利用GRACE衛(wèi)星研究河南省水儲(chǔ)量時(shí)空變化特征

曹艷萍, 趙 芳

(河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 河南 開(kāi)封 475004)

利用GRACE衛(wèi)星研究河南省水儲(chǔ)量時(shí)空變化特征

曹艷萍, 趙 芳

(河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 河南 開(kāi)封 475004)

[目的] 分析河南省2002—2014年的水儲(chǔ)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，為該省水資源管理、評(píng)價(jià)及可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。 [方法] 借助GRACE重力衛(wèi)星反演河南省水儲(chǔ)量變化，分析2002—2014年水儲(chǔ)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及其影響因素。 [結(jié)果] (1) 河南省的水儲(chǔ)量年內(nèi)分布呈典型的“余弦函數(shù)曲線”特征，1—7月處于虧損狀態(tài)，8—12月處于盈余狀態(tài)；水儲(chǔ)量變化峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后降水峰值2個(gè)月。 (2) 河南省水儲(chǔ)量觀測(cè)期內(nèi)呈遞減趨勢(shì)，遞減速率為-6.34 mm/a； 空間上，水儲(chǔ)量減少速率自南向北遞增。 [結(jié)論] 通過(guò)定量計(jì)算人類活動(dòng)總耗水量及水儲(chǔ)量年變化率可初步推斷,河南省水儲(chǔ)量變化1/3受人類活動(dòng)影響，2/3受自然因素影響。

GRACE重力衛(wèi)星; 水儲(chǔ)量; 河南省

文獻(xiàn)參數(shù)： 曹艷萍, 趙芳.利用GRACE衛(wèi)星研究河南省水儲(chǔ)量時(shí)空變化特征[J].水土保持通報(bào)，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(guó)重要的農(nóng)業(yè)大省和人口大省，水資源總量有4.13×1010m3，居全國(guó)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(yán)重貧乏的省份。近些年，隨著氣候趨于干暖、人口增長(zhǎng)、城市化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等，水資源匱乏問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重。在這種大的社會(huì)背景及氣候條件下，區(qū)域水儲(chǔ)量總量在時(shí)空上的動(dòng)態(tài)變化直接關(guān)系到其工農(nóng)業(yè)發(fā)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(guò)渡性。因此，研究河南省水文水資源的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于保護(hù)和合理開(kāi)發(fā)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(guò)渡區(qū)的水文水資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征提供科學(xué)依據(jù)。

