利用GRACE重力卫星数据反演黑河流域地下水变化_曹艳萍

盆地 ，是整 个 黑 河 流 域 的 灌 溉 区 和 水 资 源 敏 感 地 区 ，该区域第四系地 层 齐 全 ，地 下 水 主 要 储 存 在 第
８］ 四纪松散的 地 层 内 ［ ．合 黎 山 位 于 河 西 走 廊 北 部 ，
①
吴立宗 ，年雁云 ，李新 ，等 ．基于遥感于 Ｇ Ｉ Ｓ 的黑河流域汇
０ 引言
黑河流域是我国西北最具代表性的干旱区内陆 河流域 ，该地区的自 然 地 理 条 件 特 殊 ，生 态 环 境 脆 弱 ，潜在蒸散发量大 于 实 际 蒸 散 发 量 ，地 表 水 资 源 可开发利用量有限 ，使得地下水成为黑河流域水资 源利用中重要的水源
［ １］
游 ，数据十分有限 ，黑 河 流 域 地 下 水 变 化 的 研 究 多
游地下水资源的变化特征 ，并预测了未来的演变趋 势 ．目前对整个黑河流域地下水变化的研究较少 ． Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力卫星为监测 流 域 尺 度 上 的 地 下 水
４］ 变化提供了新方法 ．曹艳萍等 ［ 综述 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力
水变化 ，对流域地下水的合理利用有重要意义 ． 地下水变化一般通过地下水观测井进行监测， 这种传统的方法布设维护耗时耗力 ，而且仅仅监测 单点的地下水变化 ，难以充分反映流域尺度地下水 的变化情 况 ．黑 河 流 域 地 下 水 测 井 主 要 集 中 在 中
［ ７］
在加利福尼亚州中谷地区
４ ２
两个总面积约为 １ ５ ． ４×１ ０ｋ ｍ 的流域上进 行 地 下 水消耗情况的反演 ，结果再次表明 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 卫星数 据反演较小流域地下水变化具有较大的潜力 ． 本文 利 用 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ重力卫星反演黑河流域 — ２ ０ ０ ３ ２ ０ ０ ８ 年间的地下水时空变化趋势 ．进一 步 探 索缺少地下水监测井的西北干旱区的地下水资源变 化 ，为水资源的合理开发利用提供一定的理论依据 ．
９］ 河下游地下水进行一定的补给 ［ ．对于面积广 袤 的
利用 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力卫星反演美国高地地下水的季节 性变化 ，并 与 实 测 的 地 下 水 位 数 据 进 行 相 关 性 分 析 ，结果说明 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力卫星对于由灌溉引起地 下水季 节 性 变 化 波 动 较 大 的 干 旱 地 区 切 实 有 效 ． ２ ０ １ １年， Ｆ ａ ｍ ｉ ｌ ｉ ｅ ｔ ｔ ｉ等 ｇ
节水农业措施等的影响 ，目前中游平原地区地下水 开采规模 不 断 扩 大 ，地 下 水 补 给 状 态 发 生 较 大 变 化 ．下 游 区 域 较 大 ，地 形 复 杂 ，部 分 属 于 干 旱 山 地 和小 型 山 间 盆 地 ．不 同 的 下 垫 面 、地 质 变 化 ，相 应 地下水类型不同 ．例 如 ，北 山 和 黑 河 流 域 北 部 下 游 边界区为低山和丘陵地形 ，这里的地下水属于基岩 裂隙水 ，降水强度较 大 的 降 水 ，除 部 分 形 成 临 时 地 表径流和蒸散发损失外 ，其余补给该地区的基岩裂 隙水 ，还有部分残余 在 干 枯 的 沟 谷 中 ，特 别 是 马 鬃 山东侧的冲沟和沟壑 地 区 ．额 济 纳 旗 盆 地 ，巴 丹 吉 林沙漠 ，降水量少 、蒸发量多 、温差大 、风沙频发 、 日照时间较长 ，是整 个 流 域 水 资 源 消 耗 区 ．巴 丹 吉 林沙漠西侧的边缘山脊线的西侧降水可补给古日乃 盆地地下水 ，同时沙 漠 地 区 存 在 沙 漠 凝 结 水 ，对 黑
１ 研究区域概况及数据介绍
１． １ 研究区域 黑河流 域 是 我 国 典 型 内 陆 河 流 域 ，面 积 约 为 ２ ７ ． １×１ ０ｋ ｍ ，其流域水系与分区图见 图 １．黑 河 流域先后有 ４ 种 流 域 边 界 划 分 方 案 ，吴 立 宗 等 ① 利
４ ２
下游 地 区 ，其 古 日 乃 、额 济 纳 旗 、东 西 居 延 海 等 盆 地 ，是下游地下水储 存 的 主 要 区 域 ，主 要 属 于 第 四 纪潜水 ，其相互之间 有 补 给 关 系 ．黑 河 流 域 下 游 大 范围地区缺乏实测地下水资料 ，见图 １ 中地下水实 测井分布位置 ．整个黑河流域水资源时空分布特性 主要受降水和冰川融水两部分补给的影响 ，年内分
２］ 数局限 于 局 部 地 区 ．陈 仁 升 等 ［ 根据中游５ ３个地
下水观测井资料 ，对黑河中游地区地下水位的季节 变化进行分析 ，由各个单点井的地下水位变化趋势 分析整个中游地区的地下水季节变化趋势 ．根 据单
３］ 点的地下水观测资料 ，胡兴林等 ［ 分析了黑河 中 下
．从时空上掌握流域的 地 下
