中国华北是全球范围内地下水位持续下降的典型区域，惊人的地下水损耗对该地区的社会经济稳定和可持续发展造成了巨大影响。此前大量学者基于重力恢复与气候实验（Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE）卫星数据估算了华北地区的地下水变化，为地下水开发利用策略的制定提供了有益的数据支撑。然而，大部分研究使用的GRACE无约束时变重力场模型存在较强的噪声，必须依赖一些滤波方法抑制噪声的干扰，但此举也会造成一定的信号损失和泄漏，极大制约了重力场模型的空间分辨率。此外，华北地区地下水损耗的驱动因素仍缺乏有效的定量分析，相应的驱动机制也亟待揭示。因此，本研究聚焦于地下水超采严重的华北地区，应用约束重力场模型Tongji-RegGRACE2019获得更高空间分辨率的地下水储量（Groundwater Storage，GWS）变化；随后采用独立分量分析（Independent Component Analysis，ICA）方法对地下水变化信号进行时空分解，探究每个独立信号的周期特征；最后通过皮尔逊相关系数和灰色绝对关联度准确测定地下水各独立信号的驱动因素和机制。

如图1所示，Tongji-RegGRACE2019模型估计的华北陆地水和地下水在2004至2015年间分别以-1.00 ± 0.06 cm/yr和-0.87±0.04 cm/yr的速度下降，与实测井估计的地下水变化在同时段内（2005至2013年）较为吻合，相关系数为0.81，均方根误差（Root Mean Squared Error，RMSE）为1.94 cm，表明Tongji-RegGRACE2019模型对华北地区水资源变化的描述是可靠的。

图1陆地水（左）及地下水（右）变化时间序列，p表示皮尔逊相关系数

利用独立分量分析方法获取地下水变化的独立分量（Independent Component，IC）。如图2所示，前4个独立分量分别反映了山西北部、山西南部、河北南部和河北中东部地区地下水变化的年内或年际信号，占总方差的89%。各独立分量在时间上聚类程度较低，且相应的空间分布具有明显的局部特征。通过建立地下水独立分量与潜在驱动因素的一一对应关系（图3），前2个独立分量协同反映了山西省煤矿开采和农业灌溉诱发的地下水长期和年内变化，相关系数分别为-0.91和-0.85；第3个独立分量则为河北南部与农业灌溉密切相关的地下水半年信号，相关系数为-0.85；此外，第4个独立分量反映了太行山前季风降水和蒸发对地下水的影响。

图2地下水变化前4个独立分量的时间分量（Temporal Component，TC）和空间响应（Spatial Pattern，SP）

图3地下水独立分量与潜在驱动因素的相关性分析

根据地下水的年内分布状况（图4），以7月和8月为分界点将地下水时间序列划分为三个阶段。其中，第一阶段（1-7月）地下水快速枯竭是煤矿开采和农业灌溉共同作用的结果；第二阶段（7-8月）地下水的快速回升得益于强降雨的补充，灌溉压力大大缓解；第三阶段（8-11月），尽管农业灌溉和煤矿开采耗水量增加，但由于雨季降水的积累，地下水损耗程度有限，呈缓慢下降趋势。总体而言，不均匀的降水、强烈的季节性蒸发、以及大范围的煤矿开采和农业灌溉等因素在不同时间节点共同制约着地下水的增加和减少。

图4地下水及驱动因素年内分布时间序列，（a）月尺度，（b，c，d）月平均，（e）季节尺度，（f）季节平均

该研究成果发表于国际水文科学领域的学术期刊《Journal of Hydrology》，研究工作获得了国家自然科学基金项目（42061134010和41974002）的资助。

论文引用：

Feng, T., Shen, Y., Chen, Q., Wang, F., Zhang, X. (2022). Groundwater storage change and driving factor analysis in North China using independent component decomposition. J. Hydrol., 609, 127708, doi: 10.1016/j.jhydrol.2022.127708.