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GRACE首次发现青藏及周边多地区地下水储量增加,研究揭示地下水正迅速枯竭

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中国科学院测量与地球物理研究所“一二三”规划重点培育方向之一,由研究员汪汉胜首席负责的“地球表层物质平衡的定量评估”团队,与瑞典国土测量局、香港大学地球科学系合作,在青藏高原及周边发现多地区地下水储量增加,相关论文近日在国际著名期刊(Earth and Planetary Science Letters)在线发表,题目为“从GRACE卫星重力数据分离青藏高原及邻区地下水储量的变化”(Groundwater storage changes in the Tibetan Plateau and adjacent areas revealed from GRACE satellite gravity data)。

近日,两项新研究显示,人类正在迅速消耗世界最大的地下水盆地中约1/3的储水,而且没人知道它们将在什么时候干涸。地下水是饮用水的主要来源,也是诸如农业灌溉等商业和工业用水的主要来源。旱区及干旱频发地区尤为依赖地下水。然而测量地下含水层里含有多少地下水以及已经失去或获得了多少地下水并不容易,这取决于这些水量有多大、多难取得。

了解青藏高原地下水储量的变化,对高原生态恢复、农牧业发展、地质灾害防治、工程设计和地热开发等具有重要价值,同时对水文循环和全球气候变化研究具有重要意义。长期以来,在青藏高原广阔的地区,由于可利用的水井水位测量数据极少,对地下水状况知之甚少。2002年以来GRACE卫星重力观测使评估整个高原地下水的变化成为可能,现使用的评估方法实际上是一种利用牛顿万有引力、不接触实物的称量法,即卫星在500公里空中感受地下水增减变化的重力信号,再根据重力信号计算地下水储量的变化。一个新的挑战是,卫星的重力观测同时受土壤湿度、冰川与积雪、冻土、湖泊与水库变化等的影响,如何排除这些影响是精确获得地下水储量变化信息的关键。因此,研究团队不仅利用了国际最新的GRACE重力场数据,还利用了多种水文模型提供的土壤湿度和积雪数据、冰川湖泊的ICESat-1卫星测高结果、冻土模型和最新的冰川均衡调整模型,揭示了青藏高原及周边2003-2009年期间的地下水的变化趋势,在金沙江流域、怒江-澜沧江源地区、长江源地区、黄河源地区、柴达木盆地、羌塘自然保护区中部、印度河上游流域和阿克苏河流域,首次发现了地下水呈现增加趋势,每年总增加量为186±48亿立方米,相当于三峡水库175米水位时近一半的库容量。

现在,研究人员首次利用卫星数据对世界上最大的37处盆地的地下水使用情况进行了测量。美国宇航局的重力恢复和气候实验任务中的双卫星观测到了盆地所受重力的细微变化,研究团队因而可以根据这些变化估算出这些盆地的水消耗和水给养的速度。

值得注意,收集的河流径流量特别是冬季河流径流量、降雨资料和一些生态变化的报道间接地支持了研究结果。分析表明,在高原东部河源地区,分布广泛的石灰岩和碎屑岩的裂隙孔隙和岩溶、活动断层有利于地下水储存;地下水增加与流域或盆地周边地区的冰/雪、冻土融水和或降水增加所产生的径流补给有关;对于三江(澜沧江、长江和黄河)源地区,2005年来中国政府实施生态保护和重建工程,所采取的生态移民、限制放牧、森林湿地保护和人工降雨等措施,有利于地下水的储积,反过来地下水的增加也有利于生态恢复;地下水增加还与高原西部的内流盆地地下水沿北西-南东向活动断层的可能渗漏有关。

科学家使用的水模型能表明哪些盆地至少还在接受天然的水补给。该研究小组在日前出版的《水资源研究》杂志上报告说,2003年至2013年间,这37个盆地中的21个出现了水位下降。而且,这21个盆地中有8个已经完全没有天然水补给,而另有5个仅获得些许的天然水补给。而在以上这13个盆地中,那些位于世界上最干旱地区的盆地,例如阿拉伯半岛,情况是最糟的。

要更好地评估该地区2009年后地下水变化趋势,需要采用更加先进的卫星测高技术(例如Cryosat-2、ICESat-2)和卫星重力技术(GRACE Follow-on)的观测数据。

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该项研究得到国家自然科学基金重点项目“喀喇昆仑-喜马拉雅冰川物质平衡的空间大地测量研究”和全球变化研究国家重大科学研究计划项目“近百年极地冰层和全球及典型区域海平面变化机理精密定量研究”联合资助。

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