黄河中上游地区水储量变化及陆地水负荷形变研究

谢小伟

东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌 330013

随着经济发展以及城镇化速度加快，人类对水资源的开发利用也迅速增加，从时空上掌握水资源的变化不仅可以为水资源管理决策提供数据支撑，还可以用于研究地球表面水负荷相关的科学问题。论文以GRACE卫星重力数据为主，结合水文模型数据、气象数据、水文地质数据及其他辅助数据，研究了黄河中上游地区具有不同空间尺度的黄土高原和湟水流域两个区域内的水储量变化，并在此基础上，联合GPS数据分析了湟水流域内陆地水迁移引起的负荷形变。主要研究内容和成果如下：

(1) 考虑到论文研究区域内水文模型与GRACE数据相关性较差，不适合作为先验信息来计算尺度因子以对滤波后的GRACE信号进行恢复，论文提出了利用GRACE重力场球谐系数的局部正交化结果(Slepian解)替换水文模型计算尺度因子的方法。Slepian解不需要额外的滤波和平滑处理，泄露误差较少且不存在分辨率损失，同时Slepian解与球谐解和Mascon解的具有较好的一致性，因此可以作为先验信息来计算尺度因子。

(2) 论文基于GRACE Mascon解反演得到的水储量变化结果，分析了黄土高原2005—2014年的水储量时空变化和影响因素。结果表明：①黄土高原的陆地水、地表水以及地下水的储量变化都表现出明显的季节性，在夏季和秋季表现为上升，而在冬季和春季表现为下降；②扣除采煤引起的质量迁移后，黄土高原的地表水、陆地水以及地下水在2005—2014这10年间的年变化趋势分别为：0.13±0.09 cm/a、-0.51±0.09 cm/a及-0.65±0.07 cm/a，其中地表水储量表现为略微上升，而地下水储量却呈现出较为严重消耗，尤其是在山西省及其周边区域更为严重；③降水是引起黄土高原水储量季节性变化的原因，并且是水储量补充的重要来源，但并不是黄土高原地下水的严重消耗的原因，黄土高原的地下水严重消耗多是由人为活动所导致，特别是山西省及其周边地区的地下水异常消耗是由大量的煤炭开采所导致。

(3) 论文基于神经网络方法，建立了有较高分辨率的水文地质、气象数据与GRACE数据之间的经验模型，进而获取了湟水流域较高分辨率的水储量变化，并结合地面水井观测数据进行了验证。结果分析表明：①神经网络模拟得到的水储量变化与地面水井观测得到的结果具有较好的一致性，变化趋势也较为接近；②湟水流域内的陆地水储量变化呈现出明显的季节性，在夏季和秋季表现为上升的趋势，而在春季和冬季呈现出下降的趋势；③湟水流域在2014—2016年期间的陆地水储量整体呈下降趋势，其年变化趋势约为-0.61±0.32 cm/a；④降水是陆地水呈现出季节性变化的主要原因，年降水充沛时陆地水储量可以得到有效补充而呈现出上升趋势；⑤在湟水流域的主要城区及其周边，水储量都呈现出下降的趋势，可见人为活动对湟水流域的水储量变化也起着不可忽视的作用。

(4) 论文对比了湟水流域内GRACE和GPS分别得到的垂向周期性形变，结果发现除了个别站点外，二者的相关系数在0.8以上，最大振幅差异仅为0.4 mm，但相位差异平均在25.9°。较大的相位差异可能是由数据处理误差、形变响应延时以及两种数据的时空分辨率差异所导致。从去除趋势项后的GPS垂向形变中扣除GRACE得到的周期性形变后，其WRMS平均减小了33.4%。这些结果可以表明，湟水流域内GRACE与GPS得到垂向形变中的周期信号是由同样的地球物理过程所导致，这里包括陆地水及大气负荷。