利用GRACE衛星研究河南省水儲量時空變化特征

曹艷萍, 趙 芳

(河南大學 環境與規劃學院, 河南 開封 475004)

利用GRACE衛星研究河南省水儲量時空變化特征

曹艷萍, 趙 芳

(河南大學 環境與規劃學院, 河南 開封 475004)

[目的] 分析河南省2002—2014年的水儲量時空動態變化，為該省水資源管理、評價及可持續發展提供依據。 [方法] 借助GRACE重力衛星反演河南省水儲量變化，分析2002—2014年水儲量時空動態變化過程及其影響因素。 [結果] (1) 河南省的水儲量年內分布呈典型的“余弦函數曲線”特征，1—7月處于虧損狀態，8—12月處于盈余狀態；水儲量變化峰值出現時間滯后降水峰值2個月。 (2) 河南省水儲量觀測期內呈遞減趨勢，遞減速率為-6.34 mm/a； 空間上，水儲量減少速率自南向北遞增。 [結論] 通過定量計算人類活動總耗水量及水儲量年變化率可初步推斷,河南省水儲量變化1/3受人類活動影響，2/3受自然因素影響。

GRACE重力衛星; 水儲量; 河南省

文獻參數： 曹艷萍, 趙芳.利用GRACE衛星研究河南省水儲量時空變化特征[J].水土保持通報，2017,37(2)：295-310.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.045； Cao Yanping, Zhao Fang. Terrestrial Water Storage Changes of He’nan Province from GRACE Satellite[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：295-310.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.045

河南省是全國重要的農業大省和人口大省，水資源總量有4.13×1010m3，居全國第19位[1]；為滿足巨大水資源需求量，正常年份全省約缺水5.0×109m3[2]，因此，河南省是水資源嚴重貧乏的省份。近些年，隨著氣候趨于干暖、人口增長、城市化和社會經濟發展等，水資源匱乏問題越發嚴重。在這種大的社會背景及氣候條件下，區域水儲量總量在時空上的動態變化直接關系到其工農業發展及人類日常生活。此外，該省處于暖溫帶和亞熱帶氣候交界處，其氣候具有顯著過渡性。因此，研究河南省水文水資源的時空動態變化，對于保護和合理開發利用水資源，制定合理管理措施等具有非常重要的意義[2]；也為了解暖溫帶—亞熱帶過渡區的水文水資源對氣候變化的響應特征提供科學依據。

通常利用氣象、水文站點數據資料分析區域水文水資源動態變化特征，如利用逐日降水、氣溫資料等發現1957—2005年河南省極端降水事件和嚴重干燥事件發生頻率呈增加趨勢[3]；基于《河南省水資源公報》中記錄的數據資料發現1956—2010年河南省水資源總量呈減少趨勢，速率為1.085×109m3/10 a，大于降水資源量的減少速率[4]。除氣象水文資料外，近些年水文模型被廣泛應用于水文水資源評估中。例如，應用SWAT模型分析河南省中部農業區的徑流對氣候變化的響應，發現該地區的地表徑流、基流的年內變化趨勢與降水相一致，且地表徑流滯后降水[5]。實測的氣象、水文資料多是單點數據，從點到面的尺度轉換過程中誤差難以避免，且不確定性很難估算；而水文模型較適合應用于流域范圍內，對于行政區域要求考慮的要素更加復雜。隨著遙感技術的發展，借助重力衛星監測區域或流域尺度水儲量時空動態變化逐漸成為一種新型定量遙感方法。地球重力場是地球內部和表面質量分布的產物，這些物質質量的變化或遷移會引起相應地球重力場發生變化。地球重力場包括靜態重力場和時變重力場兩部分，其中靜態部分占了一大部分，但是該部分的變化在人類時間尺度上是微小的，通常忽略不計；時變重力場部分包括：大氣、海洋、陸地水等的質量變化或重新分布。所以，可以認為重力衛星觀測到的時變重力場是由地球表面約10～15 km以內的質量變化引起的[6]。而對于GRACE的時變重力場模型，包括海潮、固體潮、地球自轉產生的極潮等潮汐影響，及大氣和海洋等產生的非潮汐影響，已經在GRACE數據預處理過程中被扣除，因此，對于陸地部分，水質量的變化是引起地球重力場時變的主要原因[7]。通過觀測時變重力場的變化可以反演區域陸地水儲量變化，在垂直方向上，該水儲量代表的是區域地下水、土壤水、地表水、冰/雪水及生物含水量等5部分的集成。