通常利用氣象、水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料分析區(qū)域水文水資源動(dòng)態(tài)變化特征，如利用逐日降水、氣溫資料等發(fā)現(xiàn)1957—2005年河南省極端降水事件和嚴(yán)重干燥事件發(fā)生頻率呈增加趨勢(shì)[3]；基于《河南省水資源公報(bào)》中記錄的數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)1956—2010年河南省水資源總量呈減少趨勢(shì)，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(yīng)用于水文水資源評(píng)估中。例如，應(yīng)用SWAT模型分析河南省中部農(nóng)業(yè)區(qū)的徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的地表徑流、基流的年內(nèi)變化趨勢(shì)與降水相一致，且地表徑流滯后降水[5]。實(shí)測(cè)的氣象、水文資料多是單點(diǎn)數(shù)據(jù)，從點(diǎn)到面的尺度轉(zhuǎn)換過(guò)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(yīng)用于流域范圍內(nèi)，對(duì)于行政區(qū)域要求考慮的要素更加復(fù)雜。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，借助重力衛(wèi)星監(jiān)測(cè)區(qū)域或流域尺度水儲(chǔ)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化逐漸成為一種新型定量遙感方法。地球重力場(chǎng)是地球內(nèi)部和表面質(zhì)量分布的產(chǎn)物，這些物質(zhì)質(zhì)量的變化或遷移會(huì)引起相應(yīng)地球重力場(chǎng)發(fā)生變化。地球重力場(chǎng)包括靜態(tài)重力場(chǎng)和時(shí)變重力場(chǎng)兩部分，其中靜態(tài)部分占了一大部分，但是該部分的變化在人類時(shí)間尺度上是微小的，通常忽略不計(jì)；時(shí)變重力場(chǎng)部分包括：大氣、海洋、陸地水等的質(zhì)量變化或重新分布。所以，可以認(rèn)為重力衛(wèi)星觀測(cè)到的時(shí)變重力場(chǎng)是由地球表面約10～15 km以內(nèi)的質(zhì)量變化引起的[6]。而對(duì)于GRACE的時(shí)變重力場(chǎng)模型，包括海潮、固體潮、地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的極潮等潮汐影響，及大氣和海洋等產(chǎn)生的非潮汐影響，已經(jīng)在GRACE數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中被扣除，因此，對(duì)于陸地部分，水質(zhì)量的變化是引起地球重力場(chǎng)時(shí)變的主要原因[7]。通過(guò)觀測(cè)時(shí)變重力場(chǎng)的變化可以反演區(qū)域陸地水儲(chǔ)量變化，在垂直方向上，該水儲(chǔ)量代表的是區(qū)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(guó)內(nèi)外學(xué)者利用GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力場(chǎng)模型觀測(cè)區(qū)域或流域水儲(chǔ)量年內(nèi)季節(jié)變化特征和長(zhǎng)時(shí)間序列的趨勢(shì)變化特征，如：中國(guó)及周邊地區(qū)[8]、中國(guó)西南地區(qū)[9]、中國(guó)華北地區(qū)[10]、云南省[11]、長(zhǎng)江[12]、黑河流域[13]等，以及國(guó)外的亞馬遜流域[14]、伊利諾伊州[15]等。利用GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力場(chǎng)模型研究水儲(chǔ)量變化特征，不同地區(qū)陸地水儲(chǔ)量在時(shí)間尺度上存在明顯的差異。曹艷萍等[13]借助GRACE數(shù)據(jù)分析黑河流域水儲(chǔ)量在2002—2008年的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)黑河流域水儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì)；但是蘇曉莉等[10]基于2002—2010年的GRACE數(shù)據(jù)，探測(cè)到華北地區(qū)的陸地水儲(chǔ)量以11 mm/a的速率在減少。除了時(shí)間變化，同一地區(qū)水儲(chǔ)量變化存在空間差異，比如利用GRACE衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)北美洲中部的水儲(chǔ)量在過(guò)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(qū)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(qū)在2005年下半年發(fā)生干旱事件，水儲(chǔ)量嚴(yán)重虧損；而東部、北部及南部地區(qū)于2006年的6—7月的處于非常濕潤(rùn)狀態(tài)，水儲(chǔ)量嚴(yán)重飽和[17]。早在GRACE衛(wèi)星發(fā)射前，Wahr等[6]通過(guò)模擬研究表明了GRACE在探測(cè)陸地水儲(chǔ)量變化方面的潛在價(jià)值，并詳細(xì)分析講解了GRACE數(shù)據(jù)反演陸地水儲(chǔ)量變化的基本原理和方法。基于這些原理和方法，展開(kāi)了一系列應(yīng)用研究及驗(yàn)證工作[12-13]，Wahr等[18]利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演全球陸地區(qū)域水儲(chǔ)量變化，研究表明GRACE反演水儲(chǔ)量變化結(jié)果與水文模型模擬結(jié)果相一致。胡小工等[19]利用GRACE時(shí)變重力場(chǎng)模型監(jiān)測(cè)長(zhǎng)江流域水儲(chǔ)量季節(jié)性變化，且發(fā)現(xiàn)GRACE結(jié)果與CPC，GLDAS兩個(gè)水文模型的輸出水儲(chǔ)量變化結(jié)果符合相當(dāng)好。

大量研究表明，GRACE衛(wèi)星能夠敏感地反映出區(qū)域水儲(chǔ)量總量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。本研究基于GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在分析河南省2002—2014年的水儲(chǔ)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上，獲知河南省水資源總量現(xiàn)狀，探討水儲(chǔ)量與氣候因子、人類活動(dòng)的相互作用和影響，在一定程度上豐富和補(bǔ)充了河南省水資源時(shí)空變化特征，及其與氣候因子、人類活動(dòng)關(guān)系方面的研究工作，為河南省水資源管理、評(píng)價(jià)及可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于我國(guó)中東部，經(jīng)緯度范圍為北緯31°23′—36°22′，東經(jīng)110°21′—116°39′，包含17個(gè)地級(jí)市、1個(gè)省直轄縣級(jí)市，該省土地面積為1.67×105km2。地處中國(guó)第2階梯和第3階梯的過(guò)渡帶，其地形地貌、氣候條件、土壤植被具有明顯的過(guò)渡性特征。地勢(shì)整體西高東低，南、西、北三面環(huán)山，中、東部屬于華北平原區(qū)域，西南部為南陽(yáng)盆地；氣候以暖溫帶為主，南部區(qū)域跨亞熱帶，屬于北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的大陸性季風(fēng)氣候，同時(shí)還具有自東向西由平原向丘陵山地氣候過(guò)渡的特征；復(fù)雜多樣的地貌類型為農(nóng)林發(fā)展提供有利的條件，東部黃淮平原以農(nóng)田植被為主；西部山地丘陵地區(qū)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(shí)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(guī)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(fù)1.04×1010m3[4]。自南向北跨越長(zhǎng)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(nèi)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(shù)據(jù)與處理

