数据稀疏环境中的泵送策略：来自西班牙东部曼查地区的启示

《Journal of Hydrology》：Pumping strategies in data-sparse environments: Insights from the Eastern Mancha System, Spain

本研究应用水平衡方法（WBA）对西班牙东部马查系统的地下水超抽问题进行评估，通过分析35个监测点12年的水位数据，建立抽水量与水位变化的线性关系。结果显示当前年抽水量310 Mm3导致年均水位下降0.17米，减少1.6%至305 Mm3/年可实现水位稳定，而降至275 Mm3/年可年均回升0.97米。研究表明WBA适用于数据稀缺环境，为可持续管理提供依据。

　　### 水资源管理与地下水枯竭的挑战

地下水作为全球重要的淡水资源，对于支持农业灌溉和维持区域经济发展具有不可替代的作用。然而，随着人口增长、城市化和工业化进程的加快，地下水的过度开采已成为许多地区面临的关键问题。特别是在干旱和半干旱地区，由于地表水资源有限，农业活动高度依赖地下水。西班牙的东部曼查系统正是这样一个典型的例子，它位于东部的胡卡尔河流域，是该国最大的碳酸盐含水层之一。当前，该系统的地下水开采量已经超过了自然补给量，导致地下水位持续下降，对含水层的长期可持续性构成了严重威胁。

在许多国家，地下水管理通常依赖于复杂的数值模型，这些模型需要大量的地质数据和长期监测记录来确保其准确性。然而，这种高成本和高技术要求的方法在数据稀缺的地区并不总是适用。因此，寻找一种简单、快速且适用于数据有限环境的地下水评估工具显得尤为重要。研究者提出了一种名为“水平衡方法”（Water Balance Approach, WBA）的新思路，这种方法最初在堪萨斯州的高平原含水层中得到了应用，并展示了其在评估地下水开采可持续性方面的潜力。

### 水平衡方法的理论基础与应用前景

水平衡方法的核心思想是通过分析地下水开采量与地下水位变化之间的线性关系，来评估地下水的可持续性。这种方法基于一个基本的水平衡原理，即含水层中储存的水量变化等于净流入量减去总开采量。通过这一原理，研究者能够建立一个线性模型，该模型能够预测不同开采策略对地下水位变化的影响。

在堪萨斯州的高平原含水层中，水平衡方法被成功应用于评估地下水开采的可持续性，并表明只要减少约22%的灌溉用水，就能在较短时间内稳定地下水位。这种方法在该地区之所以有效，是因为其拥有丰富的监测数据，包括超过1440个水位监测点和27,700个流量计。然而，对于数据较少的地区，例如西班牙的东部曼查系统，这种方法的适用性仍存在疑问。

东部曼查系统的数据稀缺性使其成为测试水平衡方法在数据有限环境中的适用性的理想案例。该系统的监测点数量仅为35个，远低于堪萨斯州的1400多个监测点。此外，地下水使用量的估计依赖于间接方法，而非直接的流量监测。尽管如此，研究者通过统计分析和数据验证，发现水平衡方法仍然能够提供有价值的管理建议。这种方法不仅适用于该地区，还可能为全球其他数据稀缺的含水层提供一种有效的评估工具。

### 地质结构与水资源分布

东部曼查系统是一个复杂的地下水系统，其地质结构主要由中生代和新生代的沉积序列构成，受到区域构造活动的影响。系统内的含水层被划分为九个水文地质单元（HU9-HU1），这些单元根据其水文特性被归类为含水层、隔水层或不透水层。底部的不透水层包括凯珀尔蒸发岩（HU9）和下侏罗纪黏土石灰岩（HU8），而上部的含水层则主要由侏罗纪和白垩纪的碳酸盐岩（HU7、HU5、HU3）组成。这些碳酸盐岩具有较高的渗透性和储水能力，是该系统的主要水源。

此外，系统中的含水层被局部的黏土和砂质隔水层（HU6和HU4）所限制，形成了垂直的分隔结构。上部的沉积序列包括中新世的黏土石灰岩（HU2）和第三纪至第四纪的碎屑沉积物（HU1），这些沉积物在某些区域表现出一定的渗透性。整个系统的沉积厚度超过1000米，尤其是在中央和东部地区。

东部曼查系统还受到构造活动的强烈影响，导致其被划分为多个水文地质区域。这些区域表现出不同的水压特征、水文性质和水化学特征。北部区域（ND）主要由三叠纪和侏罗纪的碳酸盐岩（HU7）构成，这些区域靠近胡卡尔河谷，有利于地下水的补给和排泄。中部区域（CD）是系统中最富产水的区域，包含侏罗纪碳酸盐岩（HU7）和中新世石灰岩（HU2），并且由于强烈的岩溶作用和断层相关裂隙，形成了高透水性的多层含水系统。南部区域则由于构造活动的加剧，被划分为多个较小的水文地质区域，这些区域之间的地下水流动相互独立，对外部压力的响应也有所不同。

