聶圣琨 尹文杰 鄭 偉 李克昭 吳庭濤 劉 杰

1 河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南省焦作市世紀(jì)路2001號(hào)，454000 2 中國(guó)空間技術(shù)研究院錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京市友誼路104號(hào)，100094 3 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市徐東大街340號(hào)，430077

海河流域位于我國(guó)華北地區(qū)，流域內(nèi)作物以冬小麥和夏玉米為主，約占我國(guó)糧食供應(yīng)的10%[1]。隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)的不斷發(fā)展，海河流域地下水超采嚴(yán)重，其水儲(chǔ)量長(zhǎng)期處于虧損狀態(tài)[2]，繼而引發(fā)包括水污染、海水侵蝕以及地表沉降在內(nèi)的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此，準(zhǔn)確掌握水儲(chǔ)量的時(shí)空變化對(duì)海河流域生態(tài)保護(hù)以及促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用具有重大意義。

陸地水儲(chǔ)量(terrestrial water storage，TWS)是存在于地上和地下所有形態(tài)水的總和，反映水量輸入(如降水、冰川融雪等)和輸出(如人為耗水、蒸散發(fā)等)之間的凈效應(yīng)[3]。GRACE衛(wèi)星能夠測(cè)量高精度的時(shí)變重力場(chǎng)[4]，可為監(jiān)測(cè)大尺度空間的質(zhì)量變化提供新手段，GRACE重力場(chǎng)數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于水儲(chǔ)量變化、冰川消融、干旱以及地殼形變等多領(lǐng)域研究[5]。諸多學(xué)者利用GRACE數(shù)據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)典型區(qū)域的水儲(chǔ)量變化進(jìn)行研究，如尼勝楠等[6]利用GRACE數(shù)據(jù)反演長(zhǎng)江、黃河流域水儲(chǔ)量變化發(fā)現(xiàn)，兩大流域在2002-04～2011-09期間水儲(chǔ)量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性和周期性變化；吳云龍等[7]利用GRACE RL05數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)黑河流域水儲(chǔ)量變化發(fā)現(xiàn)，基于Forward-Modeling方法得到的黑河流域陸地水儲(chǔ)量在2003～2006年、2007～2010年和2011～2013年的變化趨勢(shì)分別為-0.86 cm/a、0.07 cm/a和0.14 cm/a；馮偉等[8]基于GRACE空間約束法估算華北平原地下水儲(chǔ)量變化，與水井資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，華北平原深層地下水虧損速率為-6.2±0.9 km3/a；Wang等[9]聯(lián)合GRACE與多個(gè)水文模型對(duì)海河流域2003～2014年陸地水儲(chǔ)量變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該流域在研究時(shí)段內(nèi)陸地水儲(chǔ)量以-15.7 mm/a的速率枯竭。自南水北調(diào)中線工程貫通以來(lái)，其為我國(guó)華北地區(qū)補(bǔ)充了大量水資源。諸多學(xué)者[10-11]針對(duì)南水北調(diào)之后受水區(qū)域的水資源變化進(jìn)行大量研究，但關(guān)注更多的是地下水儲(chǔ)量變化，而缺少氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水儲(chǔ)量影響的定量分析。

本文基于GRACE及GRACE-FO重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)比分析南水北調(diào)前后海河流域陸地水儲(chǔ)量的時(shí)空變化特征，并結(jié)合海河流域水資源公報(bào)和氣象數(shù)據(jù)，量化人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)海河流域陸地水儲(chǔ)量變化的影響，進(jìn)一步討論南水北調(diào)工程在改善海河流域陸地水儲(chǔ)量變化方面的貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)域

海河流域位于112°～120°E、35°～43°N之間，總面積約32萬(wàn)km2，地跨京、津、冀、晉、魯、豫、遼、內(nèi)蒙古8個(gè)省(市)區(qū)。全流域總地勢(shì)為西北高東南低，西部為黃土高原和太行山區(qū)，北部為蒙古高原和燕山山區(qū)。海河流域降水多發(fā)生在夏季，而作物需水高峰3～5月降水較少，流域多年平均降水量?jī)H535 mm，蒸散發(fā)量大，加上人為超采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，已成為我國(guó)嚴(yán)重缺水地區(qū)之一(https:∥hhbhjg.mee.gov.cn)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

