青藏高原上陆地-大气相互作用的临界值：植被变化对永久冻土退化的影响

《Journal of Hydrology》：Thresholds in land-atmosphere interactions on the Qinghai-Tibet Plateau: impacts of permafrost degradation via vegetation changes

跨流域地下水流动（IGF）对水文管理至关重要，传统方法难以精确模拟其时空变化。本研究提出耦合土壤水分模型（SOIL）与二维地下水模型（PALADIGM）的方法，以英国南部的石灰岩流域 Kennet 和 Pang 为例，验证模型在模拟 IGF 和地下水头时空分布上的能力。结果表明，SOIL-PALADIGM 能合理复现观测流量（KGE=0.91）和地下水头（决定系数 0.85），并揭示 IGF 对流域水文平衡的影响，如 Pang 地区约 19% 的年降水量通过 IGF 流失。模型有效降低了计算需求，为大规模 IGF 评估提供了新方法。

　　地下水的跨流域流动（Inter-catchment Groundwater Flow, IGF）在淡水管理中扮演着至关重要的角色，因为它不仅影响水体的数量，还可能改变水体的质量。这种地下水流动现象通常发生在地形上分隔的流域之间，但其空间和时间上的变化规律对于水资源管理具有重要意义。本文的研究聚焦于两个位于英格兰南部的石灰岩流域——Kennet流域和Pang流域，通过使用一种简化但高效的二维地下水流动模型，评估了IGF的空间和时间变化特征，并展示了该模型在模拟实际水文过程方面的有效性。

研究发现，传统的水文测量手段，如降雨量、蒸散发和径流，虽然能够提供一些关于IGF的间接信息，但它们难以准确反映IGF的详细空间和时间变化。此外，目前的降雨-径流模型通常要么完全忽略IGF，要么采用过于简化的表示方式，无法体现IGF的空间变化特性。三维地下水流动模型虽然能够更精确地模拟IGF的空间和时间变化，但需要大量的地下数据和计算资源，限制了其在许多实际流域中的应用。相比之下，二维地下水流动模型在计算和数据需求方面具有明显优势，因为它假设地下水流动在水平方向上发生，同时考虑了深度平均的水文地质属性。这种模型能够有效地模拟IGF的平均值和空间时间变化，同时避免了对三维地质结构的依赖。

研究团队开发了一个名为SOIL-PALADIGM的模型，该模型结合了土壤水分平衡方案（SOIL）和二维地下水流动模型（PALADIGM）。SOIL负责模拟土壤水分的垂直变化，而PALADIGM则用于模拟地下水的水平流动。这种耦合方式不仅提高了模型对水文过程的模拟能力，还降低了计算负担。模型在Kennet流域和Pang流域的应用结果显示，SOIL-PALADIGM能够较好地再现观测到的流量和地下水水位的变化。在Kennet流域，模型的Kling-Gupta效率（KGE）达到了0.91，而在Pang流域则达到了0.8，表明该模型在模拟水文过程方面具有较高的准确性。此外，模型的拟合度（R2）达到了0.85，进一步证明了其在地下水水位模拟中的有效性。

研究还指出，一个地形流域可能会通过IGF损失19%的年降水量，这表明在水资源管理中，必须考虑IGF的空间和时间变化。在 Kennet 和 Pang 流域中，IGF 的变化呈现出明显的季节性和年际差异。例如，在2011年和2012年，由于降水减少，两个流域的净IGF都较低，而在2014年则由于降水丰富，IGF达到峰值。这种变化与水文条件密切相关，尤其是降水的时空分布。此外，模型还揭示了IGF在不同地形边界上的空间分布特征，例如，Pang流域的IGF主要通过其东部边界流失，而Kennet流域则在某些区域获得地下水补给。

在研究过程中，模型的参数校准是关键步骤之一。为了提高模型的模拟精度，研究团队使用了拉丁超立方采样方法，生成了1000组参数组合，并通过优化KGE指标选择了最佳参数集。这种参数优化方法确保了模型在模拟流量和地下水水位时能够达到较高的精度。此外，模型的校准仅基于Kennet流域的流量观测数据，而Pang流域的模拟结果仍然能够与观测数据保持良好的一致性，这表明模型在处理跨流域水文过程时具有较强的适应性。

研究还探讨了IGF对水文质量的影响。地下水流动不仅改变了水体的量，还可能通过地下通道连接不同地形流域，从而影响水质。例如，某些流域的地下水流动可能会携带污染物，导致下游水质下降。因此，在水资源管理中，必须综合考虑IGF对水体数量和质量的双重影响。

在模型应用方面，研究团队利用了公开的地理和水文数据，包括降水、蒸散发、径流以及地形和地下水流数据。这些数据来源广泛，且具有较高的时空分辨率，为模型的构建和验证提供了良好的基础。同时，模型的参数设置基于土壤和地下水的物理特性，如饱和导水率、孔隙度、残余饱和度等，这些参数的合理选择对模型的模拟效果具有重要影响。

研究的局限性在于，虽然模型在模拟水文质量方面表现出一定的能力，但无法直接验证IGF的空间和时间变化。为了进一步提高模型的精度，可以结合水化学分析和示踪实验等方法，以更全面地评估地下水流动的特性。此外，模型在处理深度变化较大的水文地质条件时可能需要进一步优化，以确保其在复杂地质环境中的适用性。

综上所述，本文的研究表明，二维地下水流动模型在模拟跨流域地下水流动方面具有较高的可行性，能够在较低的数据和计算需求下再现观测到的水文过程。这一发现为未来在更大范围内的水文模拟提供了新的思路，尤其是在需要考虑地下水流动对水资源管理影响的区域。此外，模型还揭示了IGF在不同季节和年份中的变化规律，为水资源的可持续管理提供了重要的参考依据。通过这些研究，可以更好地理解地下水流动对流域水资源的影响，从而为制定科学合理的水资源管理策略提供支持。