許多國內外學者利用GRACE衛星時變重力場模型觀測區域或流域水儲量年內季節變化特征和長時間序列的趨勢變化特征，如：中國及周邊地區[8]、中國西南地區[9]、中國華北地區[10]、云南省[11]、長江[12]、黑河流域[13]等，以及國外的亞馬遜流域[14]、伊利諾伊州[15]等。利用GRACE衛星時變重力場模型研究水儲量變化特征，不同地區陸地水儲量在時間尺度上存在明顯的差異。曹艷萍等[13]借助GRACE數據分析黑河流域水儲量在2002—2008年的時空動態變化，發現黑河流域水儲量呈增加趨勢；但是蘇曉莉等[10]基于2002—2010年的GRACE數據，探測到華北地區的陸地水儲量以11 mm/a的速率在減少。除了時間變化，同一地區水儲量變化存在空間差異，比如利用GRACE衛星發現北美洲中部的水儲量在過去10 a以43.0±5.0 Gt/a的速率增加；而斯堪的納維亞的南部地區呈微弱增加，速率是2.3±0.8 Gt/a[16]。Amazon流域的西部和中部地區在2005年下半年發生干旱事件，水儲量嚴重虧損；而東部、北部及南部地區于2006年的6—7月的處于非常濕潤狀態，水儲量嚴重飽和[17]。早在GRACE衛星發射前，Wahr等[6]通過模擬研究表明了GRACE在探測陸地水儲量變化方面的潛在價值，并詳細分析講解了GRACE數據反演陸地水儲量變化的基本原理和方法。基于這些原理和方法，展開了一系列應用研究及驗證工作[12-13]，Wahr等[18]利用GRACE衛星數據反演全球陸地區域水儲量變化，研究表明GRACE反演水儲量變化結果與水文模型模擬結果相一致。胡小工等[19]利用GRACE時變重力場模型監測長江流域水儲量季節性變化，且發現GRACE結果與CPC，GLDAS兩個水文模型的輸出水儲量變化結果符合相當好。

大量研究表明，GRACE衛星能夠敏感地反映出區域水儲量總量的時空動態變化。本研究基于GRACE衛星數據，在分析河南省2002—2014年的水儲量時空動態變化的基礎上，獲知河南省水資源總量現狀，探討水儲量與氣候因子、人類活動的相互作用和影響，在一定程度上豐富和補充了河南省水資源時空變化特征，及其與氣候因子、人類活動關系方面的研究工作，為河南省水資源管理、評價及可持續發展提供依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

河南省位于我國中東部，經緯度范圍為北緯31°23′—36°22′，東經110°21′—116°39′，包含17個地級市、1個省直轄縣級市，該省土地面積為1.67×105km2。地處中國第2階梯和第3階梯的過渡帶，其地形地貌、氣候條件、土壤植被具有明顯的過渡性特征。地勢整體西高東低，南、西、北三面環山，中、東部屬于華北平原區域，西南部為南陽盆地；氣候以暖溫帶為主，南部區域跨亞熱帶，屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，同時還具有自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡的特征；復雜多樣的地貌類型為農林發展提供有利的條件，東部黃淮平原以農田植被為主；西部山地丘陵地區分布地帶性植物，主要為暖溫帶落葉闊葉林地帶，及北亞熱帶落葉闊葉林與常綠闊葉混交林地帶。河南省年均氣溫為12.2～16.0 ℃，年降水量為478.6～1 116.9 mm[20]，時空分布不均勻，夏季降水量占全年降水量的50%～60%，冬季最少，僅占全年降水量的3%～10%[21]；空間上呈自東南向西北遞減規律[22]。該省水資源總量多年平均值為4.25×1010m3，其中地表水資源量為3.13×1010m3，地下水資源量為2.16×1010m3，二者重復1.04×1010m3[4]。自南向北跨越長江、淮河、黃河、海河4大流域，不同地域水資源量差異顯著，2001—2011年上述4大流域在河南省境內的平均水資源總量分別為7.903×109m3，2.50×1010m3，5.903×109m3，2.53×109m3[23]。

