预计气候变化对分隔式山区源头基岩含水层中地下水与地表水连通性的影响

《Water Resources Research》：Projected Climate Change Impacts on Groundwater–Surface Water Connectivity in a Compartmentalized Mountain Headwater Bedrock Aquifer

基于三维地下水模型预测山区源头气候变化导致溪流间歇性加剧，预计2040年约半数溪流面临干旱威胁，陡坡区域脆弱性显著。

　　近年来，随着全球气候变化的加剧，山地头水区域及其依赖地下水的生态系统的变化成为了水资源管理和生态保护领域的重要议题。山地头水区域通常位于高海拔地区，其地形陡峭、水文条件复杂，地下水在维持这些区域的河流和泉水流量方面发挥着关键作用。然而，由于缺乏地下水观测数据和适应性建模策略，预测这些区域对气候变化的响应仍然是一个挑战。本文介绍了一种新的水文建模框架，能够量化和预测未来条件下地下水对山地头水泉水和河流的排放变化。通过应用一个基于过程的三维地下水流动模型，研究团队对法国比利牛斯山脉的Saint-Barthélemy地区一个4平方公里的结晶山地流域进行了模拟。在缺乏井点数据的情况下，他们利用地表数据，包括河流网络和流量测量数据，校准了地下水的渗透系数、特定储存系数及其随深度衰减的特性，成功再现了该区域典型的分隔式含水层结构，包括泉水位置、河流和湿地的扩展与收缩，以及流域的水文动态。

该模型结合了IPCC（政府间气候变化专门委员会）的三种代表性浓度路径（RCP）情景，包括RCP2.6（低排放情景）、RCP4.5（中等排放情景）和RCP8.5（高排放情景）。模拟结果表明，到2040年，当前水文网络的一半将经历较干的低流量条件，许多上游泉水可能干涸。预测的水位下降将重新组织地下水流路径，从而改变含水层的响应时间，这种变化受到当地地貌和地形的强烈影响。山脊主导和陡峭的子流域特别容易受到水文断连的影响，这将威胁下游富含生物多样性的泥炭地。这一可复制的框架为预测山地头水区域的水可用性变化提供了强有力的工具，为可持续的土地管理和地下水依赖生态系统的适应性保护提供了关键指导。

研究区域的地理和地质特征对地下水的流动具有显著影响。Saint-Barthélemy地区由前寒武纪、元古界和上元古界岩石构成，受到海西造山运动和寒武纪伸展以及阿尔卑斯造山运动的塑造。基岩区以结晶岩为主，研究的头水流域包括四种主要岩石类型：混合片麻岩（前寒武纪）、泥质云母片岩（寒武纪）、石英云母片岩和蚀变岩（志留纪）以及砂岩、片岩和石灰岩（古生代）。此外，该地区还分布有第四纪的碎屑堆积、冲积物和滑坡堆积等表层沉积物。这种地质条件导致地下水流动主要依赖于浅层和深层流路径，且在陡峭地形中，含水层的渗透性和储水能力随深度呈现指数衰减。

为了更准确地模拟地下水流动，研究团队采用了基于过程的三维地下水模型，结合了水文网络地图和流量数据进行校准。通过使用几何特征分析（geomorphons）方法，他们对流域内的地形进行了分类，包括山脊、山谷等不同地貌特征。这些地貌特征对地下水的流动路径和存储能力具有重要影响。此外，该流域的植被覆盖情况，包括草地、自然牧场、落叶林、灌木植被、稀疏植被、裸露岩石和灌木地等，也对地下水的补给和流失具有调节作用。

在建模过程中，研究团队采用了MODFLOW-NWT模型，该模型基于MODFLOW-2005的改进版牛顿公式，结合了三维有限差分方法。模型的水平离散化采用了数字高程模型（DEM）的正则网格，垂直方向则通过指数增加的方式划分了10个层，深度从地表到含水层底部（海拔1000米）逐步增加。这种离散化方式有助于更准确地捕捉地下水流动的复杂性，同时避免了对井数据的依赖。模型中的含水层被划分为均匀和非均匀两种类型，其中非均匀类型反映了渗透性和储水能力随深度衰减的特征。通过这种方式，研究团队成功再现了研究区域的水文网络动态，并能够预测未来水文条件下的变化趋势。

研究团队还对不同模型参数进行了校准，以提高模型的预测能力。通过将模拟的水文网络与实际观测数据进行对比，他们优化了含水层的渗透系数和特定储水能力。优化的模型在模拟水文网络的扩展和收缩动态方面表现良好，能够准确再现泉水和河流的流量变化。此外，模型还能够捕捉到水位下降对含水层响应时间的影响，从而预测未来水文网络的变化。模型的校准过程基于历史观测数据，包括流速和水位的变化，以及流量时间序列。通过这种方式，研究团队获得了最佳的模型参数，使模型在模拟水文网络的动态变化方面具有较高的精度。

研究结果表明，未来气候变化将显著影响山地头水区域的地下水流动和水位变化。根据模拟，到2040年，约一半的水文网络将经历较干的低流量条件，许多上游泉水可能干涸。随着全球变暖，降雪量减少，降雨增加，这将改变水文网络的结构和流量分布。同时，水位下降将重新组织地下水流路径，使得水文网络的扩展和收缩动态发生改变。这些变化对下游的湿地生态系统，特别是泥炭地，将产生深远影响。泥炭地在生态、水文和文化上都具有重要价值，但其独特的水文功能仍需进一步研究。因此，建立一种能够预测这些变化的模型，对于保护这些生态系统和合理管理水资源至关重要。

在模拟过程中，研究团队还分析了不同气候情景下的水文网络动态变化。他们发现，在RCP8.5高排放情景下，水文网络的断连现象将更为显著，这可能导致下游生态系统的退化和生物多样性的下降。同时，研究还强调了地形对地下水流动路径的影响，特别是在陡峭的山脊和山谷区域，地形变化将显著改变地下水的流动和存储。这些发现为未来山地水文网络的预测提供了新的视角，并为生态保护和水资源管理提供了科学依据。

此外，研究团队还对地下水流动的特征时间尺度进行了分析。他们发现，水位变化和流速变化之间存在非线性关系，而这种关系受到含水层储水能力和流速变化的双重影响。在RCP8.5情景下，由于降水量减少，水位下降，流速变化的响应时间将显著延长。这表明，在高排放情景下，地下水系统的响应将变得更加缓慢，导致水文网络的扩展和收缩动态发生改变。这种变化可能对生态系统的稳定性产生负面影响，特别是在依赖地下水维持流量的湿地和河流生态系统中。

最后，研究团队讨论了模型的局限性和未来研究方向。虽然当前模型能够有效预测山地头水区域的水文网络动态，但其对局部地貌特征的模拟仍存在一定的简化。例如，模型未能充分考虑河流床的渗透性异质性对地下水-地表水连接的影响。未来的研究可以进一步细化模型，以提高其对复杂水文过程的再现能力。此外，研究团队还建议将该模型应用于其他类似区域，以更全面地了解不同地貌和含水层系统对气候变化的响应，从而为可持续水资源管理和生态系统保护提供科学支持。