東北地下水超采的衛星重力調查

        受自然資源部中國地質調查局委託，針對國家領導人關注的東北地下水超采問題，利用衛星重力測量技術優勢，完成了該地區地下水儲量變化反演。該項研究克服了傳統地面水井觀測點少的不足，從宏觀尺度對整個東北地區地下水儲量變化給出了定量的、客觀的評價。

        GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）重力衛星監測顯示，2002-2016年東北地區地下水儲量總體變化不大，但是時空分佈不均。空間上，三江平原與松嫩平原表現為增加的趨勢，下遼河平原與西遼河平原表現為減少的趨勢。時間上，2013年以前變化不大，2013年以後消耗較為迅速。

圖1 GRACE監測的2002-2016年東北地區地下水儲量變化趨勢

        2002-2016年，東北地區的地下水消耗主要集中在南部的西遼河平原、下遼河平原區域，而北部的三江平原、松嫩平原區域則表現出增加的趨勢。該時間段，下遼河平原與西遼河平原地下水儲量變化速率分別為-2.36±0.37億m3/年（-3.69±0.58 mm/yr）、-0.92±0.38億m3/年（-1.44±0.59 mm/yr），三江平原與松嫩平原地下水儲量變化速率分別為4.75±0.47億m3/年（4.72±0.47 mm/yr）、7.61±1.04億m3/年（4.09±0.56 mm/yr）。

圖2 2002-2016年東北平原區地下水儲量變化曲線

        四個平原區的地下水儲量在2002-2012年基本穩定（三江平原3.45±0.75億m3/年，松嫩平原3.44±1.32億m3/年，下遼河平原-0.33±0.53億m3/年，西遼河平原-1.04±0.29億m3/年），在2013年8月份左右達到一個較高的水平，之後（2013-2016年）都呈現較明顯的消耗趨勢（三江平原-6.85±3.38億m3/年、松嫩平原-30.22±9.25億m3/年、下遼河平原-7.52±3.82億m3/年、西遼河平原-13.40±2.21億m3/年）。

造成2013-2016年明顯消耗的原因，可能與該時間段的降水時空變化有關。2013年的松花江流域洪澇使得地下水儲量在2013年達到較高水平，之後由於降水的減少而出現了地下水儲量的減少。小興安嶺、長白山等山區的地下水儲量在這一時段（2013-2016年）呈現的減少趨勢，可能也與此降水變化有關。不過，降水的減少往往伴隨着地下水開採的增加，二者對區域地下水儲量變化的影響有待深入研究。

        該項研究受到自然資源部中國地質調查局致函感謝。

華北平原地下水儲量-地面沉降長時間變化分析

        長期的地下水過量開採以及由此引起的地面沉降，是制約華北平原可持續發展的重要環境地質問題。針對「地下水-地面沉降關係」這一經典問題，充分考慮區內水文地質條件、氣象水文情況、經濟社會發展等因素，在較長的時間尺度（1971-2015）上，從地下水儲量變化的角度，探討京、津、冀「地下水消耗-地面沉降」的時空特徵及其主控因素。

        綜合利用GRACE、水井、InSAR、年鑑、文獻等多源數據，建立了華北平原及其子區（京津冀）的地下水儲量變化、地面沉降量，以及地下水開採量、降水量長時間序列，計算了地下水消耗、地面沉降速率，並通過其與相關因子的分段回歸，揭示氣候變化（降水）、人類活動（開採）的影響。

    圖1 華北平原地下水儲量距平變化（GWSA）（a）及年降水量（b）、年地下水開採量（c）多年變化。

        GRACE反演時間為2005-2013年，水井觀測時間為1971-2013年（其中1984-2002年只有5口井有觀測記錄）。

        研究顯示（圖1），1971–2015年華北平原地下水儲量變化速率為-17.8±0.1mm/yr（-25億m3/yr），與近年（2005-2013年）的水井觀測（-19.2±1.7mm/yr）、GRACE（CSR、JPL的Mascon產品平均）反演（-17.7±1.1mm/yr）結果，以及《支撐服務京津冀協同發展地質調查報告（2015年）》（京津冀平原區-18億m3/yr）較相似。但在早期（1971-1980年），由於降水較為充沛（580mm/yr）、地下水開採少（147億m3/yr），華北平原的地下水消耗並不顯著（-6.2±1.3mm/yr）。後來（1981-2002年），隨着降水減少（518mm/yr）、地下水開採增加（205億m3/yr），地下水消耗開始加劇（-20.6±0.2mm/yr）。特別是在1997-2002年連續乾旱時期，地下水消耗尤為迅速（-34.7±0.9mm/yr或-49億m3/yr）。

