利用GRACE反演昆士兰州地下水储量变化

昆士兰州作为澳大利亚的第二大州,开展针对该地区地下水储量变化的监测与分析对当地生态环境与用水管理政策制定具有重要现实意义. 利用德克萨斯大学空间研究中心(CSR)发布的重力反演与气候实验卫星(GRACE)时变重力场模型与全球陆地数据同化系统(GLDAS)地表同化模型,对昆士兰州地下水储量时空变化进行监测分析,并与实测水井数据和全球降水气候学项目(GPCP)降雨资料进行验证分析. 研究结果表明:时间上昆士兰州地下水在2003—2015年约以1.3±0.09 cm/a的速率递增,空间上呈现东增西减的显著空间差异;与GPCP降雨资料对比发现,降雨是影响地下水储量变化的主要因素;与水井实测数据对比发现地下反演结果与水井水位变化趋势基本一致.      

联合重力卫星和水井资料监测华北平原地下水储量变化

华北平原作为人口最多的平原地区,其地下水资源开采十分严重,常态对该地区地下水储量（ground water storage,GWS）变化的精确监测具有重要的生态意义。利用重力卫星数据反演了华北平原的GWS变化,并与水文模型、降水资料、南水北调调水量和地下水井资料进行对比分析,提出融合浅层GWS变化和深层地下水变化方法,得到总地下水的贡献。研究结果表明,重力卫星与全球陆地数据同化系统模型估计的水储量变化均表现出明显的季节性特征;重力卫星反演的GWS变化与浅层地下水井资料估计结果一致性较好;考虑深层地下水的贡献,融合浅层和深层地下水井资料估计结果和重力卫星反演结果吻合更好,相较于仅使用浅层地下水估计结果吻合度更高,并表明浅层地下水为GWS变化的主要变化量;2003—2017年,华北平原地下水处于长期亏损趋势（-1.3±0.6 cm/a）;2018—2020年,重力卫星反演结果与同时段内顾及深层地下水井资料的总GWS亏损速率几乎一致;2021年,重力卫星和地下水井资料与前期观测结果形成鲜明的U型反转,GWS均呈增长趋势;降雨和南水北调对华北平原的水储量变化具有直接影响,对缓解GWS亏损和地下...     

联合GRACE和水文数据探测松花江流域地下水时空变化

松花江流域地处高纬度地区,是中国重要的粮食产地之一,开展该地区地下水变化的探测和分析工作对揭示区域地下水变化特征、保障社会经济可持续发展、保护区域生态环境有重要意义。采用美国德克萨斯大学空间研究中心发布的重力场恢复与气候实验卫星重力数据,联合全球陆地数据同化模型和全球降水测量计划卫星降水数据反演了松花江流域2002—2017年地下水时空变化,引入可持续性指数定量探测了该区域地下水时空可持续性,并与降水、温度数据及实测水井数据进行对比。研究表明：松花江流域在研究时段内地下水以0.34 cm/a的速率持续增加,空间上从南到北地下水恢复速率依次增大;研究时段内流域地下水系统呈现出严重不可持续性;地下水与降水、温度数据存在明显滞后关系,其变化受降水影响显著;卫星手段反演结果与测井数据在重合时段具有相同的地下水恢复趋势,并存在一定的滞后现象。     

利用GRACE时变重力场反演黑河流域水储量变化

黑河流域水储量变化对该区域的生态环境和经济建设等具有重要影响。本文利用2002年8月至2011年6月GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）时变重力场模型GRGS-EIGEN-GL04,采用去相关滤波P3M6与300km高斯滤波相结合的滤波方法反演了黑河流域陆地水储量变化,扣除GLDAS（Global Land Data Assimilation System）水文模型计算的土壤水和冰雪变化,给出了黑河流域地下水储量的时空变化,并利用张掖地区23口地下水测井数据对地下水反演结果进行了初步验证。研究结果表明：（1）黑河流域陆地水储量整体上呈现减少趋势,与该流域气候变化和CPC水文模型的计算结果具有较好的一致性,其减少速率为2.3cm/a等效水高;（2）黑河流域地下水储量呈现长期减少趋势,其减少速率为2.5cm/a等效水高,上、中游区域地下水储量减少速率相当,下游区域地下水储量减少速率明显小于中上游区域。     

