基于GRACE數(shù)據(jù)的中國(guó)地下水儲(chǔ)量時(shí)空變化研究

摘要：研究中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列地下水儲(chǔ)量變化，識(shí)別地下水儲(chǔ)量下降區(qū)域及該區(qū)域人口暴露情況，為水資源可持續(xù)利用提供重要的科學(xué)參考。利用GRACE（重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒?yàn)）衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GLDAS（全球陸地?cái)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)）數(shù)據(jù)，根據(jù)水量平衡原理分析了2003-2020年中國(guó)地下水時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：（1）中國(guó)地下水的豐水區(qū)主要分布在長(zhǎng)江流域以南和青藏高原區(qū)，缺水區(qū)主要分布在華北地區(qū)與西北地區(qū)；中國(guó)地下水穩(wěn)定性存在顯著的空間差異，華北地區(qū)、西北地區(qū)和青藏高原區(qū)的穩(wěn)定級(jí)別為差；（2）中國(guó)地下水等效水高在2003-2020年呈下降趨勢(shì)，貢獻(xiàn)區(qū)域主要集中在北方區(qū)域；多年平均等效水高為-10.91 mm/a，整體以減少為主；地下水等效水高由2003年的-0.83 mm下降至2020年-39.55 mm，18年間共下降38.72 mm，下降率為2.15 mm/a；（3）人水矛盾突出區(qū)域主要集中在華北平原，空間上南方區(qū)域比北方更安全。2020年中國(guó)市域地下水下降暴露人口平均gt;500人/km2的區(qū)域集中分布在華北平原及周邊區(qū)域，暴露總量最高的3個(gè)行政區(qū)為北京、天津、保定。

關(guān)鍵詞：重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒?yàn)；地下水；人口暴露；時(shí)空變化；中國(guó)

中圖分類號(hào)：X87 " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " "文章編號(hào)：1674-3075（2024）06-0009-09

隨著城市化進(jìn)一步發(fā)展，人類活動(dòng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展高速增長(zhǎng)使水資源的消耗進(jìn)一步加劇，水資源儲(chǔ)量安全已成為全球城市可持續(xù)發(fā)展的重要保障（陶征廣等，2021）。目前，全球有超過(guò)40億人口生活在城市地區(qū)，且城鎮(zhèn)人口數(shù)量將不斷增加（Mcdonald et al，2014），至2050年城鎮(zhèn)人口占全球人口數(shù)量比例將達(dá)到68%，包括中國(guó)在內(nèi)的3個(gè)國(guó)家將貢獻(xiàn)其中的35%（Chen et al，2014；黃婉彬等，2020）。地下水作為水資源的重要組成部分，由于儲(chǔ)量穩(wěn)定、水質(zhì)好，可被各行各業(yè)直接使用，是人類活動(dòng)的必需品（趙珍珍和馮建迪，2019；涂夢(mèng)昭等，2020），為世界超過(guò)15億的城市人口提供基本用水，對(duì)人類生存發(fā)展及資源的可持續(xù)利用至關(guān)重要（Howard，2015）。地下水資源是指存在于地下可以為人類所利用的水資源，是全球水資源的一部分，并且與大氣水資源和地表水資源密切聯(lián)系、互相轉(zhuǎn)化（陳飛等，2020）。地下水資源既有一定的地下儲(chǔ)存空間，又參加自然界水循環(huán)，具有流動(dòng)性和可恢復(fù)性的特點(diǎn)（Long et al，2017）。

2020年中國(guó)水資源總量31.6×103億m3，其中，地表水資源量30.4×103億m3，地下水資源量8.6×103億m3，地下水與地表水資源不重復(fù)量為1.2×103億m3（涂夢(mèng)昭等，2020）?；谥袊?guó)水資源生態(tài)安全與現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系構(gòu)建、產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的支撐能力及服務(wù)水平的新要求，不僅要求政府相關(guān)部門從生態(tài)文明建設(shè)角度，審視人口經(jīng)濟(jì)與水資源環(huán)境關(guān)系，而且需要優(yōu)化水資源配置格局，提高水資源利用效率和效益，為中國(guó)水資源生態(tài)安全建設(shè)的提質(zhì)升級(jí)提出新目標(biāo)。

