南水北調(diào)工程對華北平原水儲(chǔ)量變化的影響*

李嘉，唐河，饒維龍，張嵐，孫文科

(中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院 中國科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100049)(2019年12月27日收稿； 2020年3月17日收修改稿)

華北平原位于中國東部，是中國的第二大平原，地處黃河下游，北依燕山，西傍太行山，東臨渤海，包括北京、天津市與河北省的全部平原區(qū)，以及河南、山東省黃河以北的平原區(qū)，人口稠密，是中國重要的政治經(jīng)濟(jì)中心及工農(nóng)業(yè)基地。

隨著工農(nóng)業(yè)和城市的快速發(fā)展及人口數(shù)量的不斷增加，水資源的開采和利用規(guī)模及強(qiáng)度不斷增大，水資源供需矛盾突出，華北地區(qū)地下水位持續(xù)下降，面臨嚴(yán)重的水資源危機(jī)，人均水資源量很低，成為中國水資源壓力最大的地區(qū)之一。水資源短缺成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵因素。尤其在華北中東部平原區(qū)，地下水水位的長期開發(fā)導(dǎo)致了包括地面沉降、海水入侵、地下水污染和土壤鹽堿化等一系列環(huán)境問題，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生活[1-2]。所以，研究華北平原陸地水及地下水儲(chǔ)量變化的空間分布特征和時(shí)間變化規(guī)律，對于該地區(qū)水資源可持續(xù)利用具有重要科學(xué)和社會(huì)意義。

華北平原的水儲(chǔ)量變化問題受到科學(xué)家們的長期關(guān)注，其地下水變化成為近幾年的熱點(diǎn)研究問題。國內(nèi)外諸多學(xué)者基于GRACE(gravity recovery and climate experiment)重力場模型在海平面變化、陸地水儲(chǔ)量(terrestrial water storage, TWS)及地下水變化方面開展了長期的研究工作[3-4]。GRACE重力衛(wèi)星發(fā)射后，提供了前所未有的全球地球重力場模型，可以反映大尺度空間上的物質(zhì)質(zhì)量遷移信息，已被證實(shí)能十分有效地檢測水儲(chǔ)量變化，從而廣泛應(yīng)用于水文方面的研究[5-8]。對于華北平原地區(qū)，鐘敏等[9]基于GRACE時(shí)變重力場模型研究中國的陸地水儲(chǔ)量變化，發(fā)現(xiàn)在2003—2007年華北地區(qū)水儲(chǔ)量以2.4 cm/a(等效水高)的速率虧損。Feng等[10]利用GRACE觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合水文模型和水井實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到2003—2010年華北平原的地下水儲(chǔ)量虧損速率約為2.2 cm/a。Huang等[11]考慮到地下水淺層與深層分布的不同，采用降尺度的方法將華北平原分為山前平原和中東部平原，進(jìn)一步討論兩者地下水虧損速率的差異，結(jié)果顯示兩者在2003—2013年地下水變化速率分別為(-46.5±6.8) mm/a和(-16.9±1.9) mm/a，相對水井實(shí)測資料，GRACE更能充分地反映深層地下水信息。Gong等[12]主要研究地下水儲(chǔ)量的長期趨勢和地面沉降的關(guān)系。Zhao等[13]采用不同的GRACE產(chǎn)品分析華北地區(qū)2004—2016年以及2013—2016年地下水的虧損速率，結(jié)果表明2013年后隨著降水的減少虧損速率加快。上述研究結(jié)果都表明華北地區(qū)水儲(chǔ)量持續(xù)減少。但是，不同學(xué)者采用不同的觀測資料和數(shù)據(jù)處理方法所得到的結(jié)果各有不同，并且他們更多的是關(guān)注地下水儲(chǔ)量的變化。

為緩解華北地區(qū)水資源短缺的問題，中國實(shí)施了南水北調(diào)工程，將長江的水源向華北地區(qū)輸送，是世界上最大規(guī)模的調(diào)水工程，輸水線路如圖1所示。該工程包括西、中、東3條線路，目前東線、中線自2014年底已全面通水，使沿線缺水地區(qū)的供水保障能力有了大幅提升，北京、天津市及河北、河南的諸多城市，“南水”已經(jīng)逐漸成為主要供水源，超過1億人口受益。然而，南水北調(diào)工程是否緩解以及多大程度上緩解華北地區(qū)的水儲(chǔ)量減少趨勢，目前尚未看到較為科學(xué)的評估報(bào)告。

