基于AHP-GIS模型的埃及苏伊士湾西岸旱区地下水潜力评估——以阿拉伯谷盆地为例

本综述系统整合了地理信息系统（GIS）与层次分析法（AHP）模型，在埃及阿拉伯谷盆地这一典型干旱区，通过十项主题图层（如降雨、坡度、线密度等）的加权叠加，首次绘制了地下水潜力分区图。研究验证了该模型78.7%的预测精度，为类似干旱区在水文数据稀缺背景下实现地下水可持续管理提供了科学依据与实用工具。

　　

引言

在埃及阿拉伯谷这样的干旱地区，水资源短缺是一个重大挑战，其驱动因素包括复杂的水文地质环境和有限的实地数据，而生活、农业和工业用水需求却在持续增长。阿拉伯谷盆地向西流入苏伊士湾，形成了一个轻微的扇形三角洲，将内陆的补给运动与沿海的沉积和水文活动联系起来。

研究方法

阿拉伯谷的地下水补给潜力是通过在地理信息系统（GIS）框架内应用层次分析法（AHP）进行绘图的，这也是本研究的目标。研究使用ArcGIS 10.8软件，对十个主题图层进行加权并合并，生成了一幅显示地表、气候和构造如何影响地下水潜力的地图。这些图层包括高程、坡度、土地利用/土地覆盖（LULC）、排水密度、土壤、线密度、地质、气温、降雨和地表温度。所有栅格和矢量图层均使用ArcGIS 10.8的功能重采样至30米分辨率。通过构建成对比较矩阵并计算一致性比率（CR<0.1）确保了权重分配的可靠性。

研究区域与数据

研究区域阿拉伯谷位于埃及东北部沙漠，面积约2800平方公里，气候干旱，降雨稀少且不规则，主要集中在冬季。该地区依赖复杂的含水层系统供水，主要包括努比亚砂岩含水层系统（NSAS）、碳酸盐岩含水层等。地质构造上，该盆地受红海裂谷作用的控制，发育有西北-东南、南北和东西向等多组断裂系统，这些构造深刻影响着地下水的运移和储存。研究利用了SRTM数字高程模型（DEM）、Esri Sentinel-2土地覆盖数据、地质图、土壤分类数据以及来自CRU TS v4.07和NASA/POWER CERES/MERRA-2的气候数据（如2000-2020年的降雨、湿度、气温）。

关键参数分析

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  降雨与气候：年降雨量在12.26毫米（西部）至46.69毫米（东部）之间变化，冬季降雨最多，夏季几乎为零。比湿度和气温（地表温度与2米高处气温）显示出明显的季节性波动，夏季最高，冬季最低，这些因素影响着蒸发和土壤水分动态。
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  地形与水文：高程范围从-4米到1481米。坡度影响着径流和入渗，平缓地区更利于地下水补给。利用DEM生成了流向、汇流累积量、流域边界和排水网络图。流域面积达4193.391平方公里，流域长度约96.837公里。排水密度较低的区域通常意味着更高的入渗潜力和地下水潜力。采用Strahler方法对河流进行分级，总河长达7728.55公里，其中一级河流数量最多（4153条），长度也最长（3667.28公里）。
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  地质与土壤：该地区地质历史从前寒武纪基底岩石到新生代沉积层，岩性多样。线密度分析揭示了主要的西北向构造趋势，较高的线密度通常与较高的渗透性和地下水潜力相关。土壤类型主要包括钙质冲积土、疏松粗骨土等，其渗透性差异显著，影响着入渗能力。
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  土地利用/土地覆盖（LULC）：土地覆盖类型以裸地（1379.2 km2）和牧场（2811.98 km2）为主，不同的覆盖类型通过影响蒸发、入渗和地表径流来影响地下水补给。

结果与讨论

地下水潜力分区图将研究区划分为三个潜力等级：低潜力区（占28.45%），主要分布在盆地北部和南部；中等潜力区（占56.9%），位于中部和西部地区；高潜力区（占14.65%），集中在盆地东北部靠近苏伊士湾的区域。这些分布模式与坡度、土壤渗透性、降雨量以及排水和线密度等结构要素的变化相吻合。高潜力区通常与较平缓的坡度、较高的线密度、有利的岩性（如裂隙发育的碳酸盐岩、砂岩）以及较低的排水密度相关。

模型验证

使用13个经过实地验证的泉水和水井位置，通过受试者工作特征曲线（ROC）和曲线下面积（AUC）分析来检验所划分区域的准确性。结果表明，预测精度为78.7%（AUC = 0.787），证明了AHP-GIS集成方法在识别阿拉伯谷地下水潜力区方面的有效性。实地核查也支持了遥感得出的结果。

定量形态分析

对阿拉伯谷盆地的形态测量分析揭示了其有利于地下水补给的特性。巨大的盆地面积（4193.39 km2）和较长的水流路径（最长流程131.676公里）为降水入渗提供了充足的机会和时间。相对较小的平均盆地宽度（43.3公里）反映了其 elongated 的轮廓，这有助于减少径流，增加入渗。密集的河流网络（总长度7728.55公里）进一步促进了水分的分散和渗透。

研究意义与局限性

本研究首次在阿拉伯谷盆地应用AHP-GIS方法进行地下水潜力分区，为在类似干旱地区、野外数据有限的情况下规划可持续地下水利用提供了极好的基础。研究成果对于该地区正在进行的城市发展（如新加拉拉城）和农业扩张中的水资源管理具有实际指导意义，有助于确定钻井优先区域。然而，研究也存在局限性，例如对遥感衍生数据的依赖，以及静态权重可能无法完全捕捉水文动态。未来研究建议结合更多地球物理勘探、钻孔数据和水流模拟（如MODFLOW），并评估气候变化对地下水可持续性的影响，以进一步提高评估的准确性。

结论

本研究成功地将GIS与AHP模型相结合，对埃及阿拉伯谷盆地这一干旱区的地下水潜力进行了有效评估和分区。结果表明，东北部地区具有最高的地下水开发潜力。该研究方法可靠，预测精度令人满意，为干旱区水资源管理提供了科学依据和实用工具。研究成果可直接应用于指导该地区的地下水勘探、可持续开采和土地利用规划。未来的工作应侧重于更广泛的实地验证、含水层动态模拟以及气候变化情景下的水资源可持续性评估。