通过多指数方法对地中海沿海流域的地下水干旱状况进行评估

《Journal of Hydro-environment Research》：Groundwater drought assessment in a Mediterranean coastal catchment through a multi-index approach

地下水干旱时空特征及应对策略研究——以意大利Bruna河流域为例。采用标准化地下水指数（SGI）、气象干旱指数（SPI）及水文模型（BIGBANG）等多维度分析，揭示区域地下水对降水和人类活动的响应机制，识别中心-南部为干旱敏感区，提出跨尺度监测和基于阈值的水资源优化配置方案。

　　
本文以意大利托斯卡纳Bruna River流域为研究对象，系统探讨了地中海气候区地下水干旱的时空演变特征及其与气象干旱的关联机制。研究团队通过整合标准化指标与区域水文模型，揭示了沿海 aquifer系统特有的干旱响应模式，为地中海地区水资源管理提供了重要依据。

### 一、研究背景与科学问题
地中海气候区面临气候变化与人类活动的双重压力，地下水系统稳定性成为关键挑战。Bruna河流域作为农业高值区，其地下水受降水波动、海水入侵和农业抽水等多重因素影响。现有研究多聚焦气象干旱与地表水响应，而地下水干旱的量化评估、空间异质性及其驱动机制仍存在知识空白。本研究突破传统单一指标分析框架，创新性地将标准化指数（SPI/SPEI）、阈值法（Q20）与区域水文模型（BIGBANG 8.0）相结合，重点解决三个科学问题：
1. 地中海沿海 aquifer如何响应气象干旱与人类活动
2. 不同水文地质条件下地下水干旱的时空分异规律
3. 多指标融合分析在数据稀缺区域的适用性验证

### 二、方法论创新
研究构建了四维分析框架（图1），突破传统单维度评估：
1. **标准化指标体系**：采用SPI（降水标准化指数）与SPEI（蒸发蒸腾综合指数）捕捉气象干旱信号，结合SGI（地下水标准化指数）量化含水层响应。创新性地引入Q20阈值法（月均20%分位值），有效解决短期数据（<30年）可靠性问题。
2. **多尺度耦合分析**：通过SPI/12（12个月累积）与SGI的强相关性（r=0.773），揭示地下水具有18-24个月的记忆效应，远超传统3-6个月分析周期。
3. **区域水文模型支撑**：基于BIGBANG 8.0模型获取的1km网格数据，整合降水、蒸发、径流、 recharge等参数，构建"气象-水文-生态"联动力学模型。
4. **空间验证机制**：采用7口监测井（S12-S73）的分布式数据，通过皮尔逊相关系数矩阵（表A1）和克里金插值法，揭示地下水系统的空间分异特征。

### 三、关键发现与机制解析
#### （一）地下水干旱时空特征
1. **季节性响应模式**：
- 典型单井（如S21）呈现"V型"波动：夏季抽水导致水位下降5-8m，冬季自然恢复率达80%
- 近海井（S12/S73）水位波动幅度仅0.5-1.2m，显示海水缓冲效应

2. **区域性干旱事件**：
- 2017-2018年中等干旱（SGI<-1持续≥1个月）覆盖流域63%区域，与SPI<9协同响应
- 2021-2022年严重干旱（Q20<0.2）导致流域北部水位跌破海平面，最大降幅达-12.3m
- 时空热点聚类：中央-南部沿海区域（距海5-15km）出现高频率（年均4-6次）持久干旱

#### （二）多指标协同验证机制
1. **SPI-SPEI对比分析**：
- SPI<12与SGI的相关系数达0.84（S12井），验证长期气象干旱对含水层的影响
- SPEI<9与SGI的相关性（r=0.507）显著低于SPI<12，揭示蒸发蒸腾的调节作用

2. **Q20阈值法应用**：
- 建立月动态阈值（Q20=月均地下水位20%分位值），与SGI识别的干旱事件匹配度达88.2%
- 短期数据（2014-2023）下，Q20法可检测到3年周期内的4个典型干旱事件

3. **CDI三级预警系统**：
- 构建"监测-预警-应急"三级响应机制（表2）
- 2017-2018年干旱期间，流域62%区域进入"Alert"阶段（SPI<-2且SPEI<-1.5）
- 2022年干旱中，土壤湿度阈值（-15%）与地下水响应存在6-8个月滞后

#### （三）人类活动影响评估
1. **抽水压力量化**：
- 农业灌溉期（4-9月）日均抽水量达12.3m3，占年总开采量61%
- 2021年干旱期间，抽水强度较常年增加23%，加速含水层枯竭

2. **海水入侵临界值**：
- 当地下水埋深<10m时，海水入侵速率达0.5m/年
- 沿海3km缓冲区内，71%抽水井在干旱年出现氯离子浓度>2000mg/L

3. **农业-生态耦合效应**：
- 果园灌溉导致含水层年补给量减少17.8%
- 2022年干旱中，葡萄园水分胁迫指数（WCI）达0.82（临界值0.7）

### 四、管理策略启示
1. **监测网络优化**：
- 建议在流域北部（S21/S72井区）每50km布设1口监测井
- 近海区域（S12/S73井）需增加Cl?浓度自动监测设备

2. **动态阈值设定**：
- 提出"三区两套"阈值体系（表3）：
- 北部岩溶区：Q20=月均流量10%分位值
- 中南部冲积区：Q20=月均流量15%分位值
- 海岸缓冲带：Q20=月均流量20%分位值

3. **跨尺度预警机制**：
- 建立SPI<12-SPEI<9-SGI三级联动模型（图5）
- 设置"黄灯"（SPI<-1.5）、"红灯"（SPI<-2.5）双阈值预警系统

4. **生态补水方案**：
- 提出"雨季回灌+旱季渗灌"组合策略（图6）
- 计算显示：在2021年干旱年实施10万m3人工回灌，可使流域中心水位回升1.2m

### 五、理论贡献与实践价值
1. **理论突破**：
- 首次揭示沿海冲积含水层"双记忆效应"：短期（6月）响应降水，长期（24月）记忆补给
- 建立"气象干旱-水文响应-生态影响"的链式传导模型（式1）

2. **实践指导**：
- 制定《地中海沿海 aquifer 管理指南》（表4）
- 开发"智慧井"管理系统，集成水位监测、模型预测与智能调控功能

3. **区域推广潜力**：
- 方法论已验证适用于西班牙Catalonia（相关系数r=0.79）和突尼斯东北部（r=0.82）
- 模型可扩展至里海沿岸等半干旱-湿润过渡带

### 六、研究局限与未来方向
1. **数据约束**：
- 部分监测井（如S25）记录不足影响空间插值精度
- 海水入侵数据存在3-6个月观测滞后

2. **模型改进方向**：
- 引入机器学习算法（LSTM网络）优化补给预测
- 开发考虑人类活动的地下水动态模拟器（HADYMS）

3. **扩展研究建议**：
- 开展跨流域比较研究（如西班牙Duero流域）
- 构建气候变化情景下的水文响应模型（CMIP6数据驱动）

本研究为地中海气候区沿海 aquifer 的可持续管理提供了科学基础，其多指标融合方法和区域适应性阈值体系具有重要推广价值。后续研究应着重开发实时预警系统和人工智能调控平台，以应对气候变化下的不确定性挑战。