墨西哥拉巴斯潮汐流域综合地表水-地下水水文系统中过渡性淡水-咸水环境的评估

《Environmental Modelling & Software》：Transitional fresh-saltwater assessment in the integrated surface-groundwater hydrology of the regulated La Paz tidal watershed in Mexico

针对墨西哥瓜纳胡塔奥大学博士项目中的沿海干旱区水资源稀缺问题，本研究采用MELEF-FSW准三维有限元模型，系统评估了潮汐、海平面上升、气候变异和人为活动对淡水-咸水交互作用的影响。模型经1995-2017年验证，地下水水位R2达0.98，RMSE为6.49米，揭示了尽管山区补给恢复，咸水入侵仍因极端气候和海平面上升持续加剧，城市供水泄漏可局部缓解入侵，而农业区过度开采则加剧入侵。该模型为沿海地区可持续水资源管理提供了高效工具。

　　在全球范围内，水资源安全正面临前所未有的挑战，尤其是在干旱和沿海地区。随着人口增长、经济发展以及气候变化的影响，沿海含水层的盐水入侵问题日益严重，威胁着当地淡水资源的可持续性。盐水入侵是指海水通过地下水系统向陆地推进的现象，通常发生在沿海地区，由于海水密度大于淡水，形成盐水楔，逐渐向内陆扩散。这种现象不仅影响地下水的可用性，还可能导致井水盐度升高，进而影响农业灌溉、工业用水和居民饮用水安全。在干旱沿海流域，盐水入侵尤为严重，因为它会加剧淡水资源的短缺，同时对生态系统的健康构成威胁。

本研究聚焦于墨西哥下加利福尼亚半岛的拉巴斯流域，这是一个典型的盐水入侵严重区域。拉巴斯流域的盐水入侵问题自20世纪80年代初便被记录，随着地下水的过度开采，入侵距离从2006年的6公里扩展到2013年的13公里。这种扩展不仅反映了人类活动对地下水系统的深远影响，也凸显了气候变化和海平面上升在盐水入侵过程中的关键作用。此外，拉巴斯流域不仅是重要的经济中心，还依赖于旅游业、农业和渔业，这些产业对水资源的需求进一步加剧了盐水入侵的风险。

为了更好地理解和预测盐水入侵的动态过程，研究团队采用了一种综合性的建模方法，即MELEF-FSW模型。该模型是一种准三维有限元模型，能够在不同类型的流域系统中模拟地表和地下水流的运动。与传统的三维密度依赖模型相比，MELEF-FSW模型通过将水流在垂直方向上进行平均化处理，显著提高了计算效率，同时保留了对盐水入侵过程的高精度模拟能力。这种模型特别适用于研究沿海流域中淡水资源与海水之间的复杂相互作用，包括潮汐波动、海平面上升、气候变化以及人类活动对地下水系统的干扰。

在模型构建过程中，研究团队首先对拉巴斯流域的水文地质条件进行了详细的调查，包括地下水的补给来源、水流路径、含水层特性以及边界条件。这些数据为模型的校准和验证提供了基础。通过手动校准和验证（1995年至2017年），MELEF-FSW模型在地下水位的模拟中表现出较高的准确性，其决定系数（R2）达到0.98，均方根误差（RMSE）为6.49米。此外，模型在与之前盐水入侵研究的对比中也取得了较好的一致性，R2值为0.64，表明该模型能够有效反映实际水文过程。

研究结果表明，尽管拉巴斯流域的山地地区在近年来经历了水资源的恢复，但沿海地区的盐水入侵仍呈现出持续上升的趋势。这一现象的主要驱动因素包括极端气候事件的频率增加以及海平面上升。极端气候事件，如飓风、风暴潮和干旱，能够显著改变地下水系统的动态平衡，加速盐水的入侵过程。而海平面上升则通过改变地下水与海水之间的压力梯度，进一步扩大盐水楔的范围。值得注意的是，尽管海平面上升对盐水入侵有明显的促进作用，但研究团队发现，某些人类活动，如城市供水系统的泄漏，反而在一定程度上缓解了盐水入侵的程度。相比之下，农业区的高强度地下水开采则加剧了盐水入侵，特别是在拉巴斯流域的南部地区，地下水过度抽取导致水位下降，从而降低了对海水的阻隔能力。

此外，研究还揭示了山地补给在盐水入侵过程中的重要作用。山地地区的降水渗透是地下水补给的重要来源，这些补给水通过地表和地下水流向沿海地区，对维持地下水系统的稳定性具有关键意义。然而，随着城市化和农业扩张的加剧，山地地区的补给能力可能受到干扰，进一步影响沿海地区的水资源安全。因此，如何有效利用山地补给水源，减少对地下水的过度依赖，成为缓解盐水入侵的关键策略之一。