圖1 研究區(qū)(紅色線圈)及南水北調(diào)線路示意圖Fig.1 Study boundary (red line) and water delivery route of South-to-North Water Transfer Project

本研究目的是利用重力衛(wèi)星GRACE與GRACE Follow-on觀測數(shù)據(jù)及水文模型數(shù)據(jù)，分析華北平原水儲(chǔ)量的時(shí)空變化特征，并量化南水北調(diào)工程對華北平原地區(qū)水儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)。把2015年1月作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對華北平原地區(qū)、北京市和天津市在2003—2015及2015—2019年期間的水儲(chǔ)量變化分別進(jìn)行趨勢對比，討論南水北調(diào)工程對這些地區(qū)水儲(chǔ)量變化的影響。

1 研究區(qū)域及南水北調(diào)供水量

南水北調(diào)中線一期工程于2014年12月12日正式通水，以丹江口水庫為起點(diǎn)，經(jīng)陶岔渠首閘放水，分別流經(jīng)河南、河北，經(jīng)過保定市的西黑山分水口后，向北通往北京市，向東流入天津市，從而向沿途的20余座城市提供生產(chǎn)生活用水(圖1)。東線工程從長江下游江蘇省揚(yáng)州市水利樞紐中心抽引長江水，利用京杭大運(yùn)河及與其平行的河道輸水，并串聯(lián)起調(diào)蓄作用的幾個(gè)湖泊，出東平湖后分兩路輸水：一路向北，在位山附近經(jīng)隧洞穿過黃河，自流到天津；另一路向東，通過膠東輸水干線經(jīng)濟(jì)南輸水到煙臺、威海[14]。東線一期工程主要是向江蘇和山東兩省供水。南水北調(diào)工程實(shí)施后，據(jù)人民日報(bào)報(bào)道，截至2019年12月12日，中線工程已通水5周年，累計(jì)調(diào)水258億m3，且供水量在持續(xù)快速增加，在北京城區(qū)“南水”占自來水供應(yīng)的73%。2018年末北京市平原區(qū)地下水位與上年同期相比回升1.94 m，地下水儲(chǔ)量相應(yīng)增加9.9億m3，地下水位上升區(qū)占37%，維持穩(wěn)定區(qū)占45%[15]；天津市平原區(qū)淺層地下水儲(chǔ)量相比上年增加0.62億m3，水位上升區(qū)面積占28.6%，相對穩(wěn)定區(qū)占71%[16]。南水北調(diào)中線總干渠向海河流域補(bǔ)水5.04億m3，增加了河道水面面積，回補(bǔ)了地下水，改善了地下水超采的情況[17]。

在本文的研究中，采用各省市水資源公報(bào)提供的每年調(diào)水量數(shù)據(jù)(表1)，估算華北平原內(nèi)各省份的受水區(qū)面積，算出受水區(qū)面積與全省(市)面積的比例，得到整個(gè)華北平原及北京、天津的南水北調(diào)水量。考慮到南水北調(diào)的水主要流入平原，本文的研究范圍包含北京市(扣除山區(qū))、天津市及河北省的平原地區(qū)，在河南和山東省的受水區(qū)面積計(jì)算中也減去了山區(qū)的面積。南水北調(diào)的水量本身相當(dāng)于受水區(qū)水儲(chǔ)量的變化，雖然有逐年略為增加的現(xiàn)象，但基本上處于較穩(wěn)定的供水態(tài)勢。因此，在下面計(jì)算比較中，我們把2015—2018年在華北平原供水量的平均值作為年供水量。2014年12月的輸水量較少，暫且忽略2014年的全年變化，在處理GRACE觀測數(shù)據(jù)時(shí)以2015年1月作為兩個(gè)不同時(shí)期的分段點(diǎn)。南水北調(diào)水量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 2014—2018年各省市南水北調(diào)的供水量數(shù)據(jù)Table 1 Water supply data of South-to-North Water Transfer Project from 2014 to 2018 108 m3

