“重力卫星揭露华北地下水超采：年均亏损60”

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用grace卫星测量的华北地区地下水储量变化模式。

图/中国科学院测量与地球物理研究所

grace和grace-fo都使用两个卫星组合运行的方法，利用卫星距离的一些变化反演地球重力场的一些变化。 图/美国航天局网站

北京时间5月23日，两颗美国“重力恢复与气候实验后续”卫星( Gravityrecoveryandclimateexperimentfollow-on，以下简称grace-fo )在范登堡空军基地 他们将接替去年10月退役的两颗grace卫星，继续探测地球重力场的变化。

地球重力场及其变化反映了地球内部密度结构和质量的变化。 根据grace提供的数据，科学家观测到了北极冰盖融化、喜马拉雅地区冰雪融化、海平面上升和全球地下水储量的变化。

根据美国航空航天局( NASA空航天局)引用的国外研究结果，世界大规模地下水储存区域的三分之一被超采。 这些地区还剩下多少地下水，很久没有确切的数据，也不知道什么时候会枯竭。 从2002年开始，名为grace的“天眼”为世界科学家观测地下水储量提供了可靠的数据，使人类能够看到地下水的变化。

在中国，许多研究小组利用grace持续观测数据对华北平原等地下水漏斗区进行研究。

中科院勘测与地球物理研究所冯伟博士队伍是其中最早的一个。 他们的研究结果表明，华北平原每年地下水达到60亿80亿吨，其中许多是难以恢复的深层地下水。

华北平原已成为世界上最大的地下水“漏斗区”

今年5月，瑞士地下水专家金士博的演讲录像被网络多家媒体转载。 他在演讲中警告说:“华北平原的地下水采集的量，大到可以从卫星上观测到。”

金士博从1979年开始在中国从事地下水相关工作，当时中国地下水水位还很高，水面离地面很近。 到了20世纪80年代，情况急转直下，当地农民吸入地下水灌溉粮食后，地下水水位以每年0.5米至1米的速度下降。

金士博不是卫星专家，是从位于武汉的中科院测量与地球物理研究所冯伟博士团队的研究中引用的数据和图表。

该研究主要使用grace的监测数据，是世界上最早利用该卫星资料研究华北平原地下水的。

在今年4月发表在《遥感》期刊上的论文中，冯伟团队介绍了grace对中国三个地区地下水储量变化的研究成果。 包括华北平原、东北的辽河流域和新疆塔里木盆地。 研究结果表明，2002-年，华北平原地下水储量损失率为-7.4±0.9km3·a-1。 也就是说，华北平原每年损失60亿-80亿吨地下水，同时长期处于持续损失的状态。

华北平原开采地下水，不是新问题。 但是，卫星提供了全新的、准确的观测手段。 根据原环境保护部和国土资源部发布的《全国地下水污染防治规划( -年)》，华北平原东部深层压力下地下水水位下降漏斗面积到年达到7万多平方公里，部分城市地下水水位累计达到30-50米，已是全球最大的地下水水位。

中国地质科学院水文地质环境地质研究所所长石建省在接受媒体采访时表示，华北城乡集中供水井已经达到500米深，开采了数百万年前地质历史时期形成的地下水。 这些水像化石资源一样，不太容易更新，循环缓慢，如果不严格管理，后果会很严重。

外太空“天眼”监测地下水的演变

2002年，德美两国合作的卫星发射升空，以两个卫星编队的形式，在距离地面400公里以上的轨道上运行。

“他们就像《猫和老鼠》中的汤姆和杰瑞一样，在太空中“追逐”着”冯伟形容。 grace卫星采用的是微波测距技术，卫星面向的地球重力场发生变化时，两卫星的距离略有变化，近时远，测量误差不足0.1微米，相当于头发直径的1/100。

