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黃河流域地下水儲量時空演變特征及影響因素分析

2024-09-23 00:00:00劉家宏周美林邵薇薇
人民黃河 2024年9期

關(guān)鍵詞:GRACE;地下水儲量;耦合算法;氣候變化;植被;黃河流域

中圖分類號:P641.7;TV882.1 文獻標志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.09.010

引用格式:劉家宏,周美林,邵薇薇.黃河流域地下水儲量時空演變特征及影響因素分析[J].人民黃河,2024,46(9):67-73.

地下水是重要的淡水資源,對干旱和半干旱區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活和生態(tài)系統(tǒng)的維持具有重要的支撐[1]作用。過去幾十年,受氣候變化和人類活動影響,地下水灌溉區(qū)域地下水位下降明顯[2] 。氣候變化對地下水系統(tǒng)具有直接和間接影響,直接影響表現(xiàn)為改變地下水補給量或消耗量,間接影響為改變地下水利用方式。這些影響同時受土地利用等因素的顯著調(diào)控[3] 。鑒于缺乏足夠的地下水位監(jiān)測井和對復(fù)雜水文地質(zhì)信息的全面了解,量化長時間尺度地下水變化及分析氣候和人類活動對其造成的影響具有挑戰(zhàn)性。

重力恢復(fù)及氣候?qū)嶒灒ǎ牵遥粒茫牛┬l(wèi)星于2002 年4月成功發(fā)射以來,有效監(jiān)測地球重力場變化。其繼任衛(wèi)星GRACE Follow-On 于2018 年發(fā)射,為地表質(zhì)量變化持續(xù)監(jiān)測提供支撐。依據(jù)GRACE/ GRACE Follow-On監(jiān)測數(shù)據(jù)通過對地表質(zhì)量變化的反演進而得到陸地水儲量變化,是全球和區(qū)域尺度陸地水儲量變化監(jiān)測的重要手段[4-6] 。陸地水儲量包含地表水、土壤水、地下水、冰川積雪等,基于水量平衡原理去除其他分量后,可得到地下水儲量的變化情況,該模式在地下水研究中得到廣泛應(yīng)用[7] 。Feng 等[8] 根據(jù)2003—2010 年GRACE 衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)和地面測量數(shù)據(jù),基于水量平衡法估算了華北地區(qū)地下水儲量變化,估算結(jié)果與同一時期監(jiān)測井站估計結(jié)果一致。Zhong 等[9] 利用水量平衡法估算了2005—2011 年遼河西部地下水儲量的變化,評估了該地區(qū)地下水枯竭狀況。Xu 等[10] 利用GRACE 和全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(Global Land Data Assimilation System,GLDAS)數(shù)據(jù)評估了華北平原地下水長期變化趨勢,并分析了降水和南水北調(diào)工程的影響。

黃河流域位于干旱和半干旱氣候區(qū),水資源供需矛盾十分突出。流域地表水資源開發(fā)利用率已達80%,超過流域水資源承載能力[11] 。地下水資源在流域水資源安全和生態(tài)保護方面具有至關(guān)重要的作用。氣候變化背景下黃河流域氣溫顯著升高,降水量減小。作為生態(tài)系統(tǒng)敏感區(qū)域,加之退耕還林還草工程的實施,黃河流域植被覆蓋面積顯著增加[12] 。許多學(xué)者對黃河流域地下水變化進行了相關(guān)研究。Lin 等[13] 依據(jù)水量平衡原理,利用時間穩(wěn)定性分析識別了2003—2016 年黃河流域地下水波動的熱點和代表性監(jiān)測區(qū)域。王希棟等[14] 采用GRACE/ GRACE Follow-On 和GLDAS 結(jié)合的方式評估了2003—2021 年黃河流域地下水儲量變化,定性分析了降水和植被對流域上游、中游和下游水儲量變化的貢獻。然而,現(xiàn)有研究對地下水時空變化特征討論較多,對地下水儲量空間變化主要驅(qū)動因素及驅(qū)動過程的認識存在不足。

考慮到GRACE 和GRACE Follow-On 衛(wèi)星間有近1a時間缺測,常用的線性和樣條插值在捕捉時空變化特征方面存在不足,本研究基于時間序列分解與隨機森林算法,構(gòu)建像元尺度流域地下水儲量變化耦合模型,分析近20 a 黃河流域地下水儲量時空演變規(guī)律,量化影響因素的貢獻,揭示氣候和人類活動對地下水變化的驅(qū)動過程,以期為黃河流域地下水資源利用和相關(guān)政策制定提供參考。