表2 華北平原水儲(chǔ)量變化速率與南水北調(diào)平均調(diào)水量的對比Table 2 Comparison between TWS rates and average supply of South-to-North Water Transfer Project Gt/a

上述南水北調(diào)工程向華北平原地區(qū)提供了大量的水資源，該工程對華北水儲(chǔ)量減少趨勢是否有顯著的緩解作用，輸水后華北平原的水儲(chǔ)量變化現(xiàn)狀如何等問題是本文的研究內(nèi)容，研究區(qū)域如圖1所示。

2 重力衛(wèi)星GRACE與GRACE Follow-on觀測數(shù)據(jù)及其處理

本研究采用重力衛(wèi)星GRACE及其Follow-on觀測數(shù)據(jù)對華北平原水儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算分析。重力衛(wèi)星GRACE是美國航空航天局和德國航空中心的合作項(xiàng)目，旨在獲取高分辨率的時(shí)變重力場模型，發(fā)射于2002年，直到2017年10月27日才結(jié)束其生命周期。為實(shí)現(xiàn)與GRACE衛(wèi)星的數(shù)據(jù)銜接，2018年GRACE Follow-on衛(wèi)星發(fā)射。主要有3家機(jī)構(gòu)提供GRACE數(shù)據(jù)，發(fā)布60階和96階的球諧系數(shù)產(chǎn)品。

本文采用2004年1月—2017年6月及2018年7月—2019年4月由美國德克薩斯大學(xué)空間研究中心(CSR)發(fā)布的GRACE及GRACE Follow-on衛(wèi)星的RL06數(shù)據(jù)，其分辨率為300 km。具體的數(shù)據(jù)處理方法是：利用衛(wèi)星激光測距(SLR)觀測的二階項(xiàng)替換所有的二階項(xiàng)球諧系數(shù)[18]，利用 Swenson等[19]基于大氣海洋模型與高階GRACE數(shù)據(jù)提供的地心改正項(xiàng)增加一階項(xiàng)系數(shù)，再通過扣除整段時(shí)間的平均值，根據(jù)Wahr等[20]提出的理論得到陸地水儲(chǔ)量TWS的變化。為去除噪聲的影響，采用300 km濾波半徑的高斯平滑，結(jié)果用等效水高(equivalent water height, EWH)表示。對TWS時(shí)間序列做去周期處理，分別獲取2004—2015年及2015—2019年的線性趨勢，如圖2(a)所示。結(jié)果表明，華北平原水儲(chǔ)量存在長期虧損趨勢。

圖2 華北平原陸地水儲(chǔ)量變化的時(shí)空分布圖Fig.2 Tempo-spatial distributions of TWS changes of the North China Plain

圖2 還給出這兩段時(shí)間內(nèi)水儲(chǔ)量變化趨勢(斜率)的空間分布，可以看出太行山的山前平原地區(qū)水儲(chǔ)量虧損特征明顯，這與該地區(qū)以往發(fā)現(xiàn)的地下水儲(chǔ)量變化特征相吻合[21]。該地區(qū)水儲(chǔ)量劇烈下降的主要原因是大規(guī)模開采地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉[22-23]。2015年后虧損最大區(qū)域向山東西部方向轉(zhuǎn)移。由于2015年后GRACE觀測時(shí)間較短，對這段時(shí)間觀測值進(jìn)行趨勢擬合存在較大誤差?？傮w而言，南水北調(diào)后華北平原內(nèi)陸地水儲(chǔ)量虧損呈現(xiàn)緩解趨勢。

