《Geology, Ecology, and Landscapes》：Delineating groundwater potential recharge zones using remote sensing and GIS through the analytical hierarchy process (AHP) in northern Namibia’s landscapes
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本文创新性地将层次分析法（AHP）与地理信息系统（GIS）、遥感（RS）技术相结合，在数据稀缺的纳米比亚北部半干旱区，系统评估了地貌、岩性、线理密度、土壤、排水密度、坡度及土地利用等多因子对地下水补给潜力（GWRZ）的影响。研究成功划分了四级补给潜力区，验证结果显示与季节性洼地（pans）分布及国家水文地质图高度吻合，为区域地下水可持续管理及土地利用规划提供了关键科学依据。
摘要
水是支撑生命和粮食生产的关键自然资源，在纳米比亚等半干旱地区尤为重要，因其地表水有限且蒸发率高。地下水占地球可用淡水的98%，因此其可持续管理至关重要。本研究利用遥感和GIS技术，通过层次分析法（AHP）划定了纳米比亚北部三个景观区域（Uukolonkadhi、Okatjandja和Okongo）的地下水潜力补给区（GWRZ）。基于卫星衍生的主题图层在ArcGIS 3.2.2中进行分析，并应用累积得分指数（CSI）进行分类，确定了四个补给潜力类别：极高、高、中等和低。结果显示，Okongo地区超过80%的区域属于极高到高补给区，而Okatjandja和Uukolonkadhi则以中等至低补给潜力为主。通过季节性洼地和水文地质图验证，结果一致性良好。高线理密度、未固结沉积物和低排水密度的区域显示出最高的补给潜力，为地下水管理和土地利用规划提供了依据。
1. 引言
地下水是半干旱至干旱地区的主要水源，尤其在纳米比亚，地表水有限且蒸发迅速。北部地区人口密集，依赖自然资源，加之气候变化和土地退化压力，使得地下水补给过程评估变得尤为重要。传统地下水评估方法成本高、耗时长，而GIS和RS技术的结合为地下水研究提供了高效替代方案。AHP作为一种决策工具，能减少权重分配的主观性，已成功应用于多个地区的地下水潜力区划。然而，在纳米比亚及南部非洲地区类似研究有限。本研究针对纳米比亚北部不同气候、地质和水文地质条件的景观，利用AHP加权的GIS/RS方法，旨在划定易受土地利用实践影响的补给区，并采用季节性洼地进行验证。
2. 研究区概况
研究在纳米比亚北部的三个地点进行：Omaovipanga的Okatjandja Kozomenye保护区（库内内地区）、Ruacana的Uukolonkadhi保护区（奥穆萨蒂和库内内地区）以及Okongo社区森林（奥汉圭纳地区）。这些地点代表了各自景观内地理水文属性、地形特征和环境条件的空间分布，并面临因过度放牧、耕地转化和人口增长导致的土地退化压力。Okatjandja面积657 km2，年降雨量250-350 mm，地形起伏；Uukolonkadhi面积746 km2，年降雨量300-400 mm，地形多样；Okongo面积780 km2，年降雨量550-600 mm，地形平坦。研究地点沿降雨梯度自西向东分布，地质上分别覆盖Epupa变质杂岩、Otavi群和喀拉哈里沙等不同岩层。
3. 材料与方法
3.1. 数据收集
研究收集了多种空间和 temporal 遥感与GIS数据集，包括土壤性质、地貌、岩性（源自ISRIC世界土壤信息）、排水密度、地形单元和坡度（源自30米分辨率STRM DEM数据）、线理密度（源自Landsat 8）、土地覆盖（源自10米分辨率ESA世界覆盖图）以及边界、河流、道路和平均降雨量（源自《纳米比亚地图集》）。
3.2. RS和GIS数据准备
基于遥感与GIS数据制备了坡度、线理密度、土地利用/土地覆盖（LULC）、地貌、排水密度、岩性和优势土壤等专题图，并按照既定流程进行处理以生成可靠的地下水补给潜力区分析信息。
3.3. 层次分析法（AHP）
AHP作为一种结构化的空间多标准决策技术，用于确定各主题图层及其属性对识别GWRZ的重要性（权重）。过程包括因子选择、成对比较、权重分配和一致性评估。权重基于1-9标度进行成对比较确定，一致性比率（CR）为0.04（≤0.10），表明判断一致性可接受。
