2002～2018年中国七大流域水储量变化及时空分布特征

赵应丽 沈 强 冯 伟 汪汉胜 高 凡 赖伟玉 刘甜甜

1 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室, 武汉市徐东大街340号， 430077 2 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京市玉泉路19号甲， 100049 3 中山大学测绘科学与技术学院，广东省珠海市大学路2号， 519082

水的运移和重分布是水圈与其他圈层进行物质交换的重要途径，因此精确评估陆地水储量变化是全球水循环研究的重点。目前常用的陆地水变化观测方法主要包括地面站点观测、遥感卫星观测以及水文模型模拟等，但上述方法均存在局限性：地面站点观测存在站点分布不均匀、布设耗时耗力、观测范围小等缺点；遥感卫星观测仅能获取土壤浅层水含量，深层地下水的获取十分困难；水文模型本身就具有一定的不确定性(误差)，且在数据资料缺失的地区很难准确模拟出陆地水储量变化。GRACE卫星测量能够有效避免上述缺点。自2002年以来，相关学者利用GRACE卫星对陆地水循环、冰盖和冰川质量平衡、海平面变化和海底压力变化等方面进行广泛研究[1-3]。还有学者利用GRACE重力卫星观测的全球时变重力场来研究流域水储量变化：胡小工等[4]和许民等[5]分析并预测长江流域陆地水的季节、时空变化发现，长江流域水储量呈逐月增长的趋势；李晓英等[6]结合GRACE和MODIS数据对长江流域水储量变化进行研究；严家宝等[7]对2002～2015年中国陆地水储量的变化趋势和时空分布规律进行研究。

流域是研究水储量变化的重要自然单元，流域尺度水储量变化的研究，对包含在该流域内的区域农业灌溉、生活用水以及工业用水等具有重要意义，同时有助于促进中国经济建设、开展天气预报及干旱、洪水等灾害预测。因此，本文以流域为研究单元，利用GRACE数据开展全国七大流域(长江、黄河、珠江、淮河、海河、松花江、辽河)长时间水储量变化研究，以期更全面地了解中国流域水储量变化特征。

1 数据来源

1.1 GRACE产品

本文采用得克萨斯大学空间研究中心CSR发布的Level-2 RL06版本数据的60阶GSM产品，并对C20、C21、C22以及1阶项进行替换。由于GRACE与GRACE-FO卫星中间有1 a多的数据间断期，因此提取国家青藏高原科学数据中心公布的“中国区域基于降水重构陆地水储量变化数据集(2002～2019)”第164～174个月(2017-07～2018-05)的数据作为替代，进行陆地水储量变化估计。

1.2 降雨及气温数据

本文采用的降水、气温数据来源于国家青藏高原科学数据中心公布的“中国区域地面气象要素驱动数据集”。该数据集是基于现有的Princeton再分析数据、GEWEX-SRB辐射数据、GLDAS数据和TRMM降雨数据，结合中国气象局常规气象观测数据制作而成。

2 原理与方法

利用时变重力场解算地表质量密度变化：

[ΔClmcos(mλ)+ΔSlmsin(mλ)]

(1)

本文采用300 km高斯平滑来降低高阶噪声的影响[8]，采用Swenson去条带方法处理条带误差[9]，利用尺度因子进行泄露误差处理[10]，利用GIA模型进行GIA改正[11]。

区域水质量变化的平衡方程为：

dTWS/dt=P-E-R=ΔSWES+ΔSMS

(2)

