田益民，鮑振鑫，宋曉猛，莫昱晨，王國(guó)慶，劉翠善

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；3.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，南京 210029）

0 引 言

黃淮海平原是中國(guó)第二大平原，面積廣袤，地勢(shì)低平，是中國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、文化、交通中心，也是我國(guó)主要的糧食生產(chǎn)區(qū)。糧食作物以小麥、玉米為主，其中小麥的面積及總產(chǎn)分別占全國(guó)的45%和51%以上，麥田面積為糧食作物種植面積的45%以上；玉米的面積及總產(chǎn)占30%和50%以上，玉米播種面積為73 333 km2。然而黃淮海平原也是我國(guó)北方缺水較嚴(yán)重的地區(qū)，人均水資源量?jī)H有460 m3，低于國(guó)際公認(rèn)的極度缺水的標(biāo)準(zhǔn)（500 m3）［1］。黃淮海平原旱災(zāi)平均受災(zāi)面積占全國(guó)受災(zāi)面積的比例最高，達(dá)28%［2］。近年來(lái)的氣候變暖又加劇了水資源短缺等問(wèn)題更加制約了該地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［3］。正是因?yàn)槠滢r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的用水問(wèn)題，使得該地區(qū)的地下水開(kāi)采情況日益加重。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前黃淮海平原的地下水開(kāi)采井約為200 萬(wàn)眼，其多年平均的開(kāi)采量超過(guò)了100 億m3［4］。由于多年的地下水超采，黃淮海平原已經(jīng)成為世界上最大的“漏斗區(qū)”：包括淺層漏斗和深層漏斗在內(nèi)的復(fù)合地下水漏斗，面積約為73 288 km2［5］。所以研究該地區(qū)地下水儲(chǔ)量與地下水埋深的時(shí)空變化特征，對(duì)合理和有效管理區(qū)域水資源，以及水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

傳統(tǒng)檢測(cè)地下水的方法一般為觀測(cè)井監(jiān)測(cè)，局限性比較大，觀察井監(jiān)測(cè)方法受人為的影響比較大，并且這種方法難以充分反映陸地水儲(chǔ)量在空間上和時(shí)間上的連續(xù)性變化特征。根據(jù)陸地水儲(chǔ)量的分布情況，除去冰川水外，地下水約占陸地水儲(chǔ)量的97.5%，占據(jù)了陸地水儲(chǔ)量很大的比重，所以在平原區(qū)陸地水儲(chǔ)量的變化可以近似表征地下水儲(chǔ)量的變化。隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）重力衛(wèi)星作為一種監(jiān)測(cè)陸地水儲(chǔ)量變化的新方法，打破了傳統(tǒng)地面觀測(cè)在時(shí)間和空間上的局限性，并且在國(guó)內(nèi)外分析地下水與水儲(chǔ)量變化的應(yīng)用中得到較好的效果［6-8］。

GRACE 衛(wèi)星因?yàn)槠渚_的觀測(cè)精度以及大范圍的時(shí)空監(jiān)測(cè)被許多研究者廣泛運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域。在國(guó)外的研究中，GRACE 衛(wèi)星被運(yùn)用到美國(guó)、尼羅河流域和北冰洋地區(qū)［9-11］。不僅如此，國(guó)內(nèi)的研究者們也基于GRACE 衛(wèi)星開(kāi)展了非常廣泛的研究工作［12-17］，其中鐘敏等［16］利用2003年至2007年的GRACE月重力位資料對(duì)華北區(qū)域的水儲(chǔ)量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)存在一個(gè)陸地水的減少信號(hào)。蘇曉莉［18］利用2002-2010年的數(shù)據(jù)得到華北地區(qū)陸地水儲(chǔ)量以1.1 cm/a的速率減少。

