气候变化与土地利用变化协同作用下加纳Pra和Ankobra流域地下水脆弱性时空动态研究

本研究针对加纳Pra和Ankobra流域(PARBs)地下水污染风险加剧问题，通过集成GIS-DRASTIC模型，首次量化评估了气候与土地利用变化(LULC)对地下水脆弱性的交互影响。研究发现流域32%区域呈中度脆弱，而采矿密集的Ankobra盆地高脆弱区占比达40%，模型验证准确率达85%。研究为热带地区地下水资源在气候变化与人类活动双重压力下的可持续管理提供了科学框架。

　　

在气候变化与人类活动双重压力下，全球地下水系统正面临前所未有的污染风险。加纳南部的Pra和Ankobra流域(PARBs)作为典型热带水文系统，不仅支撑着数百万人口的饮用水供应，更是该国黄金开采和农业生产的核心区域。然而，现有研究多孤立分析气候或土地利用单一因素的影响，忽视了二者协同作用对地下水脆弱性的复杂影响机制。更严峻的是，采矿活动导致的重金属迁移与极端降雨事件频发形成恶性循环，使得传统静态评估方法难以准确预测污染风险。

针对这一科学难题，加纳大学的研究团队在《Watershed Ecology and the Environment》发表创新性研究。该研究采用10×4因子设计，整合CMIP6气候模型与马尔科夫链-随机森林LULC预测，构建动态DRASTIC评估框架。通过分析1988-2100年间40种气候-LULC组合情景，首次揭示了PARBs地下水脆弱性的时空演变规律。

关键技术包括：1) 基于Analog方法的HadGEM3-GC31-LL气候模型降尺度处理；2) 融合DEM和Landsat影像的30米分辨率LULC分类；3) 采用层次分析法(AHP)确定DRASTIC七项参数权重；4) 结合径向基函数(RBF)插值和加权线性组合(WLC)的空间建模；5) 利用改进的通用水质指数(UWQI)对99个采样点进行模型验证。

3.1 模型性能验证
LULC预测的Kappa系数达0.62，气候降尺度R²
为0.76-0.79。DRASTIC模型准确重现了流域西南部采矿带的高脆弱性热点，验证准确率73%(Kappa=0.65)，显著优于传统静态评估方法。

3.2 关键驱动因子
AHP权重分析显示，补给率(R,0.29)、水位埋深(D,0.23)和渗透系数(C,0.23)主导脆弱性。Birimian沉积岩区的Acrisol土壤(Ao1-ab亚类)因高渗透性成为污染传导关键介质。

3.3 时空动态特征
历史基准期高-极高脆弱区占35.47%(12,350 km²
)，其中Ankobra盆地占比达72%。SSP585情景下，远期末极高脆弱区将减少11.93%，但中未来期因采矿扩张会暂时增加7%。

3.4 气候-LULC协同效应
极端降雨使采矿带形成"污染放大器"效应：SSP245情景下Tarkwa地区补给量增加19%，同步带动重金属迁移速率提升37%。而SSP126的生态修复措施可使低脆弱区扩大31.43%。

3.5 分区管理启示
研究提出三级防护策略：1) Prestea等高危矿区需建立50米隔离带；2) 中度脆弱农业区推广精准灌溉；3) 低脆弱区实施人工补给工程。

这项研究开创性地构建了热带流域地下水动态评估框架，其创新点在于：首次量化了CMIP6气候情景与LULC变化的协同效应，开发了融合AHP-WLC的DRASTIC改进模型，并为《非洲水资源公约》实施提供了科学基准。研究强调，未来地下水管理必须采用"气候智能型"方法，在采矿经济与生态保护间寻求动态平衡。特别是提出的早期预警阈值系统，可提前6-8年预测污染风险转变，为发展中国家应对气候变化的适应性治理提供了重要范式。