黃淮海平原地下水儲量與埋深變化特征分析

田益民，鮑振鑫，宋曉猛，莫昱晨，王國慶，劉翠善

（1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210029；3.水利部應(yīng)對氣候變化研究中心，南京 210029）

0 引 言

黃淮海平原是中國第二大平原，面積廣袤，地勢低平，是中國政治、經(jīng)濟(jì)、文化、交通中心，也是我國主要的糧食生產(chǎn)區(qū)。糧食作物以小麥、玉米為主，其中小麥的面積及總產(chǎn)分別占全國的45%和51%以上，麥田面積為糧食作物種植面積的45%以上；玉米的面積及總產(chǎn)占30%和50%以上，玉米播種面積為73 333 km2。然而黃淮海平原也是我國北方缺水較嚴(yán)重的地區(qū)，人均水資源量僅有460 m3，低于國際公認(rèn)的極度缺水的標(biāo)準(zhǔn)（500 m3）［1］。黃淮海平原旱災(zāi)平均受災(zāi)面積占全國受災(zāi)面積的比例最高，達(dá)28%［2］。近年來的氣候變暖又加劇了水資源短缺等問題更加制約了該地區(qū)社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［3］。正是因為其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的用水問題，使得該地區(qū)的地下水開采情況日益加重。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，目前黃淮海平原的地下水開采井約為200 萬眼，其多年平均的開采量超過了100 億m3［4］。由于多年的地下水超采，黃淮海平原已經(jīng)成為世界上最大的“漏斗區(qū)”：包括淺層漏斗和深層漏斗在內(nèi)的復(fù)合地下水漏斗，面積約為73 288 km2［5］。所以研究該地區(qū)地下水儲量與地下水埋深的時空變化特征，對合理和有效管理區(qū)域水資源，以及水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

傳統(tǒng)檢測地下水的方法一般為觀測井監(jiān)測，局限性比較大，觀察井監(jiān)測方法受人為的影響比較大，并且這種方法難以充分反映陸地水儲量在空間上和時間上的連續(xù)性變化特征。根據(jù)陸地水儲量的分布情況，除去冰川水外，地下水約占陸地水儲量的97.5%，占據(jù)了陸地水儲量很大的比重，所以在平原區(qū)陸地水儲量的變化可以近似表征地下水儲量的變化。隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）重力衛(wèi)星作為一種監(jiān)測陸地水儲量變化的新方法，打破了傳統(tǒng)地面觀測在時間和空間上的局限性，并且在國內(nèi)外分析地下水與水儲量變化的應(yīng)用中得到較好的效果［6-8］。

GRACE 衛(wèi)星因為其精確的觀測精度以及大范圍的時空監(jiān)測被許多研究者廣泛運用到各個領(lǐng)域。在國外的研究中，GRACE 衛(wèi)星被運用到美國、尼羅河流域和北冰洋地區(qū)［9-11］。不僅如此，國內(nèi)的研究者們也基于GRACE 衛(wèi)星開展了非常廣泛的研究工作［12-17］，其中鐘敏等［16］利用2003年至2007年的GRACE月重力位資料對華北區(qū)域的水儲量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)存在一個陸地水的減少信號。蘇曉莉［18］利用2002-2010年的數(shù)據(jù)得到華北地區(qū)陸地水儲量以1.1 cm/a的速率減少。

許多國內(nèi)的研究中更側(cè)重于結(jié)合水儲量和地下水的關(guān)系去研究問題［18，19］，在研究區(qū)內(nèi)很少考慮到降水與蒸發(fā)的因素。在地下水?dāng)?shù)據(jù)獲取方面，之前的研究中大都采用的是地下水位觀測井的資料，缺少大范圍、高精度的地下水位數(shù)據(jù)，導(dǎo)致一部分地下水位結(jié)果可能與實際情況耦合不準(zhǔn)確。而本文的研究中在數(shù)據(jù)獲取方面采用了水利部信息中心的黃淮海平原地下水埋深實測數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.043°×0.043°，取得的結(jié)果可能更貼近于黃淮海平原的地下水變化的真實情況。在研究區(qū)劃分上，不僅將黃淮海平原從整體去分析它的概況，還將黃淮海平原分割成海河與淮河兩個平原去分析比較兩個區(qū)域的不同結(jié)果，同時運用了M-K檢驗在時間上去衡量水儲量和地下水埋深的顯著性。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)來源和方法

1.1 研究區(qū)

