在气候和人为压力因素影响下，对地中海封闭流域（土耳其布尔杜尔湖）中湖泊与地下水相互作用的建模研究

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Modeling lake-groundwater interactions under climatic and anthropogenic stressors in a mediterranean closed basin: Burdur Lake, Türkiye

本研究以土耳其Burdu尔湖为对象，构建MODFLOW-湖 packages耦合模型，分析气候变化与人类活动对封闭内流湖水文系统的综合影响。通过情景模拟发现，气候变暖单独作用可使湖水位下降5-6米，叠加地下水超采（年均增长70%）总降幅达7米；若移除水库调节，在气候压力下仍可实现水位回升3米。研究揭示了表面水调控对湖水位的关键作用，为类似半干旱封闭流域的水资源管理提供决策依据。

　　
Burdur湖位于土耳其地中海地区，是一个具有重要生态价值的封闭流域湖泊，也是国际自然保护联盟（Ramsar）认证的湿地保护区。自1970年以来，该湖水位持续下降，体积减少超过40%，导致鸟类栖息地丧失和生态系统退化。本研究通过构建耦合的湖-地下水数值模型，量化了气候变化、水库建设及地下水开采对湖泊水位的多重影响，为半干旱地区封闭流域湖泊管理提供了科学依据。

### 研究区域与背景
Burdur湖流域覆盖约1630平方公里，地质结构复杂，包含第四纪冲积层和侏罗纪-白垩纪碳酸盐岩层。流域气候为半干旱型，降水集中在冬季，夏季蒸发强烈。自20世纪70年代起，流域内建成多个水库拦截地表径流，同时地下水开采量大幅增加，导致湖泊补给不足和渗漏加剧。研究显示，人类活动（水库建设、地下水开采）与气候变化共同作用，使得湖泊水位从1969年的约857米下降至2018年的842米，累计降幅达15米，湖面缩减95平方公里，体积减少2989万立方米。

### 研究方法
1. **模型构建**：采用MODFLOW-Lake Package耦合模型，整合水文循环模拟与湖-地下水相互作用机制。模型垂直分层7层，水平网格分辨率从湖心100米至边缘400米不等，重点刻画浅层冲积含水层与深层碳酸盐岩含水层的动态联系。
2. **参数校准**：通过历史水位数据（1969-1971和2014-2016）对模型参数进行优化，重点调整渗透系数、补给率等关键参数。校准后模型在2014-2016年的水位预测误差控制在±0.43米以内。
3. **情景模拟**：设定三个未来情景：
- **气候情景（RCP4.5/8.5）**：仅考虑气候变化对降水、蒸发和地表径流的影响
- **气候+过度开采**：在气候情景基础上叠加人口增长（预计2050年增长46%）导致的水井开采量增加70%
- **气候+无水库**：去除所有水库和灌溉池塘，恢复自然地表径流补给

### 关键研究发现
1. **气候变化的单独影响**：RCP8.5情景下，仅气候变化因素将导致湖泊水位在2064年前下降4.5-5.6米，体积减少494-844万立方米。温度上升（2-2.4℃）和降水减少（5%或2%）是主要驱动因素。
2. **人类活动的叠加效应**：当气候变化与过度地下水开采同时发生时，水位降幅扩大至6-7米，体积损失达733-844万立方米。其中，水库建设导致的地表径流减少贡献了约70%的补给下降。
3. **管理干预的潜力**：在气候变化的背景下，若拆除所有水库（如灌溉池塘和调节水库），可部分恢复自然地表径流，使水位回升1.7-3.2米，体积恢复221-430万立方米，湖面面积增加7-16平方公里。
4. **水文机制转变**：研究揭示了补给机制从地表径流主导（1969-1971年贡献51%）向地下水主导（2014-2016年贡献43%）的转变过程。蒸发持续占总损失量的99%以上，但湖面萎缩反而加剧了有效蒸发面积。

### 方法论创新与局限
1. **耦合模型优势**：首次将MODFLOW地下水模型与HEC-HMS水文模型耦合，实现：
- 地表径流与地下水开采的动态平衡
- 湖体水位变化与地下水漏斗发展的关联模拟
- 多情景对比分析（气候/人类活动/管理干预）
2. **数据约束**：
- 地下水开采数据仅完整到2015年，需依赖人口增长推算
- 地质分层数据有限，采用简化分层结构
- 气候模型分辨率12.5公里，可能低估局部变化
3. **不确定性管理**：
- 采用95%预测区间量化模拟不确定性（水位±0.49米）
- 通过参数敏感性分析验证关键变量（渗透系数、补给率）对结果的影响

### 管理启示
1. **优先修复地表径流系统**：研究证明，解除水库约束可使水位回升幅度超过单纯气候干预效果。建议优先实施：
- 拆除或改造9座灌溉水库（1989-2017年间建成）
- 重建自然排水通道，恢复径流补给
2. **地下水开采管控**：虽然单因素地下水开采仅贡献约1米水位下降，但其与气候变化的协同效应显著。需建立：
- 动态开采配额制度（基于季度用水量）
- 农业节水技术推广（预计可减少35%用水）
3. **多尺度监测体系**：
- 布设地下水自动监测站（当前仅16个）
- 建立卫星遥感+地面观测的湖体体积实时监测网络
4. **政策协同**：需协调农业、水利、环保部门制定：
- 水库蓄泄与地下水开采的联动调度机制
- 基于生态流量要求的最低水位管控标准

### 行业应用价值
本框架已扩展应用于土耳其其他封闭流域湖泊（如阿克恰尔湖、托兹湖），显示其方法论普适性：
1. **参数包共享**：建立适用于地中海气候区湖泊的默认参数集（渗透系数范围1×10^-5至2×10^-3 m/s，补给率18-221 mm/年）
2. **情景分析模块**：可快速评估不同气候变化路径（RCP2.6/4.5/8.5）和人类干预强度（低/中/高开采）的组合影响
3. **生态阈值预警**：识别水位下降临界点（如水位低于750米时，鱼类栖息地消失风险增加300%）

### 未来研究方向
1. **不确定性量化**：需整合气候模型误差（约±5%降水）、参数不确定性（渗透系数±20%）和结构不确定性（水库管理政策）的联合影响
2. **机器学习增强**：利用ANN模型（当前研究已初步验证）预测长期水位波动，捕捉非线性关系
3. **社会经济耦合**：集成农业用水需求预测、人口迁移模型和生态价值评估，建立综合决策支持系统

本研究为全球半干旱地区封闭流域湖泊管理提供了可复制的方法论：通过三年数据收集（典型水文循环周期）建立基准模型，再扩展至30年情景模拟。其核心贡献在于揭示了地表径流调节（水库建设）对地下水流向湖泊的放大效应——当水库拦截自然径流时，不仅直接减少补给，还通过改变含水层压力场间接抑制地下水向湖体的补给。这一发现突破了传统认为地下水开采是主要驱动力的认知，为流域水资源优化配置提供了新视角。