趙應麗 沈 強 馮 偉 汪漢勝 高 凡 賴偉玉 劉甜甜

1 中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院大地測量與地球動力學國家重點實驗室, 武漢市徐東大街340號， 430077 2 中國科學院大學地球與行星科學學院，北京市玉泉路19號甲， 100049 3 中山大學測繪科學與技術學院，廣東省珠海市大學路2號， 519082

水的運移和重分布是水圈與其他圈層進行物質交換的重要途徑，因此精確評估陸地水儲量變化是全球水循環(huán)研究的重點。目前常用的陸地水變化觀測方法主要包括地面站點觀測、遙感衛(wèi)星觀測以及水文模型模擬等，但上述方法均存在局限性：地面站點觀測存在站點分布不均勻、布設耗時耗力、觀測范圍小等缺點；遙感衛(wèi)星觀測僅能獲取土壤淺層水含量，深層地下水的獲取十分困難；水文模型本身就具有一定的不確定性(誤差)，且在數(shù)據(jù)資料缺失的地區(qū)很難準確模擬出陸地水儲量變化。GRACE衛(wèi)星測量能夠有效避免上述缺點。自2002年以來，相關學者利用GRACE衛(wèi)星對陸地水循環(huán)、冰蓋和冰川質量平衡、海平面變化和海底壓力變化等方面進行廣泛研究[1-3]。還有學者利用GRACE重力衛(wèi)星觀測的全球時變重力場來研究流域水儲量變化：胡小工等[4]和許民等[5]分析并預測長江流域陸地水的季節(jié)、時空變化發(fā)現(xiàn)，長江流域水儲量呈逐月增長的趨勢；李曉英等[6]結合GRACE和MODIS數(shù)據(jù)對長江流域水儲量變化進行研究；嚴家寶等[7]對2002～2015年中國陸地水儲量的變化趨勢和時空分布規(guī)律進行研究。

流域是研究水儲量變化的重要自然單元，流域尺度水儲量變化的研究，對包含在該流域內的區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水以及工業(yè)用水等具有重要意義，同時有助于促進中國經(jīng)濟建設、開展天氣預報及干旱、洪水等災害預測。因此，本文以流域為研究單元，利用GRACE數(shù)據(jù)開展全國七大流域(長江、黃河、珠江、淮河、海河、松花江、遼河)長時間水儲量變化研究，以期更全面地了解中國流域水儲量變化特征。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 GRACE產(chǎn)品

本文采用得克薩斯大學空間研究中心CSR發(fā)布的Level-2 RL06版本數(shù)據(jù)的60階GSM產(chǎn)品，并對C20、C21、C22以及1階項進行替換。由于GRACE與GRACE-FO衛(wèi)星中間有1 a多的數(shù)據(jù)間斷期，因此提取國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心公布的“中國區(qū)域基于降水重構陸地水儲量變化數(shù)據(jù)集(2002～2019)”第164～174個月(2017-07～2018-05)的數(shù)據(jù)作為替代，進行陸地水儲量變化估計。

1.2 降雨及氣溫數(shù)據(jù)

本文采用的降水、氣溫數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心公布的“中國區(qū)域地面氣象要素驅動數(shù)據(jù)集”。該數(shù)據(jù)集是基于現(xiàn)有的Princeton再分析數(shù)據(jù)、GEWEX-SRB輻射數(shù)據(jù)、GLDAS數(shù)據(jù)和TRMM降雨數(shù)據(jù)，結合中國氣象局常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)制作而成。

2 原理與方法

利用時變重力場解算地表質量密度變化：

[ΔClmcos(mλ)+ΔSlmsin(mλ)]

(1)

本文采用300 km高斯平滑來降低高階噪聲的影響[8]，采用Swenson去條帶方法處理條帶誤差[9]，利用尺度因子進行泄露誤差處理[10]，利用GIA模型進行GIA改正[11]。

區(qū)域水質量變化的平衡方程為：

dTWS/dt=P-E-R=ΔSWES+ΔSMS

(2)