中國(guó)江河縱橫交錯(cuò)、湖泊星羅棋布，但中國(guó)水資源人均占有量不高、地區(qū)分布不均，尤其是華北地區(qū)和關(guān)中地區(qū)，人水資源矛盾愈發(fā)突出，給相關(guān)部門的水資源安全管理提出了新要求（陸大道和孫東琪，2019）。由于中國(guó)生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源嚴(yán)重短缺且時(shí)空分布不均，保證地下水儲(chǔ)量安全十分重要。在此背景下，研究中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列的地下水儲(chǔ)量變化對(duì)于區(qū)域水資源可持續(xù)利用具有重要的科學(xué)意義。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究，主要集中在城市群（宮輝力等，2017；楊陽(yáng)，2017）、地形區(qū)（徐子君等，2018；胡鵬飛等，2019）、流域（曹艷萍等，2012；王志成等，2017）等尺度的地下水變化監(jiān)測(cè)，也有部分學(xué)者開展了技術(shù)方法改進(jìn)、精度檢測(cè)和降尺度等工作，但缺少中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列地下水儲(chǔ)量時(shí)空變化的研究。從監(jiān)測(cè)趨勢(shì)看，已有學(xué)者利用GRACE（gravity recovery and climate experiment，重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒?yàn)）衛(wèi)星在不同尺度上監(jiān)測(cè)了中國(guó)地下水儲(chǔ)量變化：全國(guó)尺度上，分流域統(tǒng)計(jì)了地下水儲(chǔ)量變化；局地尺度上，主要集中在華北地區(qū)和西北地區(qū)，發(fā)現(xiàn)其地下水儲(chǔ)量在不斷枯竭。從監(jiān)測(cè)精度上看，基于GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的中國(guó)地下水儲(chǔ)量變化與實(shí)測(cè)地下水井反映的趨勢(shì)基本一致，二者擬合度較高。

傳統(tǒng)的地下水監(jiān)測(cè)方法耗時(shí)耗力，且在監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外的區(qū)域形成了監(jiān)測(cè)盲區(qū)，無(wú)法及時(shí)了解地下水儲(chǔ)量的變化情況（Zhong et al，2018；張亮林和潘竟虎，2021）。為解決這一問(wèn)題，本文將GLDAS（global land data assimilation system，全球陸地?cái)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)）和GRACE遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合反演了中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列的地下水儲(chǔ)量變化。GRACE衛(wèi)星發(fā)射于2002年3月，2016年停止工作，2018年又發(fā)射了二代星，主要被用于探測(cè)地球重力場(chǎng)變化。GRACE是由2個(gè)完全相同的衛(wèi)星組成，這2顆衛(wèi)星在軌道上具有固定間距220 km，衛(wèi)星上配置了精密的加速度儀，能夠通過(guò)測(cè)量2顆衛(wèi)星之間的距離變化，最終量化短期內(nèi)地表水儲(chǔ)量變化。GRACE數(shù)據(jù)通過(guò)采用1 383個(gè)實(shí)時(shí)聲探的地質(zhì)調(diào)查觀測(cè)井和5 908個(gè)日常讀數(shù)的觀測(cè)點(diǎn)，再加上對(duì)全國(guó)數(shù)十萬(wàn)個(gè)井、溝、洞穴進(jìn)行水位測(cè)量作為補(bǔ)充，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

本研究使用GLDAS、GRACE和LandScan遙感數(shù)據(jù)開展2003-2020年中國(guó)地下水儲(chǔ)量變化與暴露于地下水急劇下降區(qū)的人口變化，主要研究?jī)?nèi)容包括分析中國(guó)地下水變化時(shí)空格局，識(shí)別地下水儲(chǔ)量下降區(qū)域并分析該區(qū)域地下水顯著下降的人口暴露情況，以期為中國(guó)地下水儲(chǔ)量可持續(xù)利用提供科學(xué)參考。

1 " 材料與方法

1.1 " 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 " GRACE數(shù)據(jù) " 選擇由jet propulsion lab（美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室）發(fā)布的JPL RL06 Mascon數(shù)據(jù)集，選擇中國(guó)作為研究區(qū)域，數(shù)據(jù)集包括“Decimal_time”“l(fā)at”“l(fā)on”“time”“time_bounds”“TWSA_REC”和“Uncertainty”7個(gè)參數(shù)，以.nc的格式存儲(chǔ)。本研究使用的數(shù)據(jù)包括3個(gè)階段，分別為version 01（一代星）、間斷期（鐘玉龍等，2020）和version 02（二代星），處理得到中國(guó)區(qū)域基于降水重構(gòu)陸地水儲(chǔ)量變化數(shù)據(jù)集。中國(guó)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)實(shí)用性已經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的研究，已有研究（Tapley et al，2004；Strassberg et al，2007；冉全等，2013；Zhong et al，2019）選取實(shí)測(cè)地下水位數(shù)據(jù)對(duì)該衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，二者年尺度上R2約為0.804。數(shù)據(jù)質(zhì)量整體較好，適用于中國(guó)區(qū)域內(nèi)的地下水儲(chǔ)量變化研究。

