基于GRACE和GLDAS的塔里木河流域地下水儲量演變規(guī)律研究

陳丹紅，曾獻奎*，吳吉春，桂東偉，孫媛媛

1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023；2. 中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011

1 引言

塔里木河流域地處中國西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，遠離海洋，降水量少，水資源匱乏，水資源的分布和開發(fā)利用方式是影響當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素。研究區(qū)包含典型的綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉用水占流域內(nèi)總用水量的96%左右（鄧銘江等，2017），其中地下水資源是當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用的重要組成部分（胡汝驥等，2002）。近年來，隨著“一帶一路”等國家政策實施，塔里木河流域經(jīng)濟迅速發(fā)展，綠洲規(guī)模呈不斷擴張態(tài)勢，耕地面積不斷增加（賀可等，2018；趙少軍等，2018），對地下水的需求愈發(fā)強烈，開采強度和規(guī)模不斷增加。作為典型的干旱區(qū)，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，地下水是維系當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因素，長期無序的地下水開發(fā)利用將威脅當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

掌握地下水動態(tài)變化是進行地下水資源科學(xué)管理和保護的依據(jù)。常規(guī)地下水監(jiān)測是通過地面監(jiān)測井進行的，但需要一定數(shù)量的監(jiān)測井才能反映區(qū)域地下水的變化情況，對于大尺度范圍內(nèi)的地下水監(jiān)測成本較高。此外，研究區(qū)位于西北偏遠地區(qū)，人類活動主要集中于零星分布的綠洲，區(qū)域內(nèi)地下水監(jiān)測井分布不均勻，監(jiān)測井?dāng)?shù)量十分有限，未形成有效的地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）重力衛(wèi)星任務(wù)的發(fā)布，為監(jiān)測大尺度范圍內(nèi)陸地水儲量的變化提供了新的有效研究途徑。GRACE重力衛(wèi)星通過監(jiān)測地球重力場來反演地球表面質(zhì)量分布的變化，進而得到陸地水儲量的變化。結(jié)合水量平衡方程和水文模型（Rodell，2009），可由陸地水儲量變化分離得到地下水儲量變化信息。

GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外陸地水儲量變化和地下水儲量變化研究中。Yeh等（2006）利用GRACE數(shù)據(jù)在伊利諾斯州地區(qū)開展了地下水儲量變化研究，并通過實測數(shù)據(jù)對GRACE反演結(jié)果進行了驗證，兩者呈現(xiàn)了較好的一致性。Voss等（2013）基于GRACE反演結(jié)果揭示了中東地區(qū)水資源呈大幅下降趨勢，并指出其虧損主要是由于地下水消耗引起的。Chen等（2016）利用GRACE數(shù)據(jù)和陸面模型對澳大利亞維多利亞州的地下水變化進行了反演，表明當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)了明顯的地下水枯竭，且地下水變化量與降雨量異常有很強的相關(guān)性。Yang等（2017）、魏光輝等（2020）研究表明塔里木河流域2002~2015年間陸地水儲量呈-1.6 ±1.1 mm/a變化趨勢。此外，曹艷萍等（2012）、Feng等（2013）、Pan等（2017）、Xie等（2018）通過GRACE數(shù)據(jù)分別在黑河流域、華北地區(qū)、海河流域、黃河流域等地區(qū)開展了陸地水和地下水儲量變化的相關(guān)研究。

當(dāng)前已有一些基于GRACE數(shù)據(jù)的塔里木河流域水儲量變化的研究，但針對地下水儲量變化的相關(guān)研究較少，且缺少對近幾年衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析。本文利用GRACE數(shù)據(jù)，結(jié)合GLDAS（Global Land Data Assimilation System, GLDAS） 的雪水當(dāng)量和土壤含水量數(shù)據(jù)，反演了塔里木河流域2003~2019年間的地下水儲量變化，并對其時空變化規(guī)律進行了分析，研究成果可為缺少地下水監(jiān)測資料的塔里木河流域水資源管理及開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

塔里木河流域位于新疆南部，地處天山山脈、帕米爾高原及昆侖山山脈之間，由環(huán)塔里木盆地的九大水系及眾多小河流構(gòu)成，分布范圍為E73°10′~94°05′，N34°55′~43°08′， 流 域 總 面 積 為1.02×106 km2。該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，降水量少，降水呈北多南少，西多東少分布趨勢。降水主要集中在夏季，多年平均年降水量約為120 mm，蒸發(fā)強烈，山區(qū)年蒸發(fā)量為800~1200 mm，平原盆地年蒸發(fā)量為1600~2200 mm。塔里木河流域源流水資源形成于山區(qū)，在平原區(qū)耗散，流域內(nèi)水資源主要由冰川融水和降水進行補給。研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Geographic location map of the study area

