黃河中上游地區(qū)水儲量變化及陸地水負(fù)荷形變研究

謝小偉

東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城鎮(zhèn)化速度加快，人類對水資源的開發(fā)利用也迅速增加，從時空上掌握水資源的變化不僅可以為水資源管理決策提供數(shù)據(jù)支撐，還可以用于研究地球表面水負(fù)荷相關(guān)的科學(xué)問題。論文以GRACE衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)為主，結(jié)合水文模型數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)及其他輔助數(shù)據(jù)，研究了黃河中上游地區(qū)具有不同空間尺度的黃土高原和湟水流域兩個區(qū)域內(nèi)的水儲量變化，并在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合GPS數(shù)據(jù)分析了湟水流域內(nèi)陸地水遷移引起的負(fù)荷形變。主要研究內(nèi)容和成果如下：

(1) 考慮到論文研究區(qū)域內(nèi)水文模型與GRACE數(shù)據(jù)相關(guān)性較差，不適合作為先驗(yàn)信息來計算尺度因子以對濾波后的GRACE信號進(jìn)行恢復(fù)，論文提出了利用GRACE重力場球諧系數(shù)的局部正交化結(jié)果(Slepian解)替換水文模型計算尺度因子的方法。Slepian解不需要額外的濾波和平滑處理，泄露誤差較少且不存在分辨率損失，同時Slepian解與球諧解和Mascon解的具有較好的一致性，因此可以作為先驗(yàn)信息來計算尺度因子。

(2) 論文基于GRACE Mascon解反演得到的水儲量變化結(jié)果，分析了黃土高原2005—2014年的水儲量時空變化和影響因素。結(jié)果表明：①黃土高原的陸地水、地表水以及地下水的儲量變化都表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，在夏季和秋季表現(xiàn)為上升，而在冬季和春季表現(xiàn)為下降；②扣除采煤引起的質(zhì)量遷移后，黃土高原的地表水、陸地水以及地下水在2005—2014這10年間的年變化趨勢分別為：0.13±0.09 cm/a、-0.51±0.09 cm/a及-0.65±0.07 cm/a，其中地表水儲量表現(xiàn)為略微上升，而地下水儲量卻呈現(xiàn)出較為嚴(yán)重消耗，尤其是在山西省及其周邊區(qū)域更為嚴(yán)重；③降水是引起黃土高原水儲量季節(jié)性變化的原因，并且是水儲量補(bǔ)充的重要來源，但并不是黃土高原地下水的嚴(yán)重消耗的原因，黃土高原的地下水嚴(yán)重消耗多是由人為活動所導(dǎo)致，特別是山西省及其周邊地區(qū)的地下水異常消耗是由大量的煤炭開采所導(dǎo)致。

(3) 論文基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，建立了有較高分辨率的水文地質(zhì)、氣象數(shù)據(jù)與GRACE數(shù)據(jù)之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)而獲取了湟水流域較高分辨率的水儲量變化，并結(jié)合地面水井觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果分析表明：①神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬得到的水儲量變化與地面水井觀測得到的結(jié)果具有較好的一致性，變化趨勢也較為接近；②湟水流域內(nèi)的陸地水儲量變化呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，在夏季和秋季表現(xiàn)為上升的趨勢，而在春季和冬季呈現(xiàn)出下降的趨勢；③湟水流域在2014—2016年期間的陸地水儲量整體呈下降趨勢，其年變化趨勢約為-0.61±0.32 cm/a；④降水是陸地水呈現(xiàn)出季節(jié)性變化的主要原因，年降水充沛時陸地水儲量可以得到有效補(bǔ)充而呈現(xiàn)出上升趨勢；⑤在湟水流域的主要城區(qū)及其周邊，水儲量都呈現(xiàn)出下降的趨勢，可見人為活動對湟水流域的水儲量變化也起著不可忽視的作用。

(4) 論文對比了湟水流域內(nèi)GRACE和GPS分別得到的垂向周期性形變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了個別站點(diǎn)外，二者的相關(guān)系數(shù)在0.8以上，最大振幅差異僅為0.4 mm，但相位差異平均在25.9°。較大的相位差異可能是由數(shù)據(jù)處理誤差、形變響應(yīng)延時以及兩種數(shù)據(jù)的時空分辨率差異所導(dǎo)致。從去除趨勢項(xiàng)后的GPS垂向形變中扣除GRACE得到的周期性形變后，其WRMS平均減小了33.4%。這些結(jié)果可以表明，湟水流域內(nèi)GRACE與GPS得到垂向形變中的周期信號是由同樣的地球物理過程所導(dǎo)致，這里包括陸地水及大氣負(fù)荷。