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地下水是自然界中存在的重要的水体，是农业灌溉、城市生活用水、工业发展等重要的水源，与人类生活及社会经济发展息息相关。西北干旱区地处内陆地区，远离海洋，伴随青藏高原的隆升，大陆性季风气候形成，干旱少雨。该区域降水量少，蒸发量大，地表水资源有限，为满足当地的社稷民生，地下水成为该地区主要供水来源。随着人类社会发展，人民生活水平提高，对地下水需求量也越来越大，目前已经出现地下水资源量被超采利用和不合理开发利用的现象，水资源短缺问题亟待解决。黑河流域是西北干旱区典型内陆河流域，整个流域水资源量有限，时空分布不均，上中下游用水矛盾突出，地下水是该流域重要用水来源。合理开发利用地下水资源，首先需要清楚了解地下水动态与平衡。地下水动态受自然因素和人为因素共同制约，复杂多变的自然地理条件，加之黑河流域地势起伏复杂，使得其地下水动态难以把握。目前多通过钻孔打井来实际调查地下水动态情况。由于地形复杂多变和其它客观条件限制，整个黑河流域地下水监测井网稀疏，分布不均，长时序监测地下水变化，耗时耗力。并且单点实测地下水动态资料信息只能反映单点的地下水变化情况，通过有限且分布不均的井网资料难以精确反映流域尺度上地下水资源量的时空变化。
GRACE重力卫星的诞生为监测流域尺度地下水变化，提供了一种方便切实有效的方法。结合流域气象资料进行特征分析，然后对比分析不同产品数据结果，最后结合辅助水文数据，根据水量平衡方程推估得到流域地下水时空动态变化。本文主要研究内容包括:选定GRACE重力卫星数据处理流程，确定数据处理方法;基于GRACE重力卫星反演水储量变化原理，得到黑河流域水储量变化;考虑流域函数，分析对黑河流域GRACE反演结果影响;由黑河流域降水和蒸散发量，根据流域水量平衡方程，合成黑河流域水储量变化量;对比分析水储量产品数据，本文反演结果与黑河流域合成水储量变化;利用GRACE重力卫星数据推估黑河流域中上游地下水变化，与实测资料结果比对，进而反演得到整个流域地下水时空变化，进行特征分析。
本文主要研究成果包括:考虑流域函数，对于GRACE反演黑河流域水储量变化结果精度没有显著改善，说明黑河流域信号泄露现象微弱。对比不同来源水储量变化产品数据，得出本文反演结果和德克萨斯大学公布CSR-RL04全球陆地水储量变化产品数据在黑河流域精度较高。本文GRACE反演结果、德克萨斯大学公布的CSR-RL04均与黑河流域合成水储量变化较吻合，目前采用数据处理算法可行，黑河流域水储量变化结果有效。黑河流域水储量在时序上存在显著季节变化特征，夏季水储量增加，冬季水储量减少，在研究时序内整体呈上升趋势;水储量在空间上受流域降水和地形影响显著，上、中游水储量增加，下游水储量部分地区较少，部分增加。黑河流域地下水的时空变化特征为:时序上2003-2004年间减少且幅度逐减，2005年夏季地下水资源量增加较多，之后地下水资源总量开始减少，至2008年处于平衡态;空间上流域局部变化波动较大，上游在2003-2004年间减少，2005年相对年均含量轻微增加，2006年处于平均值状态，2007-2008年稍微上升;中游在2005年略微上升，之后三年下降;下游地下水含量在六年中整体呈上升趋势。