GRACE雙星都配備了星載攝像機(jī)和加速度儀，通過(guò)高軌GPS（global positioning system）接收機(jī)和微波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量衛(wèi)星的位置和速度。長(zhǎng)期來(lái)看，GRACE衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的地球重力場(chǎng)變化反映了固體地球的質(zhì)量變化，而在較短的時(shí)間尺度上，地球質(zhì)量的改變主要是由于水在地球表面不斷重新分布造成的。GRACE可以通過(guò)感應(yīng)地球質(zhì)量局部改變引起的微小引力變化來(lái)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)陸地總水儲(chǔ)量（total water storage，TWS）的變化。當(dāng)2顆衛(wèi)星繞著地球環(huán)繞時(shí)，重力異常區(qū)會(huì)先后影響前位衛(wèi)星和尾隨衛(wèi)星，地球質(zhì)量的變化會(huì)引起兩星間微小的加速和減速，改變它們之間的距離。為了測(cè)量這個(gè)不斷變化的距離，GRACE雙星不斷向彼此發(fā)射微波脈沖，并對(duì)返回信號(hào)的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。將測(cè)距數(shù)據(jù)與高軌GPS定時(shí)跟蹤、星跡追蹤器的姿態(tài)信息以及加速度儀的非引力效應(yīng)相結(jié)合，可以反演出地球重力場(chǎng)月值數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)其隨時(shí)間的變化，并轉(zhuǎn)化為以等效水柱高形式表示的陸地總水儲(chǔ)量變化（涂夢(mèng)昭等，2020）。陸地總水儲(chǔ)量是地表水（湖泊和河流）、土壤水、地下水和雪水等的總和，通過(guò)水量平衡原理最終可獲得地下水儲(chǔ)量。

1.1.2 " GLDAS數(shù)據(jù) " GLDAS數(shù)據(jù)來(lái)源于戈達(dá)德地球科學(xué)數(shù)據(jù)與信息服務(wù)中心（goddard earth sciences data and information services center，GESDISC）。本研究選取了GLDAS-2.1版本的Noah模型輸出土壤含水量和積雪水量，為了與陸地水儲(chǔ)量變化數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，將2003-2020年每月土壤含水量、積雪水量分別減去相對(duì)應(yīng)的多年平均值，得到土壤含水量、雪水的距平值，即每月的變化，進(jìn)一步求得各自的年均變化（Gong et al，2018）。

1.1.3 " LandScan人口數(shù)據(jù) " 人口格網(wǎng)數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andScan人口數(shù)據(jù)，空間分辨率約1 km，獲取自https：//landscan.ornl.gov。該數(shù)據(jù)由ORNL（oak ridge national laboratory，美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）推出，它采用的是GIS與RS相結(jié)合的創(chuàng)新方法。在大約1 km格網(wǎng)分辨率范圍內(nèi)，LandScan是最好的全球人口動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)集之一，可以獲取24 h內(nèi)平均人口分布狀況。已有大量學(xué)者對(duì)該數(shù)據(jù)在中國(guó)區(qū)域內(nèi)的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證和科學(xué)研究，精度客觀可靠（王雪梅等，2004；張亮林和潘竟虎，2021）。

1.1.4 " 矢量數(shù)據(jù) " 中國(guó)各級(jí)行政區(qū)界線數(shù)據(jù)獲取自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心1：100萬(wàn)全國(guó)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)和基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站（http：//bzdt.nasg.gov.cn/）下載的審圖號(hào)為GS（2016）2885號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。