黃淮海平原位于我國東部，分布范圍為E113.0°～121.5°，N30.0°～40.5°。北靠燕山，西傍太行山，南抵黃河下游，東臨渤海，包括京津2市與河北省的全部平原區(qū)，河南省黃河以北的平原區(qū)和江蘇省與山東省的部分地區(qū)，面積約為31 萬km2，總?cè)丝诩s1.33 億。黃淮海平原地勢較低，最高海拔為100 m 左右。氣候?qū)僦芯暥却箨懶约撅L(fēng)氣候，具有四季分明的特點。研究區(qū)位置分布如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究分析了黃淮海平原14年以來地下水儲量的趨勢變化，采用的是基于GRACE 衛(wèi)星2003年1月至2016年12月的月重力位資料，GRACE 衛(wèi)星是美國國家航空航天局（NASA）跟德國航空中心的合作項目，是觀測地球重力場變化的衛(wèi)星。通過其重力場的變化，推測出水儲量的變化。GRACE 衛(wèi)星于2002年3月升空后開始將重力數(shù)據(jù)傳回地球。數(shù)據(jù)由GSOC 收集并有三家機構(gòu)共同處理、分發(fā)，分別是：JPL，UT/CSR（University of Texas/ Center for Space Research，德州大學(xué)空間研究中心）和GFZ（GeoForschungsZentrum，德國地學(xué)中心，2008年之后改名為HelmholtzCentre Potsdam—GFZ German Research Centre for Geosciences）。研究所選的資料來源（JPL：https：//grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/jpl_global_mascons/）精度為1°×1°的逐月數(shù)據(jù)，對重力衛(wèi)星中缺失的數(shù)據(jù)采用相鄰平均法進(jìn)行插值處理。

降水?dāng)?shù)據(jù)采用了中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）的地面氣候日值數(shù)據(jù)集站點資料，選取了黃淮海平原內(nèi)的45個氣象站點資料，時間范圍為2003年1月1日-2016年12月31日。

地下水埋深數(shù)據(jù)采用的是水利部信息中心根據(jù)站點觀測數(shù)據(jù)插值成的空間分辨率為0.043°×0.043°的逐月網(wǎng)格資料，共計200×200個網(wǎng)格，本研究選取了研究區(qū)域內(nèi)的21 000個網(wǎng)格。地下水供水量、地下水資源量、農(nóng)業(yè)用水量與總用水量采用了中國水資源公報、淮河水資源公報與海河水資源公報數(shù)據(jù)，時間范圍為2003-2016年。

蒸發(fā)采用Gleam v3.3 的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)一共分為a、b兩套，該產(chǎn)品由英國布里斯托大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院水文氣象系發(fā)布，利用來自不同的遙感衛(wèi)星觀測遙感數(shù)據(jù)得到空間分辨率為0.25°的逐月蒸發(fā)數(shù)據(jù)，選取數(shù)據(jù)時間范圍為2003年1月-2016年12月。

1.3 方法介紹

Mann-Kendall突變分析方法［20-21］是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，常用于氣候變化影響下的降水、干旱頻次趨勢檢測。應(yīng)用Mann-Kendall 檢驗法可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變，如果存在，可確定出突變發(fā)生的時間。原理如下：

對具有n個樣本量的時間序列x，構(gòu)造一秩序列：

秩序列Sk是第i時刻大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量：

式中：UF1=0，E（SK），Var（SK）是累計數(shù)SK的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨立，且有相同連續(xù)分布時，它們可由下式算出：

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時間序列x順序x1，x2，…，xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若|UFi|＞Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重復(fù)上述過程，同時使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，1），UB1=0。

2 結(jié)果分析

2.1 水儲量與地下水埋深時間演變趨勢

研究將黃淮海平原劃分成海河平原與淮河平原兩個區(qū)域，運用GRACE月重力位資料估計了黃淮海地區(qū)平均地下水儲量的按年變化趨勢，得出水儲量與地下水埋深在時間上分布的規(guī)律性如圖2所示。研究顯示：

（1）在海河平原和淮河平原，地下水儲量存在明顯的下降趨勢，地下水埋深呈現(xiàn)明顯的增大趨勢。分析得到黃淮海平原地下水儲量以1.2 cm/a 的速率減小，其中海河平原的下降速率為1.6 cm/a，淮河平原的下降速率為0.9 cm/a；地下水埋深平均每年增大0.09 m，其中海河平原平均每年增大0.16 m，淮河平原平均每年增大0.05 m。本研究與如下研究結(jié)果具有相似的結(jié)論：蘇曉莉［18］在華北地區(qū)得出水儲量以-1.1 cm/a 速率減少，鐘敏等［16］研究得到京津冀地區(qū)的陸地水儲量下降的速率大于1 cm/a。