MELEF-FSW模型的应用不仅限于模拟盐水入侵的动态过程，还能够提供关于水文循环的全面信息。该模型能够生成每日的地表和地下水流动数据，以及每个网格节点的地下水和地表水位、盐水和淡水分布、含水层补给、土壤湿度和蒸散发等参数。这些数据对于评估不同区域的水资源状况、预测未来盐水入侵的趋势以及制定相应的管理策略具有重要意义。通过整合地表水和地下水的相互作用，MELEF-FSW模型能够更准确地反映沿海流域的水文过程，为水资源管理提供科学依据。

本研究的另一个重要发现是，传统的水文模型往往忽视了地表水与地下水之间的复杂相互作用，特别是在边界条件的设定上存在简化。例如，许多模型仅考虑固定的水位边界或恒定的潮汐条件，而未能充分反映实际水文过程中的动态变化。MELEF-FSW模型通过引入时间变化的边界条件，能够更真实地模拟潮汐波动和海平面上升对地下水系统的影响。这种动态建模方法不仅提高了模型的准确性，还为研究者提供了更细致的水文过程分析工具。

在实际应用中，MELEF-FSW模型为水资源管理者提供了一种强大的工具，能够帮助他们识别潜在的淡水资源来源，并制定应对盐水入侵的策略。例如，通过模拟不同补给方案对盐水入侵的影响，管理者可以评估是否可以通过增加山地地区的降水渗透来缓解沿海地区的水资源压力。此外，模型还能够帮助管理者理解城市供水系统的泄漏如何影响盐水入侵的程度，从而为优化供水网络提供参考。

研究团队还指出，山地地区的水资源管理对于整个流域的可持续性至关重要。在干旱沿海地区，山地地区的降水补给往往是维持地下水系统稳定的关键因素。然而，随着气候变化和人类活动的加剧，山地地区的补给能力可能受到威胁。因此，加强山地地区的水资源保护和管理，是减少沿海地区盐水入侵风险的重要措施之一。

在模型的校准和验证过程中，研究团队利用了拉巴斯流域丰富的历史数据，包括多个研究项目和政府机构提供的盐水楔演变信息。这些数据不仅验证了模型的准确性，还为研究提供了更全面的背景。通过对比模型输出与实际观测数据，研究团队能够识别模型在哪些方面表现良好，哪些方面仍需改进。这种数据驱动的建模方法有助于提高模型的可靠性，并为未来的研究提供基础。

本研究的成果对干旱沿海地区的水资源管理具有重要的指导意义。首先，它强调了气候变化和海平面上升对盐水入侵的长期影响，提醒管理者需要将这些因素纳入水资源规划的考量之中。其次，它揭示了人类活动，如城市供水泄漏和农业地下水开采，对盐水入侵的复杂作用，表明在制定管理策略时，应综合考虑自然和人为因素的影响。最后，它展示了MELEF-FSW模型作为一种计算效率高、模拟精度好的工具，能够为沿海地区的水资源管理提供科学支持。

此外，研究还指出，尽管MELEF-FSW模型在模拟盐水入侵方面表现出色，但其应用仍面临一些挑战。例如，模型对边界条件的设定依赖于高质量的水文数据，而在许多地区，这类数据可能不完整或存在不确定性。因此，未来的水资源管理需要加强数据收集和共享，特别是在流域尺度上，整合地表水和地下水的监测数据，以提高模型的适用性和准确性。同时，模型的参数设定也需要根据具体的地理和水文条件进行调整，以确保其在不同环境下的有效性。

在应对盐水入侵的策略方面，研究团队建议采取多方面的措施。一方面，应加强地下水的可持续管理，避免过度开采，特别是在农业和工业用水需求较高的地区。另一方面，应优化城市供水系统，减少泄漏损失，提高用水效率。此外，还应推动生态修复工程，如恢复湿地、建设人工湿地等，以增强自然系统的缓冲能力，减少盐水入侵的影响。这些措施不仅有助于缓解当前的水资源危机，还能够为未来的水资源安全提供保障。

总体而言，本研究通过应用MELEF-FSW模型，深入分析了拉巴斯流域盐水入侵的驱动因素及其演变趋势。研究结果表明，尽管某些人类活动可能在一定程度上缓解盐水入侵，但整体趋势仍然严峻。因此，水资源管理需要更加注重长期规划和综合措施，以应对气候变化和人类活动带来的双重挑战。通过科学的建模和数据分析，管理者可以更好地理解盐水入侵的复杂机制，制定有效的应对策略，从而保障淡水资源的可持续利用。