一项新工具可以预测古老煤田区的地质运动和地下水流动。英国诺丁汉大学开发了一个远程监测工具，帮助相关部门管理最近被废弃的煤矿区的公共安全和环境问题。该工具利用卫星雷达图像捕捉地形高度变化的毫米级测量数据。这些数据可以用于监测和预测地下矿区地质条件和地下水位变化。该项目在英国诺丁汉郡的煤矿区进行了测试，但鉴于全球煤炭需求下降，倾向于更可持续的能源来源，该技术具有全球影响。随着最后一个深矿井——索斯比煤矿在2015年关闭，诺丁汉郡的煤矿区已经被废弃。煤矿关闭后，原先抽净地下水以确保安全的地下水会重新上升，知道恢复到自然水位为止。需要仔细监测废弃煤矿区的地下水回归，以免含有污染物，污染水域和饮用水供应，导致局部洪水，产生矿井下沉，地表升起和重新激活地质断层。这些问题可能导致昂贵和危险的后果，需要在土地重新利用之前加以解决。因此，煤炭管理机构需要关于不断增加的废弃煤矿系统中地下水回升速率的详细信息，以便控制地下水位。衡量煤矿水回升速率和位置对于有效管理废弃煤矿区域的环境和安全风险至关重要，但却很难实现。地下水可能通过矿井之间的空腔和邻近矿井间在不可预见的方向流动，然后在本不会受到风险的区域表面排放。过去，预测煤矿水流动的方法主要依赖煤矿平面图、不准确或不完整的资料，有时甚至是一个世纪前的文档以及钻孔数据。钻孔费用昂贵，每个钻孔约20,000至350,000英镑，并且在广阔的煤田地区遍地开花，存在测量空白。更近年来，通过应用合成孔径雷达干涉技术监测抬升、下沉和其他地质运动。然而，这种技术通常只适用于城市区域，而不是农村地区，因为雷达只能稳定地捕捉城市区域的物体，例如建筑物或轨道，从而定期将信号反射回卫星。该研究使用了一种先进的合成孔径雷达技术，并由诺丁汉大学及其分立公司 Terra Motion Ltd 开发的 Intermittent Small Baseline Subset (ISBAS)。ISBAS 可以计算城市和乡村地形的地形变形测量，有效地映射了煤田地区的地形，而煤田地区往往位于农村地区。这种密集的测量数据使得研究负责人、诺丁汉大学博士生 David Gee 创造出一种成本低廉、简单的方法，模拟地表运动变化与地下水回升之间的关联。这一研究发现了地面运动测量与增加的矿井水位之间的确定性联系。通常情况下，地面下沉或升起是由地下水变化引起的，地层的作用就好比一块海绵，灌满液体膨胀，排空则收缩。通过 ISBAS 数据的完全覆盖，他能够填补钻孔测量之间的空白，对整个煤田地区的矿井水位变化进行绘图。该模型考虑了地质和地下水深度，以确定回升速率并帮助确定与回升相关问题可能出现的地点。这一发现已经发表在期刊《环境遥感》的一篇名为“Modelling groundwater rebound in recently abandoned coalfields using DInSAR”的论文中。首先生成了一个正向模型，估计地表随地下水位变化的上升。David 通过使用 ISBAS InSAR 数据校准和验证了该模型。然后反演了 InSAR 测量值，提供了地下水位变化的估计。随后，倒置速率用于估计地下水位回升所需时间并确定煤田地区最容易发生地表涌流的区域。David 解释说：“合成孔径雷达干涉测量与建模相结合，可协助对先前煤炭开采地点进行的水文地质过程特征化。这种技术有望为最近关闭的煤矿地区的逐步弃用战略做出重要贡献。”合成孔径雷达干涉测量结果提供了关于地下水变化的额外数据来源，可补充钻孔测量。这意味着监测可以远程进行，因此对于负责管理洪水、污染和受污染土地等危险的国家机构（例如环境署）和煤炭管理机构（负责管理地下煤矿开采遗留问题，涉及公共安全和地面沉陷）来说，工作量相对较小。该模型已经发现了煤田地区的某些部分未按预期行事，这可能影响现有的整治计划。David 解释道：“例如，北诺丁汉郡煤田的最深处并未如预期回升，这表明这里的矿井平面图可能不完全准确。通过 ISBAS 和模型确认地面稳定——未来对该地区的监测将有助于确定回升最终会发生的时间。”新工具预测了古老煤矿区的地质运动和地下水流动
一个远程监测工具已经由诺丁汉大学开发，旨在协助当局管理最近废弃的煤矿地区的公共安全和环境问题。
这个工具利用卫星雷达图像捕捉地形高度变化的毫米级测量数据。这些数据可以用来监测和预测地下地质条件和地下水位在前矿区深处的变化。
由于在煤炭开采方面拥有悠久历史，该项目在英国进行了区域范围的测试，但在全球范围内却具有重要的意义，因为世界范围内对煤炭需求下降，人们更倾向于更可持续的能源来源。
该方法在诺丁汉郡的煤矿区进行了实施，在那里最后一座深煤矿——索比煤矿在2015年永久关闭。
深煤矿关闭后，原先抽到地面使矿井安全的地下水就会重新上升，直到恢复到其自然水位，这个过程称为“回弹”。
曾经的矿井地下水的回弹需要仔细监测；由于其中可能含有污染物，它可能污染水道和饮用水供应；可能导致局部洪水；可能引起矿井沉陷、土地上升和重新激活地质断层，如果它上升得太快。这些问题可能导致昂贵且危险的问题，需要在土地重新利用之前解决。
因此，煤炭管理机构需要对其管理的庞大矿井系统的回弹速率有详细信息，以便知道确切何处降低或增加抽水量以控制地下水位。
