气候变化导致的连续干旱或湿润年份对屏障岛（德国兰格奥格岛）淡水透镜层的潜在影响

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：The potential effect of climate-change induced consecutive dry or wet years on the freshwater lens of a barrier island (Langeoog, Germany)

淡水透镜体体积与水位响应于极端干湿气候及潮汐作用，以德国北海兰格奥格岛为案例，采用三维地下水模型模拟五年连续干湿情景，发现干旱五年体积减少20%，潮湿五年增加12%；水位对气候变化响应迅速，潮汐与风暴潮显著影响淡水分布。

　　气候变化背景下，极端天气事件对小型滨海沙洲岛地下水淡水透镜的影响已成为关注的焦点。这类岛屿通常淡水资源有限，地下水是主要的饮用水来源。随着全球变暖的加剧，干旱和洪水等极端天气事件的频率预计会增加，这可能对这些岛屿的地下水储量产生显著影响。本研究以德国北海沿岸的Langeoog岛为例，通过使用密度依赖的地下水流动和运输模型，分析连续干旱或湿润年份对淡水透镜体积及水位变化的影响，并结合不同的地下水抽取情景进行模拟。研究结果表明，连续五年的干旱会显著减少淡水透镜的体积，而连续五年的湿润则会增加其体积。此外，研究还发现，即使在第二年冬季，由于水位快速调整，洪水的影响已接近第五年冬季的严重程度。同时，潮汐和风暴潮对淡水透镜的影响显著，限制了淡水地下水的发育区域，并影响了岛屿内部的水位变化。

研究背景显示，欧洲的气温上升和降水模式变化已被高置信度预测。德国在过去几十年经历了多个夏季干旱事件，如2003年、2015年、2018年和2019年。干旱不仅影响了降水模式，还对地下水补给和淡水透镜的体积造成显著影响。同时，沿海、河流和暴雨引发的洪水事件预计也会增加，这对居民和基础设施构成威胁。例如，2014年和2021年的强降雨事件导致德国多个地区严重洪水，2023/2024年冬季的暴雨更是引发了大面积的洪水，对住宅和农业用地造成损害。此外，研究还指出，未来北海沿岸地区的冬季地下水补给可能增加，而夏季可能减少。因此，对淡水透镜的未来变化进行研究，有助于理解气候变化对这些岛屿的影响。

研究区域Langeoog岛位于德国北海沿岸，属于东弗里西亚群岛的一部分。该岛东西方向长约10.9公里，南北方向约3.5公里，总面积约为20.4平方公里。岛屿西北部是主要居住区，而东部和南部则较为低洼。岛屿的地质结构主要由沙组成，包含不同地质单元，如第三纪细沙、旧冰川期沉积物、Elsterian冰川冲积沉积物等。研究利用直升机载电磁（HEM）数据，发现淡水透镜的深度和范围在不同区域存在差异。例如，淡水透镜在西部较深，而在东部则分布更广。这可能与地下水抽取的区域有关，因为岛屿西部的地下水被用于饮用水供应，而东部则较为浅层，可能更易受到洪水影响。

研究采用了iMOD-WQ软件进行地下水流动和盐分传输的模拟。该软件基于SEAWAT模型，适用于并行计算。为了提高模拟精度，研究选择了总变差减少（TVD）方案，以确保质量守恒并减少数值扩散。研究区域的地形和水文地质数据通过20年平均的1997–2016年数据获得，并被放大为20米×20米的网格，以减少计算资源的需求。模型的垂直分辨率从-2米到-60米，随后逐渐增加到20米。第一层的深度被设定为-2米，以避免SEAWAT特定的数值问题。研究还结合了多个参数估计过程，包括水平和垂直的水力传导率、特定蓄水率等，并使用了已有的地质模型和HEM数据进行校准。

模型的边界条件设置考虑了潮汐和风暴潮的影响。模型中采用了相位平均的潮汐边界条件，以模拟由于潮汐作用导致的地下水位变化。此外，研究还模拟了不同季节的地下水补给情况，包括干旱和湿润的夏季和冬季。通过结合过去的数据，研究团队选择了具有代表性的地下水补给率，以模拟未来可能的极端天气情景。研究还考虑了地下水抽取的不同情景，包括最大、最小和平均抽取量，并评估了这些情景对淡水透镜体积和水位的影响。

研究结果表明，连续五年的干旱会导致淡水透镜体积减少约20%，而连续五年的湿润则会导致体积增加约12%。特别是在干旱年份，由于蒸发量超过降水量，地下水补给为负值，从而显著减少淡水透镜的体积。在湿润年份，由于降水增加，地下水补给增加，导致淡水透镜体积扩大。研究还发现，即使在第二年冬季，由于水位调整较快，洪水的严重程度已接近第五年冬季的水平。这说明水位对短期降水事件的响应速度较快，但对长期变化的适应需要更长时间。

此外，研究还发现，潮汐和风暴潮对淡水透镜的影响显著。特别是在中潮区，潮汐变化不仅限制了淡水地下水的发育区域，还影响了岛屿内部的水位。例如，在风暴潮发生后，部分区域可能被海水淹没，从而影响淡水透镜的分布和体积。同时，研究指出，模型中的水位变化对长期补给和抽取情景的响应存在差异。在干旱情景中，水位下降较为明显，而在湿润情景中，水位上升。这种差异表明，模型的准确性取决于补给和抽取的持续时间和强度。

研究还讨论了模型的局限性。例如，由于缺乏对盐度分布的详细测量数据，模型中的盐度变化可能未完全校准。此外，模型未考虑蒸发量的变化对地下水补给的影响，这可能会影响淡水透镜的动态变化。同时，研究也指出，模型未区分干旱是否由降水减少还是蒸发增加导致，这也可能影响对模型结果的解释。未来的研究可以进一步探讨这些因素，并结合更详细的观测数据进行模型优化。

综上所述，本研究揭示了气候变化背景下，极端天气事件对小型滨海沙洲岛地下水淡水透镜的潜在影响。研究结果对于理解这些岛屿在未来的水资源变化趋势具有重要意义，也为制定适应性措施提供了科学依据。此外，研究强调了潮汐和风暴潮在淡水透镜形成和变化中的作用，以及地下水抽取对淡水透镜体积的直接影响。这些发现不仅适用于Langeoog岛，也可能对其他类似岛屿具有参考价值。