２］ 少［ ．中游地形的主 要 特 点 是 梯 阶 盆 地 ，其 中 张 掖
图 １ 黑河流域水系与流域分区图 Ｆ ｉ ． １ Ｍ ａ ｓ ｈ ｏ ｗ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｈ ｅ ｉ ｈ ｅ Ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｂ ａ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｕ ｂ ｂ ａ ｓ ｉ ｎ ｓ － ｇ ｐ ｇ
山顶有一定降 水 ，在 其 山 南 坡 形 成 部 分 空 隙 潜 水 ，
］ 水区范围分析 ［ 投稿 ． Ｊ ．地球科学进展 ， ２ ０ １ ２，
冰 川 冻 土 ６ ８ ２
４卷 ３
配不均匀 ，年际变化相对较大 ． １． ２ Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力卫星数据 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力卫星于 ２ ０ ０ ２ 年 ３ 月发射成功 ．利 用Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ重力卫星可以监测到时变 的 地 球 重 力 场 ，等价转换为地球 表 面 的 质 量 变 化 ，反 演 得 到 陆 ．目前公布 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 数据的中心有 Ｃ Ｓ Ｒ、 Ｇ Ｆ Ｚ、Ｊ Ｐ Ｌ、 Ｃ Ｎ Ｅ Ｓ和 Ｄ Ｅ Ｏ Ｓ． 本 文 采 用 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ Ｃ Ｓ Ｒ 数据中心 公 布 的 Ｒ Ｌ ０ ４ 版 本 数 据 ，时 其中出于 间序列为 ２ ０ ０ ３—２ ０ ０ ８ 年 ，共 ６ ７个月份（
第３ ４卷 第３期 ２ ０ １ ２ 年６月
冰 川 冻 土
Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｇ Ｌ Ａ Ｃ Ｉ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ ＡＮ Ｄ Ｇ Ｅ Ｏ Ｃ Ｒ Ｙ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ
ｏ ． ３ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ４ Ｎ Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ２
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ０ ２ ４ ０ ２ ０ １ ２ ０ ３ ０ ６ ８ ０ １ ０ － － －
卫星在水文领域的应用情况 ，表明 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 在国内
［］ 外均有广泛的应用 ．Ｙ ｅ ｈ等 ５ 利用 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力卫
；修订日期 ： ２ ０ １ １ １ １ ０ ２ ２ ０ １ ２ ０ ２ ２ ２ 收稿日期 ： － － － － ） ；冻土工程国家重点实验室开放 基 金 项 目 （ ；国 家 高 技 术 研 究 Ｋ Ｚ Ｃ Ｘ ２ １ ０ １ Ｓ Ｋ Ｌ Ｆ Ｓ Ｅ ２ ０ １ ０ ０ ９） 基金项目 ：中国科学院重点方向项目 （ －ＹＷ－Ｑ － ） 发展计划 （ 项目 （ 资助 ８ ６ ３ 计划 ） ２ ０ ０ ８ ＡＡ １ ２ Ｚ ２ ０ ５ ，女 ，河南新乡人 ， １ ９ ８ ６—） ２ ０ ０ ９ 年毕业于解放军信息工程大学 ，现 为 硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 Ｇ ＲＡ Ｃ Ｅ 重力卫星的应 作者简介 ：曹艳萍 （ ： 用研究 ． Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ０ ３ １ ０ ｃ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ＠１ ｙ ｐ ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｎ ｚ ｔ ｏ ｎ ｌ ｚ ｂ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ＊ 通讯作者 ：南卓铜 ， ＠ ｇ