3 基于尺度因子恢復(fù)的華北平原水儲(chǔ)量變化

上述水儲(chǔ)量變化數(shù)據(jù)(圖2)是在300 km平滑濾波的條件下得到的結(jié)果，存在信號泄露問題，不夠準(zhǔn)確，需要恢復(fù)。在GRACE球諧系數(shù)展開過程中，受60階截?cái)嗟南拗萍案咚蛊交挠绊懀瑫?huì)使研究區(qū)域內(nèi)的信號和周邊地區(qū)信號相互泄露、彼此干擾[24-25]，造成研究區(qū)內(nèi)的信號衰減，產(chǎn)生信號泄露誤差。為此，用尺度因子的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。Landerer和Swenson[26]分別檢測在某個(gè)流域的單一尺度因子[27]，以及流域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的時(shí)間域尺度因子。前一種方法因單個(gè)因子而無法反映小區(qū)域或區(qū)域邊緣處的實(shí)際質(zhì)量變化，后一種方法是對水文模型在每個(gè)網(wǎng)格濾波與未濾波的質(zhì)量變化時(shí)間序列進(jìn)行擬合來確定尺度因子，相對而言恢復(fù)信號的精度更高，但嚴(yán)重依賴于所采用的水文模型。目前，在華北平原使用水文模型仍存在很大的不確定性，故本文采用一種新的空間域網(wǎng)格尺度因子方法。圖3展示空間域網(wǎng)格尺度因子方法的具體實(shí)現(xiàn)過程。首先假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)覆蓋一層1 cm的等效水高，為理想的原始信號，如圖3(a)所示。經(jīng)過60階截?cái)嗪?00 km的高斯平滑后，信號衰減，數(shù)值明顯變小。信號形態(tài)整體上呈近似圓盤擴(kuò)散形狀，在邊界處的衰減、畸變尤為嚴(yán)重(圖3(b))。

考慮到對整個(gè)華北平原的水儲(chǔ)量進(jìn)行估計(jì)的同時(shí)，還需要對南水北調(diào)主要的受水區(qū)域(北京和天津市)進(jìn)行估計(jì)。而受邊界效應(yīng)的影響，這兩個(gè)地區(qū)的信號在GRACE處理后衰減、畸變較為嚴(yán)重。因此，采用理想核函數(shù)的思想，把研究區(qū)域內(nèi)的信號權(quán)重處理為1，而區(qū)外權(quán)重處理為0，通過計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格GRACE處理前后信號的衰減比率，得到所有網(wǎng)格的尺度因子，如圖3(c)所示，并應(yīng)用到設(shè)定的研究區(qū)域上。

將上述網(wǎng)格尺度因子與上一節(jié)得到的GEACE每月網(wǎng)格數(shù)據(jù)對應(yīng)相乘，并對其時(shí)間序列做與圖2相同的處理后，得到恢復(fù)后華北平原水儲(chǔ)量變化的時(shí)間序列和兩段時(shí)期內(nèi)的趨勢分布(圖4)。2004—2015年陸地等效水高變化趨勢為(-4.49±0.40) cm/a，相當(dāng)于水儲(chǔ)量變化速率(-5.92±0.53) Gt/a。2015年后趨勢向零值移動(dòng)，變?yōu)?-2.25±2.12) cm/a，相當(dāng)于水儲(chǔ)量變化速率(-2.96±2.79) Gt/a。該結(jié)果顯示，基于重力衛(wèi)星觀測得到的水儲(chǔ)量變化趨勢在南水北調(diào)前后的差值為2.96 Gt/a，與南水北調(diào)的年平均輸水量(3.08 Gt/a，表2)基本吻合。

結(jié)果表明，南水北調(diào)緩解了大約50%的華北水儲(chǔ)量變化趨勢，由原來的-5.92 Gt/a減少為-2.96 Gt/a。從空間分布形態(tài)看，信號恢復(fù)后趨勢的相對分布特征(圖4(b)、4(c))與之前(圖2(b)、2(c))基本一致。從變化幅度的量級看，2004—2015年間在虧損最為嚴(yán)重的地區(qū)速率達(dá)到-10.94 cm/a，2015—2019年虧損最大的地方只有-5.80 cm/a，水儲(chǔ)量虧損速率明顯減弱。

圖4 采用尺度因子恢復(fù)后華北平原陸地水儲(chǔ)量變化的時(shí)空分布圖Fig.4 Restored tempo-spatial distributions of TWS changes of the North China Plian

