专业科普：【世界水日、中国水周】“重力卫星+InSAR”助力华北平原地下水超采综合治理

      3月22日是第三十届“世界水日”，第三十五届“中国水周”的宣传活动也同时开启。联合国确定今年“世界水日”的主题是 “珍惜地下水，珍视隐藏的资源”，我国纪念今年“世界水日”“中国水周”活动的主题是 “推进地下水超采综合治理，复苏河湖生态环境”。

       党的十八大以来，习近平总书记深刻洞察我国国情水情，从实现中华民族永续发展的战略高度，提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，确立起国家的“江河战略”，部署推动南水北调后续工程高质量发展等重大水利工程建设，为新时代治水提供了强大思想武器和科学行动指南。以习近平同志为核心的党中央统筹推进水灾害防治、水资源节约、水生态保护修复、水环境治理，开展一系列根本性、开创性、长远性工作，书写了中华民族治水安邦、兴水利民的新篇章。

       在地下水保护治理和河湖生态保护方面，通过实施国家节水行动、强化水资源刚性约束、全面建立河湖长制、推进实施一批跨流域跨区域重大引调水工程，我国水资源利用方式实现深层次变革，水资源配置格局实现全局性优化，江河湖泊面貌实现历史性改善。华北地区地下水超采综合治理取得明显成效，2021年底京津冀治理区浅层地下水水位较2018年同期总体上升1.89米，深层地下水水位平均回升4.65米，永定河实现26年来首次全线通水，白洋淀生态水位保证率达到100%，潮白河、滹沱河等多条河流全线贯通。越来越多的河流恢复“生命”，越来越多的流域重现生机，越来越多的河湖成为造福人民的幸福河湖。

如何监测和预防地下水超采？

人们一直在努力探索。

随着大地测量与遥感技术的迅速发展，

人们实现了对全球和区域

陆地水储量时空变化的快速监测。

如何监测地下水资源？

       一般来说，对地下水储量变化的估算主要通过地下水水井监测和水文模型模拟。监测水井的建设成本高，监测范围往往十分受限；水文模型的构建则依赖于可靠的水文地质参数和实测资料。重力卫星的成功发射，提供了从太空监测地下水变化的重要独立观测手段。干涉合成孔径雷达技术（InSAR）则可以近实时监测地下水超采所导致的地面沉降，进而评估地下水超采严重程度。卫星重力和InSAR两种大地测量和遥感技术，从不同的视角反映了地下水超采所导致的重力场变化和地表形变，为地下水资源评估提供了重要参考。

华北平原地下水超采可以在卫星上看到：美德发射的GRACE卫星观测地球重力场的变化，可以明显观测到由于地下水位的变化，华北平原的重力与质量正在减小（引自 Feng et al. 2013）

外太空“天眼”揭露华北地下水亏损

       2002年，美德联合研制的GRACE卫星（Gravity Recovery and Climate Experiment）发射升空，以两颗卫星编队形式，在距离地面400多公里的轨道上运行。GRACE卫星采用了微波测距技术，当卫星下方的地球重力场发生变化，两个卫星的距离将随之发生轻微改变，时近时远，测量精度达到微米量级，相当于头发直径的百分之一。根据两颗卫星的距离变化，研究者可以反演推算出地球重力场发生的改变。而地球重力场变化则是物质迁移导致的，包括水储量、冰川质量和海水质量变化等。

 

GRACE采用两颗卫星成组运行的方式，利用两颗卫星星间距离的变化反演地球重力场及其变化

 

       在降水丰沛的地区（如我国华南地区），地球重力场的变化主要是由于地表水和土壤水的变化。而在相对干旱的地区，地下水变化是影响地球重力场变化的重要因素之一。因此，在诸如我国华北平原等干旱半干旱地区，重力卫星的观测数据可以很好地反映地下水的演变。

        研究者通过重力卫星监测的地球重力变化，估算出总的陆地水储量变化，再结合其他实测与模型资料，进一步扣除地表水和土壤水等的影响，就可以定量监测地下水的变化情况。卫星重力技术也是目前唯一可以实现大范围地下水储量变化监测的卫星技术。

 

利用GRACE卫星测量的华北地区地下水储量变化示意图

 

       中山大学测绘科学与技术学院冯伟教授利用GRACE卫星提供的数据，完成了对中国华北平原地区地下水资源超采情况的推算。早期研究结果显示，2002-2014年，华北平原每年地下水亏损达到60亿-80亿吨，这表明该地区的地下水资源处于长期持续亏损的状态。近年来，随着南水北调和降雨增多，华北的地下含水层部分地得到了补给。

       2018年5月，美德的GRACE后续卫星（GRACE Follow-On）发射升空。它们接替了2017年10月退役的两颗GRACE卫星，持续探测地球重力场变化，延续了对全球和区域水储量变化特别是地下水变化的监测。

       2019年12月发射的“天琴一号”卫星成功获取了全球重力场数据，是我国首次使用国产自主卫星测得这一数据，使我国成为世界上继美、德后第三个有能力自主探测全球重力场的国家。随着国内外共同推动的下一代重力卫星计划的实施，人们将可以获取更高观测精度和时空分辨率的地下水变化信息，为地下水的监测和保护提供重要科学观测数据。