气候变化对德国北部地下水补给模式影响的建模研究

为解决气候变化背景下地下水补给量预测的难题，研究人员采用高时空分辨率的mGROWA水文模型，结合德国气象局推荐的44成员气候集合，对德国石勒苏益格-荷尔斯泰因州未来地下水补给变化进行模拟。研究表明，多数气候模型预测该地区地下水补给量将小幅增加，但变化未达显著水平。研究创新性引入"气候护栏"概念量化变化范围，并强调空间聚合尺度选择对水资源管理决策的重要性，为区域水资源规划提供科学依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，地下水资源的可持续管理面临严峻挑战。德国北部的石勒苏益格-荷尔斯泰因州作为典型依赖地下水的地区，正面临降水与潜在蒸散发同时增加的双重压力。这种相互抵消的气候驱动因素使得地下水补给量的未来变化充满不确定性，而现有研究在模型选择、气候情景覆盖和空间分辨率等方面存在明显局限。

德国研究团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表的研究，首次将高分辨率mGROWA模型与德国气象局(DWD)推荐的完整44成员气候集合相结合，以100米网格和日尺度模拟至2100年的地下水补给变化。研究创新性地引入"气候护栏"概念，通过15-85百分位区间界定可能变化范围，并系统评估了水文地质分区、规划单元和行政区三种空间聚合尺度对管理决策的影响。

关键技术方法包括：1)采用LOCI方法对气候模型日降水数据进行偏差校正；2)基于Penman-Monteith方程和Hargreaves-Samani方法计算潜在蒸散发；3)利用112个水文站数据验证模型性能；4)应用Mann-Whitney-Wilcoxon U检验进行稳健性评估；5)采用Q5算法计算百分位数。

研究结果部分：
"模型评估"显示mGROWA在模拟总径流(NSE=0.99)和地下水补给(NSE=0.95)方面表现优异。历史气候模型验证中，除西部沼泽区外，大部分区域月尺度KGE值>0.6，证实模型适用性。

"气候变化对总地下水补给的影响"揭示：RCP4.5和RCP8.5情景下多数模型预测补给量增加，但变化幅度(中位数约+10mm/yr)远小于历史自然变幅(149-166mm/yr)。值得注意的是，RCP8.5情景下西部近岸区域在2071-2100期间15百分位显示明显下降趋势，这与该区域浅层地下水广泛分布的特征相关。

"空间尺度分析"部分通过对比27个水文地质分区、13个规划单元和15个行政区的聚合结果，证明水文地质分区能最大程度保留空间异质性。例如RCP8.5情景下，东部冰碛区与西部沼泽区的中位数变化差异达25mm/yr，而在行政区尺度这一差异被均质化至10mm/yr以内。

研究结论指出，尽管多数气候模型预测补给量增加，但通过双重稳健性检验(66%模型一致性和显著性检验)均未达到统计显著水平。这反映了降水增加与蒸散发增强的抵消效应，也凸显了中纬度地区作为欧洲南北变化过渡带的特征。"气候护栏"分析显示，RCP8.5情景下变化范围(-15至+40mm/yr)显著大于RCP2.6(-5至+15mm/yr)，表明高排放情景带来更大不确定性。

该研究的创新价值在于：1)首次在德国北部复杂水文地质区实现百米尺度长期模拟；2)完整覆盖德国官方气候推荐集合；3)提出空间聚合尺度选择对管理决策的实际影响。成果为区域水资源适应性管理提供量化依据，特别是对浅层地下水广泛分布的人工排水区具有独特指导意义。未来研究需结合海平面上升对沿海地下水位的潜在影响，并考虑土地利用变化的协同效应。