基于GRACE和GRACE Follow-On卫星的区域地下水模拟仿真技术研究

Groundwater modeling is an important tool of regional groundwater resources management. However, effective models need massive groundwater observation data and hydrogeology parameters. Groundwater observation wells are often located on inhabited area, and distributed non-uniformly. Sysmatic groundwater monitoring network requires a lot of investment and maintance. But monthly GRACE satellite data is freely available and has showed great potential in tracking groundwater changes. GRACE Follow-On data will have at least ten times tempo-spatial resolution than GRACE data does. Based on the fundamental problems, the project will integrate a series of methods, such as the Gravity Gradient Method, the associated Legendre polynomials, parameter automatic estimation, statistical analysis and numerical simulation. The research will try to carry out studies on method of remote sensing data assimilation, including the method and its applicability of estimating regional hydrogeology parameters, the representativeness of regional groundwater storage anomalies, how to constrain the hydrologeology parameters, and further identify the recharge and discharges. Finnaly goundwater models will be developed with integrated point-based observation data and regional data obtained from GRACE and GRACE Follow-on satellites. The developed model will be applied to case studies. The results will greatly improve the accuracy of groundwater models, and will provide technical support of regional groundwater management and relieve the conflicts among groundwater and environment.

地下水模拟是区域地下水管理的重要工具，然而有效的模型需要大量地下水监测和水文地质信息支撑。地下水监测点多位于城市人口集中区而且分布不均，系统的地下水监测投资和维护成本大，而月尺度的GRACE卫星数据可免费下载，已经在跟踪区域地下水储量变化方面显示出巨大潜力。GRACE Follow-On卫星将比GRACE卫星的分辨率至少提高10倍。基于此，本项目拟采用重力梯度、缔合勒让德函数、参数自动估计、统计分析和数值模拟等方法，研究GRACE和GRACE Follow-On卫星数据同化的关键技术，探索卫星估算区域水文地质参数方法及其有效性、反演的区地下水储量信息代表性以及如何约束水文地质参数、甄别地下水补给和排泄条件等关键问题，最终发展融合卫星面数据的地下水模型，并进行案例研究。成果将提高区域地下水模型的仿真性，为有效管理区域地下水和缓解地下水利用与环境之间的矛盾提供技术支持。

地下水位动态数据是区域地下水数值模型必不可少的数据项，但传统的地下水监测井数据少而且空间不均，特别在偏远地方和山区更少。公开免费的GRACE卫星数据使得空间探测区域尺度的地下水储量变化成为可能。本研究基于GRACE卫星反演地下水储量的方法，重点研究了反演数据在地下水管理中的应力潜力、在中国北方地区的有效性、估算水文地质参数的可行性、在农业重度用地下水区统计降尺度的方法、估算山区与平原区侧向地下径流量变化趋势的方法、用于地下水数值模型和陆面模式CABLE的同化方法以及案例研究。获得如下重要认识：.（1）GRACE卫星如何有效用于区域地下水资源评价和如何提高GRACE卫星反演数据的空间分辨率是当前研究的发展方向，本研究利用中国水资源公报和地下水动态月报数据验证了GRACE卫星反演地下水储量变化数据的有效性。.（2）利用水量平衡和达西定律探讨了利用GRACE卫星数据估算水文地质参数的可行性，在甘肃北山地区推导的参数与区域水文地质试验结果基本一致。.（3）利用GRACE数据、多源遥感数据和水量平衡方法重建了甘肃北山地区1980-2015年陆地水储量变化，发现近35年间北山地区陆地水储变化呈下降趋势，但近十年间陆地水储量的季节性变化趋于稳定。.（4）利用GRACE数据、水均衡方法和达西定律提出监测黑河流域边界地下径流量变化特征的新方法，发现2003-2015年黑河流域东部和西部边界地下水径流量逐渐减少，其他两个边界地下水径流量呈增加趋势。.（5）提出一种用于改进GRACE数据空间分辨率的统计降尺度方法，结果应用表明在华北平原应用效果较好，在北京平原13个行政区，有10个行政区内的相关系数在0.63以上。.（6）利用集合卡尔曼滤波的方法将GRACE卫星数据应用于CABLE模型的数据同化，实现了陆地水储量变化在垂直方向上的分解；还将GRACE数据应用于甘肃北山区域地下水模型中，提高了模型的仿真性。.该项目的研究，为大尺度地下水资源研究获取区域数据提供了新的方法，也为数据稀少地区或者缺乏足够地下水动态监测的偏远山区提供了技术支持。