（2）從時間上看地下水儲量的變化與地下水埋深的變化存在高度的負(fù)相關(guān)性且海河平原的地下水儲量下降程度明顯大于淮河平原，其地下水埋深的增大程度也明顯大于淮河平原，海河平原的地下水開采的嚴(yán)重程度大于淮河平原。

分別對2003年至2016年整個黃淮海平原、海河平原與淮河平原的水儲量以及地下水埋深做M-K 檢驗，所得結(jié)果（表1）。

表1 M-K檢驗結(jié)果匯總Tab.1 Summary of mann-Kendall test results

檢驗結(jié)果顯示無論在淮河平原、海河平原還是在黃淮海平原，其地下水儲量都超過了0.01 的顯著性界限，表現(xiàn)出顯著下降的趨勢。對于地下水埋深，在海河平原以及整個黃淮海平原，地下水埋深處于顯著增大的趨勢，而在淮河平原，地下水埋深的增大趨勢卻只超過了0.05 的顯著性界限，可以看出海河平原的地下水開采情況較淮河平原嚴(yán)重。

對黃淮海平原、海河平原以及淮河平原在年尺度［圖3中（a）、（b）、（c）］與按月的年內(nèi)尺度［圖3中（d）、（e）、（f）］上對水儲量（W）和地下水埋深（D）做相關(guān)性分析如圖3所示。

分析結(jié)果表明：黃淮海平原、海河平原以及淮河平原地下水埋深和地下水儲量都呈現(xiàn)出強負(fù)相關(guān)的趨勢，說明了地下水儲量的變化與地下水埋深變化在時間尺度上具有一致性。

2.2 水儲量與地下水埋深空間演變趨勢

2.3 水儲量與地下水埋深變化成因分析

2.3.1 降水的時空變化趨勢

對黃淮海平原、海河平原以及淮河平原的降水進(jìn)行時間與空間上的分析如圖5所示，研究表明：在時間上，2003-2016年期間黃淮海平原降雨量總體呈現(xiàn)出下降的趨勢，且海河平原的降雨量明顯小于淮河平原的降雨量；在空間上，黃淮海平原中部和南部的降水年變化率都小于0呈現(xiàn)出減少的趨勢。

2.3.2 降水變化的影響

對黃淮海平原、海河平原以及淮河平原在年尺度（圖6）上對降雨量（P）與地下水儲量（W）和地下水埋深（D）做相關(guān)性分析如圖6所示。

研究顯示：①海河平原內(nèi)，降雨量與地下水儲量的相關(guān)性很低甚至呈現(xiàn)出不顯著的負(fù)相關(guān)性，降水對于水儲量的促進(jìn)作用幾乎完全喪失。在年尺度上，淮河平原降雨量與地下水儲量呈現(xiàn)出較低的正相關(guān)性，降水對水儲量的增加有微弱促進(jìn)作用；②無論在黃淮海平原、海河平原和淮河平原，降水與地下水埋深都呈現(xiàn)出非常弱的相關(guān)性，降水對于地下水埋深的影響較弱。

降水、水儲量與地下水埋深的特征分析對降水（P）、地下水儲量（W）和地下水埋深（D）在年內(nèi)尺度上觀察三者之間的關(guān)系，如（圖7）所示。

研究結(jié)果顯示，地下水儲量的低谷大概集中在6月份左右，分析原因：①人為因素：在農(nóng)業(yè)需求上，因為黃淮海平原作為九大農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)作物以冬小麥和夏玉米為主，夏玉米的主要灌溉期為5-8月［23］。所以5-6月灌溉的需求量開始增大，水儲量和地下水位開始下降；②氣候因素：處于3、4、5月份時，由降水減去蒸發(fā)的年內(nèi)分配［如圖8（b）］所示，此時降水減去蒸發(fā)為負(fù)值，水儲量呈現(xiàn)出下降的趨勢同時蒸散發(fā)能力E比較大，而降雨P(guān)不明顯，所以這段時間內(nèi)水儲量在6月份出現(xiàn)低谷。

地下水儲量的峰值要滯后降雨量的峰值大概2～3 個月左右，這是因為在年際尺度上蓄水變量可近似等于0；當(dāng)時間處于4、5、6月份時，蒸散發(fā)能力比較大，而降雨不明顯，所以這段時間，蒸發(fā)和降水都占據(jù)主要因素，水儲量和降雨量都呈現(xiàn)出增加的趨勢；當(dāng)時間處于7、8月份時，降水比較多，蒸發(fā)也較多［如圖8（a）］所示，所以水儲量會呈現(xiàn)增加的趨勢，降雨量開始逐漸下降，同時降水減去蒸發(fā)出現(xiàn)較大值［如圖8（b）］所示，所以此時水儲量剛好處于峰值；當(dāng)時間處于1、2、10、11、12月份時，此時蒸發(fā)開始減小，而同樣降水也開始減小，降水減去蒸發(fā)的變化趨于平緩［如圖8（b）］，此時水儲量開始逐步趨于平緩。地下水埋深與水儲量的規(guī)律剛好相反呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)，與地下水埋深具有“記憶性”的結(jié)論一致［24］。