1.2 " 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

1.2.1 " 地下水儲(chǔ)量變化 " 根據(jù)水量平衡原理計(jì)算2003-2020年中國(guó)地下水年均變化量（Gong et al，2018）。GRACE衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的垂直水層水儲(chǔ)量變化包括了地表水（湖泊和河流）、土壤水、地下水和雪水（冉全等，2013；Gong et al，2018）。根據(jù)水量平衡原理，從GRACE反演的陸地水儲(chǔ)量變化中減去土壤含水量變化和積雪水變化量得到地下水儲(chǔ)量變化（地表水變化很微小，故忽略它）。將2003-2020年每月土壤含水量減去2003至2020年的多年平均值，得到土壤含水量距平值，即每月土壤含水量變化，進(jìn)一步取年均值得到土壤水年均變化（Feng et al，2013）。2003-2020年地下水儲(chǔ)量變化計(jì)算如下式所示：

VGWS，i=VTWS，i-VSMS，i-VSWS，i " ①

式中：i為年份，VGWS，i為第i年地下水年均變化量，VTWS，i為陸地水儲(chǔ)量年均變化量，VSMS，i為土壤水年均變化量，VSWS，i 為地表水儲(chǔ)量變化量，單位均為mm。

1.2.2 " 趨勢(shì)分析 " Theil-Sen Median趨勢(shì)分析可以模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，能客觀地反映長(zhǎng)時(shí)間序列中國(guó)地下水儲(chǔ)量的演化趨勢(shì)，計(jì)算公式為（Sen，1968）：

SR=Median（[Wj-Wij-i]） " "2003≤i≤j≤2020 " ②

式中：SR為擬合方程的斜率，Wi為第i年的中國(guó)地下水等效水高，Wj為第j年的中國(guó)地下水等效水高，單位為mm。當(dāng)SRgt;0，中國(guó)地下水儲(chǔ)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；反之，中國(guó)地下水儲(chǔ)量呈減小趨勢(shì)。

Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法，用來(lái)判斷趨勢(shì)的顯著情況，Z統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式為（Kendall，1955）：

Z = [S-1s（S），Sgt;00， " " " " " " " "S=0S+1s（S），Slt;0] "③

S = [j=1n-1i=j+1nsgn（Wj-Wi）] ④

[sgn（Wj-Wi）] = [1，Wj-Wigt;00，Wj-Wi=0-1，Wj-Wilt;0] "⑤

s（S） = [n（n-1）（2n+5）18] ⑥

式中：S為統(tǒng)計(jì)變量，s（S）為S的方差，n為時(shí)間序列的長(zhǎng)度，sgn（W）為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)[Z] gt;μ1-α/2時(shí)，表明在α水平上存在顯著變化，該研究判斷在α=0.05置信水平上中國(guó)地下水儲(chǔ)量在時(shí)間序列上的顯著性。

利用Theil-Sen Median和Mann-Kendall方法可以客觀地呈現(xiàn)中國(guó)地下水儲(chǔ)量在時(shí)間序列上的顯著性變化特征。當(dāng)S gt;0，中國(guó)地下水儲(chǔ)量在時(shí)間序列上呈增加趨勢(shì)；當(dāng)Slt;0，則呈減少趨勢(shì)；當(dāng)S=0，則無(wú)變化。對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的Z值分別進(jìn)行分級(jí)，將Z值的絕對(duì)值結(jié)果按照顯著性分為極顯著變化（|Z|＞2.58）、顯著變化（1.96lt;|Z|≤2.58）、弱顯著變化（1.65lt;|Z|≤1.96）和無(wú)顯著變化（0＜|Z|≤1.65）4個(gè)等級(jí)。將S值與|Z|值重分類后再進(jìn)行同像元疊加，得到中國(guó)地下水儲(chǔ)量線性變化趨勢(shì)。

2 " 結(jié)果與分析

2.1 " 中國(guó)地下水空間變化特征

2.1.1 " 中國(guó)年均地下水空間分布 " 從中國(guó)2003-2020年均地下水等效水高空間分布可知（圖1），中國(guó)的地下水等效水高在空間上呈顯著的南北差異，北部減少南部增加，多年平均等效水高為-10.91 mm/a。為保證數(shù)據(jù)的可靠性與平穩(wěn)性，原始數(shù)據(jù)取3年的平均值，以中間年份作為研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，例如2004年中國(guó)地下水等效水高是2003、2004和2005年的地下水等效水高的求和平均值。