因此，测量矿井水回弹速率和位置对于有效管理前煤矿区的环境和安全风险至关重要，但难以实现。地下水可能通过矿井之间和之间的空腔以意想不到的方向流动，并在预计不会有风险的地区从地表泄漏。
在过去，预测地下水会流向何处大多依赖矿井计划；不精准或不完整的文档有时已有100多年历史；以及钻孔数据。每个钻孔成本约为20,000至35万英镑，钻孔昂贵且通常在广阔的煤矿区域内分布稀少，留下测量空缺。
最近，通过应用合成孔径雷达干涉（InSAR）技术对从雷达卫星获取的图像进行监测来监测地表隆起、沉降和其他地质运动。然而，这种干涉法技术历史上仅适用于城市区域（而不是农村区域），在那里雷达可以捕捉地面上稳定的物体，如建筑物或铁轨，以便能够定期反射回卫星。
这项研究使用了由诺丁汉大学及其分离的公司Terra Motion Ltd开发的先进InSAR技术，称为间歇小基线子集（ISBAS）。InSAR使用每隔几天或几周拍摄的相同位置的卫星图像堆叠，从而可以捕捉随时间发生的最微小的地形变化。独特的ISBAS InSAR可以计算城市和农村地形上的地面变形测量数据。这在绘制常位于农村地区的前煤矿区时具有优势。例如，诺丁汉郡的煤矿区中，地表主要由农田、牧场和半自然地区组成，占约80%。
由于有这么密集的测量数据，研究负责人、诺丁汉大学博士生大卫·吉（David Gee）可以开发出一种成本效益和简单的方法，来根据地表运动变化来模拟地下水回弹。研究发现地面运动测量和地下水水位上升之间存在着明确的关系。地表沉陷或上升通常是由地下水变化引起的，当沉积物起到类似海绵的作用时，充满液体时膨胀，排空时收缩。
在InSAR数据的几乎完整空间覆盖下，他可以填补钻孔之间的测量空缺，以绘制整个煤矿区的地下水水位变化。该模型考虑了地质和地下水的深度，以确定回弹速率的真实情况，并帮助确定可能发生回弹问题的地方。
这些研究成果已经发表在期刊《环境遥感》的一篇论文《利用DInSAR在最近废弃煤矿区建模地下水回弹》中。
首先生成了一个正向模型，用于估计地表隆起，以响应监测钻孔中测量的地下水位变化。大卫利用ISBAS InSAR在ENVISAT和Sentinel-1雷达数据上进行了校准和验证这一模型。然后，他反转了InSAR测量结果，提供了地下水位变化的估计值。随后，反转的速度用来估计地下水回弹需要多长时间，并且确定最有可能发生地表排放的煤矿区域。
“当InSAR测量与建模相结合时，可以帮助表征前煤矿地点发生的水文地质过程。该技术有望在新近关闭的煤矿区的逐步停产战略中发挥重要作用。”David说。
InSAR研究结果为地下水变化提供了补充的数据来源，补充了钻孔测量。这意味着可以通过远程监测来进行监测，因此对于像英国环境局（负责管理洪水、污染和受污染土地等危险）和煤炭管理机构（负责管理地下煤矿开采的后遗产，以确保公共安全和地面沉陷）这样的国家机构来说，工作量较少。
该模型已经发现，一些煤田中的地区并非如先前预测的行为，这可能会影响现有的整治计划。
David解释说，“例如，北诺丁汉煤田的最深部并未如预期般回弹，这表明这里的矿井规划可能不完全准确。这一稳定性由InSAR和模型确认了，对这一区域的未来监测将有助于确定回弹最终何时可能发生。
“该项目的下一步是将我们的研究结果整合到英国环境局和煤炭管理机构已经开发的现有筛查工具中，以帮助当地规划机构、开发商和顾问在煤矿区设计可持续排水系统。首次在区域范围内生成的结果具有应用到整个英国煤矿区的潜力，借助国家InSAR地图的帮助，“David补充道。
来自英国地质调查局的高级遥感地质学家卢克·贝茨顿（Luke Bateson）表示，“InSAR数据提供了一个出色的机会来揭示地面的移动方式，然而，我们需要像大卫这样的研究，以了解这些地面运动与何相关，并且它们代表了什么。大卫的研究不仅提供了这种理解，还提供了一种工具，可以将InSAR地面运动转换为关于地下水位的信息，从而可以用来做出明智的决策。”
Terra Motion Ltd首席技术官安德鲁·索特尔博士解释说，“这样的研究展示了对我们这样一个小型商业公司的价值，我们投资于与大学的合作。我们现在拥有了一种显著验证的结果，这基于我们的ISBAS InSAR方法，得到了一系列重要利益相关者的支持。这将使我们能够进一步扩展市场，应用范围涵盖以往被认为对于更传统的InSAR技术困难的广泛关键应用，特别是与地下流体提取和注入有关的市场，以及在更温和的、植被茂密的地区。”
这项研究由大卫·吉带领，并由地质能源研究中心（GERC）和Terra Motion有限公司资助。欧洲空间局提供了ENVISAT和Sentinel-1 SAR数据；英国地质调查局提供了地质数据，煤炭管理机构提供了水文地质数据。
故事来源
更多信息请联系论文作者、GERC博士大卫·吉，邮箱：david.gee@nottingham.ac.uk或工程学媒体关系经理Emma Lowry，邮箱：emma.lowry@nottingham.ac.uk
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