基于GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象、水文數(shù)據(jù)反演得到河南省水儲(chǔ)量總量變化，并結(jié)合降水、氣溫及區(qū)域耗水量等資料探討其變化緣由。

1.2.1 GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù) 本研究GRACE數(shù)據(jù)為GRACE CSR中心公布的Level-2RL05數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該套數(shù)據(jù)以球諧系數(shù)的形式給出，最高階次是96，時(shí)間分辨率是1個(gè)月。數(shù)據(jù)獲取后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，包括：填補(bǔ)或替換GRACE數(shù)據(jù)低階項(xiàng)系數(shù)[24-25]，計(jì)算時(shí)變重力場(chǎng)模型球諧系數(shù)，去相關(guān)濾波處理[26]，扇形濾波處理[27]等。預(yù)處理后基于水儲(chǔ)量變化反演原理[6]計(jì)算得到河南省水儲(chǔ)量變化量(TWSC)，時(shí)間分辨率是1個(gè)月，空間分辨率是0.1°。

1.2.2 氣象、水文數(shù)據(jù)資料 氣象資料來(lái)自中國(guó)區(qū)域高時(shí)空地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集(China meteorological forcing dataset)，簡(jiǎn)稱為ITP數(shù)據(jù)[28-29]。該數(shù)據(jù)集是以國(guó)際上現(xiàn)有的Princeton再分析資料，GEWEX-SRB輻射資料，global land data assimilation system(GLDAS)陸面過(guò)程模式數(shù)據(jù)資料，以及tropical rainfall measuring mission(TRMM)衛(wèi)星降水資料為背景場(chǎng)，同時(shí)融合了中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的全國(guó)氣象站點(diǎn)的常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，具有高時(shí)空分辨率、高精度的優(yōu)勢(shì)。ITP數(shù)據(jù)空間上覆蓋整個(gè)中國(guó)，時(shí)間跨度為1979—2012年，其時(shí)間分辨率為3 h，空間分辨率為0.1°。本研究主要采用該數(shù)據(jù)集的降水和氣溫資料，從基金委國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)—寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn/)獲取。本研究依據(jù)河南省的矢量邊界，基于ArcGIS軟件平臺(tái)，首先將研究區(qū)域內(nèi)的格網(wǎng)降水和氣溫從中國(guó)區(qū)域格網(wǎng)數(shù)據(jù)集中裁剪出來(lái)，然后對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的格網(wǎng)降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求平均，得到研究區(qū)域的區(qū)域平均降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)，最后結(jié)合GRACE數(shù)據(jù)，討論降水和氣溫對(duì)區(qū)域水儲(chǔ)量變化的影響。除上述ITP的降水、氣溫資料，本研究還依據(jù)《河南省水資源公報(bào)》整理出了2003—2014年河南省總耗水量及不同結(jié)構(gòu)耗水量等水文資料。

1.3 分析方法

1.3.1 一元線性趨勢(shì)回歸分析 趨勢(shì)線是對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到其變化趨勢(shì)。采用線性趨勢(shì)線來(lái)模擬河南省每個(gè)格網(wǎng)的水儲(chǔ)量、降水、氣溫的年際變化。斜率計(jì)算公式為：

(1)

式中：n——分析變量的年數(shù);Y——水儲(chǔ)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(shì)，負(fù)值表示其呈減少趨勢(shì)。

1.3.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法 趨勢(shì)分析是研究氣候變化和水文時(shí)間序列變化規(guī)律的重要途徑。關(guān)于時(shí)間序列趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法很多，應(yīng)用較為廣泛的是非參數(shù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法(簡(jiǎn)稱M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法)。該方法基于秩的非參數(shù)方法，由于其不要求所分析數(shù)據(jù)遵循某一概論分布，且其趨勢(shì)檢測(cè)能力與參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)方法相同，因此被廣泛應(yīng)用于全球不同區(qū)域水文時(shí)間序列的趨勢(shì)特征分析過(guò)程中[30]。

2 結(jié)果與分析

利用GRACE數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)河南省水儲(chǔ)量在時(shí)間和空間2個(gè)尺度上的動(dòng)態(tài)變化，分別進(jìn)行變化特征分析。