1.2 數據與處理

基于GRACE衛星數據和氣象、水文數據反演得到河南省水儲量總量變化，并結合降水、氣溫及區域耗水量等資料探討其變化緣由。

1.2.1 GRACE衛星數據 本研究GRACE數據為GRACE CSR中心公布的Level-2RL05數據產品，該套數據以球諧系數的形式給出，最高階次是96，時間分辨率是1個月。數據獲取后需要對數據進行一系列的處理，包括：填補或替換GRACE數據低階項系數[24-25]，計算時變重力場模型球諧系數，去相關濾波處理[26]，扇形濾波處理[27]等。預處理后基于水儲量變化反演原理[6]計算得到河南省水儲量變化量(TWSC)，時間分辨率是1個月，空間分辨率是0.1°。

1.2.2 氣象、水文數據資料 氣象資料來自中國區域高時空地面氣象要素驅動數據集(China meteorological forcing dataset)，簡稱為ITP數據[28-29]。該數據集是以國際上現有的Princeton再分析資料，GEWEX-SRB輻射資料，global land data assimilation system(GLDAS)陸面過程模式數據資料，以及tropical rainfall measuring mission(TRMM)衛星降水資料為背景場，同時融合了中國氣象科學數據共享服務網提供的全國氣象站點的常規觀測數據，具有高時空分辨率、高精度的優勢。ITP數據空間上覆蓋整個中國，時間跨度為1979—2012年，其時間分辨率為3 h，空間分辨率為0.1°。本研究主要采用該數據集的降水和氣溫資料，從基金委國家地球系統科學數據平臺—寒區旱區科學數據中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn/)獲取。本研究依據河南省的矢量邊界，基于ArcGIS軟件平臺，首先將研究區域內的格網降水和氣溫從中國區域格網數據集中裁剪出來，然后對研究區域內的格網降水、氣溫數據進行加權求平均，得到研究區域的區域平均降水、氣溫數據，最后結合GRACE數據，討論降水和氣溫對區域水儲量變化的影響。除上述ITP的降水、氣溫資料，本研究還依據《河南省水資源公報》整理出了2003—2014年河南省總耗水量及不同結構耗水量等水文資料。

1.3 分析方法

1.3.1 一元線性趨勢回歸分析 趨勢線是對時間序列數據進行回歸分析，得到其變化趨勢。采用線性趨勢線來模擬河南省每個格網的水儲量、降水、氣溫的年際變化。斜率計算公式為：

(1)

式中：n——分析變量的年數;Y——水儲量或降水量(mm)，或氣溫(℃);i——1,2，…，n。slope——正值表示分析變量在年際上呈增加趨勢，負值表示其呈減少趨勢。

1.3.2 Mann-Kendall趨勢檢驗方法 趨勢分析是研究氣候變化和水文時間序列變化規律的重要途徑。關于時間序列趨勢顯著性檢驗的統計方法很多，應用較為廣泛的是非參數Mann-Kendall趨勢檢驗方法(簡稱M-K趨勢檢驗法)。該方法基于秩的非參數方法，由于其不要求所分析數據遵循某一概論分布，且其趨勢檢測能力與參數趨勢檢驗方法相同，因此被廣泛應用于全球不同區域水文時間序列的趨勢特征分析過程中[30]。