1流域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)域

黃河流域覆蓋青藏高原、黃土高原、內(nèi)蒙古高原和華北平原,地勢復(fù)雜,貫穿東、中、西三大地勢階梯,流域面積79.5 萬km。流域多年平均氣溫為5.8 ℃、降水量為466.5 mm、潛在蒸散發(fā)量為653.6 mm[15] 。流域地下水分為松散巖類平原盆地孔隙水、松散巖類黃土高原孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖孔隙裂隙水、巖漿巖與變質(zhì)巖類裂隙水、凍結(jié)層水,對流域水資源循環(huán)演化有重要調(diào)節(jié)作用。流域地下水資源劃分為4 個二級區(qū)、11 個三級區(qū)、31 個四級區(qū)、109 個五級區(qū)[16] 。本文以黃河流域花園口水文站以上區(qū)域為研究對象(后文統(tǒng)稱黃河流域),分析地下水儲量變化,根據(jù)水沙特性和地形地質(zhì),將黃河流域分為7 個子流域,分別為龍羊峽以上、龍羊峽—蘭州、蘭州—頭道拐、頭道拐—龍門、龍門—三門峽、三門峽—花園口、內(nèi)流區(qū)。

1.2數(shù)據(jù)來源

1)GRACE 和GRACE Follow-On 監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用得克薩斯州大學(xué)空間研究中心(University of TexasCenter for Space Research,CSR)、美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL) 發(fā)布的Mascon RL06V2 等效水高數(shù)據(jù)產(chǎn)品,時間序列為2003 年1 月到2022 年12 月,空間分辨率分別為0.25°×0.25°和0.5°×0.5°。不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品對流域水儲量變化研究各有優(yōu)勢,相關(guān)研究表明,融合多個數(shù)據(jù)產(chǎn)品可有效降低水儲量變化監(jiān)測的不確定性[17] 。本研究以CSR 和JPL 數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為地下水儲量分析的基礎(chǔ),考慮到CSR 和JPL 數(shù)據(jù)在空間分辨率上的差異,為了更好地表征空間變異性,對JPL 產(chǎn)品重采樣至分辨率為0.25°后,再與CSR 數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均。對于傳感器故障導(dǎo)致的GRACE 數(shù)據(jù)序列缺失,本研究采用三次樣條法逐像元進行插值。

2) GLDAS 數(shù)據(jù)。由美國航空航天局和國家海洋與大氣管理局合作開發(fā),采用陸地表面模型和數(shù)據(jù)同化技術(shù),結(jié)合衛(wèi)星和地面觀測數(shù)據(jù),生成最佳陸面通量和狀態(tài)量[18] 。以GLDAS Noah-V2.1 模型輸出的2 m 深度土壤含水量為基礎(chǔ),評估黃河流域的土壤水儲量變化。該數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°,時間分辨率為月。

3)氣象數(shù)據(jù)。采用國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的中國1 km 分辨率逐月降水量、逐月平均氣溫和潛在蒸散發(fā)量表征流域氣候特征。上述數(shù)據(jù)集的氣溫和降水來源于CRU 發(fā)布的全球0.5°分辨率氣候數(shù)據(jù)集和WorldClim 發(fā)布的全球高分辨率氣候數(shù)據(jù)集,通過Delta 空間降尺度方案在中國地區(qū)進行降尺度,并采用中國496 個獨立氣象觀測點的數(shù)據(jù)對降尺度結(jié)果進行驗證。潛在蒸散發(fā)量以最低氣溫、最高氣溫和月均氣溫為輸入,基于Hargreaves 公式計算得到。

4)MODIS 數(shù)據(jù)。采用MOD13C1 歸一化植被指數(shù)(NDVI)和MOD15A2H 葉面積指數(shù)(LAI)表征地表植被覆蓋和植被生長情況。數(shù)據(jù)的時間分辨率為8 d,空間分辨率為500 m。以最大值法合成月尺度和年際尺度NDVI 和LAI,并使用S-G 濾波算法對NDVI 和LAI進行時間濾波重建,以減少噪聲并插補缺失數(shù)據(jù)。

