利用GRACE衛(wèi)星測量的華北地區(qū)地下水儲量變化示意圖　　

圖/中國科學院測量與地球物理研究所

GRACE及GRACE-FO均采用兩顆衛(wèi)星成組運行的方式，利用衛(wèi)星距離的變化反演地球重力場的變化

圖/NASA網站

北京時間5月23日，兩顆美國“重力恢復與氣候實驗后續(xù)”衛(wèi)星(Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On，以下簡稱 GRACE-FO)在范登堡空軍基地由獵鷹9號火箭發(fā)射升空。它們將接替2017年10月退役的兩顆GRACE衛(wèi)星，繼續(xù)探測地球重力場變化。

地球重力場及其變化，反映了地球內部密度結構和質量的變化。依據GRACE提供的數據，科學家觀測到了南北極冰蓋融化、喜馬拉雅地區(qū)冰雪消融、海平面上升，以及全球范圍地下水儲量的變化。

NASA(美國航空航天局)援引的一項國外研究結果表明，全球大型的地下水存儲區(qū)域中，有三分之一正在被超采。而這些地區(qū)還剩下多少地下水，很長時間內并沒有準確數據，也不知道何時會耗盡。從2002年起，GRACE這雙“天眼”為全球科學家觀測地下水儲量提供了可靠的數據，幫助人類看清了地下水的變化。

在中國，多個研究團隊均利用了GRACE持續(xù)性的觀測數據，對華北平原等地下水漏斗區(qū)進行了研究。

中國科學院測量與地球物理研究所馮偉博士團隊是其中較早的一支。他們的研究結果表明，華北平原每年地下水超采達到60億-80億噸，其中大多數為難以恢復的深層地下水。

華北平原成世界最大地下水“漏斗區(qū)”

今年5月，瑞士地下水專家金士博的一個演講視頻在網絡廣為流傳。他在演講中發(fā)出警告：“華北平原地下水超采的量，大到甚至可以從衛(wèi)星上監(jiān)測到。”

金士博從1979年起在中國做地下水有關的工作，那時中國地下水水位還很高，水面離地面很近。而到了上世紀80年代，情況急轉直下，當地農民抽地下水灌溉糧食以后，地下水水位以每年0.5到1米的速度下降。

金士博并非衛(wèi)星專家，其援引的數據和圖表，來自于位于武漢的中國科學院測量與地球物理研究所馮偉博士團隊的一項研究。

該研究主要采用的就是GRACE的監(jiān)測數據，且是全球最早利用該衛(wèi)星資料研究華北平原地下水的。

在今年4月發(fā)表在《遙感》期刊上的論文中，馮偉團隊介紹了基于GRACE對中國三個地區(qū)地下水儲量變化的研究成果，包括華北平原、東北的遼河流域和新疆塔里木盆地。研究結果顯示，2002-2014年，華北平原地下水儲量虧損速率為-7.4±0.9km3·a-1。也就是說，華北平原每年有60億-80億噸地下水虧損，并且處于長期持續(xù)虧損的狀態(tài)。

華北平原地下水超采，并不是新問題了。但衛(wèi)星提供了一個全新、準確的觀測手段。原環(huán)保部和國土資源部發(fā)布的《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011-2020年)》顯示，截至2011年，華北平原東部深層承壓地下水水位降落漏斗面積達7萬多平方公里，部分城市地下水水位累計下降達30-50米，局地累計水位下降超過100米，已然成為世界最大的地下水“漏斗區(qū)”。

中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所所長石建省接受媒體采訪時表示，華北一些城鄉(xiāng)集中供水的水井已經打到500米深，開采到了數百萬年前地質歷史時期形成的地下水。這些水像化石資源一樣，很難更新、循環(huán)遲緩，如果不嚴格管理，后果會很嚴重。

外太空“天眼”監(jiān)測地下水演變

2002年，德美兩國合作的衛(wèi)星發(fā)射升空，以兩顆衛(wèi)星編隊形式，在距離地面400多公里的軌道上運行。

“它們就像《貓和老鼠》里的湯姆和杰瑞，在太空中相互'追逐'。”馮偉形容。GRACE衛(wèi)星采用了微波測距技術，當衛(wèi)星所對的地球重力場發(fā)生變化，兩個衛(wèi)星的距離將隨之發(fā)生輕微改變，時近時遠，測量誤差小于0.1個微米，相當于頭發(fā)直徑的百分之一。