2003-2006年中國(guó)地下水在空間分布上呈顯著的下降趨勢(shì)，2006-2012年在空間上的變化較穩(wěn)定，以增加為主。在2013年出現(xiàn)突然下降，下降區(qū)域主要集中在中部和北部地區(qū)，中國(guó)西南地區(qū)的地下水儲(chǔ)量依舊呈增加趨勢(shì)。2013年之后，中國(guó)地下水等效水高空間分布逐步穩(wěn)定，呈西北部高、東南部低的態(tài)勢(shì)。整體來(lái)看，中國(guó)地下水儲(chǔ)量變化是不斷增加的，大大促進(jìn)了全國(guó)水生態(tài)安全建設(shè)。

藏東南、黑龍江、江西、江蘇等地地下水頻繁變化，這是因?yàn)榈叵滤畠?chǔ)量變化主要受補(bǔ)給和滲出影響，而補(bǔ)給與滲出主要受降水、徑流、滲透條件的影響。全球氣候變化背景下，降水、氣溫等自然影響因素變化幅度加劇，對(duì)地下水儲(chǔ)量的影響也加劇，故造成了部分地區(qū)地下水頻繁變化的現(xiàn)象，在藏東南、黑龍江、江西、江蘇等地呈現(xiàn)得較為突出（鄧椿等，2022）。

2.1.2 " 地下水儲(chǔ)量空間變化 " 中國(guó)地下水儲(chǔ)量變化共分為7個(gè)類別（鄧椿等，2022），分別是弱顯著減少、顯著減少、極顯著減少、弱顯著增加、顯著增加、極顯著增加和無(wú)顯著變化（圖2）。

由圖2可知，中國(guó)2003-2020年均地下水變化特征以極顯著減少和極顯著增加為主。增加的區(qū)域分級(jí)有3類，分別為極顯著增加、顯著增加和弱顯著增加。其中極顯著增加有2個(gè)集中分布區(qū)，其一是中國(guó)西南部區(qū)域的重慶、湖南及周邊省份的部分區(qū)域，其二是西藏、青海與新疆的毗鄰地帶。顯著增加與弱顯著增加的區(qū)域主要分布在極顯著增加區(qū)域的外圍，具有明顯的集聚特征。

減少的區(qū)域分級(jí)有3類，分別為極顯著減少、顯著減少和弱顯著減少。極顯著減少的區(qū)域集中分布在2個(gè)區(qū)域，一是大興安嶺以西秦嶺淮河以北的區(qū)域，該區(qū)域幾乎涵蓋了中國(guó)北方區(qū)域及西北區(qū)域。氣候以干旱、半干旱為主，年降水量lt;800 mm，淡水資源需求量大，過(guò)量開采地下水打破了自然補(bǔ)給平衡，使這些地區(qū)地下水儲(chǔ)量與降水的相關(guān)性較差，多地出現(xiàn)地下水儲(chǔ)量嚴(yán)重虧損（鄧椿等，2022）；二是藏東南區(qū)域，屬于冰川聚集區(qū)，海拔地勢(shì)高，常年雨量少，地下水與降水呈弱相關(guān)，和溫度異常呈反相關(guān)，這里的地下水儲(chǔ)量減少是全球氣候變暖引起的局部地區(qū)冰川消融而導(dǎo)致的（陳飛等，2020）。

2.1.3 " 中國(guó)地下水穩(wěn)定性 " 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差指數(shù)衡量中國(guó)2003-2020年地下水變化的穩(wěn)定性特征。由圖3可知，中國(guó)地下水穩(wěn)定性存在顯著的空間差異。穩(wěn)定性級(jí)別為差的區(qū)域包括華北平原、新疆西北部、藏南、青海與西藏的交叉地帶、華中部分地區(qū)等，這些區(qū)域的地下水儲(chǔ)量變化幅度較大，受自然與人類活動(dòng)的影響較大，需要引起更多的關(guān)注。穩(wěn)定性級(jí)別為良的區(qū)域主要分布在華東、橫斷山區(qū)、西北荒漠、青藏高原等部分地區(qū)，空間分布上較分散且分布面積不大。中國(guó)地下水穩(wěn)定性一般的區(qū)域在空間上鑲嵌分布在優(yōu)與良之間，其占據(jù)的面積較大。