許多國(guó)內(nèi)的研究中更側(cè)重于結(jié)合水儲(chǔ)量和地下水的關(guān)系去研究問(wèn)題［18，19］，在研究區(qū)內(nèi)很少考慮到降水與蒸發(fā)的因素。在地下水?dāng)?shù)據(jù)獲取方面，之前的研究中大都采用的是地下水位觀測(cè)井的資料，缺少大范圍、高精度的地下水位數(shù)據(jù)，導(dǎo)致一部分地下水位結(jié)果可能與實(shí)際情況耦合不準(zhǔn)確。而本文的研究中在數(shù)據(jù)獲取方面采用了水利部信息中心的黃淮海平原地下水埋深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.043°×0.043°，取得的結(jié)果可能更貼近于黃淮海平原的地下水變化的真實(shí)情況。在研究區(qū)劃分上，不僅將黃淮海平原從整體去分析它的概況，還將黃淮海平原分割成海河與淮河兩個(gè)平原去分析比較兩個(gè)區(qū)域的不同結(jié)果，同時(shí)運(yùn)用了M-K檢驗(yàn)在時(shí)間上去衡量水儲(chǔ)量和地下水埋深的顯著性。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

1.1 研究區(qū)

黃淮海平原位于我國(guó)東部，分布范圍為E113.0°～121.5°，N30.0°～40.5°。北靠燕山，西傍太行山，南抵黃河下游，東臨渤海，包括京津2市與河北省的全部平原區(qū)，河南省黃河以北的平原區(qū)和江蘇省與山東省的部分地區(qū)，面積約為31 萬(wàn)km2，總?cè)丝诩s1.33 億。黃淮海平原地勢(shì)較低，最高海拔為100 m 左右。氣候?qū)僦芯暥却箨懶约撅L(fēng)氣候，具有四季分明的特點(diǎn)。研究區(qū)位置分布如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究分析了黃淮海平原14年以來(lái)地下水儲(chǔ)量的趨勢(shì)變化，采用的是基于GRACE 衛(wèi)星2003年1月至2016年12月的月重力位資料，GRACE 衛(wèi)星是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）跟德國(guó)航空中心的合作項(xiàng)目，是觀測(cè)地球重力場(chǎng)變化的衛(wèi)星。通過(guò)其重力場(chǎng)的變化，推測(cè)出水儲(chǔ)量的變化。GRACE 衛(wèi)星于2002年3月升空后開(kāi)始將重力數(shù)據(jù)傳回地球。數(shù)據(jù)由GSOC 收集并有三家機(jī)構(gòu)共同處理、分發(fā)，分別是：JPL，UT/CSR（University of Texas/ Center for Space Research，德州大學(xué)空間研究中心）和GFZ（GeoForschungsZentrum，德國(guó)地學(xué)中心，2008年之后改名為HelmholtzCentre Potsdam—GFZ German Research Centre for Geosciences）。研究所選的資料來(lái)源（JPL：https：//grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/jpl_global_mascons/）精度為1°×1°的逐月數(shù)據(jù)，對(duì)重力衛(wèi)星中缺失的數(shù)據(jù)采用相鄰平均法進(jìn)行插值處理。

降水?dāng)?shù)據(jù)采用了中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）的地面氣候日值數(shù)據(jù)集站點(diǎn)資料，選取了黃淮海平原內(nèi)的45個(gè)氣象站點(diǎn)資料，時(shí)間范圍為2003年1月1日-2016年12月31日。

地下水埋深數(shù)據(jù)采用的是水利部信息中心根據(jù)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)插值成的空間分辨率為0.043°×0.043°的逐月網(wǎng)格資料，共計(jì)200×200個(gè)網(wǎng)格，本研究選取了研究區(qū)域內(nèi)的21 000個(gè)網(wǎng)格。地下水供水量、地下水資源量、農(nóng)業(yè)用水量與總用水量采用了中國(guó)水資源公報(bào)、淮河水資源公報(bào)與海河水資源公報(bào)數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為2003-2016年。

蒸發(fā)采用Gleam v3.3 的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)一共分為a、b兩套，該產(chǎn)品由英國(guó)布里斯托大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院水文氣象系發(fā)布，利用來(lái)自不同的遙感衛(wèi)星觀測(cè)遙感數(shù)據(jù)得到空間分辨率為0.25°的逐月蒸發(fā)數(shù)據(jù)，選取數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2003年1月-2016年12月。