式中，P為降雨量，E為蒸散發(fā)量，R為徑流量，ΔSWES為土壤水變化量，ΔSMS為積雪變化量。

3 中國主要流域的水儲量變化

七大流域2002～2018年水儲量變化趨勢的空間分布見圖1，各流域陸地水儲量變化的時間序列見圖2。

圖1 各流域2002～2018年水儲量變化趨勢的空間分布

圖2 各流域陸地水儲量變化的時間序列

長江流域是我國面積最大的內陸河流域。由圖1(a)可見，長江流域陸地水從湖南省一帶向四周逐漸減少，流域上游部分位于青藏高原，陸地水從唐古拉山脈到青海省逐漸增加，四川省東部地區(qū)陸地水最少，湖南省陸地水最多。由圖2(a)可見，在研究時段內，長江流域陸地水整體呈上升趨勢，年平均增長率為3.84±0.7 mm/a。陸地水變化的季節(jié)性特征顯著，每年夏季陸地水最多，且整季呈盈余狀態(tài)；秋季陸地水次之；春季陸地水少于秋季陸地水；冬季陸地水最少，且呈虧損狀態(tài)。這與許民等[5]、李曉英等[6]等的研究結論相同。

由圖1(b)可見，黃河流域水儲量由東至西呈遞增趨勢，流域東部水儲量虧損，西部水儲量盈余。流域內山西省的水儲量最少，因為山西省是我國的產(chǎn)煤大省，煤炭資源開采致使山西省地下水流失，間接導致該地區(qū)陸地水虧損[12]。由圖2(b)可見，黃河流域水儲量總體呈下降趨勢，以每年-2.65±0.8 mm等效水柱高的速率逐漸減少。

由圖1(c)可見，珠江流域內水儲量由北到南整體呈遞減趨勢，流域內水儲量呈盈余狀態(tài)。由圖2(c)可見，珠江流域內水儲量呈上升趨勢，年平均增長率為4.87±1.1 mm/a。水儲量變化的季節(jié)、年際特征顯著。

由圖1(d)的空間分布來看，淮河流域陸地水分布不均勻，水儲量由南至北逐漸減少，陸地水北少南多。由圖2(d)可見，淮河陸地水儲量整體呈下降趨勢。2011年流域內多地出現(xiàn)嚴重旱情，導致該年陸地水儲量虧損。

由圖1(e)可見，海河流域陸地水由南至北呈增加趨勢，陸地水儲量長期呈虧損狀態(tài)，該區(qū)域地下水的超采導致陸地水虧損嚴重[13-14]。由圖2(e)可見，海河流域水資源下降趨勢非常顯著，以每年5.96±0.6 mm等效水柱高的速率減少。

由圖1(f)可見，松花江流域水儲量由北向南逐漸減少，水儲量長期呈盈余狀態(tài)。由圖2(f)可見，松花江流域水儲量整體呈上升趨勢，年平均增幅為4.52±1.1 mm/a。

由圖1(g)可見，遼河流域陸地水儲量南少北多，由南至北遞增，流域內的河北省部分陸地水儲量呈長期虧損狀態(tài)，其余區(qū)域均呈盈余狀態(tài)。由圖2(g)可見，遼河流域水儲量整體呈微弱負增長，年平均減少率為0.54±0.9 mm/a。

4 七大流域水儲量變化的影響因素分析

本文利用中國區(qū)域地面氣象要素驅動數(shù)據(jù)集中的降雨、氣溫數(shù)據(jù)分析七大流域水儲量變化與氣象要素季節(jié)性響應的時空分布規(guī)律。由于CSR中部分月份數(shù)據(jù)缺失，因此采用三次樣條曲線法對缺失月份進行插值求取。

氣候、地形、地理位置的差異及人類活動的影響導致各流域降雨量及氣溫差異明顯(圖3)。結合圖3(c)和表1可見，珠江流域、長江流域水儲量變化的振幅較大，其降雨量和氣溫也高于其他流域。結合圖3和式(2)可知，降雨、氣溫通過影響陸地水循環(huán)間接影響著陸地水儲量變化。

圖3 2002～2018年的降雨量、氣溫、陸地水儲量變化周年振幅的空間變化

表1 中國主要流域水儲量周年、半周年及長期變化趨勢

4.1 降雨和氣溫變化

氣溫可以通過影響蒸散發(fā)量間接影響陸地水循環(huán)。各流域氣溫與降雨量的變化基本一致，季節(jié)性變化特征顯著，每年夏秋季降雨量多、溫度高，春冬季降雨量少、溫度低(圖4)。

