吳豪等

摘要：隨著城市的開發(fā)與水資源的短缺，地下水資源越來越受到人們的關(guān)注與重視，而在水文學(xué)的地下水分支中，給水度又是研究一個(gè)水系、流域的重要屬性，傳統(tǒng)的給水度測(cè)量方法主要有筒測(cè)法、水量平衡法等方法，但是這些方法都費(fèi)時(shí)費(fèi)力，隨著科技的進(jìn)步亟需一種能夠快速大范圍高精度的測(cè)量蓄水層給水度的新方法。2002年美國航空航天局與德國航天中心聯(lián)合發(fā)射了用來測(cè)量地球的變化的GRACE重力衛(wèi)星，已經(jīng)有過的研究表明，通過GRACE衛(wèi)星發(fā)回的數(shù)據(jù)的處理，能夠反演出陸地地下水的蓄水量變化，而通過蓄水量與給水度的關(guān)系，又能在對(duì)監(jiān)測(cè)井水位的不斷觀測(cè)下得出該地區(qū)的地下水的給水度。本文選取了海河流域作為的研究區(qū)，通過研究驗(yàn)證GRACE反演地下水給水度的可行性。

關(guān)鍵詞：給水度；重力衛(wèi)星； 海河流域

1. 引言

地下水是一種重要的自然資源，又是環(huán)境構(gòu)成的基本要素。它是自然界水循環(huán)的重要組成部分，是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，與人類活動(dòng)和生存息息相關(guān)。而給水度是水文學(xué)中的重要參數(shù)，通過給水度，可以分析計(jì)算地下水資源的狀況，只有客觀認(rèn)知給水度的變化規(guī)律以及估測(cè)值，才能夠正確的對(duì)地下水資源進(jìn)行量化的估算。對(duì)于淺層地下水來說， 給水度μ是指在重力的作用下，地下水位下降一定深度后，地下水位附近延長(zhǎng)到地球表面的水平面積巖石柱體釋放出來的水的體積。同時(shí)它等于容水度減去持水度之差。

在傳統(tǒng)的水文學(xué)中，有很多方法來確定給水度，常用的有筒測(cè)法、水量平衡法和抽水試驗(yàn)法等[1]。

而近幾十年以來，在海河流域水資源緊缺的大背景行下，人們通過在海河流域的各個(gè)水系與水域的各支流中上游地區(qū)修建了大量蓄水工程，來緩解水資源緊缺問題和實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)綜合興修水利的目的[4]。而海河流域斷流天數(shù)逐年增加，這是由于海河流域的地下水流入與產(chǎn)出極不平衡，因此解決這個(gè)平衡就是當(dāng)務(wù)之急，而給水度又是了解海河流域水文性質(zhì)的一個(gè)重要因素，因此本篇文章主要簡(jiǎn)述一個(gè)從GRACE數(shù)據(jù)反演海河流域給水度的新方法。

2. 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)分析

2.1研究區(qū)概況

海河流域東至渤海，西臨太行，南抵黃河，北接蒙古高原。流域總面積31.82萬平方公里，占全國總面積的3.3%。海河流域包括海河、徒駭馬頰河和灤河3大水系、7大河系、10條骨干河流。其中，海河水系是主要水系，由南部的大清河、漳衛(wèi)河、子牙河和北部的薊運(yùn)河、潮白河、北運(yùn)河、永定河組成；灤河水系包括灤河及冀東沿海諸河；徒駭馬頰河水系位于流域最南部，為單獨(dú)入海的平原河道。但海河流域人均水資源量?jī)H相當(dāng)于300立方米。

2.2研究數(shù)據(jù)