联合GRACE和GLDAS数据的河南省地下水储量反演与时空变化分析

针对利用传统监测手段难以高效获取地下水储量观测数据的问题,基于GRACE重力卫星的大尺度水资源储量反演已成为当前水资源调查的研究热点。本文利用2012-2016年CSR机构发布的GRACE RL06月解数据,通过等效水高反演得到河南省陆地水储量时序结果,扣除由同期GLDAS水文模型计算得到的地表水储量时序数据,从而得到河南省地下水储量时序变化数据结果。经与地下水位监测井实测数据进行对比验证,相关系数显著性水平达0.01,表明本文算法流程具有较高的可靠性。进一步的统计分析结果表明,河南省北部地区的地下水储量呈亏损态势,最大变化率超过26 mm/a;河南省中部和东部地区地下水储量有一定盈余,最大变化率超过16 mm/a,相关结果数据与河南省水利局公布的全省主要地下水超采区范围吻合。本文旨在利用GRACE重力卫星数据与GLDAS水文模型反演获取河南省地下水储量空间分布差异及演变趋势,相关算法流程可为广域地下水储量调查监测提供技术支撑;研究数据可为该区域地下水资源的合理利用与保护提供参考。     

基于GRACE的中国区域水储量变化研究

水是人类生活中广泛使用的重要资源,一旦开发利用不当,不仅会制约国民经济发展、破坏生态环境,还会引起水位持续下降、水质恶化和地面沉降等现象.而运用GRACE卫星时变重力场模型可以有效计算出陆地总水储量变化,同时结合相应水文模型还可以反演出地下水储量的变化,其相对于传统监测地下水方法具有简便、可以大范围进行监测以及预防由水储量变化引起的灾害等优势.针对水储量变化问题,采用GRACE重力卫星数据进行反演监测,将处理后的GRACE数据与GLDAS水文模型相结合,以反演中国地区的地下水储量变化趋势,结果表明:地下水储量变化与陆地总水储量变化趋势较为一致,且中国一半地区的地下水储量处于下降趋势,其中下降严重的有河北南部、新疆北部和云南北部等地区,最大变化速率分别达到了-1.72 cm/a、-2.44 cm/a和-3.01 cm/a.最后以陕西省与四川省的实测地下水数据来检验反演地下水变化的准确性,并分析降水与地下水变化的关系.     

利用GRACE与Sentinel-1反演地下水变化与地表沉降研究

针对地表沉降与地下水变化之间的关系研究,助力资源开发与灾害防治之间突出矛盾的解决。该文利用GRACE/GRACE-FO卫星观测数据反演京津冀地区的地下水变化情况,利用Sentinel-1卫星观测结果,通过小基线集干涉测量技术(SBAS-InSAR)计算该区域的地面沉降速率,在地下水变化分析的基础上研究地下水变化与降雨的相关关系,并进而得到地表沉降与地下水变化的相关关系。结果表明,2003—2020年京津冀地区地下水储量呈减少趋势,变化速率达到-11.4 mm/a,降雨量年际变化较大,对地下水储量亏损存在影响;京津冀地区中,北京市地表形变相较于地下水变化滞后时间约为3个月,地下水变化与地表形变存在较高的相关性,二者相关系数达到0.758。     

GNSS垂向位移反演中国大陆地区陆地水储量变化

为了研究中国大陆地区的陆地水储量变化，利用陆态网182个GNSS站点垂向坐标时间序列反演了中国大陆地区2011—2021年的陆地水储量变化，并结合GRACE时变重力场数据、GLDAS水文模型和GPM降雨数据对中国大陆地区不同流域的陆地水储量反演结果进行对比分析。结果表明：(1)中国西南地区陆地水储量变化振幅最为显著，华南地区次之，西北内陆地区最不明显；(2)GNSS的结果与GRACE和GLDAS总体上具有较高的一致性，但在不同地区存在差异。其中，华南地区多种数据集一致性较高，华北地区则相对差异较大，可能是受该地区地下水减少的影响。结果表明GNSS可以作为监测区域陆地水储量变化的有效手段。     

青藏高原及其周边地区水储量变化的独立成分分析

采用2003年1月至2013年12月共132个月的GRACE卫星数据反演得到的水储量变化信息,利用独立成分分析方法将水储量变化信息分解成多个信号成分,然后与NOAH和WGHM两个水文模型的分析结果进行比较。成分对比结果表明,GRACE反演得到的水储量变化与NOAH和WGHM水文模型在第一个主成分方面符合很好,相关系数分别是0.884和0.877。说明GRACE反演的水储量变化和水文模型在青藏高原及其周边区域具有很强的一致性。从空间模式上看,GRACE反演水储量变化信号的强度比水文模型信号要大,可能与GRACE反演的水储量变化还包括地下水的变化情况等有关。     