1.3 方法介紹

Mann-Kendall突變分析方法［20-21］是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，常用于氣候變化影響下的降水、干旱頻次趨勢(shì)檢測(cè)。應(yīng)用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變，如果存在，可確定出突變發(fā)生的時(shí)間。原理如下：

對(duì)具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列：

秩序列Sk是第i時(shí)刻大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

式中：UF1=0，E（SK），Var（SK）是累計(jì)數(shù)SK的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)，它們可由下式算出：

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列x順序x1，x2，…，xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若|UFi|＞Uα，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。按時(shí)間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，1），UB1=0。

2 結(jié)果分析

2.1 水儲(chǔ)量與地下水埋深時(shí)間演變趨勢(shì)

研究將黃淮海平原劃分成海河平原與淮河平原兩個(gè)區(qū)域，運(yùn)用GRACE月重力位資料估計(jì)了黃淮海地區(qū)平均地下水儲(chǔ)量的按年變化趨勢(shì)，得出水儲(chǔ)量與地下水埋深在時(shí)間上分布的規(guī)律性如圖2所示。研究顯示：

（1）在海河平原和淮河平原，地下水儲(chǔ)量存在明顯的下降趨勢(shì)，地下水埋深呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)。分析得到黃淮海平原地下水儲(chǔ)量以1.2 cm/a 的速率減小，其中海河平原的下降速率為1.6 cm/a，淮河平原的下降速率為0.9 cm/a；地下水埋深平均每年增大0.09 m，其中海河平原平均每年增大0.16 m，淮河平原平均每年增大0.05 m。本研究與如下研究結(jié)果具有相似的結(jié)論：蘇曉莉［18］在華北地區(qū)得出水儲(chǔ)量以-1.1 cm/a 速率減少，鐘敏等［16］研究得到京津冀地區(qū)的陸地水儲(chǔ)量下降的速率大于1 cm/a。

（2）從時(shí)間上看地下水儲(chǔ)量的變化與地下水埋深的變化存在高度的負(fù)相關(guān)性且海河平原的地下水儲(chǔ)量下降程度明顯大于淮河平原，其地下水埋深的增大程度也明顯大于淮河平原，海河平原的地下水開(kāi)采的嚴(yán)重程度大于淮河平原。

分別對(duì)2003年至2016年整個(gè)黃淮海平原、海河平原與淮河平原的水儲(chǔ)量以及地下水埋深做M-K 檢驗(yàn)，所得結(jié)果（表1）。

表1 M-K檢驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.1 Summary of mann-Kendall test results

檢驗(yàn)結(jié)果顯示無(wú)論在淮河平原、海河平原還是在黃淮海平原，其地下水儲(chǔ)量都超過(guò)了0.01 的顯著性界限，表現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)。對(duì)于地下水埋深，在海河平原以及整個(gè)黃淮海平原，地下水埋深處于顯著增大的趨勢(shì)，而在淮河平原，地下水埋深的增大趨勢(shì)卻只超過(guò)了0.05 的顯著性界限，可以看出海河平原的地下水開(kāi)采情況較淮河平原嚴(yán)重。

對(duì)黃淮海平原、海河平原以及淮河平原在年尺度［圖3中（a）、（b）、（c）］與按月的年內(nèi)尺度［圖3中（d）、（e）、（f）］上對(duì)水儲(chǔ)量（W）和地下水埋深（D）做相關(guān)性分析如圖3所示。

分析結(jié)果表明：黃淮海平原、海河平原以及淮河平原地下水埋深和地下水儲(chǔ)量都呈現(xiàn)出強(qiáng)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，說(shuō)明了地下水儲(chǔ)量的變化與地下水埋深變化在時(shí)間尺度上具有一致性。

2.2 水儲(chǔ)量與地下水埋深空間演變趨勢(shì)

2.3 水儲(chǔ)量與地下水埋深變化成因分析

2.3.1 降水的時(shí)空變化趨勢(shì)

