آبخوان کمتر است که در طول سال 2018 از بین رفته است.
شکل 8- (پانل سمت چپ) تغییر کل حجم آبخوان به مدت سه فواصل یک ساله از اکتبر سال قبل تا اکتبر همان سال. کل تغییر حجم با جمع کردن تغییرات حجم هر بلوک شبکه در مدل بدست می آید. (پانل سمت راست) تفاوت بین تغییرات تجمعی برای سالهای آبی 2017 و 2018 و سالهای آبی 2016. یعنی تغییرات حجم طی سال 2016 برای استخراج این دو منحنی از سال های 2017 و 2018 کم می شود.
بحث
در تلاش برای پیوند دادن تغییر حجم آبخوان به توزیع چاههای موجود در حوضه تولاره، ما یک روش وارونگی معرفی کرده ایم که مدلهای حاوی تغییر حجم قابل توجه را در مناطق دور از مکانهای شناخته شده چاه محدود می کند. با استفاده از این روش، ما می توانیم توزیع فضایی تغییر حجم را ایجاد کنیم که با چاه های مستند همخوانی دارند، در مقابل یک وارونگی معمولی بدون محدودیت فاصله چاه. به نظر نمی رسد افزودن محدودیت مسافت چاه، تناسب را در مشاهدات کاهش دهد. در حقیقت، وارونگی با و بدون جریمه فاصله چاه هر دو باعث کاهش واریانس 99.6٪ می شود، جایی که واریانس به عنوان مجموع مربعات اختلاف بین مشاهدات M و تغییر دامنه و مقادیر محاسبه شده آنها تعریف می شود،
کاهش تغییرات نسبت اختلاف بین واریانس اولیه (σi) و نهایی (σf) به واریانس اولیه است: σi - σf) / σi) به عنوان درصد داده می شود. هر دو رویکرد توزیع باقیمانده پس از وارونگی را ایجاد می کنند که بسیار کوچکتر از جابجایی های مشاهده شده از منظر دیده شده در شکل 2 است. انحراف استاندارد نهایی توزیع باقیمانده 0.81 سانتی متر و 0.94 سانتی متر برای وارونگی های بدون و با چاه است. به ترتیب محدودیت فاصله این مقادیر هر دو نزدیک به خطای برآورد شده 1 سانتی متر مرتبط با مشاهدات خط دید هستند. بنابراین به نظر می رسد که وجود محدودیت مسافت چاه و نیاز به تغییر حجم در مجاورت چاه ها با داده های مشاهده شده InSAR سازگار است.
اگرچه تغییر حجم سفره آب زیرزمینی کمتر در مقدار آب از دست رفته در حوضه تولار است، اما مقایسه مقادیر رسم شده در شکل 8 با از دست دادن ذخیره آبخوان تخمین زده شده از سایر مطالعات مفید است. از دست دادن کل حجم آبخوان 2.3 میلیون هکتار فوت بین اکتبر 2015 تا اکتبر 2016 با مقادیر محاسبه شده تغییر سالانه تجمعی در ذخیره آبخوان برای حوضه تولاره تولید شده توسط Central Hydrologic Model4 مطابقت دارد (شکل ب-9). این مقدار با تخمین سالانه 2.3 میلیون هکتار فوت آب زیرزمینی مطابقت دارد که توسط سازمان آب Friant ارائه شده است. همان سفارش 1.8 میلیون هکتار فوت در سال اضافه برداشت آب زیرزمینی است که توسط موسسه سیاست های عمومی کالیفرنیا تخمین زده شده است. از آنجا که تلفات آب زیرزمینی در دره مرکزی تحت تأثیر تلفات حوضه تولاره است، تخمین ما برای کاهش حجم، 2.9 کیلومتر مکعب در سال، همچنین با 3.1 کیلومتر مکعب در سال (2.5 میلیون جریب فوت در سال) سازگار است با حجم آب زیرزمینی برای کل دره مرکزی کالیفرنیا، تعیین شده از تغییرات گرانشی شناسایی شده توسط ماموریت ماهواره ای بازیابی جاذبه و آزمایش آب و هوا (GRACE) 1 برای سال های 2010-2010. مشاهدات گرانش به تغییر کل توده آب حساس است، از جمله تغییرات در