2.4 人類活動的影響

2.4.1 地下水超采影響

不過，前述論證并不全面。畢竟，修改后的民事訴訟法擴(kuò)展了法律監(jiān)督的范圍，也豐富了法律監(jiān)督的形式，除去啟動再審程序之外，還有權(quán)以檢察建議形式對審判監(jiān)督程序以外的其他審判程序中審判人員的違法行為進(jìn)行監(jiān)督。再審程序之外的法律監(jiān)督會影響審判機關(guān)在民事訴訟中的獨立地位嗎？這個問題在之前以抗訴制度存廢為焦點的討論中一直被忽略，現(xiàn)在已經(jīng)躍然其上，亟待思考解答。

由水資源公報2003-2016年農(nóng)業(yè)用水量、總用水量、地下水供水量與地下水資源量數(shù)據(jù)分析得到，淮河區(qū)年平均總用水量為600.4 億m3，農(nóng)業(yè)用水量為405.9 億m3占總用水量的67.6%；海河區(qū)多年平均總用水量為373.1 億m3，農(nóng)業(yè)用水量為250.6 億m3占總用水量的67.2%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量占據(jù)了很大的比重。淮河區(qū)多年平均地下水供水量為167.6 億m3，地下水資源量為412.9 億m3，海河區(qū)多年平均地下水供水量為235 億m3大于地下水資源量的232.1 億m3，海河平原明顯出現(xiàn)地下水超采現(xiàn)象，地下水位下降更明顯。李玲［25］通過建立華北平原地下水流區(qū)域數(shù)值模型方法反演估算得出華北平原2002-2008年的地下水年平均開采量為249.2億m3，黃淮海平原面積約為31 萬km2，得到地下水位下降幅度約為0.08 m/a，由于本本研究的時間尺度為2003-2016年得到的結(jié)果為黃淮海平原地下水位下降幅度約為0.09 m/a，考慮到之后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增加帶來的地下水水位下降程度的增加，故本研究具有可靠性。

2.4.2 小麥月灌溉分布影響

魏童彤［26］分析了華北地區(qū)1959-2018年小麥在月尺度灌溉需水量的變化趨勢，得出小麥4月灌溉需水量多年平均值為84.73 mm，5月灌溉需水量多年平均值為144.56 mm，6月灌溉需水量多年平均值為30.83 mm，4、5、6月為需水關(guān)鍵期，灌溉需水量約占全生育期灌溉需水量的79%，所以黃淮海平原4、5、6月農(nóng)業(yè)灌溉用水量較大，地下水埋深開始增大，地下水儲量開始趨于低谷。

3 結(jié) 論

本文利用GRECE 重力衛(wèi)星資料揭示出黃淮海平原地區(qū)地下水儲量的時空演變規(guī)律，同時利用降水量、地下水埋深等相關(guān)數(shù)據(jù)對整個黃淮海平原進(jìn)行地下水開采情況的成因分析，得到的結(jié)論如下。

（1）黃淮海平原的地下水埋深在2003-2016年期間呈現(xiàn)增大趨勢，在淮河平原地下水埋深變化率分布不均勻，變化趨勢不明顯。

（2）在黃淮海平原中部以及西北部，即保定市、石家莊市與邢臺市地區(qū)，地下水水位和水儲量的下降趨勢最顯著。

（3）黃淮海平原的地下水水位和地下水儲量的下降程度大致從海河平原—淮河平原呈現(xiàn)遞減的趨勢，降雨量從海河平原—淮河平原大致呈現(xiàn)出遞增的趨勢，降雨量較少的區(qū)域地下水埋深的增大程度相對較高，地下水開采程度越顯著，水儲量下降的趨勢越明顯。

研究結(jié)果表明，黃淮海平原的地下水儲量與地下水埋深形勢不容樂觀，特別是在海河平原，地下水開采程度日益劇烈，與其農(nóng)業(yè)灌溉用水巨大的需求量有著密切的關(guān)系。如何在保持其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時修復(fù)這個巨型“漏斗區(qū)”已成為黃淮海平原地區(qū)未來必須面對的難題。□