3 方法及數(shù)據(jù)

3.1 研究方法

GRACE反演的陸地水儲量變化（terrestrial water storage, TWS）包括地表水變化、地下水變化、土壤水含量變化、積雪當(dāng)量變化等（Strassberg et al.，2009）。在塔里木河流域，土壤水含量變化和積雪當(dāng)量變化是引起陸地水儲量變化的主要部分，地表水變化量可忽略不計（孫倩，2015），因此根據(jù)水量平衡原理，從GRACE反演的陸地水儲量變化量中扣除土壤水含量變化和雪水當(dāng)量變化兩部分即可得到地下水儲量變化量，即

式中：ΔGWS：地下水儲量變化量，量綱為[L]；ΔTWS：GRACE反演的陸地水儲量變化量，量綱為[L]；ΔSMS：土壤水含量變化，量綱為[L]；ΔSWE：雪水當(dāng)量變化，量綱為[L]。

3.2 數(shù)據(jù)來源

3.2.1 GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本文采用的是美國德克薩斯大學(xué)空間研究中心（Center for Space Research, CSR）發(fā)布的從2003年1月到2019年12月共173個月份的RL06 Mascon三級產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°，缺失月份的數(shù)據(jù)使用三次樣條插值填充。GRACE與GRACE-FO數(shù)據(jù)集中有一年左右的數(shù)據(jù)間斷期，本文選取了鐘玉龍等(2019)重構(gòu)的中國區(qū)域陸地水儲量變化數(shù)據(jù)集（鐘玉龍等，2020）的第164~174個月的數(shù)據(jù)作為間斷期的數(shù)據(jù)補充，該數(shù)據(jù)集與CSR RL06 Mascon產(chǎn)品一樣扣除了2004年1月至2009年12月間陸地水儲量的平均值。相關(guān)數(shù)據(jù)信息參見網(wǎng)址：http://www2.csr.utexas.edu/grace/RL06_mascons.html。

3.2.2 土壤含水量數(shù)據(jù)和雪水當(dāng)量數(shù)據(jù)

全球陸面同化系統(tǒng)（Global Land Data Assimilation System, GLDAS）是一個全球陸面水文模擬系統(tǒng)，通過同化地面和衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，提供高分辨率的地表狀態(tài)近實時信息（Rodell et al., 2004）。GLDAS有四種陸面模式：Noah，VIC（Variable Infiltration Capacity），CLM（Community Land Model）和Mosaic，提供從1979年至今的溫度、土壤含水量、雪水當(dāng)量等數(shù)據(jù)，空間分辨率有0.25°和1°兩種，時間分辨率有3 h、日尺度和月尺度三種。本文采用的是GLDAS的Noah模式提供的2003年1月到2019年12月共204個月的土壤水含量（soil moisture storage, SMS）和雪水當(dāng)量數(shù)據(jù)（snow water equivalent, SWE），空間分辨率為0.25°×0.25°。對 GLDAS 數(shù)據(jù)進行和 GRACE 衛(wèi)星數(shù)據(jù)同時間段的距平（數(shù)列中某一數(shù)值與數(shù)列平均值的差值）處理，將土壤含水量和雪水當(dāng)量數(shù)據(jù)減去各自在2004年1月至2009年12月間的平均值。相關(guān)數(shù)據(jù)信息參見網(wǎng)址：https://daac.gsfc.nasa.gov/datasets?keywords=GLDAS。

3.2.3 TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)

為分析研究區(qū)地下水儲量年際變化與降水量之間的關(guān)系，選用熱帶降雨測量任務(wù)（Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM）提供的降水?dāng)?shù)據(jù)集。TRMM衛(wèi)星用于監(jiān)測緯度50°S-50°N范圍內(nèi)的降水情況，提供多個時間尺度和空間尺度的降水?dāng)?shù)據(jù)。已有研究表明TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)在西北干旱半干旱區(qū)具有較好的適用性（蔡曉慧等，2013）。本文采用的降水?dāng)?shù)據(jù)是TRMM月數(shù)據(jù)產(chǎn)品3B43，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間尺度與GRACE數(shù)據(jù)保持一致。該產(chǎn)品單位為mm/hr，需要將其換算為月總降水量。相關(guān)數(shù)據(jù)信息參見網(wǎng)址：https://daac.gsfc.nasa.gov/datasets?keywords=TRMM。