圖2 華北平原京津冀地區1971-2015年降水量、地下水開採量、地下水儲量距平變化、地面沉降速率

        水井觀測（圖2）顯示，1971-2013年華北平原京、津、冀地下水儲量都呈現減少的趨勢，但速率差異較大（北京−34.1 ± 2.4mm/yr，河北−15.2± 0.6mm/yr，天津−7.0 ± 0.4mm/yr），同時期典型區地面沉降平均速率也表現出一定的差異（北京（東部）38mm/yr，河北（滄州）61mm/yr，天津（市區）43mm/yr）。在早期階段，河北（1971-1990年）、天津（1971-1985年）的地面沉降快速發展或維持在較高的水平（平均沉降速率分別是69mm/yr、85mm/yr），在之後得到了減緩或維持在較低水平。北京的地面沉降在1999年以前比較穩定（<50mm/yr），但之後卻快速發展（平均63mm/yr），與同時期（1999-2012年）的地下水儲量變化（-76.1±6.5mm/yr）較一致，目前最大沉降速率約100mm/yr。

圖3 華北平原京津冀地區地下水儲量距平變化與降水量（a）、開採量（b）的相關性，及其隨着累積開採量（c）的變化。

        多年統計（圖3）顯示，地下水儲量變化與年降水量的關係並不明顯，而是與年開採量顯著相關（r一般大於0.8）。但是，這種相關關係表現出明顯的分段特徵，轉折的時間大概在2000年。在此之前，地下水儲量變化與開採量呈負相關，表明逐漸增加的開採量加劇了地下水的消耗；在此之後，地下水儲量變化與開採量呈正相關，表明地下水開採量雖然得到了一定控制，但是地下水仍然處於負均衡（持續消耗）狀態。

圖4 華北平原京津冀地區地面沉降量與降水量（a）、開採量（b）、地下水儲量距平變化（c）的相關性。

        地面沉降與降水量的相關性不明顯，但與開採量、地下水儲量距平變化顯著相關，這種相關性存在明顯的分段特徵（圖4）。在地面沉降發展的早期階段，沉降量與開採量正相關，反映了這一時期逐漸增加的地下水開採和不斷加劇的地面沉降，而在此（1980s）之後，雖然地下水開採逐步減少（北京、天津），但地面沉降仍然不斷發展。地面沉降與地下水儲量變化的負相關性在整個發展階段都很明顯（除了河北後期，因為後期滄州的控沉措施使其難以代表整個河北地面沉降）。這是因為，地下水儲量變化是自然與人為作用的綜合結果，除了開採，還反映了乾旱時地下水補給減少的影響。在季節性上，二者也存在較一致的年內變化特徵（圖5）。

圖5 InSAR監測的北京（2011-2015年）地面沉降速率空間分佈（a），及其與水井觀測的北京地下水儲量變化的年內分佈。

代表性成果：

Gong H.（宮輝力）,Y. Pan（潘雲）, L. Zheng（鄭龍群）, X. Li（李小娟）,  L. Zhu（朱琳）, C. Zhang（張翀）, Z. Huang（黃志勇）, Z. Li, H. Wang, and C. Zhou（周超凡）.Long-term groundwater storage changes and landsubsidence development in the North China Plain (1971-2015) [J]. Hydrogeology Journal, 2018

Feng W, Shum C K, Zhong M, Pan Y（潘雲）, . Groundwater storage changes in China from satellite gravity: an overview. [J]. Remote Sensing, 2018