非均质含水层系统中各含水层脆弱性差异评估：以哥伦比亚高原区域含水层系统为例

为解决哥伦比亚高原区域含水层系统(CPRAS)因过度开采导致的水资源可持续性问题，研究人员通过分析2000-2020年地下水动态趋势，结合创新性指标"可用降深(ADD)"评估了四大含水层（Grande Ronde、Wanapum、Saddle Mountains和Overburden）的脆弱性空间异质性。研究发现Grande Ronde层虽水位下降最显著(1.86 ft/yr)，但因ADD较大实际脆弱性较低；而Overburden层因ADD较小(平均201.9英尺)成为高脆弱区。该研究为分层管理异质含水层提供了科学依据，提出的ADD指标比传统饱和厚度评估更符合实际可用水量。

　　

在全球人口增长和灌溉农业扩张的背景下，地下水过度开采已成为威胁水资源安全的全球性问题。哥伦比亚高原区域含水层系统(CPRAS)作为美国西北部重要的多层基底含水层，支撑着价值数十亿美元的农业产业，但近年来持续的水位下降引发了供水危机。更复杂的是，这个由Overburden沉积层和Columbia River Basalt Group(CRBG)组成的非均质含水层系统中，各层的水文地质特性差异显著——从浅层未封闭的Overburden到深层封闭的Grande Ronde玄武岩层，其水力传导率、厚度和空间分布均存在显著差异。传统研究往往忽视这种垂直异质性，采用整体含水层饱和厚度评估脆弱性，导致对实际可用水量的误判。

为准确评估CPRAS的可持续性，研究人员开展了分层脆弱性研究。通过收集华盛顿州3181口监测井2000-2020年的春季高水位数据，筛选出451口符合标准（至少8个年度数据点）的井，采用Sen斜率估计器计算水位变化趋势，并通过Mann-Kendall检验（95%置信水平）筛选显著趋势。创新性地提出"可用降深"(Available Drawdown, ADD)指标，定义为静态水位与泵入口（假设位于井底上方20英尺）之间的距离，更准确反映现有基础设施下的实际可采水量。利用反距离加权法(IDW)将趋势空间插值到15个水文地质子区域，最终通过ADD变化百分比和达到25%/50%/75%ADD减少所需时间两个维度评估脆弱性。

研究结果揭示：

1. 水位趋势的空间异质性
   Grande Ronde层整体下降最显著(1.86±0.19 ft/yr)，其中Odessa子区域达-2.76±0.22 ft/yr；而Overburden层降幅最小(0.22±0.04 ft/yr)。垂直对比显示，Rock Glade子区域在Grande Ronde和Wanapum层呈下降趋势，却在Saddle Mountains层出现上升趋势(0.36±0.51 ft/yr)。

2. ADD与饱和厚度的巨大差异
   Odessa子区域Grande Ronde层的平均ADD为514英尺，而该层平均饱和厚度达6011英尺，说明传统方法会高估10倍可用水量。Yakima子区域Overburden层的ADD仅201.9英尺，对应饱和厚度957英尺。

3. 分层脆弱性特征
   Grande Ronde层因ADD较大(Odessa区514英尺)虽降幅大但脆弱性中等（2040年ADD减少10%）；Wanapum层的Eastern Benton子区域因陡降趋势(-2.5 ft/yr)和中等ADD(654英尺)成为高脆弱区（25%ADD减少仅需20年）；Overburden层则因ADD最小（Yakima区201.9英尺）面临最高风险。

这项研究创新性地通过ADD指标重新定义了含水层脆弱性评估范式，证明：
1）非均质含水层必须分层评估，同一区域不同层位可能呈现完全相反的水文趋势；
2）可用降深(ADD)比总饱和厚度更能反映实际可采水量，尤其在深层封闭含水层中；
3）CPRAS的管理需重点关注Overburden层和Wanapum层的特定子区域，而Grande Ronde层虽降幅大但因ADD充足短期风险可控。研究结果为全球多层含水层系统的精准管理提供了方法论示范，尤其对半干旱区农业灌溉含水层的可持续开发具有重要指导价值。论文提出的ADD指标可广泛应用于其他异质含水层系统，为应对气候变化下的水资源安全挑战提供了新思路。