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水 利 学 报

２０２３年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０３ － ０２５５ － １３

海河平原地下水储量变化的重力卫星反演和流域水量平衡

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龙 笛 ，杨文婷 ，孙章丽 ，崔英杰 ，张才金 ，崔艳红 １
（１．清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 １０００８４；
２．成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 ６１００５９）
摘要：南水北调工程向华北输水与地下水压采的实施，一定程度改变了海河平原供用水格局，影响了海河平原的
地下水储量。准确监测地下水储量变化是水安全保障和地下水战略储备的基础。本研究以水资源公报数据为基
准，比较了重力卫星（ ＧＲＡＣＥ）不同的信号处理方法和相关产品，反演了 ２００３—２０２０年海河流域总水储量及其平
原区地下水储量变化，分析了海河流域 ２０００—２０１９年供用水结构变化和水量平衡关系，量化了总水储量变化对
流域蒸散发估算的影响。结果表明：ＧＲＡＣＥＪＰＬＭａｓｃｏｎｓ数据反演的海河平原地下水储量变化与水资源公报数据
的决定系数最高；２００３—２０２０年海河平原地下水储量总体分 ３阶段呈下降趋势，２００３—２０１１年、２０１２—２０１５年
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和 ２０１６—２０２０年的下降速率分别约为－ ２３．９±１．３ 亿ｍ ?ａ、－ ７５．５±５．３ 亿ｍ ?ａ、－ ３７．３±２．６ 亿ｍ ?ａ；在不考虑海河流
域年总水储量变化条件下估算的 ２００３—２０１９年多年平均蒸散量（５２１ｍｍ?ａ），与考虑年总水储量变化的多年平均
蒸散量（５３０ｍｍ?ａ）相差约 １０ｍｍ?ａ，但年蒸散量差异最高可达约 ８０ｍｍ?ａ（２０１４年）。研究结果为认识近二十年海
河平原地下水储量的变化提供了最新参考。
关键词：ＧＲＡＣＥ重力卫星；尺度因子；球谐函数系数；质量块数据；地下水储量；水量平衡；海河平原
中图分类号：Ｐ２２３；Ｐ３３３．１
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０７４３

１ 研究背景

为满足经济社会发展对水资源的需求，全球许多地区尤其是非湿润区地下水超采现象普遍，例如
美国加利福尼亚中央山谷、美国高平原、印度西北部平原、我国海河平原等。海河平原是我国的粮食
主产区之一，约 ７０％的水资源被用于农业灌溉以保障粮食安全。气候变化和波动会直接影响地下水补
给，并通过影响地下水开采量间接影响地下水储量。在农业灌溉、南水北调、气候变化等因素共同影
响下，海河平原地下水储量变化机制复杂，亟待充分挖掘各种观测手段的潜力，获得该区域地下水储
量变化真实可靠的信息。传统上采用地下水水位、给水度等水文地质参数估算地下水储量的变化、评
价其开发利用现状及未来可恢复目标 ［１ － ２］ ，需开展大量的地质钻孔工作，且水文地质参数存在较大的
空间非均匀性，对推求区域地下水储量的变化带来一定困难。过去 ２０年，重力卫星（ＧＲＡＣＥ及其后
续卫星 ＧＲＡＣＥＦｏｌｌｏｗ － Ｏｎ）的观测，为区域地下水储量变化的反演提供了新的技术途径。
ＧＲＡＣＥ通过双星测距提供全球时变重力场信息，被广泛应用于农业灌溉导致的地下水储量亏损
评估 ［３ － ５］ 、水库水位变化监测 ［６ － ７］ 、陆地水储量变化评估 ［８ － １１］ 等。国内外开展了众多针对海河平原地
下水储量变化的重力卫星反演和评估工作 ［１２ － １４］ ，但因 ＧＲＡＣＥ信号处理的专业性较强、数据选择和处
理策略及方法各异，已发表的结果存在较大差异，对海河平原地下水累计亏损量、年际和年内（季节）
变化规律的认识仍有待深化。

收稿日期：２０２２ － ０９ － １６；网络首发日期：２０２３ － ０２ － ２０
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２１７．１５５３．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目（２０２１ＹＦＢ３９００６０４）；国家自然科学基金项目（５２０７９０６５）
作者简介：龙笛（１９８２ － ），博士，教授，主要从事遥感水文水资源研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｄｌｏｎｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
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