式中，P为降雨量，E为蒸散发量，R为径流量，ΔSWES为土壤水变化量，ΔSMS为积雪变化量。

3 中国主要流域的水储量变化

七大流域2002～2018年水储量变化趋势的空间分布见图1，各流域陆地水储量变化的时间序列见图2。

图1 各流域2002～2018年水储量变化趋势的空间分布

图2 各流域陆地水储量变化的时间序列

长江流域是我国面积最大的内陆河流域。由图1(a)可见，长江流域陆地水从湖南省一带向四周逐渐减少，流域上游部分位于青藏高原，陆地水从唐古拉山脉到青海省逐渐增加，四川省东部地区陆地水最少，湖南省陆地水最多。由图2(a)可见，在研究时段内，长江流域陆地水整体呈上升趋势，年平均增长率为3.84±0.7 mm/a。陆地水变化的季节性特征显著，每年夏季陆地水最多，且整季呈盈余状态；秋季陆地水次之；春季陆地水少于秋季陆地水；冬季陆地水最少，且呈亏损状态。这与许民等[5]、李晓英等[6]等的研究结论相同。

由图1(b)可见，黄河流域水储量由东至西呈递增趋势，流域东部水储量亏损，西部水储量盈余。流域内山西省的水储量最少，因为山西省是我国的产煤大省，煤炭资源开采致使山西省地下水流失，间接导致该地区陆地水亏损[12]。由图2(b)可见，黄河流域水储量总体呈下降趋势，以每年-2.65±0.8 mm等效水柱高的速率逐渐减少。

由图1(c)可见，珠江流域内水储量由北到南整体呈递减趋势，流域内水储量呈盈余状态。由图2(c)可见，珠江流域内水储量呈上升趋势，年平均增长率为4.87±1.1 mm/a。水储量变化的季节、年际特征显著。

由图1(d)的空间分布来看，淮河流域陆地水分布不均匀，水储量由南至北逐渐减少，陆地水北少南多。由图2(d)可见，淮河陆地水储量整体呈下降趋势。2011年流域内多地出现严重旱情，导致该年陆地水储量亏损。

由图1(e)可见，海河流域陆地水由南至北呈增加趋势，陆地水储量长期呈亏损状态，该区域地下水的超采导致陆地水亏损严重[13-14]。由图2(e)可见，海河流域水资源下降趋势非常显著，以每年5.96±0.6 mm等效水柱高的速率减少。

由图1(f)可见，松花江流域水储量由北向南逐渐减少，水储量长期呈盈余状态。由图2(f)可见，松花江流域水储量整体呈上升趋势，年平均增幅为4.52±1.1 mm/a。

由图1(g)可见，辽河流域陆地水储量南少北多，由南至北递增，流域内的河北省部分陆地水储量呈长期亏损状态，其余区域均呈盈余状态。由图2(g)可见，辽河流域水储量整体呈微弱负增长，年平均减少率为0.54±0.9 mm/a。

4 七大流域水储量变化的影响因素分析

本文利用中国区域地面气象要素驱动数据集中的降雨、气温数据分析七大流域水储量变化与气象要素季节性响应的时空分布规律。由于CSR中部分月份数据缺失，因此采用三次样条曲线法对缺失月份进行插值求取。

气候、地形、地理位置的差异及人类活动的影响导致各流域降雨量及气温差异明显(图3)。结合图3(c)和表1可见，珠江流域、长江流域水储量变化的振幅较大，其降雨量和气温也高于其他流域。结合图3和式(2)可知，降雨、气温通过影响陆地水循环间接影响着陆地水储量变化。