用Ｓ Ｒ ＴＭ Ｄ ＥＭ 和 Ａ Ｓ Ｔ Ｅ Ｒ Ｇ Ｄ ＥＭ 对 黑 河 流 域 水 文情势进行模拟分析 ，并结合实测河流数据对流域 边界进行了最 新 界 定 ．本 文 采 用 该 最 新 流 域 边 界 ． 流域内景观分布多样 ，山 区 与 平 原 ，绿 洲 与 沙 漠 相 间分布 ，平原盆地为地表水与地下水相互交换的独 立单 元 ，上 中 下 游 分 界 明 显 ．上 游 主 要 是 祁 连 山 区 ，植被 条 件 好 ，降 水 量 较 多 ，气 温 较 低 ，蒸 散 发 小 ，是整个黑河流域 的 产 流 区 ．黑 河 上 游 地 下 水 的 形成主要受控于水文 、气 象 、地 形 地 貌 和 地 质 构 造 等因素 ，基于分布规 律 和 储 存 特 点 ，上 游 地 下 水 可 分为多年冻层水和基岩裂隙水 ，降水及冰川融水是 上游地下水的补给源 ．山区地下水通常通过河谷冲 击层 、断裂和裂隙 ，直 接 以 地 下 径 流 形 式 补 给 山 前 平原地区的地下水 ，部分以河床排泄形式进入中游 平原区域 ．但是受南部祁连山前隆起带和山前逆冲 断裂的影响 ，祁连山北坡地下水补给中游盆地量较
２］ 得地下水 位 下 降 ［ ．由 于 人 类 活 动 ，如 修 改 水 库 、
水 ，并利用基于实测水文数据合成的水储量变化量 对Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 反演结果进行了验证 ，二者相关系数达 到０ ． ８ ３，表明了 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 在２ ０×１ ０ｋ ｍ 区域尺 度
４ ２ ［ ６］ 上监 测 地 下 水 变 化 量 的 可 应 用 性 ． Ｓ ｔ ｒ ａ ｓ ｓ ｂ ｅ ｒ ｇ等
３期
曹艳萍等 ：利用 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力卫星数据反演黑河流域地下水变化
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４ ２ 星反演 面 积 约 ２ 的Ｉ ０×１ ０ ｋ ｍ ｌ ｌ ｉ ｎ ｏ ｉ ｓ地 区 的 地 下
该部分地下水对张掖和酒泉盆地有一定补给 ．整个 中游流域地表水和地下水频繁转换 ，随着工农业的 发展 ，中 游 用 水 量 逐 渐 增 多 ，过 度 开 采 地 下 水 ，使

利用 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力卫星数据反演 黑河流域地下水变化
曹艳萍１，南卓铜１＊ ，胡兴林２
（ 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 遥感与地理信息科学研究室 ，甘肃 兰州 ７ １． ３ ０ ０ ０ ０； ） 甘肃省水文水资源局 ，甘肃 兰州 ７ ２． ３ ０ ０ ０ ０
摘 要 ：干旱区地表水资源有限 ，地下水资源被超采利用 ，黑河流域是西北干旱区典型内陆河流域 ，有 同样的地下水资源利用问题 ．然而由于监测地下水 变 化 的 测 井 数 目 有 限 且 分 布 不 均 ，难 以 从 流 域 尺 度 上 把握地下水资源的时空变化 ．利用 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力测量卫星数据反演黑河流域 ２ ０ ０ ３—２ ０ ０ ８ 年间的地下 水时空变化 ，为合理分配利用水资源提供科学依据 ，为 掌 握 无 资 料 区 域 地 下 水 水 资 源 及 其 变 化 趋 势 提 供了计算方法 ．为验证 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 反演结果的可 靠 性 ，首 先 将 计 算 出 的 黑 河 中 上 游 地 下 水 的 变 化 ，与 该 区域实测地下水变化数据进行对比 分 析 ，结 果 显 示 二 者 之 间 相 关 性 较 好 ，在 一 定 程 度 上 表 明 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 数据具备反演整个黑河流域水储量变化及其各 个 组 分 的 能 力 ．此 后 ，利 用 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ数据反演了全黑河 流域的地下水变化 ，对其时空变化进行了分析和讨论 ．结果表明 ：黑河 流 域 ２ ０ ０ ３—２ ０ ０ ４年间地下水减 少的幅度越来越少 ， ２ ０ ０ ５ 年夏 季 期 间 地 下 水 资 源 量 增 加 量 最 多 ，自 此 地 下 水 增 加 幅 度 逐 渐 减 少 ，至 ２ ０ ０ ８ 年趋于平衡 ．空间上流域局部变化波动较大 ， ２ ０ ０ ３—２ ０ ０ ４ 年间黑河上游地下水资源量处于减 少 状 态， ２ ０ ０ ５ 年相对于 ６ａ地下水平均含量有轻微 增 加 趋 势 ， ２ ０ ０ ６ 年 处 于 ６ａ 平 均 值 状 态 ， ２ ０ ０ ７—２ ０ ０ ８年 有 稍微上升趋势 ；中游在 ２ ０ ０ ５ 年有略微的上升 ，之后 ３ａ下降 ；下游地下水含量在 ６ａ中整体呈上升趋 势． 关键词 ： Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力卫星数据 ；水储量变化 ；地下水变化 ；黑河流域 中图分类号 ： Ｐ ６ ４ １． ７ 文献标识码 ：Ａ