5)GLEAM 數(shù)據(jù)。GLEAM(Global Land EvaporationAmsterdam Model)是一個評估陸地蒸散發(fā)的模型,利用Priestley-Taylor 公式和微波觀測數(shù)據(jù)來分析潛在和實際蒸散發(fā)。該模型結(jié)合了地表凈輻射、近地表氣溫、植被光學(xué)特征和土壤水分,基于Gash 模型計算降水攔截損失,從而評估水體及冰雪覆蓋區(qū)的蒸發(fā)量[19] 。本研究采用GLEAM 3.7 a數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)以遙感和再分析數(shù)據(jù)為驅(qū)動,具有月尺度時間分辨率和0.25°×0.25°的空間分辨率。

2研究方法

陸地水儲量包含土壤水、地下水、雪水當量、冰川積雪和冠層含水等。冰川積雪及冠層含水對黃河流域年際水儲量變化影響較小, 本研究不予考慮。以GRACE 衛(wèi)星陸地水儲量異常與GLDAS 模擬土壤水儲量異常的差異作為區(qū)域地下水儲量異常。由于GLDAS模擬輸出土壤水為當前土壤水的狀態(tài)值,因此為了與水儲量異常保持一致,以研究時段土壤水儲量相對于2004—2009年多年平均土壤水儲量的差值作為土壤水儲量的異常。

GRACE 和GRACE Follow-On 數(shù)據(jù)序列間存在11個月(2017 年7 月—2018 年5 月)的數(shù)據(jù)缺失,缺失數(shù)據(jù)序列較長,傳統(tǒng)的插值方法在人類活動影響顯著的干旱半干旱區(qū)域插值精度不足[20] 。隨機森林算法是常用的高效機器學(xué)習算法,在地球科學(xué)、遙感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,尤其在全球和區(qū)域尺度應(yīng)用效果較好[21] 。同時,隨機森林算法的樹結(jié)構(gòu)模型通過量化變量對樹節(jié)點的貢獻評估變量重要性,為分析影響因素對地下水儲量變化的貢獻提供了新的視角。

SHAP(SHapley Additive exPlanations)模型是一種解釋機器學(xué)習模型輸出的方法,該模型借鑒博弈論中的Shapley 值概念,可量化每個特征對模型預(yù)測結(jié)果的貢獻,關(guān)于該模型的詳細介紹見參考文獻[23]。為了提高模型的可解釋性,采用SHAP 方法評估不同時間尺度隨機森林模型各自變量對因變量的貢獻,并將不同時間尺度貢獻之和作為變量最終貢獻??紤]到各因素對地下水儲量變化影響存在明顯的交互作用[24] ,模型構(gòu)建時對變量進行了歸一化處理,并假定貢獻率大于0.4 的因素為地下水儲量變化的主導(dǎo)因素。

3結(jié)果與分析

3.1地下水儲量時空變化特征

圖1 為2003—2022年黃河流域中上游地區(qū)地下水儲量異常值年際變化情況,近20 a 地下水儲量持續(xù)顯著減小,變率為-3.3mm/a。各子流域地下水儲量均呈顯著減小趨勢,變率為-0.9~-5.7 mm/a,其中三門峽—花園口地下水儲量減小幅度最大,龍羊峽—蘭州地下水儲量減小幅度較?。ㄒ妶D2、表1)。2008年之后,蘭州以下相鄰子流域地下水儲量差異明顯增大,地下水儲量空間變異性顯著增強。三門峽—花園口地下水儲量變化在2004 年、2012年、2018年和2022年均出現(xiàn)極大值,其他時期地下水儲量以持續(xù)減小為主,2020年地下水儲量最小。內(nèi)流區(qū)和龍門—三門峽,龍羊峽以上和龍羊峽—蘭州,地下水儲量時間變化特征基本一致。

黃河流域地下水儲量年際變化空間格局如圖3所示,從東到西地下水儲量年際變化幅度表現(xiàn)為先減小后增大的格局,流域東部地下水減小速度最快。

具體而言,黃土高原中心區(qū)域地下水減小幅度較大,尤其在汾河盆地和關(guān)中平原,地下水儲量減小速度為-15~-30 mm/a。流域南部邊緣(甘肅境內(nèi))和寧夏部分區(qū)域地下水儲量呈增加趨勢,增加速度為0 ~6 mm/a。對年際變率進行顯著性分析,結(jié)果表明趨勢擬合決定系數(shù)(R)大于0.5 的網(wǎng)格占比約為72%,主要分布在蘭州以下區(qū)域、黃河源區(qū)中部及扎陵湖和鄂陵湖區(qū)域。