為檢驗(yàn)本研究結(jié)果的正確性，我們考察了前人所開展的研究和結(jié)果。Su等[28]反演2002—2010年華北地區(qū)陸地水儲(chǔ)量，其變化速率為-1.1 cm/a。Moiwo等[29]估計(jì)華北平原2002—2009年間的TWS變化，其虧損速率為-1.68 cm/a。Feng等[30]利用GRACE數(shù)據(jù)得到的2002—2014年間華北平原陸地水虧損結(jié)果表明，變化速率為-1～-2 cm/a。相比這些結(jié)果而言，本文結(jié)果(-0.93 cm/a)略小；但是考慮到研究所采用數(shù)據(jù)的長度不同及結(jié)果的離散度，這些結(jié)果總體上還是體現(xiàn)了較為一致的變化趨勢。結(jié)果之間的差異主要來自以下原因：我們采用觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間段長度以及所劃定的研究區(qū)域與前人有所不同。我們舍去了2002—2003年間的GRACE數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@期間數(shù)據(jù)明顯不穩(wěn)定，對長年速率的估計(jì)影響較大；我們選取的觀測數(shù)據(jù)時(shí)間段相對較長，便于研究南水北調(diào)前后的變化。此外，本文所采用的利用GRACE恢復(fù)陸地水儲(chǔ)量的方法在天山及長江中下游區(qū)域的儲(chǔ)水變化研究中已經(jīng)得到驗(yàn)證[31-32]。

4 討論

4.1 氣象因素對華北平原水質(zhì)量平衡的影響

為進(jìn)一步評估華北水儲(chǔ)量變化的成因，本節(jié)討論氣象因素對華北平原水儲(chǔ)量變化的影響。采用美國宇航局哥達(dá)航空中心建立的GLDAS水文模型[33]，提取氣象方面的數(shù)據(jù)。它包含4個(gè)版本的數(shù)據(jù)(NOAH、MOS、VIC、CLM)。采用GLDAS的子模型CLM給出的降水、蒸發(fā)、徑流的逐月解計(jì)算華北平原水儲(chǔ)量，以此確定氣象因素對總水儲(chǔ)量的影響。所用的水均衡公式為

ΔTWS=P-E-R，

其中，P、R、E分別表示逐月的降水量、徑流量與蒸發(fā)量。對于這幾個(gè)氣象因素分別計(jì)算其累積量，分段擬合趨勢，計(jì)算這兩段時(shí)間內(nèi)它們的變化速率，結(jié)果總結(jié)在表2中。兩段時(shí)間內(nèi)的TWS變化速率分別為-2.53 Gt/a與-2.04 Gt/a。

這說明氣象因素對陸地水儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)也為負(fù)值，且量級上具有重要的影響。2015—2019年的負(fù)變化趨勢相對于2004—2015年有所減緩，在一定程度上也對華北平原水儲(chǔ)量虧損起到了緩解作用。但是，由表2可以看出，相對于南水北調(diào)的輸水速率(3.08 Gt/a)，由氣象因素造成的水儲(chǔ)量虧損減緩趨勢(0.49 Gt/a)只能解釋2015年后總水儲(chǔ)量速率變化的一小部分，不是主要因素。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)得到的ΔTWS與GRACE的結(jié)果存在較大差異，這是因?yàn)镚LDAS水文模型的氣象數(shù)據(jù)不太精確，尤其是徑流量存在很大的不確定性，這或許可以解釋表2前兩列的數(shù)據(jù)。此外，它們在前后兩段時(shí)間的差值，能夠反映氣象因素對于水儲(chǔ)量的影響，具有一定的參考價(jià)值。

另外，在南水北調(diào)輸水前，GRACE觀測的水儲(chǔ)量虧損速率大約是氣象因素造成的水儲(chǔ)量虧損速率的2倍，它們之差可能體現(xiàn)了人為抽水這個(gè)因素。南水北調(diào)輸水后，基于氣象數(shù)據(jù)得到的TWS虧損速率基本保持不變，GRACE觀測的總水儲(chǔ)量虧損速率卻降低了約一半，說明南水北調(diào)減緩了華北平原水虧損的情況，而氣象因素導(dǎo)致的水儲(chǔ)量虧損有所減緩但不是主要因素。