根据两个卫星的距离变化，研究人员可以反转估计地球重力场的变化。 地球重力场的变化是由于物质的移动，包括水的储量、冰川的质量、海水质量的一些变化等。

在降水较多的地区，例如中国华南，地球重力场主要是由地表水和土壤水的变化引起的。 在较干旱的地区，地下水的变化是影响地球重力场变化的重要因素之一。 要说为什么，那是因为在中国华北平原等干旱地区，grace观测数据很好地反映了地下水的演化。

研究人员根据grace监测的地球重力变化推算总水质变化，结合其他实测和模型资料，进一步减去地表水和土壤水的影响，可以定量监测地下水的变化情况。

第一代grace卫星上升空后，15年来，全世界科学家利用grace数据，监测了包括印度北部地区、美国加州中央山谷地区、中东地区等全球著名地下水“漏斗区”在内的持续地下水储量变化。

“grace已经成为世界大中尺度地下水变化监测的唯一观测手段。 ”。 冯伟说。

华北平原在14万多平方公里的地区，形成了7万平方公里的大“漏斗”，水资源供需形势严峻，吸引了世界跨国科学家开展研究。

据悉，除微波测距系统外，最新的发射升空的grace-fo还配备了激光测距系统，其观测精度达到了纳米尺度，比微波提高了3个数量级。

明确深层地下水损失的现状

冯伟第一次根据grace数据计算华北地下水储量时，受到了打击。 “我没想到华北的情况这么严重，是全国grace卫星信号最大的地区之一。 ”。

grace监测地下水储量的意义在于提供一种相对独立、比较高效、便于获取数据的监测手段。

在grace引入之前，地下水监测手段一直流传着地面井监测和水文建模。 冯伟说，井中监测的人力物力价格昂贵，监测范围一般有限。 另外，多个部门正在建设各自的监测网站，但是由于数据没有充分共享，在学术界进行研究时有时很难获得数据。

利用水文模型研究地下水也存在不足。 模型的可靠性取决于良好的水文地质参数和可靠的实测资料，如土壤渗透系数和蓄水系数等，准确性受外界影响较大。

格蕾丝的一大贡献是对深层地下水损失的“贡献度”的揭示。

冯伟表示，国家地下水公报一般指浅层地下水状况，也就是华北每年约有十几亿吨地下水损失，但根据卫星数据推算结果为年均60亿-80亿吨，深层地下水损失量为浅层地下水的5-6倍。

通过对全球导航卫星系统和合成孔径雷达干扰等技术地表变形的监测，研究人员发现，我国华北地区的大面积沉降主要集中在中东部平原地区，这些地区的地面沉降主要是深层地下水严重超采引起的。

■亮点

新一代重力卫星使用“双重轨道四星”模式

尽管有贡献，但grace有限，首先受制于观测精度和轨道设计，其分辨率仅为300公里左右，无法提供更高分辨率的区域地下水储量空间变化新闻。

但随着grace-fo卫星的发射和新一代重力卫星计划的实施，重力卫星有望提供更高时空分辨率的全球重力场模型，扩大重力卫星在水文学上的应用范围。

本月中国发射了嫦娥项目中继卫星“鹊桥号”，正前往距离地球约46万公里的地月拉格朗日l2点。 “鹊桥号”携带了中山大学引力波探测计划“天琴计划”的一部分——可以进行激光测距实验的激光反射器，确定了双星激光测距重力卫星的方案。

冯伟说，双星方案都属于第一代重力卫星。 5月15日- 17日，在武汉召开的“中欧新一代重力卫星协调会议”上，中欧科学家共同讨论了新一代重力卫星计划的科学模拟和技术预研。

冯伟表示，“双轨道四星”的新一代重力卫星模型基本明确。 它们构成两对“天眼”，有望大幅提高观测精度和时空分辨率，在大地测量学、水文学、地球物理学、冰冻圈科学、海洋学、大气科学等行业产生越来越多开创性的科学成果。

新京报记者倪伟

来源：安莎通讯社