2 結果與分析

利用GRACE數據監測河南省水儲量在時間和空間2個尺度上的動態變化，分別進行變化特征分析。

2.1 年際變化

圖1為河南省水儲量、降水量月動態變化圖，其中水儲量正值表示其處于補給狀態，負值表示其處于虧損狀態。由圖1可以看出，2002年8月至2014年10月期間河南省水儲量在-133～210 mm波動變化；其中2004年9月水儲量盈余最大，2014年6月水儲量虧損最大。觀測期內，水儲量明顯分為3個階段：2002年8月至2005年12月水儲量明顯處于補給狀態，各月水儲量變化量平均值為20 mm；2006年1月至2009年12月水儲量在平衡狀態附近輕微波動，各月水儲量變化量平均值為4 mm；2010年1月至2014年10月水儲量呈顯著虧損狀態，各月水儲量變化量平均值為-26 mm。整體來看，河南省水儲量變化波動規律與降水基本一致，但水儲量波峰波谷出現時間較降水略微滯后。觀測期內河南省水儲量呈遞減趨勢。

2.2 年內變化

圖2為河南省1—12月的多年平均水儲量變化值和多年平均降水量分布圖。由圖2可知，河南省降水年內變化趨勢呈單峰曲線；降水集中分布在5—9月，累計降雨量為579.0 mm，占全年降水量的73.0%；7月降水量達到峰值，為182.4 mm，占全年降水量的23.0%。河南省的水儲量總量年內分布呈典型的“余弦曲線”特征，1—7月處于虧損狀態，其中6月水儲量虧損最嚴重，虧損值為59.3 mm。8—12月處于盈余狀態，其中9月盈余量最大，為56.0 mm。從河南省降水和水儲量變化特征來看，水儲量的盈余和虧損明顯受降雨影響，降水多的月份，水儲量多為盈余狀態；降水少的月份，水儲量多處于虧損狀態；水儲量峰值的出現時間比降水滯后2個月。月份間水儲量變化的斜率，反映出區域水儲量消耗與補給的變化情況。河南省6—9月水儲量變化的斜率為正，表明7—9月水儲量的補給(降水等)大于消耗，水儲量一直增加，9月達到峰值。2—6月和9—12月水儲量變化的斜率都為負，表明3—6月和10—12月水儲量補給小于消耗，水儲量一致減少。1—2月水儲量變化的斜率接近0，表明2月水儲量的補給和消耗基本持平。水儲量補給與消耗平衡狀態的變化是導致區域水儲量變化的根本原因，降水只是補給方式的一種，因此水儲量的峰值、谷值出現的月份與降水并不完全一致。

圖1 河南省水儲量、降水量動態變化

2.3 年水儲量變化趨勢空間分布

根據一元線性趨勢回歸方法得到河南省水儲量年變化率空間分布(圖3)，并對該變化趨勢進行M-K(a=0.05)檢驗(圖3)。由圖3可知，整個河南省所有地區的水儲量總量在2003—2013年的變化率均為負值，平均為-6.34 mm/a，說明2003—2013年河南省的年水儲量呈下降趨勢。河南省年水儲量變化率空間分布差異明顯，水儲量減少速率自南向北遞增。豫北地區的安陽、鶴壁、濟源、焦作、新鄉、濮陽，及鄭州和開封的北部地區減少速率最快，減少率介于-8～-10 mm/a，其顯著性檢驗的p值小于0.01(圖3)。豫東商丘、周口和豫西三門峽，洛陽及豫中的許昌、平頂山、漯河等地區水儲量年變化率介于-6～-8 mm/a，其中豫東商丘、周口地區顯著性檢驗的p值亦小于0.01，而豫西三門峽，洛陽及豫中的許昌、平頂山、漯河等地區顯著性檢驗的p值分布在0.01～0.05。豫南的南陽、駐馬店及信陽地區水儲量年變化率最小，介于-0.6～-6 mm/a，p值大于0.05，未通過顯著性檢驗。