图3 2002～2018年的降雨量、气温、陆地水储量变化周年振幅的空间变化

表1 中国主要流域水储量周年、半周年及长期变化趋势

4.1 降雨和气温变化

气温可以通过影响蒸散发量间接影响陆地水循环。各流域气温与降雨量的变化基本一致，季节性变化特征显著，每年夏秋季降雨量多、温度高，春冬季降雨量少、温度低(图4)。

图4 各流域降雨量、气温与水储量变化

由图4(a)可见，长江流域水储量与降雨量均呈逐年上升趋势，水储量变化的极值与月降雨量的对应关系较好，流域水储量与降雨量的季节变化特征较为一致。2004-01～02的水储量在研究时段内达到最小值，2002～2008年期间发生多次干旱事件[15]，2010年的特大洪水导致该年长江流域水储量增加。由图4(c)可见，珠江流域水储量变化与降雨量变化趋势相符，枯水期流域内陆地水储量显著下降，丰水期明显增加。2008-06该流域内多地发生严重洪涝灾害，导致该年水储量高于多年均值。长江中下游区域、珠江流域温度高、降雨量充沛(图3)，虽然2个区域的温度高、蒸散发量大，但其强降雨量能够渗透补给区域地下水。由此可知，气候和降雨是影响流域水储量变化的主要因素，其中降水占主导作用，长江、珠江流域丰富的降水使其陆地水储量呈盈余状态。

由图4(b)可见，黄河流域降雨时间分布不均匀，流域水储量总体波动变化明显，年际变化显著。每年9～10月黄河流域水储量达到该年最大值，2002～2003年降雨量减少导致黄河流域干旱，同期水储量减少，说明降雨是影响黄河流域水储量变化的关键因素之一。由图4(d)、(e)可见，2010-06～07淮河、海河流域温度在研究时段内达到峰值，降雨量少，蒸散发作用占主导地位；干旱加剧，陆地水储量减少。

由图4(f)可见，松花江流域水储量变化的年际波动较大，2007年受北方大旱影响，流域降雨量较少，水储量明显下降。研究发现，降水量的增加导致该流域水储量盈余，与之前的研究结果相同[13]。由图4(g)可见，辽河流域陆地水变化波动较小，2002～2009年降雨量逐年减少，在此期间流域水储量也持续下降；2010～2013年降雨量持续上升，水储量也呈整体上升趋势。2006～2008年松花江、辽河流域气温升高、降雨量少，在2 a的干旱条件下，水储量显著下降。总体来看，各流域水储量的峰值会晚于降雨量峰值，这是因为降雨通过水循环转换为陆地水储量，其转换过程需要一定时间。

4.2 人类活动

淮河、海河流域温度较高、降雨量少、气候温暖干燥、人口密度较大，为满足饮用水、工业用水、农业灌溉等用水需求，淮海流域地下水被过度开采[16]，地下水消耗的速度远超自然补给(降雨)，因此2个区域的水储量长期呈亏损状态。人类活动破坏了植被，导致黄河中游陆地水亏损[15]；由于煤炭资源的开采，山西省地下水流失，间接导致该地区陆地水亏损[12]。

工程建设、退耕还林及自然保护区的建立也影响着陆地水变化：2003年三峡水库开始蓄水，水库调蓄使得水储量增加；南水北调工程对缓解淮海流域长期的陆地水储量亏损具有重要意义。

5 结 语

本文利用2002～2018年167个月的GRACE、GRACE-FO月平均重力场数据，分析各流域水储量的整体变化趋势及水储量变化的影响因素。流域水储量变化趋势如下：辽河、海河、黄河和淮河流域水储量以每年0.54±0.9 mm、5.96±0.6 mm、2.65±0.8 mm、1.94±1.2 mm等效水柱高的速率减少；松花江、长江和珠江流域水储量以每年4.52±1.1 mm、3.84±0.7 mm、4.87±1.1 mm等效水柱高的速率增加。流域陆地水储量变化没有明显的地域分布特征。

珠江、长江和淮河流域水储量变化的周年及半周年振幅较大且季节性特征显著。黄河、海河、松花江和辽河流域陆地水储量变化的周年及半周年振幅较小，季节性特征不明显。分析降雨、气温以及人类活动对流域水储量变化的影响发现，GRACE反演的水储量变化与降水量变化有较好的一致性。由于降水通过蒸发、径流等一系列过程转化为水储量需要一定时间，因此流域水储量变化滞后于降雨量变化。丰沛的降雨量使得长江、珠江流域水储量呈盈余状态，三峡水库蓄水使得长江中游水储量增加，而工农业用水导致地下水被过度开采是淮海流域水储量亏损的主要影响因素。