新南威尔士州地下水δ2H/δ18O同位素景观图揭示地下水补给动态与人为影响

本研究通过构建澳大利亚新南威尔士州首套多层地下水稳定同位素(δ2H/δ18O)景观图，揭示不同深度(1-1000m)地下水补给机制差异，发现浅层地下水受土地利用变化显著蒸发富集，深层水则保留更古老气候信号，为区域水资源管理提供可视化决策工具。

　　

在全球水资源日益紧张的背景下，地下水作为关键资源支撑着生态系统、农业和人类生活需求。澳大利亚新南威尔士州(NSW)约27%的用水依赖地下水，但长期缺乏系统性研究揭示其补给机制。传统降水同位素景观图(isoscapes)无法反映地下水-地表水相互作用、人类活动影响及垂向分层特征。随着激光光谱技术普及，构建高分辨率地下水同位素图谱成为可能，这对理解气候变化与人为干预下的水资源演变至关重要。

研究团队整合4218组新旧地下水δ²H/δ¹⁸O数据，采用二维普通克里金插值法，首次构建了NSW四层深度(1-30m、30-50m、50-300m、300-1000m)同位素景观图。通过澳大利亚国家地下水信息系统(NGIS)验证含水层分布，采用"留一法"交叉验证评估预测精度(δ¹⁸O平均误差<1‰)。研究结合降水同位素数据与水文地质模型，揭示了不同时空尺度下的地下水动态。

4.1 同位素数据集特征

数据显示95%样本δ²H介于-45‰至-20‰，沿海与内陆值分异明显。雪山区41.6m深花岗岩裂隙水记录最低值(δ¹⁸O=-8.62‰)，而沿海浅层砂质含水层出现最高值(δ¹⁸O=0.65‰)，反映蒸发与海水混合影响。

4.2 1-30m浅层地下水

等值线显示大分水岭以东及主要冲积河谷δ值较低，Griffith至Narrabri一线以西因干旱显著富集。悉尼西部粘土区D-excess(～10‰)低于当地降水(14-16‰)，证实城市化增强蒸发效应。

4.3 30-50m中层地下水

农业区出现δ¹⁸O异常高值区，如Alstonville高原园艺区，与灌溉回补相关。Border Rivers地区低δ¹⁸O值指示Great Artesian Basin(GAB)深层水向上补给。

4.4 50-300m深层地下水

Murray-Darling盆地沿河带低δ值延伸更远，Coleambally灌区出现明显蒸发信号。Cobar附近高δ值反映古气候特征，与现今干旱环境形成对比。

4.5 300-1000m超深层

仅GAB区域有数据，Bourke北部Warrego河470m深井出现异常高δ值，可能关联极端降雨事件补给。

5.1 区域过程解析

沿海地区悉尼粘土带浅层水蒸发富集，Taree出现海水入侵信号。西部斜坡区灌溉渠道渗漏使浅层水D-excess降低3-4‰，Namoi河谷30m深处检测到1960年代建坝的蒸发信号。Darling河谷深层水低δ值对应25-40ka湿润期补给。

5.2 高分辨率案例

Namoi流域5km网格分析揭示：Mollee堰区浅层水强烈蒸发；Narrabri周边30-50m处GAB排泄区δ¹⁸O比周边低1.5‰；Boggabri煤矿区出现人为驱动的深层富集异常。

该研究开创性绘制了NSW三维地下水同位素图谱，证实现代浅层水与深层"化石水"存在显著同位素分异。成果不仅为水资源管理提供直观工具，更揭示灌溉、采矿等活动如何改变天然补给机制。未来通过补充沿海与偏远地区数据、结合3D地质模型，可进一步提升isoscapes预测能力，服务于联合国可持续发展目标(SDGs)中的清洁水与生态保护要求。论文展示的方法框架可推广至全球半干旱区，对应对气候变暖下的水资源安全挑战具有重要范式意义。