ذخیره آب زیرزمینی و همچنین تغییرات در توده آب به دلیل تغییرات سطح آب. داده های GRACE به فواصل زمانی جدیدتر ما گسترش نمی یابد، اما به نظر می رسد میزان از دست دادن آب های زیرزمینی از حدود 2006 تا 2015 تقریباً خطی است. تغییر حجم آب زیرزمینی تخمینی بین اکتبر 2016 تا اکتبر 2017 به طور قابل توجهی کوچکتر است، 0.3 میلیون هکتار فوت در سال، بازتابی از میزان بارندگی قابل توجه و افزایش میزان انتقال آب در آن سال است، که به نظر می رسد پمپاژ آب زیرزمینی را به شدت کاهش داده است. تغییر حجم آب زیرزمینی برای سال بعد، از دست دادن حجم 1.6 میلیون هکتار فوت در سال، تقریباً در میانه راه این دو حد است. الگوی سالانه سال 2016 و 2018 شامل کاهش چشمگیری در حجم آب زیرزمینی در ماه مه، ژوئن و ژوئیه است که نشان دهنده پمپاژ بیشتر است، شاید به دلیل کاهش میزان انتقال آب در آن ماه ها. این الگو برای سال مرطوب سال 2017 مختل می شود، با کاهش از دست دادن آب های زیرزمینی بین آوریل و مه.
این کار اولین کاربرد چنین وارونگی محدودی برای تغییر حجم آبخوان است و محدودیت هایی برای این کار وجود دارد، در درجه اول این واقعیت است که ما فقط می توانیم حد پایین تری را برای استفاده از آب تخمین بزنیم. با این حال، این امکان نیز وجود دارد که پیشرفت های چشمگیری در این رویکرد داشته باشد. اول، ما می توانیم اطلاعات دیگر را به عنوان در دسترس و قابل اعتماد، مانند نرخ پمپاژ و حجم، و برآورد استفاده از آب بر اساس توزیع محصول شناخته شده، همانطور که در مدل هیدرولوژیکی دره مرکزی استفاده می شود، ترکیب کنیم. در پانل سمت چپ شکل 9، تخمین تغییرات حجم در هر چاه را برای سال آبی 2018، به دست می آوریم نتایج ما با تقسیم تغییر حجم در هر بلوک شبکه بر تعداد چاه های قطع کننده بلوک شبکه. در پانل مرکزی شکل 9، ما حجم آب سالانه استخراج شده توسط هر چاه را برای چند چاه که میزان جریان اندازه گیری شده وجود دارد، ارائه می دهیم. از آنجا که میزان بارندگی در طول سال 2018 نزدیک به میانگین های تاریخی بود، می توانیم این مقادیر را با برآورد مصرف سالانه آب در منطقه به دست آمده از توزیع محصول شناخته شده و برآورد نیاز آب هر محصول مقایسه کنیم، همانطور که در پانل سمت راست شکل نشان داده شده است. توافق کلی بین مصرف آب سالانه برآورد شده از InSAR و مشاهده شده در چاه ها، با مقادیر اوج نزدیک به 2000 جریب فوت در سال وجود دارد. همچنین بین مناطق پرمصرف، برآورد شده از توزیع محصول و مناطقی که تغییر حجم قابل توجهی در هر چاه دارند، مطابقت وجود دارد. ما می توانیم مجموعه داده های دیگری مانند داده های جاذبه را به عنوان محدودیتی در وارونگی در نظر بگیریم، اگرچه برای اعمال همه اصلاحات به مدل سازی دقیق نیاز است. علاوه بر این، ما می توانیم مشاهدات دیگری مانند اکستنسیومتر و داده های سطح آب را اضافه کنیم. مدل سازی بهتر، از جمله بهبود برآورد خواص آبخوان، امکان برداشت مستقیم از حجم آب و ذخیره غیر الاستیک را فراهم می کند، و گام بعدی دشوار را برداشت. با استفاده از رویکرد به یک سابقه طولانی مدت برای تعیین روند طولانی مدت و کوتاه مدت در تغییرات حجم و به برآورد سهم کشش و کشش را اجازه می دهد.
