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为解决中国地下水位数据缺乏及区域观测时间连续性不足问题，研究人员基于《中国地质环境监测地下水水位年鉴（2005 - 2022）》构建监测数据库。经处理得到 1km 分辨率月地下水位数据，验证其准确性高，为相关研究和水资源管理提供支撑。
地下水，作为地球水文循环的重要基石，是地球上最大的未冻结淡水资源库。它在维持生态系统的平衡以及保障人类的生存方面，发挥着不可替代的关键作用。从广袤的农田灌溉，到工厂机器的运转，再到人们日常生活的用水，地下水无处不在。然而，随着全球人口的持续增长、灌溉农业区域的不断扩张以及经济的飞速发展，对地下水的需求也在与日俱增。这种过度的需求引发了一系列棘手的环境和社会问题，比如地面沉降、空气质量恶化等。
地下水水位的波动，如同地球水资源的 “晴雨表”，是反映地下水运动和整体状况的关键指标。长期对其进行监测，能够帮助人们深入了解特定区域内地下水的形成、分布以及运动规律，进而为地下水资源的科学评估、合理利用，以及工农业发展规划和居民生活布局，提供坚实的科学依据。因此，准确监测和深入分析地下水水位的变化，对于以公平、可持续且经济合理的方式管理有限的地下水资源来说，至关重要。
尽管全球地下水水位数据主要来源于监测井和重力恢复与气候实验（GRACE）卫星，但这两种数据来源都存在一定的局限性。GRACE 卫星虽然能够在全球尺度上观测地下水水位变化，但其空间分辨率较低，通常只有几千米，这大大限制了它在局部或小区域水资源管理中的直接应用。而从观测井获取的地下水水位数据虽然精度较高，但全球范围内的观测井数据存在分布不均、更新周期不一致、监测网络维护的密度和质量参差不齐等问题。在中国，已有的地下水水位数据集也存在诸多不足，像中国生态系统研究网络地下水水位数据集（2005 - 2014），虽然在一定程度上记录了中国典型生态系统的地下水水位情况，但数据密度较低；其他一些数据集则主要集中在较小的流域，且时间跨度较短、更新频率较慢。总体而言，现有的全球地下水水位数据集差异较大，中国区域数据在准确性和时间连续性方面尤为欠缺，难以满足相关研究的需求。
为了填补中国地下水位数据的空白，提高区域观测的时间连续性，天津师范大学、中国水利水电科学研究院等多家单位的研究人员展开了深入研究。他们以《中国地质环境监测地下水水位年鉴（2005 - 2022）》为基础，经过长期的数据整理和分析，构建了一个涵盖全国范围的地下井观测站点监测数据库。该数据库包含 11,911 个监测点和 4,275,506 条观测记录，每个站点每月平均有 5 次观测数据。这项研究成果发表在《Scientific Data》上，为深入探究中国地下水资源的动态变化提供了宝贵的数据支持。
研究人员在构建数据库时，主要运用了以下关键技术方法：
- 数据处理：年鉴中的数据最初存储的时间分辨率为每日，但由于部分监测站受设备等因素限制，无法保证每日数据完整。研究人员通过计算每个监测站每月监测数据的平均值，得到每月地下水水位数据，有效解决了数据缺失导致的不连续问题，确保了数据的稳定性和可靠性。计算公式为xi=ni1∑j=1nixij，其中xˉi是第i个月的月平均值，xij代表该月第j天的地下水位数据，ni表示该月的天数 。
- 空间插值：对于未直接监测的区域，研究人员采用逆距离加权法（IDW）进行插值。这是一种常用的地理空间插值技术，通过计算待测量点与实际测量点之间的距离，并根据距离的倒数进行加权，从而推断未知区域的数据。相关公式为Z^(s0)=∑i=1NλiZ(si)，λi=∑i=1Ndi0?pdi0?p，且∑i=1Nλi=1。在 Python 环境下进行插值时，研究人员根据站点数据分布特点，将幂次设为 3，平滑因子设为 0.6，并选取 10 个最近邻采样点参与插值，以提高插值结果的准确性 。
研究结果
- 插值结果展示：通过对不同时间频率的监测数据进行恢复和插值，研究人员得到了全国范围的月地下水位网格数据。对比 2005 年 1 月和 2020 年 1 月的数据发现，IDW 插值方法能够清晰地呈现中国地下水位的空间分布情况。随着监测站点数量的增加，插值效果显著提升。低水位区域主要集中在东部沿海地区，而高水位区域则多分布在西南部地区。从统计直方图来看，插值结果的频率分布与原始数据趋势一致，虽然插值后数据量大幅增加，但均值和标准差与原始数据仅有细微差异。此外，莫兰指数（Moran’s index）分析表明，2005 年和 2020 年的地下水位数据都呈现出较强的正空间自相关性，说明地下水位的空间分布具有一致性和规律性 。
- 插值准确性评估：研究人员根据行政区划和监测站密度，将研究区域划分为三个区域进行验证。结果显示，三个区域的回归系数和R2值都接近 1，表明重建水位与实测水位之间存在显著的线性关系，模型能够较为准确地预测地下水位。尽管研究区域范围广、地下水位波动大（-100 - 4500m），但三个区域的均方根误差都在可接受范围内，说明经 IDW 处理后的地下水数据在不同地理和环境条件下都具有良好的可靠性。在华北平原进行的补充精度测试进一步验证了数据集的科学性和合理性，该区域监测站密集，大部分水位误差集中在 0.03m 以内，R2值达到 0.99，均方根误差为 0.398 。
研究人员构建的 2005 - 2022 年中国地下水位观测网格数据集，有效解决了中国地下水位数据缺乏和区域观测时间连续性不足的问题。通过一系列的数据处理和验证，证明了该数据集具有较高的准确性和可靠性。这一成果为深入研究中国地下水资源的动态变化规律提供了坚实的数据基础，有助于科研人员进一步探究地下水与地表生态系统的相互作用机制，也为水资源管理部门制定科学合理的水资源保护和利用策略提供了有力的支持，对推动中国水资源的可持续发展具有重要的现实意义。同时，该研究方法和数据集也为其他地区开展类似研究提供了有益的参考和借鉴，有望促进全球地下水资源研究领域的共同发展。