2.2.1 GRACE數(shù)據(jù)

通過GRACE所觀測(cè)到的地球重力場(chǎng)的變化，人們能夠反演出地球地下水層水儲(chǔ)量的變化，例如區(qū)域性的地下水水儲(chǔ)量，Wahr etal[3]～[4]運(yùn)用11個(gè)月的GRACE數(shù)據(jù)反演出了在3 個(gè)大水系盆地內(nèi)反演了水儲(chǔ)量的變化（密西西比、亞馬遜和1 個(gè)匯入孟買灣的水系） ，所估計(jì)的水儲(chǔ)量年變化的精度達(dá)1～5cm. 利用GRACE 重力數(shù)據(jù)研究陸地水來源可估計(jì)密西西比盆地的蒸發(fā)量。本次研究所采用的GRACE數(shù)據(jù)是基于美國德克薩斯空間研究中心制作的2007～2009年的RL4.O數(shù)據(jù)。

2.2.2 GLDAS數(shù)據(jù)

全球陸面同化系統(tǒng)（Global Land Data AssimilationSystem，GLDAS） 是由美國航空航天局（NASA）戈達(dá)德空間飛行中心（GSFC） 和美國海洋和大氣局（NOAA） 國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP） 聯(lián)合發(fā)展的全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，GLDAS 是一個(gè)全球高分辨率的陸面模擬系統(tǒng)，它融合來自地面和衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)來提供最優(yōu)化近實(shí)時(shí)的地表狀態(tài)變量[5]～[6]。本次研究采用的數(shù)據(jù)是2007～2009年GLDAS 的空間分辨率為1°×1°時(shí)間分辨率為1個(gè)月的數(shù)據(jù)。

2.2.3 水文氣象數(shù)據(jù)

本研究所用地下水埋深數(shù)據(jù)來源于《中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)地下水位年鑒》，時(shí)間段為2007 年1月至2009年12 月共計(jì)36個(gè)月。每月的地下水觀測(cè)井點(diǎn)均大于143 個(gè)，且觀測(cè)數(shù)據(jù)包含潛水位和承壓水位[7]。

3. 研究方法簡(jiǎn)析

3.1 傳統(tǒng)研究方法局限性

常用的給水度測(cè)定方法有：筒測(cè)法、野外原位測(cè)試法、疏干漏斗法、電測(cè)法、實(shí)驗(yàn)室法、抽水試驗(yàn)法及有限插分計(jì)算法等。這些方法在測(cè)試手段上， 或者在測(cè)定結(jié)果精度方面及其代表性， 都存在局限性[8]。而隨著水文地質(zhì)學(xué)和我國各個(gè)流域的實(shí)際需要，亟需一種新方法來對(duì)給水度進(jìn)行宏觀上大范圍的測(cè)定。

3.2 GRACE計(jì)算給水度原理分析

陸地蓄水量（Terrestrial Water Storage，TWS）的變化是由于同一流域中不同土壤的蓄水能力而變化，而GRACE衛(wèi)星觀察到的陸地蓄水量的變化則包括了地下水、土壤含水、地表水（包括湖、河、運(yùn)河以及稻田）、地表的雪、冰和地表生物含水變化的。以前的研究表明，土壤的濕度和地下水是影響陸地蓄水量的主要因素，而雪、冰、地表水、和生物質(zhì)能對(duì)其影響則相對(duì)較小。而在一些流域中，能夠觀測(cè)到地表水對(duì)于總蓄水量改變的貢獻(xiàn)小于1%，因此在本次研究中，假設(shè)陸地蓄水量的變化主要是由土壤濕度以及地下水所決定的，由此，能夠得到下面這個(gè)公式：

（1）

這里的改變量是每月觀測(cè)改變量，SM是指土壤濕度（soil moisture），GWS是地下水蓄水能力（groundwater storage），SM在本文里指的是容積土壤含水量，也就是在土壤中存儲(chǔ)的水分。