شکل 9- (پانل سمت چپ) تغییر حجم به ازای هر چاه حاصل از مشاهدات تغییر دامنه InSAR مربوط به سال آبی 2018، سالی که بارندگی نزدیک به میانگین تاریخی دارد. (پانل مرکزی) مصرف آب برای مجموعه ای از چاههای دارای دما سنج اندازه گیری شده. (پانل سمت راست) برآورد مصرف سالانه آب در منطقه حوضه تولاره از توزیع محصولات و نیاز آب هر گیاه یا حیوان محاسبه شده است.
یک مزیت رویکرد ما، یک روش ویژه برای مدیران آب و مسئولان است، که توانایی بررسی تغییرات در منابع آب در مقیاس های مختلف است. این مطالعه در مقیاس وسیعی انجام شد تا کل حوضه تولاره را در بر بگیرد. این مقیاس برای ارزیابی حوضه در مقیاس بزرگ و برای گزارش ایالت کالیفرنیا توسط منطقه هیدرولوژیک مناسب است. با این حال، قانون مدیریت آبهای زیرزمینی کالیفرنیا که اخیراً اجرا شده است، بیان می کند که ماندگاری طولانی مدت منابع آب باید در مقیاس آژانس پایداری آبهای زیرزمینی (GSA) ارزیابی شود. اندازه این GSA ها بسیار متفاوت است اما به طور کلی کوچکتر از یک حوضه هیدرولوژیکی کامل است. با این حال، رویکرد کلی توصیف شده در این مطالعه می تواند در مقیاس بسیار کمتری انجام شود. به عنوان مثال، می توان مناطقی با اندازه چند کیلومتر مربع را با ابعاد بلوک شبکه از دهها تا صدها متر همانطور که برای کاربردهای نفت و گاز انجام شد، بررسی کرد. این بدان معنی است که می توان از یک رویکرد مشابه برای ارزیابی منابع GSA معین استفاده کرد و از همه مهمتر، دقیقاً از همین رویکرد می توان برای ارزیابی منابع GSA همسایه استفاده کرد. این اجازه می دهد تا معیارهای سازگار و یکنواخت ارزیابی منابع بین آژانس ها و در یک حوزه متصل باشد. بعلاوه، مطالعات با وضوح بالاتر از دهها تا صدها متر در نظارت بر شارژ آبهای زیرزمینی و تلاشهای بانکداری آب مفید خواهد بود، فعالیتهایی که به دلیل تغییرات آب و هوایی احتمالاً اهمیت بیشتری خواهند یافت. این بررسی های دقیق تر می تواند علاوه بر مکان های چاه، از داده های سطح آب، نفوذ و میزان پمپاژ نیز استفاده کند تا کمی تغییرات حجم مایع و مهاجرت آب تزریق شده یا برکه ای را تعیین کند. چنین پایش هایی، همراه با کد دقیق مدل سازی آب زیرزمینی، امکان محاسبه تعادل آب و پایداری آب زیرزمینی را فراهم می کند. وضوح زمان خوب مشاهدات InSAR مدیران آب را قادر می سازد تا تأثیر وقایع خاص شارژ، اقدامات مدیریتی یا حوادث طوفانی را ارزیابی کنند تا کارایی را تعیین کنند و بهترین روش ها را بهبود بخشند. در نتیجه، در دسترس بودن یک رویکرد سازگار برای ارزیابی منابع از مقیاس پروژه به حوزه که می تواند با وضوح زمانی مناسب به روز شود، پتانسیلی را برای یک استاندارد اندازه گیری کاملاً قابل قبول ایجاد می کند که از مدیریت منطقی و پایدار منابع آب زیرزمینی بسیار سود می برد.
