陈丹红，曾献奎*，吴吉春，桂东伟，孙媛媛

1. 南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023；2. 中国科学院 新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011

1 引言

塔里木河流域地处中国西北内陆干旱地区，远离海洋，降水量少，水资源匮乏，水资源的分布和开发利用方式是影响当地的社会经济可持续发展的重要因素。研究区包含典型的绿洲农业生产区，农业灌溉用水占流域内总用水量的96%左右（邓铭江等，2017），其中地下水资源是当地水资源开发利用的重要组成部分（胡汝骥等，2002）。近年来，随着“一带一路”等国家政策实施，塔里木河流域经济迅速发展，绿洲规模呈不断扩张态势，耕地面积不断增加（贺可等，2018；赵少军等，2018），对地下水的需求愈发强烈，开采强度和规模不断增加。作为典型的干旱区，研究区生态系统十分脆弱，地下水是维系当地生态环境的关键因素，长期无序的地下水开发利用将威胁当地社会经济及生态环境的可持续发展。

掌握地下水动态变化是进行地下水资源科学管理和保护的依据。常规地下水监测是通过地面监测井进行的，但需要一定数量的监测井才能反映区域地下水的变化情况，对于大尺度范围内的地下水监测成本较高。此外，研究区位于西北偏远地区，人类活动主要集中于零星分布的绿洲，区域内地下水监测井分布不均匀，监测井数量十分有限，未形成有效的地下水监测网络。GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）重力卫星任务的发布，为监测大尺度范围内陆地水储量的变化提供了新的有效研究途径。GRACE重力卫星通过监测地球重力场来反演地球表面质量分布的变化，进而得到陆地水储量的变化。结合水量平衡方程和水文模型（Rodell，2009），可由陆地水储量变化分离得到地下水储量变化信息。

GRACE卫星数据已广泛应用于国内外陆地水储量变化和地下水储量变化研究中。Yeh等（2006）利用GRACE数据在伊利诺斯州地区开展了地下水储量变化研究，并通过实测数据对GRACE反演结果进行了验证，两者呈现了较好的一致性。Voss等（2013）基于GRACE反演结果揭示了中东地区水资源呈大幅下降趋势，并指出其亏损主要是由于地下水消耗引起的。Chen等（2016）利用GRACE数据和陆面模型对澳大利亚维多利亚州的地下水变化进行了反演，表明当地出现了明显的地下水枯竭，且地下水变化量与降雨量异常有很强的相关性。Yang等（2017）、魏光辉等（2020）研究表明塔里木河流域2002~2015年间陆地水储量呈-1.6 ±1.1 mm/a变化趋势。此外，曹艳萍等（2012）、Feng等（2013）、Pan等（2017）、Xie等（2018）通过GRACE数据分别在黑河流域、华北地区、海河流域、黄河流域等地区开展了陆地水和地下水储量变化的相关研究。

当前已有一些基于GRACE数据的塔里木河流域水储量变化的研究，但针对地下水储量变化的相关研究较少，且缺少对近几年卫星监测数据的分析。本文利用GRACE数据，结合GLDAS（Global Land Data Assimilation System, GLDAS） 的雪水当量和土壤含水量数据，反演了塔里木河流域2003~2019年间的地下水储量变化，并对其时空变化规律进行了分析，研究成果可为缺少地下水监测资料的塔里木河流域水资源管理及开发利用提供科学依据。

2 研究区概况

塔里木河流域位于新疆南部，地处天山山脉、帕米尔高原及昆仑山山脉之间，由环塔里木盆地的九大水系及众多小河流构成，分布范围为E73°10′~94°05′，N34°55′~43°08′， 流 域 总 面 积 为1.02×106 km2。该地区属于温带大陆性气候，降水量少，降水呈北多南少，西多东少分布趋势。降水主要集中在夏季，多年平均年降水量约为120 mm，蒸发强烈，山区年蒸发量为800~1200 mm，平原盆地年蒸发量为1600~2200 mm。塔里木河流域源流水资源形成于山区，在平原区耗散，流域内水资源主要由冰川融水和降水进行补给。研究区地理位置如图1所示。

图1 研究区地理位置示意图Fig.1 Geographic location map of the study area

3 方法及数据

3.1 研究方法

GRACE反演的陆地水储量变化（terrestrial water storage, TWS）包括地表水变化、地下水变化、土壤水含量变化、积雪当量变化等（Strassberg et al.，2009）。在塔里木河流域，土壤水含量变化和积雪当量变化是引起陆地水储量变化的主要部分，地表水变化量可忽略不计（孙倩，2015），因此根据水量平衡原理，从GRACE反演的陆地水储量变化量中扣除土壤水含量变化和雪水当量变化两部分即可得到地下水储量变化量，即

式中：ΔGWS：地下水储量变化量，量纲为[L]；ΔTWS：GRACE反演的陆地水储量变化量，量纲为[L]；ΔSMS：土壤水含量变化，量纲为[L]；ΔSWE：雪水当量变化，量纲为[L]。

