联合GNSS和卫星重力研究地下水对华北平原地表形变与水储量变化的影响

Groundwater depletion in the North China Plain (NCP) is one of the “hot spots” at home and abroad. This project aims at using two modern geodetic observations, i.e., GNSS and satellite gravimetry, to estimate groundwater's effects on surface deformation and water storage variations in the NCP. Based on elastic loading theory and poroelastic theory, the effects of groundwater in different aquifers on loading deformation and non-loading deformation at GNSS stations will be estimated. For unconfined shallow aquifers, the loading deformation caused by groundwater will be estimated from GRACE, unconfined phreatic water level observations, and geophysical models. For confined deep aquifers, the groundwater-caused poroelastic deformation will be estimated by confined water level observations according to the soil consolidation theory. In addition, we plan to use GRACE satellite gravity observations and land surface models for estimating spatial-temporal variability of groundwater storage (GWS) variations in the NCP. GWS in shallow and deep aquifers will be estimated based on groundwater level observations from monitoring wells and land subsidence measurements from GNSS respectively, which will be used to validate GRACE estimates. This work has great potential to provide a scientific basis for the water resources management and the development of relevant laws and policies to ease the water shortage in the NCP in future.

华北平原地下水超采是国内外长期关注的热点研究问题。本项目旨在利用GNSS与卫星重力两种现代大地测量观测手段，评估地下水对华北平原地表形变与区域水储量变化的影响。本项目计划基于弹性负荷理论和土壤固结理论分析不同含水层的地下水变化对GNSS站点的负荷形变与非负荷形变的影响。针对浅层含水层，利用GRACE卫星重力观测、潜水井实测和地球物理模型，分析地下水对地表的负荷形变；针对深层含水层，利用承压水井资料和孔弹性理论，分析地下水对地表的非负荷形变。此外，基于卫星重力观测手段和水文模式数据，研究华北平原地下水储量变化的时空分布和趋势。结合水井实测资料和GNSS站点的垂直形变资料估计浅层地下水和深层地下水的储量变化，并据此给出卫星重力估计华北地下水储量变化精度的外部独立检核。该项研究的开展可为我国实施华北地区水资源管理和制定相关法律政策提供科学依据。

华北平原作为我国重要的工农业基地和政治经济中心，面临着严重的水资源危机。因此，开展对华北平原地下水储量变化的监测工作具有重要现实意义与科学价值。本项目发展了基于空间约束的卫星重力监测区域质量变化估计方法，联合卫星重力卫星和地面资料综合研究了我国华北平原和西辽河地区地下水储量变化的时空分布规律。研究发现，受人类超采地下水的剧烈影响，华北平原2002-2014年存在每年约-74±9 亿吨的地下水储量损失，而浅层地下水亏损速率为-12 亿吨/年，因此华北平原的地下水亏损以深层地下水为主。除了长期亏损的趋势项之外，华北平原地下水还存在明显的年际变化特征，并与该地区年降雨量变化特征一致。在降雨偏少的2002年、2005-2009年和2014年，华北平原地下水储量显著减少。卫星重力提供了评估华北平原地下水储量变化的重要监测手段。受2000年以来的长期气候干旱和人类地下水开采活动加剧的影响，西辽河地区地下水储量亏损速率显著加速。近30年以来该地区的陆地水储量和地下水储量变化受厄尔尼诺和拉尼娜的影响显著。在厄尔尼诺期间，西辽河流域地下水和陆地水的储量显著增加；在拉尼娜期间则显著下降。此外，本项目研发了开源卫星重力数据后处理软件系统，可用于分析全球和区域质量迁移时空变化，得到了国内外同行的广泛使用。