4 地下水儲量變化分析

4.1 地下水儲量的時間序列變化

根據(jù)水量平衡方程（1），結(jié)合GRACE和GLDAS數(shù)據(jù)得到了塔里木河流域地下水儲量變化。圖2顯示了塔里木河流域陸地水儲量變化、地下水儲量變化，以及土壤水含量距平值和雪水當(dāng)量距平值變化曲線圖。從圖中可以看出，陸地水儲量變化和地下水儲量變化趨勢相一致。對兩者進行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)達到0.98，由此推斷2003~2019年間塔里木河流域陸地水儲量變化主要由地下水儲量變化引起的，土壤水含量變化和雪水當(dāng)量變化對陸地水儲量的變化影響均較小。

圖2 2003~2019年塔里木河流域地下水儲量（GWS）變化時間序列Fig. 2 GWS variations in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

圖3表示2003~2019年17年間研究區(qū)地下水儲量變化分段趨勢。從圖3可以看出，塔里木河流域的地下水儲量年際變化較大，在不同時期呈現(xiàn)不同的變化趨勢，17年間呈先增加后減少再增加后減少的趨勢。在2003年1月至2005年6月地下水儲量呈緩慢增加趨勢，增加速率為0.01 mm/month；2005年6月至2015年2月塔里木河流域地下水儲量處于持續(xù)虧損狀態(tài)，虧損速率為-0.01 mm/month；2015年2月至2017年9月地下水儲量快速回升，增加速率為0.03 mm/month；2017年9月至2019年12 月，塔里木河流域地下水儲量呈快速減少趨勢，減少速率為-0.05 mm/month。

圖3 2003~2019年塔里木河流域地下水儲量（GWS）變化分段趨勢Fig. 3 Segmental trend of GWS variations in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

2003~2019年塔里木河流域地下水儲量變化波動較大，由圖4可知，波動范圍在-31~18 mm之間，整體呈減少趨勢，長期處于虧損狀態(tài)，減少速率為-2.13 mm/a。自2007年起，塔里木河流域地下水儲量變化量為負值，表示研究區(qū)地下水儲量呈虧損狀態(tài)。

圖4 2003~2019年塔里木河流域地下水儲量（GWS）變化趨勢Fig. 4 Trend of GWS variations in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

4.2 地下水儲量空間分布特征分析

圖5為塔里木河流域2003~2019年地下水儲量多年平均變化率空間分布圖。由圖5可知，研究區(qū)北部地下水儲量變化率為負值，地下水儲量整體呈下降狀態(tài)；中部、東部和南部地區(qū)，地下水儲量變化率為正值，17年間地下水儲量整體上呈逐漸增加趨勢。地下水儲量變化表現(xiàn)出顯著的空間差異性，這與塔里木河流域綠洲分布格局相一致（莊慶威等，2020）。區(qū)域內(nèi)地下水儲量表現(xiàn)出不同的波動情況，變化范圍在-43.25~20.68 mm/a，除塔里木河流域東南部地區(qū)地下水儲量顯著增加，其他區(qū)域均出現(xiàn)不同程度的虧損，在天山南坡中段地區(qū)虧損最大，為-16.15 mm/a。塔里木盆地北部地下水儲量也呈下降趨勢，為-7.7 mm/a，塔里木盆地南部地區(qū)和帕米爾、昆侖山地區(qū)地下水略有減少。

圖5 2003~2019年塔里木河流域地下水儲量（GWS）變化速率圖Fig. 5 Trend map of GWS variations in the Tarim River Basin from2003 to 2019

圖6展示的是基于GRACE得到的塔里木河流域2003~2019年逐年地下水儲量變化的空間分布。由圖6可知，天山南坡中段地區(qū)2003~2006年地下水儲量呈增加趨勢，自2007年后，呈持續(xù)減少趨勢，降幅為16.15 mm/a，減幅最大區(qū)域位于渭干-庫車河流域和開都河流域。1990~2014年25年間，渭干—庫車河流域新增耕地1755.85 km2 （侯一峰等，2020），農(nóng)業(yè)灌溉強度加大，對地下水的開采強度也隨之增加，引起地下水儲量大幅下降。流域東北部地區(qū)包括哈密、吐魯番等地，在2003~2006年地下水儲量大幅下降，2007年后降幅得到緩解。

