基于形态计量与地理空间分析的穆西河流域地下水回灌优先区划研究：以印度特伦甘纳邦为例

《Results in Earth Sciences》：Prioritizing Groundwater Recharge Zones through Morphometric and Geospatial Analysis: A Case Study of the Musi River Basin,Telangana, India

本研究针对印度特伦甘纳邦穆西河流域地下水严重枯竭问题，通过RS/GIS技术结合形态计量分析（WSA、PCA、AHP），首次系统评估了8个子流域的地下水回灌潜力。结果表明MSB-7子流域回灌潜力最高（适宜性指数2.79），约47%流域面积属"优-良"回灌区，为半干旱区水资源管理提供了科学依据。

　　

在印度特伦甘纳邦的半干旱地区，穆西河流域正面临着严峻的水资源危机。快速的人口增长和城市扩张导致地下水需求激增，加之气候变化带来的降雨不确定性，使得该地区地下水水位持续下降。尤其令人担忧的是，流域内不同区域的地质构造复杂——从太古宙花岗岩基底到普罗terozoic沉积岩，再到德干玄武岩，这些岩层对地下水的储存和运动具有截然不同的控制作用。如何在这种复杂地质背景下精准识别地下水回灌的优先区域，成为当地水资源管理者亟待解决的科学难题。

传统的水资源评估方法往往依赖于有限的地面观测数据，难以全面捕捉流域尺度的空间异质性。而随着遥感技术和地理信息系统的发展，科学家们开始探索通过地表形态特征来间接推断地下水回灌潜力的新途径。形态计量学作为研究地表形态定量特征的学科，为这一挑战提供了创新性的解决方案。正是基于这样的背景，研究人员在《Results in Earth Sciences》上发表了这项针对穆西河流域的深入研究。

本研究采用了多技术融合的研究策略。首先利用30米分辨率的ASTER数字高程模型（DEM）提取流域边界和排水网络，将整个穆西河流域划分为8个子流域（MSB-1至MSB-8）。随后计算了11个关键的形态计量参数，包括排水密度（D_d）、河流频率（F_s）、分叉比（R_b）等线性参数，以及形状因子（R_f）、伸长比（R_e）等面状参数，还有盆地起伏度（H）、起伏比（R_r）等 relief 参数。研究创新性地结合了加权求和分析（WSA）、主成分分析（PCA）和层次分析法（AHP）三种统计方法，通过相关性矩阵确定各参数的权重，最终构建了地下水回灌优先指数（GRPI）。为验证结果的可靠性，还进行了单因素方差分析（ANOVA）和Kruskal-Wallis检验。

Stream order

通过Strahler分级法确定穆西河流域最大河流等级为7级，其中MSB-3子流域达到6级，显示其水文复杂性最高。河流等级分布反映了流域发育成熟度和潜在径流行为的空间差异。

Stream number

MSB-3子流域拥有最多的河流段（826条），而MSB-7最少（249条）。河流密度高的区域通常表明地表渗透性差，不利于地下水回灌。

Stream length

各子流域总河流长度在553.97公里（MSB-7）至2082.53公里（MSB-3）之间。MSB-4子流域出现高等级河流长度大于低等级的反常现象，可能与硬岩地形和中等坡度有关。

Bifurcation ratio

平均分叉比（R_bm）范围为3.84（MSB-3）至6.58（MSB-2）。较低的分叉比表明排水系统发育受构造干扰小，岩性相对均一。

Length of overland flow

MSB-7子流域具有最长的地表流径长度（0.23公里），表明较缓的地形坡度和较高的入渗潜力，是理想的地下水回灌区。

Drainage density

排水密度值在0.671公里/公里²（MSB-7）至0.799公里/公里²（MSB-3）之间。低排水密度区域通常对应渗透性好的土壤和植被覆盖良好的地形。

Drainage texture

所有子流域的排水纹理值均大于4，属于粗纹理类别，表明研究区普遍具有缓坡、低起伏和中等渗透性的地下条件。

Stream frequency

河流频率值在0.302条/公里²（MSB-7）至0.317条/公里²（MSB-1）之间。低值区域表明地形相对平坦，植被覆盖好，入渗潜力大。

Elongation ratio

伸长比值为0.3-0.6，表明所有子流域均呈伸长形状，这种形态有利于延长汇流时间，增加地下水回灌机会。

Circularity ratio

圆度比值为0.383（MSB-4）至0.590（MSB-3）。MSB-3的近圆形盆地形状表明其排水效率较高，径流响应较快。

Form factor

形状因子值为0.106-0.249，进一步证实了所有子流域的伸长特性，这种形状有助于减缓洪峰流量，延长入渗时间。

Basin relief

盆地起伏度在218米（MSB-7）至503米（MSB-1）之间，反映了不同子区域的地质结构、岩性组成和侵蚀过程的差异。

Relief ratio

起伏比值较高的子流域（如MSB-1）对应较陡的坡度，地表径流较快，地下水回灌潜力较低。

Ruggedness number

崎岖度数值在0.146（MSB-7）至0.357（MSB-1）之间，MSB-1的高值表明其地形粗糙度和侵蚀潜力较大。

Prioritization of sub-basins

通过加权求和分析，MSB-7子流域被确定为最高优先回灌区（优先指数2.79），其次为MSB-8（3.05）。MSB-1和MSB-3因高起伏度和高崎岖度被列为低优先区。约47%的流域面积属于"优-良"回灌类别。

Principal component analysis

主成分分析提取了三个主要成分：PC1（33.29%方差）与排水密度、河流频率和排水纹理相关；PC2（32.69%方差）与起伏相关的参数相关；PC3（22.12%方差）与盆地形状几何参数相关。分析确认盆地起伏是最敏感和影响最大的形态计量参数。

研究结论表明，形态计量特征对穆西河流域地下水回灌潜力具有显著影响。MSB-7和MSB-8子流域由于具有较低的排水密度、较缓的坡度以及伸长的盆地形状，展现出最高的回灌潜力。这些区域适合建设拦河坝、渗滤池等人工回灌设施。研究还发现，在硬岩地区，地下水流与地表地形密切相关，最终贡献于低海拔河流通道的基流。

该研究的创新之处在于将WSA、PCA、AHP和ANOVA多种统计方法有机结合，建立了可靠的地下水回灌潜力评估框架。这不仅为穆西河流域的水资源管理提供了具体指导，也为全球类似半干旱硬岩地区的水资源规划提供了可借鉴的科学方法。研究强调，地貌学分析可以作为区域水资源规划的有效工具，指导人工回灌措施的定位和设计，支持特伦甘纳邦等半干旱地区的可持续地下水管理。