根據兩顆衛(wèi)星的距離變化，研究者可以反演推算出地球重力場發(fā)生的改變。而地球重力場變化則是物質遷移導致的，包括水儲量、冰川質量、海水質量的變化等。

在降水較多的地區(qū)，例如中國華南，地球重力場主要由于地表水和土壤水的變化導致。而在相對干旱的地區(qū)，地下水變化是影響地球重力場變化的重要因素之一。因此，在諸如中國華北平原的干旱地區(qū)，GRACE觀測數據可以很好地反映地下水的演變。

研究者通過GRACE監(jiān)測的地球重力變化估計出總的水質量變化，再結合其他實測與模型資料，進一步扣除地表水和土壤水的影響，就可以定量監(jiān)測地下水的變化情況。

自第一代GRACE衛(wèi)星升空后，15年間，全世界的科學家利用GRACE數據進行了持續(xù)的地下水儲量變化的監(jiān)測，包括印度北部地區(qū)、美國加州中央山谷地區(qū)和中東地區(qū)等全球著名的地下水“漏斗區(qū)”。

“GRACE已成為監(jiān)測全球大中尺度地下水變化的唯一觀測手段。”馮偉說。

而華北平原在14萬多平方公里的區(qū)域上，形成了7萬平方公里的大“漏斗”，水資源供需態(tài)勢之嚴峻，吸引了全球多國科學家開展研究。

據悉，除了微波測距系統(tǒng)外，最新發(fā)射升空的GRACE-FO還搭載了激光測距系統(tǒng)，其觀測精度達到納米量級，比微波提升了三個數量級。

揭示深層地下水虧損現(xiàn)狀

馮偉第一次借由GRACE數據算出華北地下水儲量時，頗感震驚。“我沒有想到華北情況這么嚴重，是全國GRACE衛(wèi)星信號最大的地區(qū)之一。”

GRACE對地下水儲量監(jiān)測的意義，在于提供了相對獨立有效且易于獲取數據的監(jiān)測手段。

在GRACE投入使用之前，傳統(tǒng)地下水監(jiān)測手段包括地面水井監(jiān)測和水文建模。據馮偉介紹，水井監(jiān)測的人力物力成本較高，監(jiān)測范圍通常較為有限。且由于多部門分別建有各自的監(jiān)測站點，數據卻沒有充分共享，學術界做研究時有時很難拿到數據。

利用水文模型研究地下水也有不足。模型的可靠性依賴于良好的水文地質參數和可靠的實測資料，例如土壤滲透系數和貯水系數等，準確性受外部影響較大。

而GRACE的一大貢獻，就是對深層地下水虧損“貢獻度”的揭示。

馮偉說，國家地下水公報通常只公布淺層地下水的情況，即華北每年虧損約十幾億噸地下水，但基于衛(wèi)星數據測算結果為年均60億-80億噸，這意味著深層地下水的虧損量是淺層地下水的5-6倍。

通過全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)和合成孔徑雷達干涉等技術對地表形變的監(jiān)測，研究者發(fā)現(xiàn)，我國華北地區(qū)的大面積沉降主要集中在中東部平原地區(qū)，這些地區(qū)的地面沉降，主要由深層地下水嚴重超采所致。

■ 亮點

下一代重力衛(wèi)星將采用“雙軌道四星”模式

盡管貢獻突出，GRACE也有局限性，主要是受制于觀測精度和軌道設計，其分辨率僅為300公里左右，無法提供更高分辨率的區(qū)域地下水儲量空間變化信息。

不過隨著GRACE-FO衛(wèi)星的發(fā)射和下一代重力衛(wèi)星計劃的實施，重力衛(wèi)星有望提供更高時空分辨率的全球重力場模型，拓展重力衛(wèi)星的水文學應用范圍。

本月中國發(fā)射了一顆嫦娥工程中繼衛(wèi)星“鵲橋號”，正飛向距離地球約46萬公里的地月拉格朗日L2點。“鵲橋號”攜帶了一臺能進行激光測距試驗的激光反射器，這是中山大學引力波探測計劃“天琴計劃”的一部分，該計劃明確提出了雙星激光測距重力衛(wèi)星的方案。

馮偉表示，雙星方案都屬于第一代重力衛(wèi)星。5月15日-17日，在武漢召開的“中歐下一代重力衛(wèi)星協(xié)調會議”上，中歐科學家共同討論了下一代重力衛(wèi)星計劃的科學模擬與技術預研。

馮偉透露，“雙軌道四星”的下一代重力衛(wèi)星模式已基本確定。它們將構成兩對“天眼”，極大地提高觀測精度和時空分辨率，有望在大地測量學、水文學、地球物理學、冰凍圈科學、海洋學和大氣科學等領域產生更多開創(chuàng)性的科學成果。