圖2 河南省2002-2014年平均水儲量、降水年內變化

圖3 河南省水儲量年變化趨勢和Mann-Kendall趨勢性檢驗結果

河南省大部分地區的年降水量在2002—2012年也呈現出明顯的減少趨勢(圖4)，降水年際變化率的空間分布和水儲量年變化率并不一致。豫北地區水儲量虧損率最大，而降水減少速率最大的是豫南的駐馬店地區。以駐馬店為中心向周邊擴展，減少速率遞減；南陽西部山區降水略微增加。整個區域降水變化速率的遞減率為-24.2 mm/a。

圖4 河南省降水年變化趨勢空間分布

氣溫變化通過影響蒸散發量間接影響區域水儲量的變化。河南省2003—2012年氣溫年際變化呈增加趨勢(圖5)，平均遞增率為0.053 ℃/a。鄭州地區東部和開封地區西南部氣溫增加速率最大，遞增率介于0.08～0.10 ℃/a。

圖5 河南省氣溫年變化趨勢空間分布

3 討 論

區域水儲量變化與降水變化密切相關，降水豐沛的月份，水儲量多處于補給狀態；降水少的月份，水儲量多處于虧損狀態，這在中國的西南地區[9]、云南省[11]、長江流域[12]等得到了驗證。河南省的水儲量年際變化率為-6.34 mm/a，而降水也呈遞減趨勢，遞減率為-24.2 mm/a。河南省水儲量和降水年內分布曲線，也顯示出水儲量的盈余和虧損明顯受降雨影響。因此，河南省的降水對其水儲量變化起重要作用。此外，由于河南省在觀測期內的氣溫也呈現出了上升趨勢，上升速率0.053 ℃/a。氣溫的上升必然導致蒸發和蒸騰作用的增強，會導致水儲量減少。除了降水和氣溫，河南省的人類活動對水儲量變化的影響也是十分巨大的。依據《河南省水資源公報》，得到2003—2014年河南省總耗水量和耗水結構(圖6)。由圖6可知，2003—2014年，河南省總耗水量呈快速增加趨勢，以3.305×109m3/a的速率增長，轉換為等效水高為2.0 mm/a；其中農林漁耗水量、工業耗水量、城鄉生活/環境耗水量等均呈增加趨勢。河南省總耗水量增加速率占區域水儲量總量減少速率約1/3，初步推斷人類活動對區域水儲量的影響比重為1/3，其他2/3部分由區域氣象因素造成。

圖6 河南省耗水量時序分布

河南省3—6月降水逐月增多，但區域水儲量總量卻逐漸減少(圖2)。這可能主要是因為河南省是冬小麥的主要產區，該時期冬小麥從復蘇到收割，需要大量灌溉；6月的玉米、大豆等農作物播種后的集中灌溉可能是該月區域水儲量嚴重虧損的重要原因之一。由圖3可知，河南省豫北地區的水儲量虧損速率大于豫南地區，而豫北地區的降水量減少速率小于豫南地區(圖4)，分析除降水影響外，造成豫北地區水儲量虧損嚴重的主要原因是地下水開采的不均衡。河南全省地下水利用率達到70%以上，其中豫北、豫東平原地區地下水利用率高達80%以上，連年超采造成地下水位連續下降，安陽—濮陽—鶴壁—新鄉已形成大面積的地下水漏斗區[23]，部分城市開始采用中深層地下水來補給供水[4]。即地下水的嚴重超采是豫北豫東區域水儲量嚴重虧損的主要原因，而豫南駐馬店等區域的降水量快速減少是其區域水儲量減少的主要原因之一。地形和水文地質條件對區域水儲量變化也有重要影響。例如，山區降水量一般較平原區多；山區和平原區的水文地質條件的差異，導致區域水資源的存在形式及循環過程差別較大；此外，山區和平原區，人類的生產生活方式差距較大，水資源利用方式及程度迥異。河南省的山區主要分布在豫西三門峽、南陽等地區。從降水變化率的空間分布圖(圖4)可知南陽西北部山區的降水增加，而河南省其他平原區、山地丘陵區的降水以減少為主。從水儲量變化率空間分布圖(圖3)可知，河南省水儲量變化緯向變化規律明顯，其南部山區水儲量減少速率最低，北部平原區水儲量減少速率最大；降水增加明顯的豫西山地地區，并未改變這種水儲量的緯向分布規律，其與同緯度的平原區水儲量減少速率基本一致。因此，地形和水文地質條件作為影響水儲量變化的間接因素，其作用過程和影響程度有待進一步研究。