圖4 各流域降雨量、氣溫與水儲量變化

由圖4(a)可見，長江流域水儲量與降雨量均呈逐年上升趨勢，水儲量變化的極值與月降雨量的對應關系較好，流域水儲量與降雨量的季節(jié)變化特征較為一致。2004-01～02的水儲量在研究時段內達到最小值，2002～2008年期間發(fā)生多次干旱事件[15]，2010年的特大洪水導致該年長江流域水儲量增加。由圖4(c)可見，珠江流域水儲量變化與降雨量變化趨勢相符，枯水期流域內陸地水儲量顯著下降，豐水期明顯增加。2008-06該流域內多地發(fā)生嚴重洪澇災害，導致該年水儲量高于多年均值。長江中下游區(qū)域、珠江流域溫度高、降雨量充沛(圖3)，雖然2個區(qū)域的溫度高、蒸散發(fā)量大，但其強降雨量能夠滲透補給區(qū)域地下水。由此可知，氣候和降雨是影響流域水儲量變化的主要因素，其中降水占主導作用，長江、珠江流域豐富的降水使其陸地水儲量呈盈余狀態(tài)。

由圖4(b)可見，黃河流域降雨時間分布不均勻，流域水儲量總體波動變化明顯，年際變化顯著。每年9～10月黃河流域水儲量達到該年最大值，2002～2003年降雨量減少導致黃河流域干旱，同期水儲量減少，說明降雨是影響黃河流域水儲量變化的關鍵因素之一。由圖4(d)、(e)可見，2010-06～07淮河、海河流域溫度在研究時段內達到峰值，降雨量少，蒸散發(fā)作用占主導地位；干旱加劇，陸地水儲量減少。

由圖4(f)可見，松花江流域水儲量變化的年際波動較大，2007年受北方大旱影響，流域降雨量較少，水儲量明顯下降。研究發(fā)現(xiàn)，降水量的增加導致該流域水儲量盈余，與之前的研究結果相同[13]。由圖4(g)可見，遼河流域陸地水變化波動較小，2002～2009年降雨量逐年減少，在此期間流域水儲量也持續(xù)下降；2010～2013年降雨量持續(xù)上升，水儲量也呈整體上升趨勢。2006～2008年松花江、遼河流域氣溫升高、降雨量少，在2 a的干旱條件下，水儲量顯著下降。總體來看，各流域水儲量的峰值會晚于降雨量峰值，這是因為降雨通過水循環(huán)轉換為陸地水儲量，其轉換過程需要一定時間。

4.2 人類活動

淮河、海河流域溫度較高、降雨量少、氣候溫暖干燥、人口密度較大，為滿足飲用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉等用水需求，淮海流域地下水被過度開采[16]，地下水消耗的速度遠超自然補給(降雨)，因此2個區(qū)域的水儲量長期呈虧損狀態(tài)。人類活動破壞了植被，導致黃河中游陸地水虧損[15]；由于煤炭資源的開采，山西省地下水流失，間接導致該地區(qū)陸地水虧損[12]。

工程建設、退耕還林及自然保護區(qū)的建立也影響著陸地水變化：2003年三峽水庫開始蓄水，水庫調蓄使得水儲量增加；南水北調工程對緩解淮海流域長期的陸地水儲量虧損具有重要意義。

5 結 語

本文利用2002～2018年167個月的GRACE、GRACE-FO月平均重力場數(shù)據(jù)，分析各流域水儲量的整體變化趨勢及水儲量變化的影響因素。流域水儲量變化趨勢如下：遼河、海河、黃河和淮河流域水儲量以每年0.54±0.9 mm、5.96±0.6 mm、2.65±0.8 mm、1.94±1.2 mm等效水柱高的速率減少；松花江、長江和珠江流域水儲量以每年4.52±1.1 mm、3.84±0.7 mm、4.87±1.1 mm等效水柱高的速率增加。流域陸地水儲量變化沒有明顯的地域分布特征。

珠江、長江和淮河流域水儲量變化的周年及半周年振幅較大且季節(jié)性特征顯著。黃河、海河、松花江和遼河流域陸地水儲量變化的周年及半周年振幅較小，季節(jié)性特征不明顯。分析降雨、氣溫以及人類活動對流域水儲量變化的影響發(fā)現(xiàn)，GRACE反演的水儲量變化與降水量變化有較好的一致性。由于降水通過蒸發(fā)、徑流等一系列過程轉化為水儲量需要一定時間，因此流域水儲量變化滯后于降雨量變化。豐沛的降雨量使得長江、珠江流域水儲量呈盈余狀態(tài)，三峽水庫蓄水使得長江中游水儲量增加，而工農(nóng)業(yè)用水導致地下水被過度開采是淮海流域水儲量虧損的主要影響因素。