2.2 " 中國(guó)地下水時(shí)間變化特征

通過(guò)空間統(tǒng)計(jì)中國(guó)2003-2020年地下水儲(chǔ)量變化情況，結(jié)果顯示中國(guó)地下水變化整體呈下降趨勢(shì)。中國(guó)地下水等效水高的最高值為2005年的6.25 mm，最低值為2020年的-39.55 mm，地下水等效水高下降了45.80 mm，平均減少2.54 mm/a，貢獻(xiàn)區(qū)域主要集中在中國(guó)北方區(qū)域。2003-2005年地下水等效水高連續(xù)上升，2005-2011年連續(xù)下降，2011-2015年呈波動(dòng)趨勢(shì)，2015-2017又呈下降趨勢(shì)，2018年略有回升，2018-2020年又呈下降趨勢(shì)。整體來(lái)看，2003-2020年，中國(guó)地下水等效水高由-0.83 mm下降至-39.55 mm，下降了38.72 mm，下降率為2.15 mm/a。中國(guó)2003-2020年地下水儲(chǔ)量呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，主要是受人類開采強(qiáng)度影響，降水、溫度等自然因素只在部分氣候敏感區(qū)響應(yīng)顯著（陳飛等，2020）。時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)凸顯了中國(guó)地下水與居民的矛盾持續(xù)加劇，故持續(xù)關(guān)注中國(guó)地下水變化對(duì)區(qū)域水生態(tài)安全建設(shè)具有重要意義。

中國(guó)地下水儲(chǔ)量四季變化情況如圖4所示，本研究對(duì)多年的四季地下水求均值，從而更準(zhǔn)確地分析地下水的季節(jié)變化。3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季、12至次年2月為冬季。從圖4可看出，中國(guó)地下水四季變化呈現(xiàn)出春冬季減少、夏秋季增加的變化特征。地下水儲(chǔ)量的季節(jié)變化主要受補(bǔ)給影響。中國(guó)受季風(fēng)氣候影響，雨熱同期，夏秋季是中國(guó)的雨季，降雨充沛，地表徑流增加，補(bǔ)給了地下水，導(dǎo)致夏秋季中國(guó)地下水增加。而春冬季是枯季，降水稀少，地下水補(bǔ)給地表水，導(dǎo)致地下水下降。

2.3 " 中國(guó)地下水人口急劇下降區(qū)人口狀態(tài)

將2020年中國(guó)地下水下降人口暴露密度（圖2中顯著下降和極顯著下降區(qū)域內(nèi)的人口分布）分為8類（張亮林和潘竟虎，2021），分別為lt;5、5～9、10～19、20～49、50～99、100～199、200～500、gt;500人/km2。由ArcGIS 10.5統(tǒng)計(jì)可知，中國(guó)市域地下水下降人口暴露平均人數(shù)gt;500人/km2的區(qū)域主要分布在江蘇、河南、山東和遼寧等省份，共27個(gè)地級(jí)市，前6位分別為鞍山、盤錦、淮南、遼陽(yáng)、鄭州和北京。200～500人/km2的市級(jí)行政單元有39個(gè)，主要分布在山東、河北、江蘇、安徽、山西等區(qū)域。lt;5人/km2的市級(jí)行政單元有187個(gè)，比例最大，主要分布在南方區(qū)域、西北區(qū)域、青藏高原等地。

此外，將中國(guó)市域地下水下降人口暴露總量區(qū)分為8個(gè)級(jí)別（張亮林和潘竟虎，2021），分別為lt;100、100～499、500～999、1 000～4 999、5 000～9 999、10 000～99 999、100 000～499 999、≥500 000人。其中≥500 000人的行政單元有3個(gè)，分別為北京、天津、保定；暴露總?cè)丝谠?00 000～499 999的市級(jí)行政單元有66個(gè)，主要分布在山東、河南、河北、山西、陜西、內(nèi)蒙古和新疆等地；暴露總?cè)丝谠?0 000～99 999的市級(jí)行政單元有76個(gè)，空間上與上一級(jí)交錯(cuò)分布；暴露總?cè)丝趌t;100人的區(qū)域主要分布在南方區(qū)域及黑龍江省西部，共有167個(gè)，占比最大。