4 結 論

(1) 河南省水儲量觀測期內呈遞減趨勢，明顯分為3個階段：2002年8月至2005年12月處于補給狀態；2006年1月至2009年12月在平衡狀態附近輕微波動；2010年1月至2014年10月呈顯著虧損狀態。

(2) 河南省的水儲量總量年內分布呈典型的“余弦曲線”特征，1—7月處于虧損狀態，其中6月水儲量虧損最嚴重，虧損值為59.3 mm；8—12月處于盈余狀態，其中9月盈余量最大，為56.0 mm。由于補給量與消耗量的閾值差異導致河南省水儲量變化峰值出現時間滯后降水峰值2個月。

(3) 河南省所有地區的水儲量總量在2003—2013年的變化率均為負值，平均為-6.34 mm/a；空間上，水儲量減少速率自南向北遞增。

(4) 河南省水儲量變化是降水、蒸發等自然要素和人類活動共同作用的結果。通過定量計算人類活動總耗水量及水儲量總量年變化率可初步推斷：河南省水儲量變化1/3受人類活動影響，2/3受自然因素影響。

(5) 河南省水資源總量匱乏情況越發嚴重，需要引發政府及廣大群眾的注意。針對水儲量總量嚴重虧損狀態，政府需要采取合理的措施，控制農林漁耗水量、工業耗水量、城鄉生活/環境耗水量等，遵循因地制宜、適地適水的原則，制定不同氣候條件下的節水用水政策，提高用水效率。本研究借助定量遙感方法首次反演河南省區域尺度的水儲量總量，能夠精確把握其時空動態變化特征，與實測水文資料一致。該方法較常規方法省時省力，且精度高，但是該研究仍存在一些不足，研究有待進一步深化。

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Terrestrial Water Storage Changes of He’nan Province from GRACE Satellite

CAO Yanping, ZHAO Fang

(SchoolofEnvironmentandPlanning,He’nanUniversity,Kaifeng,He’nan475004,China)

[Objective] Studying the spatio-temporal variations of water storage in He’nan Province to provide a theoretical basis for the rational planning of agricultural development. [Methods] The spatio-temporal variations of terrestrial water storage changes(TWSC) of He’nan Province were derived from GRACE during 2002—2014, and the influence factors were analyzed. [Results] (1) The annual variation of TWSC in He’nan Province presented a cosine-shaped curve, in a loss state between January and July, and getting surplus between August and December. The lag time between the peaks of TWSC and precipitation was two months. (2) He’nan TWSC presented a decreasing trend during the observation period at a rate of -6.34 mm/a. Geographically, the reduction rate of water reserves was higher at the south part than that at the north part. [Conclusion] Through quantitatively calculation of the annual variation ratio of total water consumption of human activities and TWSC, it can be concluded that about 1/3 variation of water storage in He’nan Province is contributed by human activities, and the other part, about 2/3 of the variation came from natural factors.

GRACE gravity satellite; water storage; He’nan Province

2016-09-01

2016-09-21

高等學校重點科研項目“中原農區冰雹天氣中降雹落區的精細化計算方法研究”(17A170005); 河南大學科研啟動經費項目

曹艷萍(1986—),女(漢族),河南省封丘縣人,博士研究生,講師,主要從事水文遙感等方面的研究。E-mail:0310cyp@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0295-07

P332， TP79