3.4. 地下水潜力补给区划
利用ArcGIS Pro 3.2.2软件集成各数据集，根据累积得分指数（CSI）的平均值和标准差，将研究区划分为四级补给潜力区：极高（>均值+标准差）、高（=均值+标准差）、中等（=均值-标准差）和低（< />
3.5. 敏感性分析
采用地图移除技术进行敏感性分析，依次移除各输入参数/图层，评估其对最终GWRZ图的影响，以识别对区划结果影响最大或最小的因子。
3.6. 地下水潜力补给区图的验证
由于研究区缺乏监测井和涌水量数据，验证采用国家水文地质图的含水层类型和地下水潜力数据，并叠加了季节性洼地、地表凹陷和季节性池塘的数据进行对比。
4. 结果
4.1. 土地利用/土地覆盖（LULC）图
三个研究点的土地利用均以灌木为主，Okatjandja次为贫瘠/稀疏植被，Uukolonkadhi次为耕地，Okongo次为树木。土地覆盖的改变显著影响入渗和地下水补给。
4.2. 岩性图
Okongo完全被未固结的喀拉哈里沙覆盖；Okatjandja和Uukolonkadhi则以变质岩和火成岩为主，山谷和山麓有少量未固结物质。
4.3. 线理密度图
Uukolonkadhi和Okatjandja的线理密度较高（分别占23%和21%），Okongo仅2%。高线理密度通常与高补给潜力相关，但需结合其他因素。
4.4. 排水密度图
三个研究点均以中低排水密度为主（平均约80%）。Okatjandja和Uukolonkadhi约10%区域因山地陡坡呈现高排水密度。
4.5. 地貌图
Okatjandja和Uukolonkadhi为低-高梯度山脉结合谷底和平原；Okongo为平原/平原地貌，更利于补给。
4.6. 坡度图
Okongo平坦（0-2°），Okatjandja和Uukolonkadhi坡度较陡（>5°），平坦坡度利于补给。
4.7. 优势土壤图
Okongo全为砂性土（Arenosols），利于快速入渗；Uukolonkadhi以岩石为主，结合Cambisol和部分Arenosol；Okatjandja以Leptosol为主，另有Regosol、Cambisol、Calcisol和岩石露头。
4.8. GWRZ图
区划结果显示，Okongo高达83%的区域属极高-高补给潜力区，Uukolonkadhi为54.8%，Okatjandja为52.9%。极高潜力区特征为高线理密度、未受干扰土地、谷底/平原地貌、未固结沉积物和低排水密度。低潜力区则与陡坡、高排水密度、裸露土壤和低线理密度相关。
4.9. 敏感性分析
Uukolonkadhi和Okatjandja的敏感性分析表明，线理密度敏感性较低，而地貌敏感性较高；Okongo则排水密度最敏感，坡度最不敏感。
4.10. 结果验证
季节性水体绝大多数落在极高-高GWRZ内。含水层潜力数据显示，Okongo 80%区域为高孔隙度物质，具中等潜力含水层；Uukolonkadhi和Okatjandja约50%区域为高裂隙/岩溶化岩层，具中等潜力含水层，其余为低潜力不透水岩体，与GWRZ区划结果吻合良好。
5. 讨论
土地利用/土地覆盖是影响补给潜力的关键因素。灌木的主导地位及其对入渗的调节作用显著。Okongo的平坦地形、高植被密度（树木）和砂质土壤共同促成了其高补给潜力。相比之下，Okatjandja和Uukolonkadhi的陡峭地形、岩石岩性和土壤类型限制了补给。高线理密度本身不足以保证高补给，需结合坡度、地表地质和排水特征综合评估。季节性洼地与高补给区的空间对应关系验证了区划结果的合理性，也指示了浅层含水体的存在。将GWRZ图纳入土地利用规划，有助于实施有针对性的保护和管理策略，如人工补给，以应对人口增长带来的水资源压力。本研究为后续评估土地利用变化和生态恢复对地下水补给的影响奠定了基础。
6. 结论
本研究证实了AHP加权的GIS/RS技术在纳米比亚北部半干旱区地下水潜力补给区划中的有效性和适用性。Okongo表现出最高的补给潜力，主要得益于其有利的地形、岩性和土地覆盖条件。验证结果表明该方法在数据稀缺地区的可靠性。划定的高潜力区应作为土地利用规划和地下水管理的优先区域加以保护。研究成果为区域水资源安全和可持续发展提供了科学支持，未来需加强水文地质数据收集以进一步优化模型。