2.1 年際變化

圖1為河南省水儲(chǔ)量、降水量月動(dòng)態(tài)變化圖，其中水儲(chǔ)量正值表示其處于補(bǔ)給狀態(tài)，負(fù)值表示其處于虧損狀態(tài)。由圖1可以看出，2002年8月至2014年10月期間河南省水儲(chǔ)量在-133～210 mm波動(dòng)變化；其中2004年9月水儲(chǔ)量盈余最大，2014年6月水儲(chǔ)量虧損最大。觀測(cè)期內(nèi)，水儲(chǔ)量明顯分為3個(gè)階段：2002年8月至2005年12月水儲(chǔ)量明顯處于補(bǔ)給狀態(tài)，各月水儲(chǔ)量變化量平均值為20 mm；2006年1月至2009年12月水儲(chǔ)量在平衡狀態(tài)附近輕微波動(dòng)，各月水儲(chǔ)量變化量平均值為4 mm；2010年1月至2014年10月水儲(chǔ)量呈顯著虧損狀態(tài)，各月水儲(chǔ)量變化量平均值為-26 mm。整體來(lái)看，河南省水儲(chǔ)量變化波動(dòng)規(guī)律與降水基本一致，但水儲(chǔ)量波峰波谷出現(xiàn)時(shí)間較降水略微滯后。觀測(cè)期內(nèi)河南省水儲(chǔ)量呈遞減趨勢(shì)。

2.2 年內(nèi)變化

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

圖1 河南省水儲(chǔ)量、降水量動(dòng)態(tài)變化

2.3 年水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)空間分布

根據(jù)一元線性趨勢(shì)回歸方法得到河南省水儲(chǔ)量年變化率空間分布(圖3)，并對(duì)該變化趨勢(shì)進(jìn)行M-K(a=0.05)檢驗(yàn)(圖3)。由圖3可知，整個(gè)河南省所有地區(qū)的水儲(chǔ)量總量在2003—2013年的變化率均為負(fù)值，平均為-6.34 mm/a，說(shuō)明2003—2013年河南省的年水儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì)。河南省年水儲(chǔ)量變化率空間分布差異明顯，水儲(chǔ)量減少速率自南向北遞增。豫北地區(qū)的安陽(yáng)、鶴壁、濟(jì)源、焦作、新鄉(xiāng)、濮陽(yáng)，及鄭州和開(kāi)封的北部地區(qū)減少速率最快，減少率介于-8～-10 mm/a，其顯著性檢驗(yàn)的p值小于0.01(圖3)。豫東商丘、周口和豫西三門(mén)峽，洛陽(yáng)及豫中的許昌、平頂山、漯河等地區(qū)水儲(chǔ)量年變化率介于-6～-8 mm/a，其中豫東商丘、周口地區(qū)顯著性檢驗(yàn)的p值亦小于0.01，而豫西三門(mén)峽，洛陽(yáng)及豫中的許昌、平頂山、漯河等地區(qū)顯著性檢驗(yàn)的p值分布在0.01～0.05。豫南的南陽(yáng)、駐馬店及信陽(yáng)地區(qū)水儲(chǔ)量年變化率最小，介于-0.6～-6 mm/a，p值大于0.05，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

圖2 河南省2002-2014年平均水儲(chǔ)量、降水年內(nèi)變化

圖3 河南省水儲(chǔ)量年變化趨勢(shì)和Mann-Kendall趨勢(shì)性檢驗(yàn)結(jié)果

河南省大部分地區(qū)的年降水量在2002—2012年也呈現(xiàn)出明顯的減少趨勢(shì)(圖4)，降水年際變化率的空間分布和水儲(chǔ)量年變化率并不一致。豫北地區(qū)水儲(chǔ)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(qū)。以駐馬店為中心向周邊擴(kuò)展，減少速率遞減；南陽(yáng)西部山區(qū)降水略微增加。整個(gè)區(qū)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(shì)空間分布

氣溫變化通過(guò)影響蒸散發(fā)量間接影響區(qū)域水儲(chǔ)量的變化。河南省2003—2012年氣溫年際變化呈增加趨勢(shì)(圖5)，平均遞增率為0.053 ℃/a。鄭州地區(qū)東部和開(kāi)封地區(qū)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(shì)空間分布

