2002～2018年中國七大流域水儲量變化及時空分布特征

趙應(yīng)麗 沈 強 馮 偉 汪漢勝 高 凡 賴偉玉 劉甜甜

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

水的運移和重分布是水圈與其他圈層進(jìn)行物質(zhì)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(shè)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(zhǔn)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(guān)學(xué)者利用GRACE衛(wèi)星對陸地水循環(huán)、冰蓋和冰川質(zhì)量平衡、海平面變化和海底壓力變化等方面進(jìn)行廣泛研究[1-3]。還有學(xué)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(yù)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(jié)合GRACE和MODIS數(shù)據(jù)對長江流域水儲量變化進(jìn)行研究；嚴(yán)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(jìn)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(nèi)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(jìn)中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)、開展天氣預(yù)報及干旱、洪水等災(zāi)害預(yù)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(xué)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(jìn)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(xué)數(shù)據(jù)中心公布的“中國區(qū)域基于降水重構(gòu)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(jìn)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(xué)數(shù)據(jù)中心公布的“中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)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(jié)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(zhì)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(jìn)行泄露誤差處理[10]，利用GIA模型進(jìn)行GIA改正[11]。

區(qū)域水質(zhì)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(nèi)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(nèi)，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(jié)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(nèi)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(dǎo)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(nèi)水儲量由北到南整體呈遞減趨勢，流域內(nèi)水儲量呈盈余狀態(tài)。由圖2(c)可見，珠江流域內(nèi)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(nèi)多地出現(xiàn)嚴(yán)重旱情，導(dǎo)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(dǎo)致陸地水虧損嚴(yán)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(nèi)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(fù)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(qū)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(yīng)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(jìn)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(dǎo)致各流域降雨量及氣溫差異明顯(圖3)。結(jié)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(jié)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(yīng)關(guān)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(nèi)達(dá)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(dǎo)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(nèi)陸地水儲量顯著下降，豐水期明顯增加。2008-06該流域內(nèi)多地發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，導(dǎo)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(dǎo)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(dá)到該年最大值，2002～2003年降雨量減少導(dǎo)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(guān)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(nèi)達(dá)到峰值，降雨量少，蒸散發(fā)作用占主導(dǎo)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(dǎo)致該流域水儲量盈余，與之前的研究結(jié)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?？傮w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(zhuǎn)換為陸地水儲量，其轉(zhuǎn)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(yuǎn)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(dǎo)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(dǎo)致該地區(qū)陸地水虧損[12]。

工程建設(shè)、退耕還林及自然保護(hù)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(diào)蓄使得水儲量增加；南水北調(diào)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(jié) 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(zhuǎn)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(dǎo)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。