2.1.1 GRACE與GRACE-FO數(shù)據(jù)

本文采用由CSR和JPL發(fā)布的CSR RL06 Mascon與JPL RL06 Mascon產(chǎn)品，時(shí)間跨度為2004-01～2017-06及2018-06～2020-10。GRACE Mascon系列產(chǎn)品在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)經(jīng)過(guò)多項(xiàng)誤差校正，相對(duì)于球諧系數(shù)產(chǎn)品具有多種優(yōu)勢(shì)[12]。通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行插值、重采樣、均值處理，獲得較準(zhǔn)確的陸地水儲(chǔ)量變化信息。本文使用的GRACE數(shù)據(jù)是相對(duì)于2004～2009年平均基線的陸地水儲(chǔ)量異常(terrestrial water storage anomaly，TWSA)，通常以等效水高的形式表現(xiàn)。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù)

本文采用的降水?dāng)?shù)據(jù)包括兩種：一是來(lái)自中國(guó)氣象局(China meteorological administration，CMA)的中國(guó)地面降水月值0.5°×0.5°格網(wǎng)數(shù)據(jù)集，二是來(lái)自全球降雨觀測(cè)(global precipitation measurement，GPM)計(jì)劃中多衛(wèi)星綜合產(chǎn)品(integrated multi-satellitE retrievals for GPM，IMERG)的降水月值0.1°×0.1°格網(wǎng)數(shù)據(jù)集。為降低數(shù)據(jù)間的不確定性，將二者進(jìn)行重采樣、均值處理作為最終的降水?dāng)?shù)據(jù)。

2.1.3 水資源公報(bào)數(shù)據(jù)

耗水量包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境耗水量。2015年之前，海河流域是引黃河水補(bǔ)充水資源；2015年起，又增加南水北調(diào)工程調(diào)水。本文選取海河流域水資源公報(bào)(http:∥www.hwcc.gov.cn)中調(diào)水量數(shù)據(jù)以及去除生態(tài)環(huán)境耗水的總耗水量作為人為耗水量數(shù)據(jù)。由于海河流域調(diào)水量相對(duì)于人為耗水量較小，因此假定調(diào)水量被全部用在供水上，即100%投入使用。

2.2 研究方法

2.2.1 滑動(dòng)T檢驗(yàn)

滑動(dòng)T檢驗(yàn)(moving T-test，MTT)是將一個(gè)氣候序列中兩段子序列看作來(lái)自兩個(gè)總體的序列進(jìn)行檢驗(yàn)，如果兩段子序列的均值差異超出一定的顯著性水平，則認(rèn)為均值發(fā)生突變。該方法原理簡(jiǎn)單，并且能夠根據(jù)診斷出的突變點(diǎn)分析突變前后序列的變化趨勢(shì)，其具體原理參考文獻(xiàn)[13]。本文選擇子序列步長(zhǎng)均為6，置信區(qū)間為95%，對(duì)應(yīng)的臨界值為2.23。由于滑動(dòng)T檢驗(yàn)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)滑動(dòng)計(jì)算，而GRACE與GRACE-FO之間缺失近1 a的數(shù)據(jù)，又考慮到南水北調(diào)中線工程調(diào)水于2014-12-27已到達(dá)京津地區(qū)，因此選擇海河流域2004-01～2017-06期間TWSA時(shí)間序列接受檢驗(yàn)。

2.2.2 貢獻(xiàn)率量化法

第一，進(jìn)一步深化其思想資源的研究。關(guān)于人類命運(yùn)共同體的思想淵源，就馬克思主義來(lái)說(shuō)，涵蓋馬克思主義世界歷史理論、馬克思主義人的本質(zhì)理論、馬克思主義“真正共同體”理論、馬克思主義交往實(shí)踐理論、馬克思主義世界市場(chǎng)理論，等等。就中華優(yōu)秀文化而言，涵蓋天下一家、以民為本、王者無(wú)外、協(xié)和萬(wàn)邦、義利統(tǒng)一、大同社會(huì)，等等。就人類優(yōu)秀文明來(lái)講，涵蓋城邦共同體、倫理共同體、精神共同體、政治共同體，等等。由于學(xué)界對(duì)于人類命運(yùn)共同體內(nèi)涵進(jìn)行多角度的探討，其思想資源也就各不相同，應(yīng)當(dāng)把思想資源與具體內(nèi)涵對(duì)應(yīng)起來(lái)進(jìn)行整體研究[74]。

