多卫星遥感技术揭示澳大利亚北部淡水储量变化机制及其对干旱与人类活动的响应

研究人员针对澳大利亚北部地区淡水储量持续下降的问题，采用GRACE卫星重力数据、Landsat光学影像与水文模型相结合的多卫星方法，系统评估了寒武纪石灰岩含水层（CLA）的地下水储量变化、补给机制及干旱响应。研究发现2014年后CLA淡水储量显著减少（年均亏损达6.28-8.20 km3/yr），且恢复周期从5个月延长至15个月，该变化与地下水开采许可的实施时段高度重合。该研究为干旱区含水层可持续管理提供了首个多尺度卫星监测框架，成果发表于《Ecological Informatics》。

　　

澳大利亚北部地区正面临日益严峻的淡水危机。这片被称为"北方粮仓"的区域，长期以来被视为水资源丰富的最后边疆，却在气候变化和农业扩张的双重压力下显露出脆弱性。寒武纪石灰岩含水层（CLA）作为当地最重要的地下水系统，支撑着土著社区生计、生态系统服务和新兴的页岩气开发产业。然而，该含水层监测井数量稀少、历史水文数据匮乏，传统方法难以评估其真实状态。更令人担忧的是，当地现行的地下水开采许可制度允许含水层储量消耗，但缺乏科学依据来预测这种消耗可能引发的连锁反应——从泉水枯竭到文化景观消失。

为破解这一困局，由Christopher E. Ndehedehe领衔的国际研究团队创新性地整合了多源卫星遥感数据。研究团队首先利用GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星2002-2022年的重力场观测数据反演陆地水储量变化（TWS），通过水均衡法分离出地下水储量异常（GWSA）。为验证卫星数据可靠性，研究人员收集了澳大利亚地下水监测网的19口井数据，发现GRACE-GWSA与实测水位相关系数最高达0.86。同时采用Landsat历史影像（1984-2021）量化地表水范围变化，结合GLDAS水文模型和标准化降水蒸散指数（SPEI）等多维指标，构建了CLA地区完整的水文干旱评估体系。

关键技术方法包括：1）GRACE-TWS多中心数据融合（CSR/JPL/GSFC/HHU）；2）基于AWEI指数的地表水变化检测；3）三种地下水补给估算方法对比（水均衡法/GRACE独算法/水量平衡法）；4）水储量赤字量化模型；5）多指标干旱响应分析（SPI/SSI/SPSI/TWS-DSI）。

研究结果揭示了一系列重要发现：

5.1 GRACE卫星水文监测显示CLA持续变干
通过对比四个GRACE处理中心的数据，发现2011-2022年间CLA地区TWS以6.28-8.20 km³/yr的速度持续下降，相当于每年损失8个西湖的水量。地下水亏损更为触目惊心，原位监测显示Georgina盆地水位以0.104 m/yr的速度持续下降，而GRACE反演的GWSA下降速率达3.88±0.29 km³/yr。值得注意的是，这种下降趋势与2003-2010年"大干旱"期间的水储量增长形成鲜明对比，暗示近年变化不能仅用气候波动解释。

5.2 地下水-地表水系统联动变化
地表水变化检测显示2011-2021年间CLA损失了652,405公顷水面，是前八年（2003-2011）的41倍。这种损失呈现明显空间异质性——Daly盆地北部季节性水面减少最显著，而Mataranka温泉周边常年水体面积缩减了37%。通过互信息分析（MI=0.81）发现地表水变化与地下水补给量高度相关，证实了含水层排泄对维持地表生态的关键作用。

5.3 干旱与人类活动的复合影响
研究创新性地量化了水储量赤字与恢复时间：2021年CLA水储量赤字达150 km³时，理论恢复时间延长至18个月，是2014年的3.6倍。尽管2011-2022年干旱影响面积（40%）远小于"千年干旱"时期（80%），但含水层系统恢复能力显著降低。时间耦合分析表明，这种异常与2014年启动的工业开采许可存在显著相关性。

这项研究的意义在于建立了卫星遥感监测干旱区含水层的新范式。通过多尺度数据融合，首次证实澳大利亚北部含水层系统正经历不可逆的干旱化转变，其中人类活动的影响可能超过自然气候波动。