3 討 論

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

圖6 河南省耗水量時(shí)序分布

河南省3—6月降水逐月增多，但區(qū)域水儲(chǔ)量總量卻逐漸減少(圖2)。這可能主要是因?yàn)楹幽鲜∈嵌←湹闹饕a(chǎn)區(qū)，該時(shí)期冬小麥從復(fù)蘇到收割，需要大量灌溉；6月的玉米、大豆等農(nóng)作物播種后的集中灌溉可能是該月區(qū)域水儲(chǔ)量嚴(yán)重虧損的重要原因之一。由圖3可知，河南省豫北地區(qū)的水儲(chǔ)量虧損速率大于豫南地區(qū)，而豫北地區(qū)的降水量減少速率小于豫南地區(qū)(圖4)，分析除降水影響外，造成豫北地區(qū)水儲(chǔ)量虧損嚴(yán)重的主要原因是地下水開(kāi)采的不均衡。河南全省地下水利用率達(dá)到70%以上，其中豫北、豫東平原地區(qū)地下水利用率高達(dá)80%以上，連年超采造成地下水位連續(xù)下降，安陽(yáng)—濮陽(yáng)—鶴壁—新鄉(xiāng)已形成大面積的地下水漏斗區(qū)[23]，部分城市開(kāi)始采用中深層地下水來(lái)補(bǔ)給供水[4]。即地下水的嚴(yán)重超采是豫北豫東區(qū)域水儲(chǔ)量嚴(yán)重虧損的主要原因，而豫南駐馬店等區(qū)域的降水量快速減少是其區(qū)域水儲(chǔ)量減少的主要原因之一。地形和水文地質(zhì)條件對(duì)區(qū)域水儲(chǔ)量變化也有重要影響。例如，山區(qū)降水量一般較平原區(qū)多；山區(qū)和平原區(qū)的水文地質(zhì)條件的差異，導(dǎo)致區(qū)域水資源的存在形式及循環(huán)過(guò)程差別較大；此外，山區(qū)和平原區(qū)，人類的生產(chǎn)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(qū)主要分布在豫西三門(mén)峽、南陽(yáng)等地區(qū)。從降水變化率的空間分布圖(圖4)可知南陽(yáng)西北部山區(qū)的降水增加，而河南省其他平原區(qū)、山地丘陵區(qū)的降水以減少為主。從水儲(chǔ)量變化率空間分布圖(圖3)可知，河南省水儲(chǔ)量變化緯向變化規(guī)律明顯，其南部山區(qū)水儲(chǔ)量減少速率最低，北部平原區(qū)水儲(chǔ)量減少速率最大；降水增加明顯的豫西山地地區(qū)，并未改變這種水儲(chǔ)量的緯向分布規(guī)律，其與同緯度的平原區(qū)水儲(chǔ)量減少速率基本一致。因此，地形和水文地質(zhì)條件作為影響水儲(chǔ)量變化的間接因素，其作用過(guò)程和影響程度有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 河南省水儲(chǔ)量觀測(cè)期內(nèi)呈遞減趨勢(shì)，明顯分為3個(gè)階段：2002年8月至2005年12月處于補(bǔ)給狀態(tài)；2006年1月至2009年12月在平衡狀態(tài)附近輕微波動(dòng)；2010年1月至2014年10月呈顯著虧損狀態(tài)。

(2) 河南省的水儲(chǔ)量總量年內(nèi)分布呈典型的“余弦曲線”特征，1—7月處于虧損狀態(tài)，其中6月水儲(chǔ)量虧損最嚴(yán)重，虧損值為59.3 mm；8—12月處于盈余狀態(tài)，其中9月盈余量最大，為56.0 mm。由于補(bǔ)給量與消耗量的閾值差異導(dǎo)致河南省水儲(chǔ)量變化峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后降水峰值2個(gè)月。

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

(4) 河南省水儲(chǔ)量變化是降水、蒸發(fā)等自然要素和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。通過(guò)定量計(jì)算人類活動(dòng)總耗水量及水儲(chǔ)量總量年變化率可初步推斷：河南省水儲(chǔ)量變化1/3受人類活動(dòng)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(fā)嚴(yán)重，需要引發(fā)政府及廣大群眾的注意。針對(duì)水儲(chǔ)量總量嚴(yán)重虧損狀態(tài)，政府需要采取合理的措施，控制農(nóng)林漁耗水量、工業(yè)耗水量、城鄉(xiāng)生活/環(huán)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(jié)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(qū)域尺度的水儲(chǔ)量總量，能夠精確把握其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，與實(shí)測(cè)水文資料一致。該方法較常規(guī)方法省時(shí)省力，且精度高，但是該研究仍存在一些不足，研究有待進(jìn)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(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目“中原農(nóng)區(qū)冰雹天氣中降雹落區(qū)的精細(xì)化計(jì)算方法研究”(17A170005); 河南大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)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