3 " 討論

“十三五”時(shí)期全國(guó)水利事業(yè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，“十四五”時(shí)期是我國(guó)開啟建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家新征程的開篇期，是全面提升水安全保障能力的戰(zhàn)略機(jī)遇期。中國(guó)水安全保障工作要以《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》為綱領(lǐng)，響應(yīng)新的治水需求，適應(yīng)治水主要矛盾變化，進(jìn)一步完善水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，提升現(xiàn)代水治理能力，加快構(gòu)建符合新時(shí)代發(fā)展理念的水安全保障體系，更好地滿足人民群眾對(duì)防洪保安全、優(yōu)質(zhì)水資源、健康水生態(tài)、宜居水環(huán)境、先進(jìn)水文化的需求，為高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的水利保障。中國(guó)水安全保障水平處于歷史最好階段，但受氣候變化復(fù)雜、地形地貌差異大、水資源時(shí)空不均、發(fā)展不平衡不充分等影響，部分地區(qū)地下水儲(chǔ)量安全、水資源轉(zhuǎn)換效率等方面仍存在薄弱環(huán)節(jié)。水利改革創(chuàng)新取得了一定進(jìn)展，但仍需提速加力實(shí)現(xiàn)新突破。中國(guó)水資源總量豐富，江河縱橫交錯(cuò)、湖泊星羅棋布，水系發(fā)育較好，但在空間尺度上分布極不均衡。尤其是隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，水資源消耗量加劇、人均水資源量日益不足等問(wèn)題引起了大眾的持續(xù)關(guān)注，但地下水儲(chǔ)量變化還未引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。因此在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，掌握中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列地下水變化情況及地下水下降區(qū)內(nèi)人口分布情況，有助于認(rèn)識(shí)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中的人水關(guān)系，對(duì)于有序推進(jìn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本文基于GRACE、GLDAS和LandScan人口數(shù)據(jù)，根據(jù)流域水循環(huán)與水量平衡原理，統(tǒng)計(jì)了中國(guó)地下水變化趨勢(shì)與特征，識(shí)別了不同年份地下水的下降區(qū)域和區(qū)域內(nèi)的人口分布情況。目前，宏觀尺度的地下水變化研究還較少，這是由于中國(guó)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含水層較破碎。加之地下水人工監(jiān)測(cè)成本高、難度大，地質(zhì)、水文水利、環(huán)保等部門數(shù)據(jù)共享不足，使得宏觀尺度下中國(guó)的地下水儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)研究比較缺乏。本研究融合了多種遙感數(shù)據(jù)，并參考前人研究思路，充分考慮變量間的空間依賴性與空間差異性，提高了度量變量關(guān)系的準(zhǔn)確性。使得該研究不但掌握了中國(guó)地下水儲(chǔ)量的賦存狀況，還直觀反映了中國(guó)不同地區(qū)人水關(guān)系的空間異質(zhì)性。

部分學(xué)者在中國(guó)不同區(qū)域及尺度開展了工作，本文的研究結(jié)論與已有研究成果具有一致性。如涂夢(mèng)昭等（2020）研究了中國(guó)地級(jí)市尺度2004-2015年地下水變化，發(fā)現(xiàn)地下水急劇下降區(qū)主要分布在華北平原和藏東南區(qū)域，而增加區(qū)域主要分布在南方區(qū)域、東北和青藏高原中北部區(qū)域。馮偉等（2017）研究得出華北平原2002-2014年地下水等效水高質(zhì)量虧損為（56±6） mm/a。Yi等（2016）報(bào)道2003-2014年黃河-淮河-遼河-海河流域的地下水損失也比較明顯，損失量約為（10.2±0.9） Gt/a。李婉秋等（2018）的研究結(jié)果表明，關(guān)中地區(qū)2003-2014年地下水長(zhǎng)期存在虧損，虧損速率為3.7 mm/a。這些結(jié)果與本研究中地下水儲(chǔ)量變化的空間格局吻合較好。對(duì)比可知，本研究中地下水儲(chǔ)量變化特征與馮偉等（2017）、Yi等（2016）和李婉秋等（2018）的研究重合區(qū)域地下水儲(chǔ)量變化特征一致，均以減少為主。此外，2004-2015年，中國(guó)暴露于地下水急劇下降區(qū)中的城市人口增加了1 226萬(wàn)，增長(zhǎng)率為25.45%（涂夢(mèng)昭等，2020）。在人水矛盾日益突出的大背景下，中國(guó)得天獨(dú)厚的自然條件與有效的政策措施使得本省的水資源儲(chǔ)量日益增加，為中國(guó)水生態(tài)安全提供了有力保障。