另一方面，假設(shè)南水北調(diào)輸水前后，人們抽取地下水用水的速率不變，GRACE觀測到的前后兩個(gè)時(shí)段的水儲(chǔ)量變化速率的差異(表2最后一列)應(yīng)該大于等于氣象因素和南水北調(diào)輸水速率變化的總和，因?yàn)樵黾拥乃慷紤?yīng)該被衛(wèi)星探測到。但是表2中GRACE總水儲(chǔ)量速率差異卻略小于南水北調(diào)年輸水速率。其原因可能是“南水”送來后人們用水量略有增加，以及水儲(chǔ)量的變化速率相較于輸水有所滯后。

最后一個(gè)因素是，GLDAS數(shù)據(jù)產(chǎn)品是根據(jù)有限的氣象數(shù)據(jù)集和土壤模型而得到的，其本身包含了模型誤差；更重要的是它沒有考慮人類活動(dòng)如華北大面積地抽取地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉等因素。

4.2 華北平原地下水儲(chǔ)量變化

為進(jìn)一步分析南水北調(diào)的水對于華北平原地區(qū)水儲(chǔ)量的補(bǔ)充是在地表還是地下，進(jìn)而計(jì)算了地下水儲(chǔ)量變化。在華北地區(qū)，總水儲(chǔ)量變化包含土壤濕度(SM)變化、等效雪水(SWE)變化以及地下水(GWS)變化3個(gè)部分，可用公式表示為

ΔTWS=ΔSM+ΔSWE+ΔGWS.

華北平原地表水體如人工湖和蓄水庫等的變化對于長期的陸地水儲(chǔ)量變化較小，將其忽略[34]。對于土壤濕度及雪量，同樣用GLDAS模型進(jìn)行估計(jì)，取NOAH、VIC、MOS、CLM 4個(gè)模型的平均值。這些模型取的土壤層的最大厚度分別為200、190、300和343 cm，遠(yuǎn)小于地下水的埋深?；谥亓πl(wèi)星的陸地水儲(chǔ)量減去土壤濕度及雪量后可計(jì)算得到地下水儲(chǔ)量變化。

如圖5(a)所示，華北平原內(nèi)土壤及雪水儲(chǔ)量在2004—2015年的變化趨勢為(-0.28±0.08) Gt/a，呈現(xiàn)略微減少的態(tài)勢，2015—2019年變化速率增加，變?yōu)?-0.10±0.37) Gt/a，兩者相差0.18 Gt/a。圖5(b)為地下水儲(chǔ)量變化的時(shí)間序列，兩段時(shí)間內(nèi)變化趨勢分別為(-5.64±0.48) Gt/a和(-2.87±2.67) Gt/a，說明南水北調(diào)通水后對地下水的恢復(fù)貢獻(xiàn)達(dá)到2.77 Gt/a，大約緩解了50%的地下水儲(chǔ)量虧損趨勢。因此，南水北調(diào)對總水儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)在土壤水和地下水兩方面均有顯著的體現(xiàn)，它更多地補(bǔ)充了地下水的虧損，對地下水的恢復(fù)有重要作用[35]。

圖5 華北平原內(nèi)地表、地下水儲(chǔ)量變化時(shí)間序列及降水量柱狀圖Fig.5 Time series of surface water, groundwater storage changes, and histogram of precipitation in North China Plain

4.3 北京市與天津市的水儲(chǔ)量變化

南水北調(diào)中線的終點(diǎn)為北京的團(tuán)城湖和天津的外環(huán)河。考慮到北京市和天津市受水區(qū)面積小而供水量大，南水北調(diào)對其影響效果顯著，因而對這兩個(gè)地區(qū)進(jìn)行單獨(dú)分析。結(jié)果如圖6所示。北京市2004—2015年陸地水儲(chǔ)量變化速率為(-0.19±0.03) Gt/a，2015—2019年變化速率為(0.00±0.13) Gt/a，兩者相差0.19 Gt/a。天津市在這兩段時(shí)間內(nèi)陸地水儲(chǔ)量變化趨勢分別為(-0.29±0.05) Gt/a和(-0.02±0.21) Gt/a，兩者相差0.27 Gt/a。而南水北調(diào)的水量在這兩市的變化速率分別為1.05和0.84 Gt/a，表明南水北調(diào)水量與重力衛(wèi)星所反映的水儲(chǔ)量變化具有趨勢上的一致性，但是GRACE所得到的結(jié)果只分別體現(xiàn)了北京18%與天津30%的南水北調(diào)貢獻(xiàn)量。

