利用共同开发的模型管理法国-比利时跨界含水层中石灰岩地区的地下水资源

《Journal of Hydrology》：Managing groundwater resources in the limestone in the French – Belgian transboundary aquifer using a jointly developed model

中国石炭纪石灰岩跨边界含水层区域三维地下水模型开发及敏感性分析，集成MARTHE有限体积法与GARDENIA水文模块，揭示补给波动、 quarry排水和井 pumping对地下水位的显著影响，特别是在封闭区地下水头受补给率与抽水率双重控制。研究证实短周期抽水变化（如情景2中增加247%抽水量）可快速导致水位下降，而长期补给变化（如气候变暖情景）对水位影响更显著。该模型已支撑中法比三方制定抽水配额协议，为跨边界含水层治理提供科学决策工具。

　　本文探讨了法国-比利时跨境的石炭纪石灰岩含水层的地下水动态及其管理问题。这一含水层覆盖了约1420平方公里，横跨法国、弗兰德（北比利时）和瓦隆（南比利时）。自19世纪以来，该含水层被广泛用于饮用水、农业、工业以及采石场排水。到1990年，抽水量达到每年1亿立方米，导致水位下降高达90米。因此，该研究旨在通过建立一个区域性的三维地下水模型，来预测未来地下水的变化，并为决策者提供科学依据，以协调可持续管理，特别是在日益增加的人类活动压力和气候变化背景下。

研究的核心在于评估特定压力因素对地下水的影响，包括补给、采石场排水和井抽水。研究结果表明，补给的波动对含水层中地下水水位的影响非常显著，尤其是在封闭区域。这说明在中长期管理中，必须在抽水需求与预期补给率之间取得平衡。此外，地下水水位对抽水率的敏感性也值得注意，这使得管理措施的影响能够迅速显现。因此，一个共享的决策支持工具对于跨境含水层的管理至关重要，并且已经成为各方达成协调管理协议的重要基础。

从更广泛的角度来看，地下水作为全球50%以上人口的重要淡水来源，其重要性不容忽视。然而，跨境含水层由于其隐藏的特性，长期以来未受到足够关注。随着各种倡议的推动，如联合国教科文组织和国际水文计划领导的国际共享含水层资源管理（ISARM）项目，这些含水层逐渐进入人们的视野。目前，468个含水层被正式确认为跨境含水层，其管理涉及不同的水文地质和开采背景。这些含水层容易受到不同压力因素的影响，包括数量和质量方面的挑战。此外，由于可能被不同国家或地区以不同的方式开采，这些含水层面临非监管的冲突风险。

为了应对这种复杂性，科学研究和数据共享成为关键。在一些跨境含水层中，已经建立了双边或多边合作机制，以促进数据交换和科学评估。例如，瑞士和法国之间的日内瓦含水层，以及约旦和沙特阿拉伯之间的迪西/萨克-拉姆含水层，都建立了专门的管理协议。而在其他地区，如美国和墨西哥之间的圣克鲁斯含水层，则通过双边协商机制来管理。这些案例表明，跨境含水层的管理需要综合考虑多种因素，包括科学评估、数据共享、行政协调和适应性治理。

本文提到的石炭纪石灰岩含水层是一个成功的跨境合作案例。尽管它曾因过度开采而面临严重问题，但由于其位于欧洲温带气候区，且不处于干旱或半干旱地区，因此具有独特的地理和地质背景。该含水层在法国和比利时的弗兰德与瓦隆地区被广泛开采，形成了一个具有战略意义的水资源。通过多年的合作，科学家和相关利益方共同完成了对含水层的详细研究，包括地质和水文地质数据的收集与分析，以及对地下水流动方向和补给关系的深入理解。

在模型构建方面，研究团队使用了MARTHE有限体积代码，开发了一个三维地下水流动模型。该模型整合了来自各方的官方数据，并经过1900年至2019年的校准。MARTHE代码能够解决地下水在多层含水系统中的流动问题，并结合GARDENIA模块模拟蒸发、地下水补给和地表径流等过程。这种模型不仅有助于理解含水层的水文地质特性，还能预测不同开采情景下地下水的变化趋势。

模型的校准过程涉及多个步骤，包括土壤参数的调整和水文地质参数的优化。由于早期数据有限，校准过程需要对历史数据进行重建。随着数据的积累，校准精度不断提高，尤其是在封闭区域。模型能够较好地再现季节性和多年期的地下水水位变化，并且在某些区域的水位恢复方面也表现出一定的准确性。然而，由于模型涉及复杂的水文地质结构和多变的开采条件，仍存在一定的不确定性，尤其是在封闭区域的河-水交互方面。

为了评估不同压力因素对地下水的影响，研究团队实施了多种情景模拟。这些情景包括补给变化、采石场排水以及井抽水。结果显示，补给对地下水水位的影响主要集中在含水层的非封闭区域，而采石场排水则对封闭区域产生显著影响，尤其是在开采活动密集的区域。井抽水的变化对地下水水位的影响则更为广泛，尤其是在封闭区域，由于储水系数较低，抽水量的增减会迅速反映在水位变化上。这些情景模拟为未来地下水管理提供了重要的科学依据，并有助于决策者制定适应性措施。

研究还指出，气候变化可能对地下水资源产生深远影响。虽然当前的研究未考虑气候变化因素，但其他研究显示，未来的降水和补给变化可能显著影响地下水水位。因此，在制定管理策略时，必须将气候变化纳入考量。此外，农业用地的扩展和灌溉需求的增加也可能加剧地下水的消耗，这需要在土地利用规划中加以考虑。

在模型的应用方面，研究团队与相关利益方合作，共同开发了这一决策支持工具。该模型不仅用于模拟不同情景，还支持制定共同的管理协议。例如，1997年，弗兰德和瓦隆地区签署了一项协议，限制地下水开采。2017年，法国和比利时地区进一步签署了数据共享协议，确保每年交换抽水量、地下水水位和化学数据。这些合作举措为跨境地下水管理提供了重要的制度基础。

尽管模型和管理措施已经取得了一定成效，但研究团队也指出，仍需进一步改进模型的校准和不确定性分析。特别是在处理参数和预测不确定性方面，自动校准和逆向建模技术的应用能够提高模型的可靠性。此外，由于含水层的跨境性质，需要多方持续的协调和合作，以确保模型的科学性和实用性。

本文的研究结果不仅为石炭纪石灰岩含水层的管理提供了重要参考，也为其他跨境含水层的治理提供了借鉴。通过科学合作和数据共享，各方能够更好地理解含水层的动态变化，并制定有效的管理措施。未来，随着气候变化和人类活动的持续影响，跨境含水层的可持续管理将成为全球水管理的重要议题。