مواد و روش ها
تصویربرداری رادار دیافراگم مصنوعی (SAR)، یکی از مقرون به صرفه ترین روش ها را برای تخمین تغییر شکل سطح در مناطق وسیع (صدها کیلومتر مربع)، با وضوح خوب فضایی (ده ها متر) و در شرایط مطلوب، با سانتی متر فراهم می کند. دقت سطح. در این روش یک سنسور مایکروویو، فرستاده شده از یک ماهواره در مدار، از پراکنده کننده های سطح زمین بازتاب می یابد و ردیابی بازگشت پیچیده ثبت و پردازش می شود. در حالت تداخل سنجی مشاهدات SAR از یک سری عبور ماهواره ای برای محاسبه تغییرات فاز برای دنباله ای از بازه های زمانی استفاده می شود. تغییر فازها تحت تأثیر عوامل مختلفی از جمله تاخیر فاز اتمسفر، خطاهای مداری، اصلاحات ناقص توپوگرافی، تغییر در خصوصیات بازتابنده سطح زمین و تغییر دامنه، کمترین گرایش برای نظارت بر فرونشست مربوط به آبهای زیرزمینی. برد فاصله تا ماهواره است و تغییر برد یک جز از جابجایی را فراهم می کند که به نشست یا بالا آمدن سطح زمین و همچنین به اجزای افقی حرکت حساس است. با استفاده از بسیاری از تداخل ها همراه با فیلتر مکانی و زمانی، همراه با استفاده از یک مکان مرجع پایدار، می توان اثرات تغییرات جوی را که باعث آلودگی فاز می شوند، کاهش داد. با استفاده از مانیتورینگ InSAR، مشاهدات SAR که آزادانه در دسترس هستند جمع آوری شده توسط جفت ماهواره Sentinel-1a / b آژانس فضایی اروپا در کالیفرنیا، پوشش تکراری را هر 6 تا 12 روز فراهم می کند. نمونه گیری زمانی متراکم باعث کاهش همبستگی می شود که می تواند بین جمع آوری های متوالی SAR رخ دهد، یک عامل مهم در دره مرکزی که عمدتا کشاورزی است، جایی که تغییرات در مشخصات سطح یک زمینه می تواند خصوصیات بازتابی سطح را تغییر دهد. نمونه گیری زمانی نیز در استفاده از روش Small Baseline Subset برای ساخت سری های زمانی تغییر شکل سطح بر اساس پیکسل به پیکسل سودمند است. در این روش از جفت های تداخلی با خطوط کوچک فضایی (عمود) و جداسازی های زمانی کوتاه برای تخمین جابجایی های بینایی که تغییرات دامنه را تشکیل می دهند استفاده می شود. داده های تصویر SAR، از 31 ژانویه 2015 تا 17 نوامبر 2018، با استفاده از محیط محاسبات علمی تداخل (ISCE) از آزمایشگاه پیشرانه جت (JPL)، برای پیاده سازی رویکرد زیرمجموعه کوچک و استخراج یک رشته از محدوده پردازش شد.
ما روش مورد استفاده برای تخمین تغییرات حجم آبخوان را که با یک مجموعه داده شده از تغییرات محدوده مشاهده شده سازگار است، بیان می کنیم. فرض بر این است که در خارج از مناطقی که تحت تغییر حجم هستند، زمین در فواصل زمانی بین جمع آوری SAR به حالت الاستیک رفتار می کند. ما مدل آبخوان را با تقسیم آن به مجموعه ای از بلوک های شبکه غیر همپوشانی، پارامتر می کنیم. هر بلوک شبکه ممکن است تغییر کند، که ناشی از برداشت آب از یک چاه یا افزایش فشار سفره آب به دلیل هجوم مایع است. سفره تغییر شکل دهنده، بلوک های شبکه منبع، ممکن است به طرز دلخواه پیچیده ای رفتار کند، از جمله رفتار ویسکوالاستیک و پلاستیک. به طور خاص، مواد موجود در یک بلوک شبکه ممکن است به دلیل تراکم حاصل از برداشت آب زیرزمینی، تغییر شکل الاستیک را تجربه کنند. با این حال، زیرا فرض می شود که مناطق سنگین و مجاور به تغییر حجم در منطقه منبع به صورت الاستیک پاسخ می دهند، تغییر شکل مشاهده شده در یک نقطه xi در سطح زمین، نشان داده شده با (ur (xi، به طور خطی با حجم تغییر مرتبط با بلوک nام شبکه در مدل سفره آب، (v (rn، مربوط است؛
