The Innovation Water | 跨越20年卫星观测，读懂华北地下水位漏斗的消长密码

地下水的消耗往往比地表水更难被感知。面对华北平原长期承受的农业与城市用水压力，我们希望借助重力卫星与因果分析，追踪地下水降落漏斗的演变与恢复过程，并揭示其背后的驱动机制。

导  读

地下水像一座“隐形水库”，支撑着粮食生产、城市供水与生态安全。当开采量长期超过自然补给量时，地下水位便会持续下降，并在空间上形成向中心凹陷的“降落漏斗”，进而可能引发地面沉降、湿地萎缩和土壤盐渍化等问题。华北平原是我国重要粮食产区，也是全球典型地下水降落漏斗区。本文融合GRACE重力卫星数据与井网观测，基于卫星重力观测追踪近20年来华北平原地下水降落漏斗的演变与恢复过程。

图1 重力卫星视角下华北平原地下水漏斗动态演变及驱动机制解析框架。 基于重力卫星的地下水漏斗监测：GRACE/GRACE-FO重力卫星感知陆地水储量变化。地下水水位降落漏斗的识别与重建：展示华北平原地下水漏斗的时序三维变化。漏斗区地下水变化的驱动机制解析：揭示降水、蒸散发和地下水开采等因素对地下水漏斗形成、扩张与恢复的影响

当前，全球多数含水层正面临持续亏损，地下水动态演变已成为影响水资源安全、粮食生产和生态保护中的重要问题。与地表水不同，地下水深藏地下，变化缓慢而隐蔽，一旦形成大范围降落漏斗，往往具有累积效应强、恢复周期长和响应滞后等特点。华北平原是我国重要的粮食生产基地与人口密集区，农业灌溉和城镇供水长期依赖地下水。地下水漏斗研究不能只回答“水位下降了多少”，还要揭示漏斗在哪里扩张、形态如何变化、是否出现恢复迹象，以及受到哪些因素驱动。

传统监测井能够记录局部地下水位，却难以连续刻画区域尺度上的漏斗形态；GRACE重力卫星能够监测大范围陆地水储量变化，但存在空间分辨率较低、不同水分量难以区分等问题。为此，本研究融合GRACE/GRACE-FO重力卫星、GLDAS水文数据、监测井观测和因果分析方法，系统解析2002—2022年华北平原地下水降落漏斗的时空演变及驱动机制。

研究采用数据分布感知的盲超分辨率降尺度方法，将陆地水储量数据由1°细化至0.0625°网格，并扣除土壤水、地表水等分量，提取地下水储量变化信号。结合130口监测井数据，建立地下水储量变化与地下水位变化之间的联系。随后，利用三维高斯曲面对漏斗进行拟合，将其刻画为具有中心位置、下凹深度、横向宽度和扩展方向的三维结构。

结果表明，在2002—2022 年华北平原地下水系统大体经历了三个阶段：2002—2009 年的缓慢下降阶段，2009—2019 年的快速消耗阶段，，以及2019—2022年的局部恢复与调整阶段。地下水漏斗半径由约209千米扩大至约340千米，说明整体影响范围仍在扩展；与此同时，漏斗中心低值区在2019年前持续加深，2019年后小幅回升，呈现阶段性恢复迹象。

值得注意的是，漏斗变化并非简单的“变深”或“变浅”，其空间形态发生了显著重构。研究期内，漏斗横向半宽系数由 0.56 增至 4.01，表明漏斗形态从较集中、较陡峭逐渐转向更宽、更分散的空间格局。这意味着地下水压力可能由单一中心向更大范围重新分布，该过程与南水北调、地下水开采限制和人工回补等管理措施密切相关，也说明地下水治理成效不能只看平均水位，还应关注漏斗中心、边界范围和系统响应时间是否同步改善。

为进一步回答“是谁在驱动漏斗变化”，研究引入传递函数噪声模型和信息流因果分析，量化降水、潜在蒸散发和地下水开采对漏斗演化的滞后影响。结果表明，地下水系统响应周期呈现显著阶段性差异，由初期20 个月延长至快速消耗阶段 60 个月，恢复阶段回落至约 40 个月，说明含水层对补给和扰动的反应曾明显变慢，恢复过程具有滞后性。因果分析表明，地下水开采始终是维持漏斗形成与演化的关键因素，并在快速消耗阶段作用最强；进入局部恢复阶段后，降水和潜在蒸散发等自然因素的相对影响有所增强，表明地下水系统正在管理措施与气候条件的共同作用下缓慢调整。

总结与展望

在地下水超采、气候变化和区域用水需求增长的共同影响下，地下水资源保护仍面临长期挑战。本研究表明，地下水漏斗的恢复不能仅以中心水位回升来判断，还应综合关注影响范围、空间形态及系统响应时间。未来，可进一步融合GRACE/GRACE-FO卫星、井网观测、水文模型和人类用水数据，提升地下水变化监测与驱动归因的精度，为华北平原地下水超采治理、农业用水优化和区域水资源安全提供更加可靠的科学支撑。

责任编辑

王新新   复旦大学

魏亚强   上海大学