Aquaculture-associated land subsidence in coastal Pingtung, Taiwan, from InSAR, GNSS and leveling observations
本研究利用多源大地測量數據（InSAR、GNSS 及水準測量）來表徵台灣屏東沿海由活動式養殖引起的陸地沉陷，揭示了顯著的季節性可恢復性以及對該地區構成持續洪水風險的長期累積性下沉。
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想象一下，你脚下的土地不仅仅是一个坚实、不变的舞台，而是一个巨大的、软绵绵的海绵。在世界许多地方，尤其是沿海地区，这种海绵是由沙、淤泥和粘土层组成的。通常情况下，水充满了海绵中的微小孔隙，帮助它支撑起自身。但当我们抽取过多的水时，海绵就失去了内部支撑。上方建筑、树木和空气的重量开始将海绵压扁，导致地面下沉。这被称为“地面沉降”。这是一个隐蔽的问题，因为它发生得很缓慢，但却可能毁掉道路、淹没低洼城镇，并让海水向内陆蔓延。为了捕捉这种正在发生的沉降，科学家使用了三种主要工具：他们用超精密尺子测量地面（水准测量）、利用绕地球运行的卫星追踪地面移动情况（GNSS），以及使用来自太空的雷达波束对地表进行数千次“拍照”，测量距离的微小变化（InSAR）。这就像是通过无人机观察床垫是否凹陷，用激光检查，并让朋友站在上面看它下沉了多少。
这篇论文是一个关于台湾南部，特别是屏东沿海地区某块特定“下沉海绵”的侦探故事。该地区以鱼塭（水产养殖）闻名，而这些鱼塭需要大量的用水。研究人员想要知道：地面下沉是因为鱼塭吗？下沉的速度有多快？以及当降雨时，地面是否会回弹？
为了解决这个问题，团队使用了来自名为 Sentinel-1A 卫星的 108 幅雷达图像，这些图像拍摄于 2021 年 4 月至 20 24 年 12 月之间。他们将地面视为一个巨大的拼图，使用一种称为 PS-InSAR 的技术来寻找稳定的点（如屋顶或混凝土），这些点可以作为测量移动的锚点。但这里有一个转折：台湾这一部分的地面不仅会上下移动，还会因为构造板块的移动而发生侧向滑动。如果你只观察雷达的“视线方向”（卫星看到的角度），就像是在看墙上的影子——你无法分辨物体是在远离你，还是仅仅在向侧面滑动。研究人员必须使用来自四个地面 GPS 站的数据来确定地面究竟向侧面滑动了多少，从雷达数据中减去这部分位移，从而分离出真实的垂直沉降量。
以下是他们的发现：
沉降热点
地面下沉并不均匀。它就像一个中间凹陷很深的床垫。拥有密集鱼塭的临 biển（Linbian）和佳东（Jiadong）地区是最大的问题区域。在这些地区，地面下沉得很快。相比之下，房角寮（Fangliao）镇和一些内陆地区相对稳定，几乎没有移动。下沉地面的分布图与鱼塭的分布图完美吻合，这表明抽取大量地下水用于鱼塭是主要的罪魁祸首。
下沉速度
沉降并不是一种单调、乏味的行进；它会根据天气情况加速或减速。
- 2021–2022年： 地面以中等速度下沉，在热点地区约为每年 19 至 24 毫米。
- 2022–2023年： 这是最糟糕的一年。在一次极少降雨的长干旱期间，地下水位下降，地面像石头一样坠落。在最严重的地点（靠近 DLIO 站），地面的下沉速率约为每年 79 至 100 毫米。这几乎是每年 4 英寸！
- 2023–2024年： 在经历了一个多雨季节后，随着降雨增加，地下水位上升，下沉速度显著放缓，约为每年 11 至 27 毫米。
地面会回弹吗？
这是最有趣的部分。地面表现得像一个被拉伸得太厉害的弹簧。当 2023 年底降雨到来时，靠近沉降热点的地面确实轻微回弹了一些。这被称为“回弹”，这意味着部分下沉只是海绵暂时挤出了水分。然而，地面并没有回到原来的高度。它仍然比之前要低。这告诉我们，虽然有些下沉是暂时的、可以通过降雨修复的，但有很多是永久性的。海绵被压得太狠了，以至于无法完全弹回原状。
验证工作
研究人员并没有仅仅信任他们的雷达。他们将卫星发现的结果与来自 89 个精确水准基准点（如地面上的测量标记）和 GPS 站的实际测量结果进行了对比。
- 匹配度： 在修复“侧向滑动”问题之前，他们的雷达数据与地面测量值相比略有偏差。但在修正了水平运动后，雷达数据与地面测量值的吻合度大大提高。当他们将其与水准测量数据进行比较时，相关性（即两者吻合程度）从较弱的 0.624 跳升到了强劲的 0.793。
- 误差： 即便在修复一切之后，仍然存在微小的差异。雷达和地面测量值并未完美一致，平均误差（RMSE）约为每年 9.2 至 11.5 毫米。这并不是因为雷达错了，而是因为雷达观测的是一个广阔区域，而地面标记只观察一个微小的点，且雷达必须从倾斜的角度推测精确的垂直运动。
底线结论
这项研究证实，屏东沿海的鱼塭正在导致地面下沉，这既是由于干旱时期地下水位下降导致的临时“挤压”，也是由于降雨也无法完全恢复的永久性“压实”。地面在 2022 年和 2023 年的干旱年份下沉最快，但在降雨回归后速度放缓。虽然地面会有一定的回弹，但它并不能完全恢复，这意味着土地正在随时间推移而降低。对于低洼的沿海地区来说，这是个坏消息，因为随着土地下沉，排水会变得更加困难，海水更容易淹没街道。研究人员建议，要真正解决这个问题，我们需要用“两只眼睛”（卫星和地面站）同时监测地面，并谨慎管理用水，因为一旦那块海绵被压扁，就很难再把它“压回来”了。
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