华北平原深层地下水储量变化的卫星重力研究

Groundwater from the deep confined aquifers (mainly the Ⅲ and Ⅳ aquifer system) in the North China Plain (NCP) is vital for both local water supply and regional land subsidence. However, understanding of the overall changes of deep groundwater storage is limited by the lack of enough deep well observations and the uncertainties of storage coefficients. While the gravity satellites, such as GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), provide an unprecedented opportunity for independently remote sensing of the storage changes of the whole aquifer systems, especially with the new advances from Mascon (Mass concentration) approach and the new satellite GRACE-FO.. This study integrates gravity satellites (GRACE-FO and GRACE), numerical groundwater flow simulation, and multi-layer groundwater level observations, to quantitatively understand the deep groundwater storage changes (depletion and recovery). The research mainly includes three parts: (1) Satellite gravimetry measurements of deep groundwater storage changes through algorithm improvements from sptio-constrained iterative correction with land subsidence and cone of depression, and local Mascon solution ; (2) Comparisons with the results from numerical groundwater flow simulation and multi-layer groundwater level observations, and uncertainty analysis; (3) time series analysis of the deep groundwater storage changes with an emphasis to natural (precipitation) and anthropogenic (water diversion from the South-to-North Water Diversion Project) factors. This study is distinguished for its efforts on using multiple methods and as much as possible in-situ observations, including 372 wells that provide groundwater level observations for varying aquifer depths. It is expected to generate a new and reliable knowledge of the dynamics of deep groundwater in the North China Plain, and to explore the potential of gravity satellite on deriving more detailed groundwater information.

深层（主要指第Ⅲ、Ⅳ含水层组）地下水是华北平原重要供水水源，其过量开采是地面沉降的主要原因。深层观测井稀少等不足，严重制约了对其整体储量变化（消耗、恢复）的准确认识。重力卫星（GRACE）具有直接监测质量变化、不受监测深度限制的优势，特别是即将发射的GRACE-FO卫星和最新的Mascon方法，为准确反演深层地下水储量变化提供了新机遇。. 本项目联合重力卫星（GRACE-FO、GRACE）反演、地下水流数值模拟、地下水位分层观测，研究华北平原深层地下水储量变化，主要包括：（1）创新性利用地面沉降、降落漏斗约束深层地下水质量变化空间分布，进行泄漏误差迭代校正、局地化Mascon求解，反演深层地下水储量变化；（2）对比数值模拟、分层观测等其他结果，进行误差计算与不确定性分析；（3）变化特征分析。侧重综合多种方法、大量实测数据，揭示华北平原深层地下水变化规律，探索重力卫星应用潜力。

由于深层地下水观测井数量不足、分布不均、含水层释水系数取值困难等问题，长期以来对华北平原深层地下水储量变化的认识存在一定不足。本项目利用重力卫星可以探测地球质量变化的特点，开展了相关研究。项目完成的研究工作主要包括：（1）开展了华北平原地下水储量变化的卫星重力、水井观测、模型模拟研究；（2）反演了华北平原深层地下水储量变化速率；（3）估算了厚包气带条件下的华北平原地下水补给量；（4）分析了南水北调中线通水前后浅层、深层地下水储量变化的差异。 . 研究发现：（1）1971-2015年，华北平原地下水储量变化速率为-17.8±0.1 mm /yr（-2.5±0.01 km3/yr），但变化速率在时间、空间上存在较大变异。长时间序列的地下水储量变化与主要由于深层地下水超采引起的地面沉降之间存在较为明显的非线性特征，显示出准确了解深层地下水储量变化对于华北地面沉降防控的重要性。（2）重力卫星揭示的华北平原2003-2016年深层地下水储量变化速率为-5.95±0.54 mm/yr（-0.83±0.08 km3/yr），深层地下水的消耗主要集中在中东部平原区（-0.75±0.07 km3/yr）。但是，基于卫星重力释水系数方法显示的华北平原深层地下水消耗速率约为-0.3 km3/yr，显示深层地下水估算结果的不确定性。（3）重力卫星揭示的华北平原厚包气带条件下的地下水净补给量表现出从山前到中东部逐渐减少的规律，在主要以深层地下水消耗为主的华北平原中部平原区（143.6 mm/yr）、东部平原区（62.6 mm/yr），明显小于以浅层地下水消耗为主的山前平原区（166.7 mm/yr）。（4）南水北调中线通水以后，华北平原地下水消耗情况得到缓解，承压（深层）水水位恢复程度比潜水（浅层）更明显。截止目前，项目共发表论文6篇（其中WRR、JoH等SCI论文5篇），申请发明专利3项，获批发明专利1项，培养博士研究生1名、硕士研究生5名，获得2020年国家测绘科学技术一等奖（排名4）。研究成果在中国地质调查局、国际地下水资源评价中心得到应用。