3.2地下水儲量影響因素分析

圖4為黃河流域降水年際時空變化情況(圖中①為頭道拐—龍門、②為內(nèi)流區(qū)、③為龍門—三門峽、④為龍羊峽—蘭州、⑤為蘭州—頭道拐、⑥為三門峽—花園口、⑦為龍羊峽以上,下同),2003—2022年黃河流域年降水量無顯著趨勢,其中2015—2022年波動較大。相較于2015年,2019年流域平均年降水量增加了122mm,到2022年減小至接近2015年值。

相較于降水的變化,地下水儲量僅在2017年略微增大,其他時期均持續(xù)減小。這一現(xiàn)象說明地下水對降水的響應(yīng)具有明顯的滯后性,并且降水增加對地下水儲量增加的補給效應(yīng)不顯著。黃河流域降水具有明顯的空間變異性,其中龍門—三門峽、三門峽—花園口2 個子流域降水年際波動較為明顯,2004 年、2011年、2016 年和2021 年為降水顯著增加年份,除2004 年外,地下水儲量均在后一年表現(xiàn)為增加,說明地下水儲量變化對降水變化的響應(yīng)具有時間尺度效應(yīng)。

氣溫通過蒸發(fā)影響地下水補給,潛在蒸散發(fā)表征區(qū)域最大蒸散發(fā)能力。當氣溫升高時,潛在蒸散發(fā)量的增加意味著更多的水分可能從地表和土壤中蒸發(fā),減少了能夠滲透到地下的水量,從而影響地下水的自然補給。黃河流域氣溫和潛在蒸散發(fā)量年際變化如圖5 和圖6 所示。

研究時段氣溫具有明顯的升高趨勢,在2006 年、2016 年和2022 年流域平均和子流域氣溫達到時段極值。潛在蒸散發(fā)量無顯著變化趨勢,波動明顯,與氣溫一致性較好。氣溫升高促進土壤和植被蒸發(fā),因而相應(yīng)時期的地下水儲量表現(xiàn)為減小趨勢,地下水儲量對氣溫升高的響應(yīng)速度大于對降水增加的。

黃河流域陸地蒸散發(fā)量、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、葉面積指數(shù)(LAI)年際時空變化如圖7~圖9所示。自1999 年退耕還林工程實施后,黃河流域植被綠度顯著提高[25] 。本研究也表明2003—2022 年黃河流域平均NDVI 和LAI 均呈顯著增大趨勢,植被覆蓋狀況和植被生長狀況持續(xù)向好。黃河流域陸地蒸散發(fā)量也表現(xiàn)出明顯的增加趨勢。空間區(qū)域上,龍門—花園口區(qū)域即黃土高原退耕還林核心區(qū)NDVI 和LAI 顯著增大。相應(yīng)的龍門到花園口區(qū)域陸地蒸散發(fā)量也表現(xiàn)出明顯的增加趨勢。陸地蒸散發(fā)量變化特征與前述氣溫和降水變化基本一致,2004 年、2008 年、2012 年和2022年蒸散發(fā)量顯著減小,對應(yīng)年份降水量減小、氣溫下降,植被對地下水儲量的影響同時受氣候調(diào)節(jié)。

3.3影響因素貢獻量化分析

圖10 為各子流域降水、氣溫、NDVI、LAI、蒸散發(fā)量、潛在蒸散發(fā)量的SHAP 貢獻值。整體而言,各因素對黃河流域地下水儲量變化的貢獻從大到小依次為NDVI(0.80)、氣溫(0.55)、蒸散發(fā)量(0.51)、潛在蒸散發(fā)量(0.51)、LAI(0.50)和降水(0.43),表明黃河流域地下水儲量減小主要由NDVI 增大、氣溫升高和蒸散發(fā)量增加等共同驅(qū)動。黃河流域不同區(qū)域地下水儲量變化主要驅(qū)動因素表現(xiàn)出顯著的空間差異性。龍羊峽以上地下水儲量變化主要驅(qū)動因素為陸地蒸散發(fā)量,說明該子流域地下水儲量變化主要依賴大氣條件和植被的相互作用。龍羊峽—蘭州地下水儲量變化主要受植被狀況和覆蓋(NDVI 和LAI)、氣溫、降水、蒸散發(fā)量和潛在蒸散發(fā)量共同影響,這些因素組合反映了植被狀況、氣候變化對水資源的綜合影響。蘭州—頭道拐地下水儲量變化主導(dǎo)因素為NDVI,植被覆蓋變化是該區(qū)域地下水變化的關(guān)鍵。頭道拐—三門峽地下水儲量變化主要由NDVI、LAI 和氣溫等因素共同驅(qū)動,表明該子流域植被覆蓋、植被生長狀況和氣候條件對地下水儲量變化影響顯著。內(nèi)流區(qū)地下水儲量變化主要由NDVI、潛在蒸散發(fā)量、氣溫和陸地蒸散發(fā)量驅(qū)動,這些因素反映了復(fù)雜地表-大氣相互作用、植被狀況對地下水的影響。三門峽—花園口NDVI 是地下水儲量變化主要驅(qū)動因素,揭示了植被綠度提高對該區(qū)域地下水資源具有不可忽視的影響。