台州地区地下水储量变化的CORS网反演

为了突出连续运行基准站(CORS)网对地下水储量监测能力,该文基于CORS网的高精度大地高时间序列,联合大气、土壤水和海平面变化等地表质量负荷数据,根据地球负荷形变理论,采用移去恢复技术,反演了台州地区2017年1月-2019年6月的地下水储量变化,并与GRACE-FO监测结果进行对比.结果 表明:①CORS网反演的地下水储量具有明显的季节性与年际特征,秋冬季节地下水储量较少,春夏季节地下水储量增多,年变化幅度达到1000 mm.②在空间分布上,台州中东部地区及沿海地区变化量,比西北部的内陆地区变化量大.③与GRACE结果相比,除局部区域存在差异,整体上时空变化趋势具有较高一致性.在小区域的地下水储量反演中,CORS网具有可行性.     

利用时变重力数据反演地下水储量变化

为了反映中国陆地区域地下水储量的变化情况,该文利用2003—2019年间GRACE、GRACE-FO重力卫星数据,对8个典型区域地下水储量变化情况进行了研究,并结合气象资料从相关性上分析各区域地下水储量显著变化的原因。结果表明,中国东南大部分地区地下水储量逐年增加,地下水主要靠降水补给;华北平原等人口稠密区地下水亏损严重,研究时段内持续呈下降趋势,降水仅能缓解地下水储量的亏损速度;天山山脉、念青唐古拉山脉等冰川区质量变化和温度异常的相关性较好,这些地区的质量亏损可能是冰川消融引起的。     

利用GRACE数据进行京津冀地区地面沉降与地下水耦合分析

地下水的过量开采已导致京津冀地区出现严重的地面沉降,为了分析地下水与地面沉降之间的耦合关系,首先利用GRACE-FO数据与GLDAS数据反演出京津冀地区2016—2019年地下水变化时序;然后利用MCTSB-InSAR技术反演出该地区同时段的沉降变化时序。通过试验分别获取地下水与地面沉降的差分变化序列和变化趋势线,并引入非弹性存储系数分析地下水对地面沉降影响力的变化规律。结果表明:①当地下水迅速升高或降低时,地面沉降速率减小或增大;当地下水持续升高时,地面沉降接近停止。②沉降越严重的区域,地下水与地面沉降变化趋势的相关性越强。③由地下水变化引起沉降的能力,随沉降等级升高而变大,且该能力在不同沉降等级中随时间变化的趋势也不同。     

利用GRACE数据研究美国干旱产生的原因

利用GRACE和GLDAS数据计算美国2003年1月—2013年12月陆地等效水高的时间序列,两者结果呈强相关,相关系数为0.91.GRACE数据计算陆地水储量最低在2012年7月,这与欧洲干旱研究中心发布的帕尔默干旱指数(scPDSI)结果一致,证明了GRACE时变地球重力场模型具备探测干旱的能力.利用NOAA(Na...     

Assessing the supplementary irrigation for improving crop productivity in water stress region using spatial hydrological model

Water stress during crop cultivation due to inconsistent rainfall is a common phenomenon in maize growing area of Shanmuganadi watershed, located in the semi-arid region of southern peninsular India. The objective is to estimate the supplementary irrigation required to improve the crop productivity during water stress period. Spatial hydrological model, Soil and Water Assessment Tool, has been applied to simulate the watershed hydrology and crop growth for rabi season (October–February) considering the rainfed and irrigated scenarios. The average water stress days of rainfed maize was 60 days with yield of 1.6 t/ha. Irrigated maize with supplementary irrigation of 93–126 mm was resulted in improved yield of 3.8 t/ha with 28 water stress days. The results also suggest that supplemental irrigation can be obtained from groundwater reserves and by adopting early sowing strategy can provide opportunities for improving water productivity in rainfed farming.     

Spatial analysis of groundwater potential using remote sensing and GIS in the Kanyakumari and Nambiyar basins,India

Remotely sensed data can provide useful information in understanding the distribution of groundwater, an important source of water supply throughout the world. In the present study, the modern geomatic technologies, namely remote sensing and GIS were used in the identification of groundwater potential zones in the Kanyakumari and Nambiyar basins of Tamil Nadu in India. The multivariate statistical technique was used to find out the relationship between rainfall and groundwater resource characteristics. It has been found out that groundwater not only depends upon rainfall, but various other factors also influence its occurrence. Eight such parameters were considered and multi criterion analysis has been carried out in order to find out the potential zones. Accordingly, it had been concluded that the Kanyakumari river basin has more ground water potential, whereas the Nambiyar basin has less potential. Thus surface investigation of groundwater has proved to be easier, time consistent and cheaper using the geomatic technologies.     

