揭示中国黄河流域地下水储存异常的演化模式、分异机制及其驱动途径

《Journal of Hydro-environment Research》：Unveiling evolutionary patterns, differentiation mechanisms, and driving pathways of groundwater storage anomalies in China’s Yellow River Basin

黄河流域2002-2023年地下水异常储量（GWSA）时空演变及驱动机制研究表明，流域呈现显著的季节波动和区域异质性，年均降幅达414%。上游自然因素（地形、气象、水文）主导，中下游受社会经济活动（农业灌溉、工业用水、GDP）影响加剧。结构方程模型揭示社会经济因素对GWSA呈负向抑制效应，自然因素（径流、土壤湿度、坡度）正向促进。时空分异机制显示，流域西部地形驱动补给增强，东部人类活动主导耗损加速，中游过渡区协同效应较弱。建议实施差异化管理，构建智能监测系统，并创新跨区域协同治理机制。

　　地下水作为全球水循环的重要组成部分，是支持人类文明和生态安全的关键资源。它不仅为全球约25亿人提供饮用水，还占农业和工业用水的40%以上。然而，由于全球气候变化和人类活动的加剧，地下水资源的分布正变得越来越不平衡，许多地区面临地下水枯竭、地面沉降和海水入侵等问题。在黄河流域（YRB）这样的关键经济区和生态屏障区域，地下水安全问题尤为突出，亟需科学监测和有效管理。

在黄河流域，地下水对农业灌溉和工业生产的重要性不言而喻。该区域人口密集，农业活动频繁，地下水成为满足经济和生活用水需求的重要来源。然而，随着人口增长、城市化进程加快和经济发展，地下水的过度开采导致水位持续下降，地下水储量面临严峻挑战。因此，对地下水储量异常（GWSA）进行长期监测和分析，对于制定有效的水资源管理策略至关重要。

为了更深入地理解黄河流域地下水储量变化的时空特征及其驱动机制，本研究利用GRACE卫星和GLDAS数据集，计算了2002年至2023年期间的地下水储量异常，并采用统计分析、Theil-Sen中位趋势分析、Mann-Kendall趋势检验等方法对GWSA的时空变化进行了系统分析。同时，通过GeoDetector方法探讨了GWSA的空间差异化机制，并结合结构方程模型（SEM）分析了其驱动路径和方向性影响。这些方法的结合，有助于全面揭示地下水储量变化的复杂过程，从而为黄河流域的可持续发展提供科学依据。

研究发现，黄河流域的GWSA表现出显著的时空异质性。月度动态显示，地下水储量呈现单峰季节性波动，夏季达到最低点，冬季则相对稳定。年际变化方面，整个流域的GWSA呈现持续下降趋势，2002年至2023年间的下降幅度达到414%。在空间分布上，GWSA呈现出从西向东逐渐递减的梯度，且在下游地区尤为明显。上游区域的变化主要受自然因素（如地形和气候）控制，而下游区域则更多地受到社会经济因素（如农业灌溉和GDP）的影响。中游地区的变化则表现出较少的主导因素，其影响机制较为复杂。

此外，研究还发现，地形在上游地区起到了多因素耦合作用的中介效应，而在下游地区，自然和社会经济因素之间表现出较强的协同效应。这表明，黄河流域地下水储量的变化不仅是单一因素的结果，而是多种因素共同作用的结果。上游地区的地下水储量主要受到地形和气候的影响，而下游地区的地下水变化则与农业灌溉和经济活动密切相关。在中游地区，由于自然和社会经济因素的解释力较弱，地下水变化机制更为复杂。

为了更全面地分析GWSA的变化路径，研究采用了结构方程模型（SEM）对影响因素进行建模。结果表明，社会经济因素如GDP、农业灌溉（AI）和工业用水（IWU）对整个流域的GWSA具有显著的负向影响，而自然因素如径流（Runoff）、土壤湿度（SM）和坡度（Slope）则对GWSA具有正向促进作用。这表明，黄河流域的地下水变化是由自然和人为因素共同驱动的，且不同区域的驱动因素存在差异。

在上游地区，自然因素如地形和气候对地下水储量变化的解释力较强，而社会经济因素的影响相对较小。这可能是因为上游地区人口密度较低，农业和工业活动较少，地下水主要受到自然条件的制约。而在下游地区，社会经济因素如农业灌溉和GDP对地下水储量变化的解释力显著增强，表明该地区的地下水变化主要由人为活动驱动。中游地区的地下水变化则表现出自然和社会经济因素的相互作用，但整体影响较弱。

基于这些发现，研究提出了多项政策建议，以应对黄河流域地下水危机。首先，应建立区域差异化地下水管理体系，上游地区应优先设立核心地下水保护区，限制大规模工业和农业开发，同时优化生态补偿政策，促进地下水保护。其次，中游地区作为重要的农业和能源区域，应实施严格的水资源配额制度，分级水价政策和节水激励措施，以减少地下水的过度使用。最后，下游地区作为城市中心，应加强水资源规划，限制地下水的无序开采，同时利用南水北调等工程进行人工补给，以平衡地下水供需关系。

为了提高地下水管理的科学性和有效性，还应发展智能化的地下水储量监测和预警系统。该系统应结合卫星遥感技术和无人机监测，实现对整个流域地下水储量的时空监测。同时，应优化现有的地下水监测网络，重点关注地下水过度开采区域，提高动态监测的精度。建立地下水监测和预警平台，收集实时数据，进行动态分析，制定分层预警机制，以科学评估和精准调控地下水开采。

此外，研究还建议创新协同管理机制，建立跨行政区域的地下水管理机构，实施“水资源分配—开采许可—生态补偿”策略，以全面应对社会、经济和生态环境的可持续发展问题。通过水资源节约、跨流域调水和替代水源等措施，优化流域水资源配置，限制核心地下水区域的开采，并为受影响群体提供生态补偿。市场机制方面，应建立省际水资源交易市场，推动农业节水配额的跨区域交换，并加强水价研究，利用经济杠杆引导最优的水资源配置。技术方面，应整合高精度水文地质模型和多智能体模拟系统（MAS），建立数字孪生流域平台，模拟不同政策情景下地下水供需的响应，并通过三维可视化技术监测地下水流动。

综上所述，黄河流域地下水储量异常的变化不仅受到自然因素的影响，还受到社会经济因素的显著制约。随着气候变化和人类活动的加剧，地下水系统已进入高风险枯竭阶段，中下游地区由于农业核心区域和高人口密度，面临双重压力。因此，迫切需要建立适应性的地下水管理体系，结合区域水文地质条件和社会经济发展的不同路径，制定科学的管理策略，以确保黄河流域水资源的可持续利用。