埃塞俄比亚西北部古纳山（Mount Guna）的时空地下水补给量估算

《Journal of Hydro-environment Research》：Spatio-temporal groundwater recharge estimation of Mount Guna, Northwest Ethiopia

时空分布下山地地下水补给机制研究——以埃塞俄比亚Guna山为例。采用WetSpass模型、水位波动法与氯离子平衡法进行多方法验证，年补给量达409毫米，占年降水27%。揭示山地地形与气象数据校正对补给估算的关键影响，证实WetSpass模型在复杂山地环境下的适用性，并建立气候变异性与补给空间分异的关系模型。

　　### 水文研究：对Mount Guna地区地下水补给的多方法分析

在非洲东北部，Mount Guna位于埃塞俄比亚的西北部，其水文特征对当地水资源管理和气候变化适应策略具有重要意义。Mount Guna是埃塞俄比亚高原的一部分，作为高耸的火山构造，它在区域水循环中扮演着关键角色。该地区受到地形效应的影响，年均降雨量约为1524毫米，而地下水补给占年均降雨量的27%。本研究旨在评估Mount Guna地区的地下水补给过程，结合了三种不同的方法：WetSpass水文模型、水位波动法（WTF）和氯化物质量平衡法（CMB），并利用实地观测数据和遥感技术进行模型校准与验证。

#### 1. 地形与水文特征

Mount Guna地区位于埃塞俄比亚高原，其复杂的地形和地质条件使得地下水补给的估算变得尤为重要。由于其海拔高度和地形特征，Mount Guna接收了大量降雨，并通过补给和延迟径流为上游和下游地区提供淡水。该地区的主要地质构造包括火山凝灰岩和玄武岩，这些地质条件影响了水文过程的分布与特性。地形的多样性使得降雨的分布呈现出明显的空间差异，这种差异需要在水文模型中加以考虑。

#### 2. 气候条件与水文响应

Mount Guna的气候条件具有显著的季节性特征。降雨主要集中在夏季，而冬季相对干旱。温度在13摄氏度左右，表现出明显的季节变化。这种温度变化与蒸发量密切相关，因此对水文过程有重要影响。在研究期间（2018-2020年），降雨量和蒸发量的分布对地下水补给具有显著影响，特别是在不同月份之间，水文响应表现出明显的波动。例如，8月份的降雨量最高，达381毫米，而1月份最低，仅为8毫米。这种季节性降雨分布与蒸发量的动态变化，为模型输入提供了关键信息。

#### 3. 水文模型的应用

WetSpass模型是一种基于物理原理的空间分布式水文模型，能够模拟长期平均的水文平衡。该模型在多个研究区域被广泛应用于评估地表和地下水资源。在Mount Guna地区，WetSpass模型被用来估算地下水补给，而其校准过程基于观察到的六条河流的平均径流数据。为了提高模型的准确性，研究团队还开发了一种回归方程，用于校正气象输入数据，以减少地形对补给估算的影响。这种回归方程考虑了不同月份的降雨、温度和潜在蒸发量与海拔之间的关系。

#### 4. 水位波动法（WTF）的估算

水位波动法是一种常用的地下水补给估算方法，尤其适用于浅水位和水位变化明显的地区。在Mount Guna，该方法被用于估算地下水补给，并结合了五个监测井的数据。研究团队通过分析水位变化与降雨事件之间的关系，得出不同监测井的补给量。然而，这种方法受到特定产水量和降雨事件频率的限制，因此需要结合其他方法进行交叉验证。监测井的数据表明，补给量在不同地点之间存在显著差异，这反映了地形、土壤类型和土地利用等因素的复杂相互作用。

#### 5. 氯化物质量平衡法（CMB）的估算

氯化物质量平衡法是一种基于化学分析的地下水补给估算方法。它假设氯离子是保守的，并且是唯一的水源。在Mount Guna，研究团队通过实验室分析获得了降雨和地下水的氯离子浓度，并利用这些数据计算补给量。这种方法能够提供较为精确的补给估算，但受到土壤类型和降雨模式的影响。例如，某些地点由于土壤渗透性较高，导致氯离子浓度较低，从而影响补给量的估算。

#### 6. 研究结果与分析

通过三种方法的估算，Mount Guna的年均地下水补给量在357毫米至417毫米之间。WetSpass模型的估算值为409毫米，与WTF和CMB方法的结果存在一定的差异。这种差异可能源于不同方法对水文过程的假设和模型参数的校正方法。研究团队还发现，WetSpass模型在估算不同月份的补给量时表现出较强的精度，特别是在雨季和旱季之间，补给量的变化与降雨量和蒸发量密切相关。

#### 7. 模型的验证与应用

为了验证WetSpass模型的可靠性，研究团队将其估算结果与WTF和CMB方法的结果进行了比较。通过交叉验证，模型的估算结果显示出较高的相关性，表明其在Mount Guna地区的适用性。此外，研究还发现，地形对模型输入数据的影响需要进行校正，以提高估算的准确性。这种校正方法为未来在类似地形条件下的研究提供了参考。

#### 8. 研究意义与展望

本研究对Mount Guna地区的地下水补给进行了系统分析，揭示了该地区地下水补给的空间和时间分布特征。研究结果不仅有助于理解Mount Guna的水文过程，还为类似地形条件下的水资源管理提供了科学依据。未来的研究可以进一步结合卫星数据，以提高空间分辨率和模型的适用性。此外，本研究也强调了多方法结合在复杂地形条件下估算地下水补给的重要性，为其他类似地区的研究提供了借鉴。