东北地下水超采的卫星重力调查

        受自然资源部中国地质调查局委托，针对国家领导人关注的东北地下水超采问题，利用卫星重力测量技术优势，完成了该地区地下水储量变化反演。该项研究克服了传统地面水井观测点少的不足，从宏观尺度对整个东北地区地下水储量变化给出了定量的、客观的评价。

        GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）重力卫星监测显示，2002-2016年东北地区地下水储量总体变化不大，但是时空分布不均。空间上，三江平原与松嫩平原表现为增加的趋势，下辽河平原与西辽河平原表现为减少的趋势。时间上，2013年以前变化不大，2013年以后消耗较为迅速。

图1 GRACE监测的2002-2016年东北地区地下水储量变化趋势

        2002-2016年，东北地区的地下水消耗主要集中在南部的西辽河平原、下辽河平原区域，而北部的三江平原、松嫩平原区域则表现出增加的趋势。该时间段，下辽河平原与西辽河平原地下水储量变化速率分别为-2.36±0.37亿m3/年（-3.69±0.58 mm/yr）、-0.92±0.38亿m3/年（-1.44±0.59 mm/yr），三江平原与松嫩平原地下水储量变化速率分别为4.75±0.47亿m3/年（4.72±0.47 mm/yr）、7.61±1.04亿m3/年（4.09±0.56 mm/yr）。

图2 2002-2016年东北平原区地下水储量变化曲线

        四个平原区的地下水储量在2002-2012年基本稳定（三江平原3.45±0.75亿m3/年，松嫩平原3.44±1.32亿m3/年，下辽河平原-0.33±0.53亿m3/年，西辽河平原-1.04±0.29亿m3/年），在2013年8月份左右达到一个较高的水平，之后（2013-2016年）都呈现较明显的消耗趋势（三江平原-6.85±3.38亿m3/年、松嫩平原-30.22±9.25亿m3/年、下辽河平原-7.52±3.82亿m3/年、西辽河平原-13.40±2.21亿m3/年）。

造成2013-2016年明显消耗的原因，可能与该时间段的降水时空变化有关。2013年的松花江流域洪涝使得地下水储量在2013年达到较高水平，之后由于降水的减少而出现了地下水储量的减少。小兴安岭、长白山等山区的地下水储量在这一时段（2013-2016年）呈现的减少趋势，可能也与此降水变化有关。不过，降水的减少往往伴随着地下水开采的增加，二者对区域地下水储量变化的影响有待深入研究。

        该项研究受到自然资源部中国地质调查局致函感谢。

华北平原地下水储量-地面沉降长时间变化分析

        长期的地下水过量开采以及由此引起的地面沉降，是制约华北平原可持续发展的重要环境地质问题。针对“地下水-地面沉降关系”这一经典问题，充分考虑区内水文地质条件、气象水文情况、经济社会发展等因素，在较长的时间尺度（1971-2015）上，从地下水储量变化的角度，探讨京、津、冀“地下水消耗-地面沉降”的时空特征及其主控因素。

        综合利用GRACE、水井、InSAR、年鉴、文献等多源数据，建立了华北平原及其子区（京津冀）的地下水储量变化、地面沉降量，以及地下水开采量、降水量长时间序列，计算了地下水消耗、地面沉降速率，并通过其与相关因子的分段回归，揭示气候变化（降水）、人类活动（开采）的影响。

    图1 华北平原地下水储量距平变化（GWSA）（a）及年降水量（b）、年地下水开采量（c）多年变化。

        GRACE反演时间为2005-2013年，水井观测时间为1971-2013年（其中1984-2002年只有5口井有观测记录）。

        研究显示（图1），1971–2015年华北平原地下水储量变化速率为-17.8±0.1mm/yr（-25亿m3/yr），与近年（2005-2013年）的水井观测（-19.2±1.7mm/yr）、GRACE（CSR、JPL的Mascon产品平均）反演（-17.7±1.1mm/yr）结果，以及《支撑服务京津冀协同发展地质调查报告（2015年）》（京津冀平原区-18亿m3/yr）较相似。但在早期（1971-1980年），由于降水较为充沛（580mm/yr）、地下水开采少（147亿m3/yr），华北平原的地下水消耗并不显著（-6.2±1.3mm/yr）。后来（1981-2002年），随着降水减少（518mm/yr）、地下水开采增加（205亿m3/yr），地下水消耗开始加剧（-20.6±0.2mm/yr）。特别是在1997-2002年连续干旱时期，地下水消耗尤为迅速（-34.7±0.9mm/yr或-49亿m3/yr）。

图2 华北平原京津冀地区1971-2015年降水量、地下水开采量、地下水储量距平变化、地面沉降速率

        水井观测（图2）显示，1971-2013年华北平原京、津、冀地下水储量都呈现减少的趋势，但速率差异较大（北京−34.1 ± 2.4mm/yr，河北−15.2± 0.6mm/yr，天津−7.0 ± 0.4mm/yr），同时期典型区地面沉降平均速率也表现出一定的差异（北京（东部）38mm/yr，河北（沧州）61mm/yr，天津（市区）43mm/yr）。在早期阶段，河北（1971-1990年）、天津（1971-1985年）的地面沉降快速发展或维持在较高的水平（平均沉降速率分别是69mm/yr、85mm/yr），在之后得到了减缓或维持在较低水平。北京的地面沉降在1999年以前比较稳定（<50mm/yr），但之后却快速发展（平均63mm/yr），与同时期（1999-2012年）的地下水储量变化（-76.1±6.5mm/yr）较一致，目前最大沉降速率约100mm/yr。

图3 华北平原京津冀地区地下水储量距平变化与降水量（a）、开采量（b）的相关性，及其随着累积开采量（c）的变化。

        多年统计（图3）显示，地下水储量变化与年降水量的关系并不明显，而是与年开采量显著相关（r一般大于0.8）。但是，这种相关关系表现出明显的分段特征，转折的时间大概在2000年。在此之前，地下水储量变化与开采量呈负相关，表明逐渐增加的开采量加剧了地下水的消耗；在此之后，地下水储量变化与开采量呈正相关，表明地下水开采量虽然得到了一定控制，但是地下水仍然处于负均衡（持续消耗）状态。

图4 华北平原京津冀地区地面沉降量与降水量（a）、开采量（b）、地下水储量距平变化（c）的相关性。

        地面沉降与降水量的相关性不明显，但与开采量、地下水储量距平变化显著相关，这种相关性存在明显的分段特征（图4）。在地面沉降发展的早期阶段，沉降量与开采量正相关，反映了这一时期逐渐增加的地下水开采和不断加剧的地面沉降，而在此（1980s）之后，虽然地下水开采逐步减少（北京、天津），但地面沉降仍然不断发展。地面沉降与地下水储量变化的负相关性在整个发展阶段都很明显（除了河北后期，因为后期沧州的控沉措施使其难以代表整个河北地面沉降）。这是因为，地下水储量变化是自然与人为作用的综合结果，除了开采，还反映了干旱时地下水补给减少的影响。在季节性上，二者也存在较一致的年内变化特征（图5）。

图5 InSAR监测的北京（2011-2015年）地面沉降速率空间分布（a），及其与水井观测的北京地下水储量变化的年内分布。

代表性成果：

Gong H.（宫辉力）,Y. Pan（潘云）, L. Zheng（郑龙群）, X. Li（李小娟）,  L. Zhu（朱琳）, C. Zhang（张翀）, Z. Huang（黄志勇）, 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（潘云）, . Groundwater storage changes in China from satellite gravity: an overview. [J]. Remote Sensing, 2018