综合利用卫星重力、遥感、水文测站和气象观测资料研究西辽河流域地下水变化及气候与人类活动的影响

Since 2000, the West Liaohe Basin (WLHB) suffer continuous droughts, the groundwater table continuous declining, surface river drying up. The harmonic solutions from GRACE have typically suffered from poor observability of east-west gradients, resulting in the "north-south stripes" that are usually removed via empirical smoothing and "destriping" algorithms. Our research use ground-based gravity and GNSS to check the applicability of different GRACE post-processing methods. Using GRACE to estimate the groundwater storage (GWS) change in the WLHB, with the prior information from groundwater levels and global hydrological model PCR-GLOBWB, can also detect the GWS changes in the two subregion, plain area and mountain area. We also use the groundwater level data from 1980 and other in-situ measurements to assess the GWS change in response to climate forcing and human demand, quantitatively. Our research expects to use GRACE data, remote sensing image and in-situ measurements to estimate GWS change in the WLHB, and isolate the climate forcing and anthropogenic activities impact from the total GWS change, providing reference for the sustainable development of groundwater resources.

西辽河流域自2000年来处于持续干旱期，地下水埋深连续下降，地表主要河流基本断流，严重制约了该流域经济和社会的发展。由于GRACE卫星轨道特性以及反演中采用模型误差的影响，解算时变重力场存在南北条带误差，后处理过程要采用去条带等技术去除相关噪声，研究表明不同的后处理方法会导致不同的区域时空分布，有限的空间分辨率只能保证14万平方公里左右的结果比较可信。本课题基于地下水位变化观测以及地下水模型获得的先验信息作为约束，利用Forward Modeling方法定量估计西辽河流域地下水储量变化，同时利用地面重力、GNSS观测结果来检核选择适用于该区域的去条带方法以及结果的合理性，并进一步利用1980年以来的地下水位、主要河流径流、降雨等资料以及分布式水文模型，定量研究气候变化和人类活动对该流域地下水变化的影响。通过研究，有望了解西辽河流域地下水长期减少的原因，对未来地下水的可持续利用提供参考依据。

西辽河流域，位于中国的东北，被称为“内蒙古粮仓”，也是我国主要的粮食产区，1950年以来人口急剧增长。过去20年来，西辽河流域的地下水位持续下降。因此开展对西辽河流域地下水储量变化的定量评估及驱动因素的研究具有重要的现实意义和参考价值。本项目联合GRACE卫星重力和地面实测资料，系统分析了西辽河流域陆地水和地下水储量时空变化和水循环变化规律。本项目主要研究了①西辽河流域地下水储量变化估计及其影响因素分析；②西辽河流域实际蒸散发估计；③西辽河流域气候与人类活动导致的陆地水储量趋势项的分离。项目研究发现：①2005至2011年西辽河地下水每年损耗9.2±4.9亿吨地下水，约合64.4亿吨。受2000年以来的长期气候干旱和人类地下水开采活动加剧的影响，该地区地下水储量亏损速率显著加速。通过重构西辽河流域近30年以来的陆地水储量和地下水储量变化，并与ENSO指数对比后发现，该地区的水文过程受厄尔尼诺和拉尼娜的影响显著。在厄尔尼诺期间，西辽河流域地下水和陆地水的储量显著增加；在拉尼娜期间则显著下降。被誉为有记录以来最强厄尔尼诺之一的1997/1998年强厄尔尼诺事件，及其之后的1998/1999和1999/2000强拉尼娜事件，导致西辽河流域十余年的干旱，并使得地下水加速亏损。②2003-2013年间，西辽河流域年平均蒸散发约为366.1 mm/yr，降水量约为367.2 mm/yr。在2005-2011年的干旱期，该流域平均年累计蒸散发量比同时期年降水量高了9.8 mm，多出的蒸散发主要来自于地下水亏损的贡献。③2003-2021年间，西辽河流域陆地水储量亏损趋势为-4.48 mm/yr (-6.1亿吨每年)，气候因素导致的陆地水储量增加趋势为3.73 mm/yr (5.1亿吨每年)，由于人类活动导致的陆地水储量亏损量为-8.21 mm/yr (-11.2亿吨每年)。本项目的实施，说明了从长时序角度并结合卫星重力和地面观测水文气象资料开展地下水变化监测与解释的重要意义。