然而，本研究中也存在以下不足。首先，在數(shù)據(jù)方面，本研究中LandScan人口數(shù)據(jù)的空間分辨率為1 km，難以對(duì)區(qū)域內(nèi)人口進(jìn)行更加精確的分析；此外，GRACE和GLADS數(shù)據(jù)的空間分辨率為25 km，盡管我們對(duì)其進(jìn)行了數(shù)據(jù)校正和地理信息技術(shù)處理，但仍然存在一定的不確定性，對(duì)人水矛盾突出地區(qū)精確監(jiān)測(cè)具有挑戰(zhàn)性。最后，本研究所用的GRACE數(shù)據(jù)地下水儲(chǔ)量變化與人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的關(guān)系有待進(jìn)一步挖掘。因此，未來(lái)可以從以下3個(gè)方面著手開展進(jìn)一步的研究。其一，利用珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)估算百米級(jí)人口數(shù)據(jù)，更細(xì)致地刻畫空間尺度上的人口分布及變化情況；其二，結(jié)合便攜式絕對(duì)重力儀和地下水監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)地下水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)的空間分辨率進(jìn)行降尺度并提高反演精度（馬萬(wàn)軍等，2022）；其三，加入地下水暴露因素（地面沉降、地下水污染等相關(guān)數(shù)據(jù)），完善地下水負(fù)面暴露研究。在此3方面的基礎(chǔ)上，挖掘中國(guó)不同區(qū)域地下水儲(chǔ)量演變規(guī)律與人類活動(dòng)的相互影響機(jī)制，為中國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)參考。

4 " 結(jié)論

（1）中國(guó)地下水儲(chǔ)量變化的空間特征以極顯著變化為主。極顯著增加的區(qū)域主要分布在青藏高原北部、東北平原北部以及華中華南大部分區(qū)域，極顯著減少的區(qū)域主要分布在華北和西北區(qū)域。顯著變化與弱顯著變化相間分布。

（2）2003-2020年中國(guó)地下水變化在時(shí)間尺度上不斷下降。最高值為2005年的6.25 mm，最低值為2020年的-39.55 mm，地下水等效水高下降了45.80 mm，平均減少2.54 mm/a，貢獻(xiàn)區(qū)域主要集中在中國(guó)北方。

（3）人水矛盾突出區(qū)域主要集中在華北平原。2020年中國(guó)市域地下水下降人口暴露狀態(tài)為北方高，南部低。市域地下水下降人口暴露平均人數(shù)gt;500人/km2的區(qū)域集中分布在華北平原及周邊區(qū)域。市域地下水下降人口暴露總量最高的3個(gè)行政區(qū)為北京、天津、保定。

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（責(zé)任編輯 " 熊美華）

Spatio-temporal Variation of Groundwater Reserves

in China Based on GRACE Data

ZHANG Liang‐lin1， KE Peng‐zhen2

（1. School of Geography and Ocean Science， Nanjing University， Nanjing " 210023， P.R. China;

2. Xianning Ecological Environment Monitoring Center of Hubei Provincial Department

of Ecological Environment， Xianning " 437000， P.R. China）

Abstract： Studying the long-term changes in groundwater storage and identifying the regions where groundwater storage has declined， as well as the population exposure density in these regions， can provide important scientific references for the sustainable utilization of water resources. Based on the Gravity Recovery and Climate Experiment （GRACE） satellite data， LandScan remote sensing images and Global Land Data Assimilation System （GLDAS） data， we explored the temporal and spatial variation of groundwater in China during the period 2003-2020 based on the principle of water balance. Results show： （1） The areas with abundant groundwater in China are mainly located in the south Yangtze River basin and the Qinghai-Tibet Plateau， while groundwater-deficient areas are mainly in North and Northwest China. There are significant spatial differences in groundwater stability in China， and the stability in North China， Northwest China and the Qinghai-Tibet Plateau are poor. （2） The average equivalent water height from 2003 to 2020 was -10.91 mm/a， and the equivalent water height of groundwater in China decreased from 2003 to 2020， mainly in northern China. The equivalent groundwater level decreased from -0.83 in 2003 to -39.55 mm in 2020， a total decrease of 38.72 mm in 18 years， with an average annual decrease of 2.15 mm/a. （3） The contradiction between human need and water supply was most prominent in the North China Plain， and groundwater in the southern region was more secure. In 2020， the areas with an average population gt; 500 people/km2 exposed to groundwater decline was primarily in the North China Plain and surrounding areas， and the three most serious administrative regions were Beijing， Tianjin and Baoding Cities.

Key words：Gravity Recovery and Climate Experiment （GRACE）; groundwater; population exposure; spatio-temporal characteristics; China