Assessment of Groundwater Recharge Through Rainfall and Water Harvesting Structures in Jamka Microwatershed Using Remote Sensing and GIS

Water harvesting works had been conducted at Jamka micro-watershed of Saurashtra region of Gujarat in India for augmenting artificial groundwater recharge in hard rock aquifers of the semi arid region. In present study groundwater recharge of Jamka micro-watershed was estimated. The natural groundwater recharge through rainfall in the study area was estimated using empirical equations and the artificial groundwater recharge through water harvesting structures which was estimated using remote sensing and GIS. The area under submergence due to water harvesting structures is estimated using remote sensing images. The groundwater recharge in study area was also estimated using water table fluctuation method and compared with total recharge through rainfall and water harvesting structures. The natural groundwater recharge through rainfall in the study area was found varying from 11 to 16 per cent of annual rainfall. The total groundwater recharge in the study area was estimated 390.29?ha?m, in which the contribution of recharge through water harvesting structures was about 38.53%; this revealed that the water harvesting structures played an important role in increasing the groundwater recharge in the region.     

基于GRACE时变重力场模型研究印度河-恒河流域水储量变化

印度河和恒河是亚洲的重要河流,流经区域也是印度次大陆人口最集中的地区,研究该区域水储量变化对于保障当地生态环境和经济发展有重要意义.本文利用GRACE_RL05时变重力场模型反演2002-2016年的印度河-恒河流域内陆地水储量变化,并结合GLDAS水文模型获取区域地下水储量变化.研究发现:2002-2016年印度河和恒河流域陆地水储量和地下水储量均呈下降趋势,其中两流域的地下水下降的速率(分别为-7.2 mm／a和-4.7 mm／a)超过整体水储量的下降趋势;综合水文模型数据分析表明:该区域水储量下降的原因是蒸发量上升和降水持续减少的背景下,农业灌溉过程中过度抽采地下水导致的.      

Variability analysis of groundwater levels — AGIS-based case study

The present study has analyzed the variability in depth to water level below ground level (bgl) vis-à-vis groundwater development and rainfall from 1987 to 2007 in agriculture dominated Kaithal district of Haryana state in India. Spatial distribution of groundwater depth was mapped and classified into different zones using ILWIS 3.6 GIS tools. Change detection maps were prepared for 1987–1997 and 1997–2007. Groundwater depletion rates during successive decades were compared and critical areas with substantial fall in groundwater levels were identified. Further, block wise trends of change in groundwater levels were also analyzed. The water table in fresh belt areas of the district (Gulha, Pundri and Kaithal blocks) was observed to decline by a magnitude ranging from 10 m to 23 m. In Kalayat and Rajaund blocks, the levels were found fluctuating in a relatively narrow range of 4–9 m. During 1997–2007, the depletion has been faster compared to the preceding decade. Excessive groundwater depletion in major part of the district may be attributed to indiscriminate abstraction for irrigation and decrease in rainfall experienced since 1998. Changes in cropping pattern and irrigation methods are needed in the study area for sustainable management of the resource.     

Regional Groundwater Assessment of Krishna River Basin Using Integrated GIS Approach

The groundwater occurrence and movement within the flow systems are governed by many natural factors like topography, geology, geomorphology, lineament structures, soil, drainage network and land use land cover (LULC). Due to complex natural geological/hydro-geological regime a systematic planning is needed for groundwater exploitation. It is even more important to characterize the aquifer system and delineate groundwater potential zones in different geological terrain. The study employed integration of weighted index overlay analysis (WIOA) and geographical information system (GIS) techniques to assess the groundwater potential zones in Krishna river basin, India and the validation of the result with existing groundwater levels. Different thematic layers such as geology, geomorphology, soil, slope, LULC, drainage density, lineament density and annual rainfall distribution were integrated with WIOA using spatial analyst tools in Arc-GIS 10.1. These thematic layers were prepared using Geological survey of India maps, European Digital Archive of Soil Maps, Bhuvan (Indian-Geo platform of ISRO, NRSC) and 30 m global land cover data. Drainage, watershed delineation and slope were prepared from the Shuttle Radar Topography Mission digital elevation model of 30 m resolution data. WIOA is being carried out for deriving the normalized score for the suitability classification. Weight factor is assigned for every thematic layer and their individual feature classes considering their significant importance in groundwater occurrence. The final map of the study area is categorized into five classes very good, good, moderate, poor and very poor groundwater potential zones. The result describes the groundwater potential zones at regional scale which are in good agreement with observed ground water condition at field level. Thus, the results derived can be very much useful in planning and management of groundwater resources in a regional scale.