對(duì)黃淮海平原、海河平原以及淮河平原的降水進(jìn)行時(shí)間與空間上的分析如圖5所示，研究表明：在時(shí)間上，2003-2016年期間黃淮海平原降雨量總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且海河平原的降雨量明顯小于淮河平原的降雨量；在空間上，黃淮海平原中部和南部的降水年變化率都小于0呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。

2.3.2 降水變化的影響

對(duì)黃淮海平原、海河平原以及淮河平原在年尺度（圖6）上對(duì)降雨量（P）與地下水儲(chǔ)量（W）和地下水埋深（D）做相關(guān)性分析如圖6所示。

研究顯示：①海河平原內(nèi)，降雨量與地下水儲(chǔ)量的相關(guān)性很低甚至呈現(xiàn)出不顯著的負(fù)相關(guān)性，降水對(duì)于水儲(chǔ)量的促進(jìn)作用幾乎完全喪失。在年尺度上，淮河平原降雨量與地下水儲(chǔ)量呈現(xiàn)出較低的正相關(guān)性，降水對(duì)水儲(chǔ)量的增加有微弱促進(jìn)作用；②無(wú)論在黃淮海平原、海河平原和淮河平原，降水與地下水埋深都呈現(xiàn)出非常弱的相關(guān)性，降水對(duì)于地下水埋深的影響較弱。

降水、水儲(chǔ)量與地下水埋深的特征分析對(duì)降水（P）、地下水儲(chǔ)量（W）和地下水埋深（D）在年內(nèi)尺度上觀察三者之間的關(guān)系，如（圖7）所示。

研究結(jié)果顯示，地下水儲(chǔ)量的低谷大概集中在6月份左右，分析原因：①人為因素：在農(nóng)業(yè)需求上，因?yàn)辄S淮海平原作為九大農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)作物以冬小麥和夏玉米為主，夏玉米的主要灌溉期為5-8月［23］。所以5-6月灌溉的需求量開(kāi)始增大，水儲(chǔ)量和地下水位開(kāi)始下降；②氣候因素：處于3、4、5月份時(shí)，由降水減去蒸發(fā)的年內(nèi)分配［如圖8（b）］所示，此時(shí)降水減去蒸發(fā)為負(fù)值，水儲(chǔ)量呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)同時(shí)蒸散發(fā)能力E比較大，而降雨P(guān)不明顯，所以這段時(shí)間內(nèi)水儲(chǔ)量在6月份出現(xiàn)低谷。

地下水儲(chǔ)量的峰值要滯后降雨量的峰值大概2～3 個(gè)月左右，這是因?yàn)樵谀觌H尺度上蓄水變量可近似等于0；當(dāng)時(shí)間處于4、5、6月份時(shí)，蒸散發(fā)能力比較大，而降雨不明顯，所以這段時(shí)間，蒸發(fā)和降水都占據(jù)主要因素，水儲(chǔ)量和降雨量都呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)；當(dāng)時(shí)間處于7、8月份時(shí)，降水比較多，蒸發(fā)也較多［如圖8（a）］所示，所以水儲(chǔ)量會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，降雨量開(kāi)始逐漸下降，同時(shí)降水減去蒸發(fā)出現(xiàn)較大值［如圖8（b）］所示，所以此時(shí)水儲(chǔ)量剛好處于峰值；當(dāng)時(shí)間處于1、2、10、11、12月份時(shí)，此時(shí)蒸發(fā)開(kāi)始減小，而同樣降水也開(kāi)始減小，降水減去蒸發(fā)的變化趨于平緩［如圖8（b）］，此時(shí)水儲(chǔ)量開(kāi)始逐步趨于平緩。地下水埋深與水儲(chǔ)量的規(guī)律剛好相反呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)，與地下水埋深具有“記憶性”的結(jié)論一致［24］。