在這里，地區(qū)性的水儲(chǔ)量變化是根據(jù)從海河流域的分布式監(jiān)測(cè)井的時(shí)間序列得到的。為了將這些監(jiān)測(cè)井的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地下水波動(dòng)的平均時(shí)間序列，而在這里，觀測(cè)井位的水高變化會(huì)乘以給水度，給水度是取值為0～1之間的值，每個(gè)月的數(shù)據(jù)都需要減去平均的水位高度以算出水位高度變化值，這樣就得到了一個(gè)監(jiān)測(cè)井水位高度、地下水蓄水能力以及給水度之間的關(guān)系公式[9]：endprint

（2）

這里的改變量是每月觀測(cè)改變量，GWS是地下水蓄水能力（groundwater storage），H是水位高度，就是給水度。

將公式（1）和公式（2）聯(lián)立，就可以得到給水度的具體計(jì)算公式：

在這里△TWS數(shù)據(jù)可以通過GRACE衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理后得到，△SM數(shù)據(jù)可以根據(jù)GLDAS得到，而△H也能根據(jù)監(jiān)測(cè)井的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值從而得到。

4.結(jié)果與討論

通過以上數(shù)據(jù)并分別用ArcGIS進(jìn)行柵格計(jì)算，可以得出年均給水度分布示例圖如下（以2007～2009年為例）：

而通過Excel則可以計(jì)算并統(tǒng)計(jì)海河流域平均給水度的變化趨勢(shì)圖如下（以2005～2009年為例）：

從ArcGIS計(jì)算出來的海河流域給水度值可以看出各個(gè)地區(qū)的給水度之間的差異，而影響給水度的主要因素有含水層的巖性、潛水面深等，通過觀察2009年各個(gè)月份的給水度圖像可以看出海河流域中部一部分的給水度與周邊地區(qū)有明顯差異，說明該地區(qū)的含水層成分較為特殊，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，可以知道這一部分地區(qū)可能是北京燕山山前地區(qū)。而從得到的Excel給水度圖表中能夠直觀的得出海河流域各個(gè)月份給水度的變化狀況，可以看出海河流域給水度全年保持在0.005～0.025之間，但是2008年12月出現(xiàn)一個(gè)峰值，達(dá)到0.045。

5.結(jié)論

從結(jié)果中可以看到有ArcGIS得到的數(shù)據(jù)與以往海河流域經(jīng)驗(yàn)給水度數(shù)據(jù)較為接近，而Excel生成的數(shù)據(jù)卻偏小，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是因?yàn)樵诓逯颠^程中因?yàn)榫环植嫉牟町惒⑶矣行┪恢镁痪嚯x太近，從而造成了插值結(jié)果的不準(zhǔn)確，某些局部地區(qū)的給水度會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，而用Excel的方法并沒有糾正這些誤差，因而造成了整體給水度偏小，誤差較大，而ArcGIS中最后由人工糾正從而糾正了這些誤差因此比Excel更為優(yōu)越。

然而這種方法由于插值方法的局限性以及不成熟，造成了結(jié)果并不十分準(zhǔn)確，另外由于研究區(qū)域范圍比較小以及觀測(cè)井互相影響的原因，也造成了實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的給水度不平滑，與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值相差較多。但作為一種新的研究方向，相對(duì)于傳統(tǒng)的給水度測(cè)量方法，通過GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)來對(duì)計(jì)算海河流域乃至其他流域的給水度是一個(gè)十分可行的新方法。今后的研究方向應(yīng)該是尋找一種能夠排除相近井位干擾的得到相對(duì)準(zhǔn)確的承壓層水位柵格圖的插值方法，經(jīng)過這種精確地插值，這種方法不僅僅能夠以極快得效率得到大范圍地區(qū)的給水度特征，更能夠使給水度的計(jì)算值十分準(zhǔn)確，從而能夠在相同精度的要求下比傳統(tǒng)方法更加省時(shí)省力的得到給水度的值。

6.參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：吳豪，（1990-），男，遼寧大連人，碩士在讀研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟮乩硇畔⑾到y(tǒng)。電子郵箱：wuhao_seer@163.com

通訊作者：孫永華，博士，講師，電子郵箱：syhua1982@163.comendprint