陸地水儲(chǔ)量變化(terrestrial water storage change，TWSC)是人類活動(dòng)與氣候變化綜合影響的結(jié)果，其月估計(jì)值可由每月TWSA通過(guò)差分得到[14]。作為人口密集區(qū)和重要產(chǎn)糧區(qū)，海河流域TWSC受人類活動(dòng)的影響可能更加顯著，通過(guò)式(1)～(5)可以計(jì)算流域內(nèi)耗水、調(diào)水以及氣候變化對(duì)TWSC的貢獻(xiàn)率。

(1)

TWSCclimate=TWSCGRACE-TWSChum=

TWSCGRACE-(TWSCtran+TWSCcon)

(2)

αtran=

(3)

αcon=

(4)

αclimate=

(5)

式中，TWSCclimate代表氣候變化驅(qū)動(dòng)的陸地水儲(chǔ)量變化；TWSChum表示由人類活動(dòng)所引起的陸地水儲(chǔ)量變化，包括調(diào)水TWSCtran和人為耗水TWSCcon；αtran、αcon、αclimate分別表示調(diào)水、人為耗水以及氣候變化對(duì)海河流域TWSC的貢獻(xiàn)率，當(dāng)α為正值時(shí)，表示對(duì)流域TWSC具有積極影響，如調(diào)水的貢獻(xiàn)率為正[3]。需要說(shuō)明的是，海河流域水資源公報(bào)為年度報(bào)告且只更新到2019年(截至2021-08-18)，因此該方法是在2004～2019年尺度下進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 特征時(shí)間點(diǎn)分析

根據(jù)海河流域水資源公報(bào)可知，2005年、2006年、2009年海河流域發(fā)生旱情，流域TWSA在這3 a消耗明顯；2010年海河流域TWSA受多方調(diào)水補(bǔ)充，加上2012年為豐水年，因此流域TWSA虧損狀態(tài)得到緩解；2014～2016年初，流域降水量較前幾年明顯減少且年溫度異常偏高[15]，理論上流域TWSA在2014～2016年初消耗應(yīng)較為顯著，但由圖1可知，海河流域TWSA僅2014～2015年初消耗比較明顯(超上臨界線)，而后并未出現(xiàn)顯著的虧損狀態(tài)(臨界值線內(nèi))。結(jié)合表1可知，2014年滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果均大于2.23，而2015年結(jié)果都處于±2.23之間，說(shuō)明從2015-01起，流域TWSA的衰減態(tài)勢(shì)開(kāi)始由顯著狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著狀態(tài)，因此選擇2015-01作為南水北調(diào)前后的特征時(shí)間點(diǎn)，并基于該時(shí)間點(diǎn)對(duì)海河流域TWSA進(jìn)行時(shí)空分析。

表1 2014-01～2015-12滑動(dòng)T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值

圖1 滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果Fig.1 The result of moving T-test

3.2 TWSA時(shí)空分析

為反映海河流域TWSA在南水北調(diào)之后具體的變化趨勢(shì)，以缺失的GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)為間隔，分別對(duì)2004-01～2015-01、2015-01～2017-06、2018-06～2020-10海河流域TWSA進(jìn)行線性擬合，對(duì)2015-01～2020-10整體進(jìn)行線性擬合，并與2004-01～2015-01的擬合趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，分析南水北調(diào)前后海河流域TWSA的趨勢(shì)變化。同樣地，將以上時(shí)間劃分作為海河流域TWSA空間分析的依據(jù)。