جایی که Γin تابع Green الاستیک است، تابع پاسخ برای یک بلوک شبکه مستطیل شکل، با مرکز rn، و جمع بندی بیش از N N از بلوک های شبکه در مدل سفره است. اجزای بردار gi نمایه شده توابع پاسخ برای هر یک از بلوک های مستطیل شکل در مدل هستند، در حالی که بردار v شامل تغییرات حجم کسری آنها است. پیچیدگی محاسبات عملکرد Green به خصوصیات الاستیک منطقه بستگی دارد. برای یک مدل الاستیک بسیار متقارن، مانند یک فضای نیمه همگن، عبارات تحلیلیبرای منابع ساده مانند یک نقطه یا یک بلوک شبکه مستطیلی وجود دارد. ساختارهای الاستیک مفصل تر به روشهای نیمه تحلیلی یا کاملاً عددی احتیاج دارند. به عنوان مثال، تابع Green برای یک محیط الاستیک یا ویسکوالاستیک لایه ای می تواند به صورت نیمه تحلیلی محاسبه شود در حالی که یک محیط کاملاً سه بعدی به روش های عددی مانند روش تفاوت محدود یا عنصر محدود نیاز دارد. در اجرای ما از یک ساختار کششی متوسط یک بعدی تهیه شده توسط داده های حاصل از چاه های اکتشافی استفاده کردیم.
مسئله معکوس به عنوان یک مسئله بهینه سازی حداقل مربعات فرموله شده است که در آن ما به دنبال توزیع فضایی تغییرات حجم با جمع کردن مربعات محدوده InSAR باقیمانده تغییر هستیم. به منظور تثبیت وارونگی در مقابل غیرتصادیری بودن، معمولاً اصطلاحات محدود کننده یا قاعده گذاری معرفی می شود که برخی از جنبه های مدل را کاهش می دهد، مانند اندازه تغییرات حجم یا زبری کلی مدل. اصطلاحات محدود کننده غالباً به صورت معیارهای درجه دوم مانند مجموع مربع های تغییر حجم، هنجار مدل یا مجموع مربع های گرادیان فضایی مدل، ناهمواری مدل، منجر به به حداقل رساندن یک عملکردی مانند است.
جایی که ri مشاهدات تغییر محدوده i است، gi بردار عملکرد Green است که با مشاهده iام مرتبط است، Wn ضریبی است که وزنی را به محدود کننده هنجار مدل تعیین می کند، Wr وزن زبری هنجار مدل است، و L ماتریسی است که عملگر گرادیان فضایی را تقریبی می کند. در کار توضیح داده شده در بالا ما از فرمول جایگزین (2) استفاده می کنیم که در آن فاصله از چاه های D برای قاعده گذاری استفاده می شود. شرط حداقل (P (v، بدست آوردن شیب با توجه به پارامترهای مدل (∇vP) به صفر، یک سیستم خطی معادلات تولید می کند که ممکن است برای v حل شود، در مورد ما با استفاده از حداقل مربعات QR. الگوریتم ضرایب توزین را می توان با استفاده از آزمون و خطا یا از طریق ساخت یک منحنی مبادله چند بعدی انتخاب کرد. برای عملکرد نامناسب معرفی شده در این مطالعه، شامل محدود کننده فاصله چاه داده شده توسط معادله (2)، ما یک منحنی معامله ساختیم، همانطور که در بالا بحث شد و در شکل س-2 نشان داده شده است.پ
تماس واتساپ: 09190622992 (98+)
شناسه تلگرام مدیر سایت: Basin_Ir_bot@
نشانی ایمیل: www.Basin.ir@Gmail.com
(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)
_______________________________________________________
تماس با ما
تماس واتساپ
گروه تلگرام ما
هشدارهای ما
آمار و اطلاعات
سفارش پروژه
در منابع آب
نظرات (۰)