至于為什么由GRACE得到的水儲(chǔ)量變化小于南水北調(diào)的水量，可能有兩方面原因：一是受GRACE空間分辨率限制，在小區(qū)域重力變化信號的恢復(fù)中信號泄露的現(xiàn)象更加明顯，對北京、天津市水儲(chǔ)量變化可能有一定的低估；二是GRACE數(shù)據(jù)2017年后部分月份缺失，特別是GRACE以及 Follow-on觀測數(shù)據(jù)間斷1年多，二者的數(shù)據(jù)銜接可能不夠準(zhǔn)確。這個(gè)問題還值得進(jìn)一步研究。

值得說明的是，北京和天津地區(qū)的空間尺度比較小，而GRACE的空間分辨率大約為300 km，本質(zhì)上反演如此小區(qū)域的水質(zhì)量變化具有一定的困難。然而，由于本文采用變尺度因子方法，可以在一定程度上提高對小區(qū)域的真實(shí)信號恢復(fù)效果。另外，這兩個(gè)區(qū)域位于華北平原的邊緣處，與研究區(qū)域外的信號泄露因素可能會(huì)造成加大影響，北京和天津地區(qū)的結(jié)果應(yīng)該含有一定誤差。但是，本研究結(jié)果基本上反映了這兩個(gè)地區(qū)的變化趨勢，具有一定的參考價(jià)值。

圖6 由GRACE得到的北京與天津兩市陸地水儲(chǔ)量變化時(shí)間序列Fig.6 Time series of terrestrial water storage changes in Beijing and Tianjin cities derived from GRACE

5 結(jié)論與展望

本文利用衛(wèi)星重力GRACE及GRACE Follow-on觀測數(shù)據(jù)計(jì)算華北平原的水儲(chǔ)量變化，并與南水北調(diào)工程供水量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，評估南水北調(diào)工程對華北平原總體水儲(chǔ)量、土壤水和地下水儲(chǔ)量的影響。結(jié)果表明，南水北調(diào)工程的中、東線自2014年底通水后，其輸送的總水量緩解了大約50%的華北平原陸地水儲(chǔ)量虧損趨勢，表明南水北調(diào)工程在緩解華北平原水儲(chǔ)量虧損中起到了重要且積極的作用，同時(shí)也為華北地下水長期超采后的逐步恢復(fù)提供了有利條件。

該研究表明，相比于傳統(tǒng)水井監(jiān)測手段受限于空間觀測點(diǎn)位覆蓋率的問題，連續(xù)的重力衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)更能反映大尺度水資源遷移的時(shí)空變化特征，尤其在研究華北平原等大流域水資源變化問題上具有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)橹亓πl(wèi)星具有連續(xù)觀測并且精度高的特點(diǎn)。在GRACE數(shù)據(jù)處理過程中，恢復(fù)信號所采用的是空間域尺度因子方法，該方法是在假定研究區(qū)域內(nèi)存在質(zhì)量而區(qū)域外無質(zhì)量分布情況下進(jìn)行的，也就是假設(shè)研究區(qū)域外質(zhì)量不發(fā)生變化。實(shí)際上，研究區(qū)域外也存在一定的質(zhì)量變化，這些質(zhì)量變化在數(shù)據(jù)處理過程中會(huì)泄漏至研究區(qū)域內(nèi)，使得研究區(qū)域的計(jì)算結(jié)果有一定誤差?？紤]到華北平原遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GRACE空間分辨率，區(qū)域外的信號泄露誤差應(yīng)該比較小，其具體的量化結(jié)果有待進(jìn)一步探討和分析。還應(yīng)該指出的是，由于GRACE Follow-on的觀測時(shí)間短且與GRACE觀測時(shí)段之間存在1年多的間斷，2015—2019年間華北平原水儲(chǔ)量變化趨勢的計(jì)算存在較大不確定性。隨著GRACE Follow-on觀測數(shù)據(jù)的積累及其觀測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步評估和優(yōu)化，相信能更準(zhǔn)確地估計(jì)華北平原水儲(chǔ)量變化趨勢，進(jìn)而更準(zhǔn)確地評估南水北調(diào)工程對華北平原水危機(jī)的緩解作用。