3.2 数据来源

3.2.1 GRACE重力卫星数据

本文采用的是美国德克萨斯大学空间研究中心（Center for Space Research, CSR）发布的从2003年1月到2019年12月共173个月份的RL06 Mascon三级产品数据，空间分辨率为0.25°×0.25°，缺失月份的数据使用三次样条插值填充。GRACE与GRACE-FO数据集中有一年左右的数据间断期，本文选取了钟玉龙等(2019)重构的中国区域陆地水储量变化数据集（钟玉龙等，2020）的第164~174个月的数据作为间断期的数据补充，该数据集与CSR RL06 Mascon产品一样扣除了2004年1月至2009年12月间陆地水储量的平均值。相关数据信息参见网址：http://www2.csr.utexas.edu/grace/RL06_mascons.html。

3.2.2 土壤含水量数据和雪水当量数据

全球陆面同化系统（Global Land Data Assimilation System, GLDAS）是一个全球陆面水文模拟系统，通过同化地面和卫星的观测数据，提供高分辨率的地表状态近实时信息（Rodell et al., 2004）。GLDAS有四种陆面模式：Noah，VIC（Variable Infiltration Capacity），CLM（Community Land Model）和Mosaic，提供从1979年至今的温度、土壤含水量、雪水当量等数据，空间分辨率有0.25°和1°两种，时间分辨率有3 h、日尺度和月尺度三种。本文采用的是GLDAS的Noah模式提供的2003年1月到2019年12月共204个月的土壤水含量（soil moisture storage, SMS）和雪水当量数据（snow water equivalent, SWE），空间分辨率为0.25°×0.25°。对 GLDAS 数据进行和 GRACE 卫星数据同时间段的距平（数列中某一数值与数列平均值的差值）处理，将土壤含水量和雪水当量数据减去各自在2004年1月至2009年12月间的平均值。相关数据信息参见网址：https://daac.gsfc.nasa.gov/datasets?keywords=GLDAS。

3.2.3 TRMM降水数据

为分析研究区地下水储量年际变化与降水量之间的关系，选用热带降雨测量任务（Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM）提供的降水数据集。TRMM卫星用于监测纬度50°S-50°N范围内的降水情况，提供多个时间尺度和空间尺度的降水数据。已有研究表明TRMM月降水数据在西北干旱半干旱区具有较好的适用性（蔡晓慧等，2013）。本文采用的降水数据是TRMM月数据产品3B43，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间尺度与GRACE数据保持一致。该产品单位为mm/hr，需要将其换算为月总降水量。相关数据信息参见网址：https://daac.gsfc.nasa.gov/datasets?keywords=TRMM。

4 地下水储量变化分析

4.1 地下水储量的时间序列变化

根据水量平衡方程（1），结合GRACE和GLDAS数据得到了塔里木河流域地下水储量变化。图2显示了塔里木河流域陆地水储量变化、地下水储量变化，以及土壤水含量距平值和雪水当量距平值变化曲线图。从图中可以看出，陆地水储量变化和地下水储量变化趋势相一致。对两者进行相关性分析，相关系数达到0.98，由此推断2003~2019年间塔里木河流域陆地水储量变化主要由地下水储量变化引起的，土壤水含量变化和雪水当量变化对陆地水储量的变化影响均较小。

图2 2003~2019年塔里木河流域地下水储量（GWS）变化时间序列Fig. 2 GWS variations in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

图3表示2003~2019年17年间研究区地下水储量变化分段趋势。从图3可以看出，塔里木河流域的地下水储量年际变化较大，在不同时期呈现不同的变化趋势，17年间呈先增加后减少再增加后减少的趋势。在2003年1月至2005年6月地下水储量呈缓慢增加趋势，增加速率为0.01 mm/month；2005年6月至2015年2月塔里木河流域地下水储量处于持续亏损状态，亏损速率为-0.01 mm/month；2015年2月至2017年9月地下水储量快速回升，增加速率为0.03 mm/month；2017年9月至2019年12 月，塔里木河流域地下水储量呈快速减少趋势，减少速率为-0.05 mm/month。

图3 2003~2019年塔里木河流域地下水储量（GWS）变化分段趋势Fig. 3 Segmental trend of GWS variations in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

2003~2019年塔里木河流域地下水储量变化波动较大，由图4可知，波动范围在-31~18 mm之间，整体呈减少趋势，长期处于亏损状态，减少速率为-2.13 mm/a。自2007年起，塔里木河流域地下水储量变化量为负值，表示研究区地下水储量呈亏损状态。

图4 2003~2019年塔里木河流域地下水储量（GWS）变化趋势Fig. 4 Trend of GWS variations in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