3.2.1 時(shí)序趨勢(shì)分析

如圖2(a)所示，2004-01～2015-01、2015-01～2017-06以及2018-06～2020-10期間，海河流域TWSA的變化趨勢(shì)分別為-17.19 mm/a、6.84 mm/a和-21.95mm/a，表明從2015-01起，流域TWSA長(zhǎng)期下降趨勢(shì)開(kāi)始得到緩解，2018-06～2020-10又轉(zhuǎn)為持續(xù)消耗，其原因可能為南水北調(diào)工程在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)大規(guī)模的地下水枯竭[16]，只能緩解局部區(qū)域的TWSA虧損。由于GRACE與GRACE-FO衛(wèi)星之間缺失近1 a的數(shù)據(jù)，短時(shí)間序列擬合不確定性較大，因此將2015-01～2020-10作為南水北調(diào)之后的時(shí)間序列進(jìn)行線性擬合。如圖2(b)所示，海河流域TWSA在南水北調(diào)前后的衰減速率分別為-17.19 mm/a和-13.49 mm/a，表明海河流域TWSA在南水北調(diào)之后的下降趨勢(shì)在整體上緩解約24%。

圖2 海河流域TWSA趨勢(shì)擬合Fig.2 Trends fitting of TWSA in the Haihe river basin

3.2.2 空間特征分析

由圖3(a)、3(b)可見(jiàn)，2004-01海河流域TWSA較為充沛，而2015-01幾乎全部變?yōu)樨?fù)值。由圖3(e)可知，2004-01～2015-01海河流域TWSA處于持續(xù)虧損狀態(tài)，并且流域內(nèi)晉、冀、豫3省交界地區(qū)TWSA消耗速率明顯大于其他地區(qū)，其原因主要為山前平原大規(guī)模開(kāi)采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉[11]。從2015-01開(kāi)始，南水北調(diào)工程為海河流域輸送大量水資源。由圖3(b)、3(c)可知，2017-06海河流域TWSA比2015-01更少，但由圖3(f)可知，2015-01～2017-06期間，流域內(nèi)近80%地區(qū)的TWSA處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中北部地區(qū)以及華北平原的增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著高于其他地區(qū)，這可能與空間地質(zhì)差異存在很大關(guān)系[10]。由圖3(g)可知，2018-06～2020-10期間海河流域TWSA又轉(zhuǎn)為虧損狀態(tài)，同樣是流域內(nèi)晉、冀、豫3省交界地區(qū)TWSA衰減趨勢(shì)明顯大于其他區(qū)域，整個(gè)流域僅東北部出現(xiàn)較小增長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)比圖3(e)、3(h)可知，南水北調(diào)之后，海河流域TWSA虧損趨勢(shì)相比之前得到較大緩解，緩解趨勢(shì)由南到北逐漸增大。值得注意的是，海河流域內(nèi)晉、冀、豫3省交界地區(qū)TWSA衰減狀況尤為嚴(yán)重，而南水北調(diào)之后，優(yōu)先得到補(bǔ)充的卻是流域北部以及東部平原地區(qū)，這是海河流域TWSA呈現(xiàn)空間異質(zhì)的主要原因之一。

圖3 海河流域TWSA時(shí)間點(diǎn)及趨勢(shì)空間分布Fig.3 Spatial distribution of trends and time points of TWSA in the Haihe river basin

4 討 論

降水和蒸散發(fā)是影響流域TWSC的重要因素。本文通過(guò)計(jì)算人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)海河流域TWSC的貢獻(xiàn)率，引入降水、蒸散發(fā)、人為耗水和調(diào)水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，討論南水北調(diào)工程對(duì)海河流域TWSC的影響。

4.1 人類活動(dòng)與氣候變化貢獻(xiàn)率

如圖4所示，相比于氣候變化，人類活動(dòng)(包括調(diào)水和人為耗水)對(duì)海河流域TWSC的影響較大。結(jié)合表2可知，人為耗水對(duì)海河流域TWSC的影響最大，氣候變化次之，調(diào)水最小，多年平均貢獻(xiàn)率分別為-57.38%、29.90%、12.72%，表明人為耗水是海河流域TWSA長(zhǎng)期處于衰減態(tài)勢(shì)的主要原因，人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)海河流域TWSC的影響比例為7∶3。值得注意的是，2015年之前，調(diào)水的貢獻(xiàn)率并未出現(xiàn)明顯的趨勢(shì)變化，而在2015年之后，調(diào)水的貢獻(xiàn)率明顯增大，在2017年和2019年其貢獻(xiàn)率甚至超過(guò)氣候變化。由此可見(jiàn)，在南水北調(diào)工程的作用下，隨著調(diào)水量的不斷增大，其對(duì)海河流域TWSC的貢獻(xiàn)率也隨之增大。