2.4 人類(lèi)活動(dòng)的影響

2.4.1 地下水超采影響

不過(guò)，前述論證并不全面。畢竟，修改后的民事訴訟法擴(kuò)展了法律監(jiān)督的范圍，也豐富了法律監(jiān)督的形式，除去啟動(dòng)再審程序之外，還有權(quán)以檢察建議形式對(duì)審判監(jiān)督程序以外的其他審判程序中審判人員的違法行為進(jìn)行監(jiān)督。再審程序之外的法律監(jiān)督會(huì)影響審判機(jī)關(guān)在民事訴訟中的獨(dú)立地位嗎？這個(gè)問(wèn)題在之前以抗訴制度存廢為焦點(diǎn)的討論中一直被忽略，現(xiàn)在已經(jīng)躍然其上，亟待思考解答。

由水資源公報(bào)2003-2016年農(nóng)業(yè)用水量、總用水量、地下水供水量與地下水資源量數(shù)據(jù)分析得到，淮河區(qū)年平均總用水量為600.4 億m3，農(nóng)業(yè)用水量為405.9 億m3占總用水量的67.6%；海河區(qū)多年平均總用水量為373.1 億m3，農(nóng)業(yè)用水量為250.6 億m3占總用水量的67.2%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量占據(jù)了很大的比重?；春訁^(qū)多年平均地下水供水量為167.6 億m3，地下水資源量為412.9 億m3，海河區(qū)多年平均地下水供水量為235 億m3大于地下水資源量的232.1 億m3，海河平原明顯出現(xiàn)地下水超采現(xiàn)象，地下水位下降更明顯。李玲［25］通過(guò)建立華北平原地下水流區(qū)域數(shù)值模型方法反演估算得出華北平原2002-2008年的地下水年平均開(kāi)采量為249.2億m3，黃淮海平原面積約為31 萬(wàn)km2，得到地下水位下降幅度約為0.08 m/a，由于本本研究的時(shí)間尺度為2003-2016年得到的結(jié)果為黃淮海平原地下水位下降幅度約為0.09 m/a，考慮到之后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增加帶來(lái)的地下水水位下降程度的增加，故本研究具有可靠性。

2.4.2 小麥月灌溉分布影響

魏童彤［26］分析了華北地區(qū)1959-2018年小麥在月尺度灌溉需水量的變化趨勢(shì)，得出小麥4月灌溉需水量多年平均值為84.73 mm，5月灌溉需水量多年平均值為144.56 mm，6月灌溉需水量多年平均值為30.83 mm，4、5、6月為需水關(guān)鍵期，灌溉需水量約占全生育期灌溉需水量的79%，所以黃淮海平原4、5、6月農(nóng)業(yè)灌溉用水量較大，地下水埋深開(kāi)始增大，地下水儲(chǔ)量開(kāi)始趨于低谷。

3 結(jié) 論

本文利用GRECE 重力衛(wèi)星資料揭示出黃淮海平原地區(qū)地下水儲(chǔ)量的時(shí)空演變規(guī)律，同時(shí)利用降水量、地下水埋深等相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)黃淮海平原進(jìn)行地下水開(kāi)采情況的成因分析，得到的結(jié)論如下。

（1）黃淮海平原的地下水埋深在2003-2016年期間呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，在淮河平原地下水埋深變化率分布不均勻，變化趨勢(shì)不明顯。

（2）在黃淮海平原中部以及西北部，即保定市、石家莊市與邢臺(tái)市地區(qū)，地下水水位和水儲(chǔ)量的下降趨勢(shì)最顯著。

（3）黃淮海平原的地下水水位和地下水儲(chǔ)量的下降程度大致從海河平原—淮河平原呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，降雨量從海河平原—淮河平原大致呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，降雨量較少的區(qū)域地下水埋深的增大程度相對(duì)較高，地下水開(kāi)采程度越顯著，水儲(chǔ)量下降的趨勢(shì)越明顯。

研究結(jié)果表明，黃淮海平原的地下水儲(chǔ)量與地下水埋深形勢(shì)不容樂(lè)觀，特別是在海河平原，地下水開(kāi)采程度日益劇烈，與其農(nóng)業(yè)灌溉用水巨大的需求量有著密切的關(guān)系。如何在保持其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)修復(fù)這個(gè)巨型“漏斗區(qū)”已成為黃淮海平原地區(qū)未來(lái)必須面對(duì)的難題?！?/p>