4.2 地下水储量空间分布特征分析

图5为塔里木河流域2003~2019年地下水储量多年平均变化率空间分布图。由图5可知，研究区北部地下水储量变化率为负值，地下水储量整体呈下降状态；中部、东部和南部地区，地下水储量变化率为正值，17年间地下水储量整体上呈逐渐增加趋势。地下水储量变化表现出显著的空间差异性，这与塔里木河流域绿洲分布格局相一致（庄庆威等，2020）。区域内地下水储量表现出不同的波动情况，变化范围在-43.25~20.68 mm/a，除塔里木河流域东南部地区地下水储量显著增加，其他区域均出现不同程度的亏损，在天山南坡中段地区亏损最大，为-16.15 mm/a。塔里木盆地北部地下水储量也呈下降趋势，为-7.7 mm/a，塔里木盆地南部地区和帕米尔、昆仑山地区地下水略有减少。

图5 2003~2019年塔里木河流域地下水储量（GWS）变化速率图Fig. 5 Trend map of GWS variations in the Tarim River Basin from2003 to 2019

图6展示的是基于GRACE得到的塔里木河流域2003~2019年逐年地下水储量变化的空间分布。由图6可知，天山南坡中段地区2003~2006年地下水储量呈增加趋势，自2007年后，呈持续减少趋势，降幅为16.15 mm/a，减幅最大区域位于渭干-库车河流域和开都河流域。1990~2014年25年间，渭干—库车河流域新增耕地1755.85 km² （侯一峰等，2020），农业灌溉强度加大，对地下水的开采强度也随之增加，引起地下水储量大幅下降。流域东北部地区包括哈密、吐鲁番等地，在2003~2006年地下水储量大幅下降，2007年后降幅得到缓解。

根据TRMM降雨数据统计，近年来流域东北部降雨量呈微弱增长，这缓解了地下水的大幅亏损。塔里木盆地北部地区地下水储量在2003~2006年呈下降趋势，2007~2009年缓慢回升，在2010~2019年再度呈下降趋势。而塔里木盆地南部自2009年后地下水波动趋于平稳。流域南部接受来自昆仑山的冰川融水补给，水源较为丰富，且降水呈增加趋势，流域内和田、于田、民丰等地区地下水储量整体呈稳步增加趋势。2000年起，塔里木河下游先后接受了19次生态的输水，自大西海子水库累计下泄生态水77亿立方米。从图6可以看出，自2007年起，塔里木河流域下游地区地下水储量出现回升，此后稳步增加，生态输水效果显著。

图6 塔里木河流域2003~2019年间的地下水空间变化分布Fig. 6 Spatial variations of groundwater in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

4.3 地下水储量变化与降水量关系分析

塔里木河流域水资源主要通过降水和冰川融水补给，地下水储量变化受降水和温度的影响。图7 （a）为2003~2019年地下水储量变化与每月降水量。塔里木河流域降水主要集中在夏季，且夏季温度较高，冰川消融，地下水得到降雨和冰川融雪的补给，地下水资源量增加。秋冬季节，降水较少，地下水消耗量大于补给量，地下水储量下降。塔里木河流域的地下水储量变化表现出显著的季节性特征。

图7 (a) 2003~2019年塔里木河流域地下水储量（GWS）变化与每月降水量对比；(b) 2003~2019年塔里木河流域年降水异常统计Fig. 7 (a) Comparison of GWS variations and monthly precipitation in Tarim River Basin from 2003 to 2019; (b) Annual precipitation anomalies in the Tarim River Basin from 2003 to 2019

图7（b）为塔里木河流域2003~2019年降水异常值。通过对比研究区地下水储量变化量和降水量异常值，地下水储量的年变化规律与降水的年变化特征较为一致。2004年、2006~2009年，塔里木河流域降水量较多年平均低10~25 mm，地下水储量大幅下降；2010~2015年，降水量有增有减，在2010年，降水量高出多年平均23 mm，地下水储量出现回升；2015~2017年，研究区地下水呈快速回升，这与同期降水增多现象相吻合；2017~2019年，降水偏少，地下水储量呈下降趋势。降水多的年份，农田作物从降水中得到较多的供给，灌溉的需求减少，地下水开采量也随之降低，同时增加的降水量补给了地下水，缓减了开采造成的地下水储量下降；降水少的年份，地下水补给来源减少的同时，农田灌溉对开采地下水的需求也在加大，这加剧了塔里木河流域的地下水亏损。

5 结论

本文基于GRACE和GLDAS反演得到了塔里木河流域地下水储量变化，并对其时空分布特征进行分析，研究结论如下：

（1）2003~2019年间塔里木河流域地下水储量呈先增加后减少再增加最后减少四个阶段，整体上17年间地下水储量处于减少状态，减少速率为-2.13 mm/a。

（2）在空间分布上，地下水亏损最大的区域主要在天山南坡中段地区，由北向南方向，地下水储量降幅逐渐减少，其中塔里木河下游地下水储量稳步回升，地下水储量变化分布规律与绿洲分布格局密切相关。

（3）塔里木河流域地下水变化年际变化特征与研究区的降水异常密切相关。在降水呈正距平的年份，地下水储量相应增加；在降水呈负距平的年份，地下水储量亏损较大。

致谢：本次研究所用的中国区域基于降水重构陆地水储量变化数据集（2002~2019）来自“国家青藏高原科学数据中心”（http://data.tpdc.ac.cn）。