4.2 多變量趨勢(shì)分析

如圖5(a)、5(b)所示，降雨和蒸散發(fā)曲線的斜率分別為2.05 mm/a和1.55 mm/a，降水量在年均值與趨勢(shì)上均大于蒸散發(fā)，這也是圖4中氣候變化對(duì)海河流域TWSC的貢獻(xiàn)率大多為正值的主要原因。如圖5(c)、5(d)所示，調(diào)水量與人為耗水量的年際趨勢(shì)分別為0.12 mm/a和-0.11 mm/a，說(shuō)明人為引起的水量輸入增加以及消耗減少均有利于海河流域TWSA變化。然而，由于人為耗水量較大，海河流域TWSA仍處于持續(xù)虧損狀態(tài)。

由圖5(a)、5(b)可知，降雨和蒸散發(fā)相關(guān)系數(shù)均小于0.3且年際間變化較大，表明這兩個(gè)自然變量發(fā)生的時(shí)間和作用水量存在很大的不確定性和不可控性。另外，蒸散發(fā)不僅受氣候因素影響(如全球變暖等)，人類活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致蒸散發(fā)量大幅度增加[17]。從人類活動(dòng)角度而言，圖5(c)中2015年之后調(diào)水量的趨勢(shì)升高完全受益于南水北調(diào)工程，假設(shè)2015年之后的調(diào)水量保持在之前水平，海河流域TWSA將持續(xù)消耗，難以出現(xiàn)圖2(a)中的上升趨勢(shì)。此外，圖5(d)中人為耗水量以-0.11 mm/a的速率穩(wěn)步遞減，但這種減少會(huì)存在一個(gè)最低閾值，當(dāng)耗水量因生產(chǎn)生活等一些必要因素向最低閾值接近，隨著調(diào)水量的不斷增加，南水北調(diào)對(duì)海河流域TWSA的緩解作用將更加凸顯。

圖4 貢獻(xiàn)率直方圖Fig.4 The histogram of contribution rates

綜合而言，相對(duì)于降水、蒸散發(fā)，可控的工程調(diào)水和人為耗水對(duì)海河流域TWSA的緩解具有更為重要的作用。特別是南水北調(diào)工程，其逐年增大的調(diào)水量使調(diào)水總量呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，這一高增長(zhǎng)趨勢(shì)和人為耗水的最低閾值共同預(yù)示，南水北調(diào)工程在緩解和恢復(fù)海河流域TWSA中潛力巨大。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于GRACE及GRACE-FO重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)、多變量趨勢(shì)分析以及貢獻(xiàn)率量化法對(duì)南水北調(diào)前后海河流域TWSA變化進(jìn)行綜合分析，結(jié)論如下：

表2 貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)

圖中折線表示年際變化圖5 多變量年際變化及趨勢(shì)Fig.5 Interannual variation and trend of multiple variables

1)在95%置信區(qū)間下，通過(guò)滑動(dòng)T檢驗(yàn)確定南水北調(diào)前后海河流域TWSA突變的特征時(shí)間點(diǎn)為2015-01。海河流域TWSA在南水北調(diào)之后下降趨勢(shì)緩解約24%，緩解趨勢(shì)由南到北逐漸增大。流域內(nèi)TWSA緩解區(qū)與衰減區(qū)在空間上不一致，空間異質(zhì)性更加明顯。

2)人為耗水、氣候變化及調(diào)水對(duì)海河流域TWSC的貢獻(xiàn)率分別為-57.38%、29.90%和12.72%，人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)流域TWSC的影響比達(dá)7:3，人為耗水是海河流域TWSA常年處于虧損狀態(tài)的主要原因。

3)調(diào)水量在南水北調(diào)之后顯著增加，有效緩解了海河流域TWSA的虧損狀況。南水北調(diào)之后調(diào)水量的高增長(zhǎng)趨勢(shì)與人為耗水量的最低閾值共同預(yù)示，南水北調(diào)工程在改善和恢復(fù)區(qū)域陸地水儲(chǔ)量方面具有巨大潛力。