### 水平衡方法的实施与结果

在实施水平衡方法时，研究者首先收集了14年的水位监测数据（2010-2023），并选择了35个具有代表性且数据完整的监测点。这些监测点分布在不同的水文地质区域，以确保数据的代表性。此外，研究者还利用遥感技术获取了地下水使用量的间接估算，这种方法结合了多时相卫星图像和作物分类算法，以识别灌溉区域并估算作物的需水量。

尽管这种方法在数据较少的环境中可能引入一定的不确定性，但研究者通过统计分析和数据验证，发现其在东部曼查系统的应用效果良好。通过建立降水与地下水位变化之间的线性回归模型，研究者能够识别出潜在的异常值，并通过排除异常年份（如2011年和2023年）进一步提高模型的可靠性。结果显示，如果将地下水开采量减少到每年约305亿立方米，就能实现地下水位的稳定。而如果进一步减少到275亿立方米，地下水位将每年上升约1米，表明该系统具有较强的恢复潜力。

### 管理意义与未来发展方向

水平衡方法的成功应用为地下水管理提供了重要的管理启示。首先，该方法表明，即使在数据稀缺的环境中，也可以通过简单的数据分析和模型建立，实现对地下水可持续性的有效评估。其次，研究结果显示出该系统在当前开采条件下接近可持续水平，仅需减少1.6%的开采量即可实现地下水位的稳定。这与许多其他过度开采的含水层形成了鲜明对比，后者往往需要更大幅度的减少才能实现可持续性。

此外，水平衡方法还为制定适应性管理策略提供了支持。由于地下水位的变化受气候条件影响较大，管理策略需要能够灵活应对年际间的气候变化。水平衡方法的透明性和简便性使其成为政策制定和公众沟通的有效工具，能够帮助决策者快速评估不同管理方案的潜在影响。

然而，水平衡方法也存在一定的局限性。首先，它主要适用于区域尺度，无法提供具体的地下水开采位置建议。这在西班牙这样的国家尤为重要，因为许多大型地下水体包含多个水文地质独立的含水层。因此，在实施系统性的地下水开采减少策略时，仍需结合其他方法，如详细的水文地质调查和空间分布的水位监测。其次，间接的地下水使用量估算可能会引入系统性偏差，尤其是在极端气候条件下。例如，在2011年，由于降水过多，遥感方法未能准确反映实际的地下水使用情况，而2023年的极端干旱则导致地下水使用量的低估。

未来的研究方向应包括扩大时间范围，以捕捉更长期的趋势和极端事件；探索水平衡方法在更小尺度上的应用，并将其与其他评估方法（如数值模型和遥感技术）相结合。此外，进一步提高地下水使用量的监测精度和数据质量，将有助于提高水平衡方法的准确性，特别是在数据稀缺的地区。

### 结论

水平衡方法在西班牙东部曼查系统的成功应用表明，这种方法不仅适用于美国堪萨斯州的高平原含水层，也能够在数据稀缺的地区发挥重要作用。该方法通过建立地下水开采量与地下水位变化之间的线性关系，为地下水管理提供了可靠的定量支持。研究结果表明，仅需减少约1.6%的地下水开采量，即可实现地下水位的稳定，而进一步减少至275亿立方米每年，将有助于地下水的恢复。这些发现为类似地区提供了可借鉴的经验，并展示了在数据有限的情况下，如何通过简单的数据分析实现有效的地下水管理。

同时，水平衡方法为政策制定者和水资源管理者提供了一种实用的工具，使其能够在缺乏详细数据的情况下，快速评估地下水开采的可持续性。这种方法的透明性和易用性使其成为推动基于证据的政策制定和适应性管理框架的重要组成部分。然而，用户也应意识到，水平衡方法主要适用于区域尺度的评估，无法解决局部尺度的水文异质性问题。因此，在实施系统性的地下水开采减少策略时，仍需结合其他方法，如数值模型和实地监测，以确保管理方案的有效性和可持续性。

总体而言，水平衡方法在地下水管理中的应用展示了简单但科学的方法在解决复杂水资源问题中的潜力。它不仅为数据稀缺的地区提供了新的管理思路，也为全球其他类似环境下的水资源管理提供了可借鉴的模型。随着技术的进步和数据的积累，水平衡方法有望在未来得到更广泛的应用，并为实现地下水的可持续利用提供更加坚实的科学基础。