3.4討論與建議

地下水儲量變化受地下水補給量和消耗量共同影響,研究發(fā)現(xiàn)近20 a 黃河流域氣候呈暖干化趨勢,降水無明顯增加,氣溫上升顯著。加之陸地表面蒸發(fā)量顯著增加,地下水消耗量大于補給量,導(dǎo)致地下水儲量顯著減小。雖然2015 年后黃河流域豐水年頻次增加,但是地表植被覆蓋面積增加、氣溫上升導(dǎo)致水汽壓差增大、蒸散發(fā)量增大,加之地下水對降水響應(yīng)的滯后性,地下水儲量不能得到及時恢復(fù),而存儲的土壤水在下一個干旱年被消耗。因此,黃河流域地下水儲量減小是氣候變暖和植被變綠共同作用的結(jié)果。在流域不同區(qū)域植被對地下水儲量變化的貢獻均較為顯著,其他因素貢獻不同,與植被的作用方式也存在差異,應(yīng)對黃河流域地下水儲量減小應(yīng)該采取與地域特點相一致的策略。

4結(jié)束語

分析了近20 a 黃河流域地下水儲量時空演變規(guī)律,量化了各因素的貢獻,揭示了氣候和人類活動對地下水變化的驅(qū)動過程,主要結(jié)論如下。

1)地下水儲量時空變化特征:時間上,2003—2022年黃河流域地下水儲量顯著減小,變率為-3.3mm/a,其中頭道拐—龍門和三門峽—花園口變率為-5.7 mm/ a 和-5.5 mm/a??臻g上,地下水儲量變幅表現(xiàn)為自東向西先減小后增大的格局,在汾河盆地和關(guān)中平原減小幅度較大(-15~-30 mm/ a)。

2)因素變化特征:黃河流域氣候呈暖干化趨勢。2003—2022年降水變化趨勢不顯著,降水量明顯波動。2015年后豐水年頻次增加,氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢,且2015年之后平均氣溫顯著高于之前。相比之下,潛在蒸散發(fā)量未表現(xiàn)出一致的變化特征。地表植被覆蓋和植被生長狀況持續(xù)向好,地表蒸散發(fā)量顯著增大。

3)變化驅(qū)動機制:黃河流域地下水儲量的減小是植被增加、氣溫升高和蒸散發(fā)量變化共同驅(qū)動的結(jié)果。地下水儲量空間變化主導(dǎo)因素差異顯著,龍羊峽以上由陸地蒸散發(fā)過程驅(qū)動,龍羊峽—蘭州由植被覆蓋、氣溫、降水和蒸散發(fā)共同驅(qū)動,蘭州—頭道拐由植被覆蓋變化驅(qū)動,頭道拐—三門峽由植被覆蓋變化和氣溫驅(qū)動,內(nèi)流區(qū)由植被和氣候變化驅(qū)動,三門峽—花園口由NDVI 驅(qū)動。

本研究未考慮地下水抽取及原煤開采引起的地下水排泄等人類活動對地下水儲量變化的影響。同時,黃河流域植被變綠與生態(tài)恢復(fù)工程密切相關(guān),需構(gòu)建合適的人類活動量化指標,綜合考慮人類生產(chǎn)生活用水、提取地下水及煤炭開采和生態(tài)恢復(fù)工程,分離人類活動的正負效應(yīng)。另外,本研究在子流域劃分時以地表水為依據(jù),對水文地質(zhì)條件考慮不足,后續(xù)研究應(yīng)以黃河流域地下水資源分區(qū)為標準,考慮地質(zhì)水文參數(shù)和土壤入滲率,從降水-土壤水-地下水三水轉(zhuǎn)換關(guān)系及機理層面揭示地下水儲量變化的機制。

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