根據(jù)TRMM降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計，近年來流域東北部降雨量呈微弱增長，這緩解了地下水的大幅虧損。塔里木盆地北部地區(qū)地下水儲量在2003~2006年呈下降趨勢，2007~2009年緩慢回升，在2010~2019年再度呈下降趨勢。而塔里木盆地南部自2009年后地下水波動趨于平穩(wěn)。流域南部接受來自昆侖山的冰川融水補給，水源較為豐富，且降水呈增加趨勢，流域內(nèi)和田、于田、民豐等地區(qū)地下水儲量整體呈穩(wěn)步增加趨勢。2000年起，塔里木河下游先后接受了19次生態(tài)的輸水，自大西海子水庫累計下泄生態(tài)水77億立方米。從圖6可以看出，自2007年起，塔里木河流域下游地區(qū)地下水儲量出現(xiàn)回升，此后穩(wěn)步增加，生態(tài)輸水效果顯著。

圖6 塔里木河流域2003~2019年間的地下水空間變化分布Fig. 6 Spatial variations of groundwater in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

4.3 地下水儲量變化與降水量關(guān)系分析

塔里木河流域水資源主要通過降水和冰川融水補給，地下水儲量變化受降水和溫度的影響。圖7 （a）為2003~2019年地下水儲量變化與每月降水量。塔里木河流域降水主要集中在夏季，且夏季溫度較高，冰川消融，地下水得到降雨和冰川融雪的補給，地下水資源量增加。秋冬季節(jié)，降水較少，地下水消耗量大于補給量，地下水儲量下降。塔里木河流域的地下水儲量變化表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性特征。

圖7 (a) 2003~2019年塔里木河流域地下水儲量（GWS）變化與每月降水量對比；(b) 2003~2019年塔里木河流域年降水異常統(tǒng)計Fig. 7 (a) Comparison of GWS variations and monthly precipitation in Tarim River Basin from 2003 to 2019; (b) Annual precipitation anomalies in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

圖7（b）為塔里木河流域2003~2019年降水異常值。通過對比研究區(qū)地下水儲量變化量和降水量異常值，地下水儲量的年變化規(guī)律與降水的年變化特征較為一致。2004年、2006~2009年，塔里木河流域降水量較多年平均低10~25 mm，地下水儲量大幅下降；2010~2015年，降水量有增有減，在2010年，降水量高出多年平均23 mm，地下水儲量出現(xiàn)回升；2015~2017年，研究區(qū)地下水呈快速回升，這與同期降水增多現(xiàn)象相吻合；2017~2019年，降水偏少，地下水儲量呈下降趨勢。降水多的年份，農(nóng)田作物從降水中得到較多的供給，灌溉的需求減少，地下水開采量也隨之降低，同時增加的降水量補給了地下水，緩減了開采造成的地下水儲量下降；降水少的年份，地下水補給來源減少的同時，農(nóng)田灌溉對開采地下水的需求也在加大，這加劇了塔里木河流域的地下水虧損。

5 結(jié)論

本文基于GRACE和GLDAS反演得到了塔里木河流域地下水儲量變化，并對其時空分布特征進行分析，研究結(jié)論如下：

（1）2003~2019年間塔里木河流域地下水儲量呈先增加后減少再增加最后減少四個階段，整體上17年間地下水儲量處于減少狀態(tài)，減少速率為-2.13 mm/a。

（2）在空間分布上，地下水虧損最大的區(qū)域主要在天山南坡中段地區(qū)，由北向南方向，地下水儲量降幅逐漸減少，其中塔里木河下游地下水儲量穩(wěn)步回升，地下水儲量變化分布規(guī)律與綠洲分布格局密切相關(guān)。

（3）塔里木河流域地下水變化年際變化特征與研究區(qū)的降水異常密切相關(guān)。在降水呈正距平的年份，地下水儲量相應(yīng)增加；在降水呈負距平的年份，地下水儲量虧損較大。

致謝：本次研究所用的中國區(qū)域基于降水重構(gòu)陸地水儲量變化數(shù)據(jù)集（2002~2019）來自“國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心”（http://data.tpdc.ac.cn）。