地下水连通性驱动的流域边界演化导致内蒙古高原湖泊萎缩

《CATENA》：Groundwater connectivity driven watershed boundary evolution leads to lake shrinkage in the Inner Mongolia Plateau

　　

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  干旱湖泊的流域边界是动态的，由地下水的连通性决定。
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  流域演化是驱动干旱地区湖泊萎缩的一种新机制。
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  提出了一种用于评估区域地下水连通性的新指数。
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  该指数揭示了流域演化的阶梯式过程。

引言

湖泊是地球表层系统的重要组成部分，在区域水文调节（Ding 等，2019）、气候稳定（Woolway 等，2017）、生物多样性维护以及社会经济服务（Fang 等，2006；Zhang 等，2023b）方面发挥着关键作用。作为湖泊水文生态系统的基本单元，流域水文循环的演化直接决定了湖泊的面积和生态功能（Bin 等，2024；Liu 等，2021b）。在闭流域（内流区）中，这种关系尤为显著，流域与湖泊的演化之间可表现出显著的正反馈机制（Munar 等，2018）。近年来，在全球变化背景下，气候因素与人类活动的多尺度耦合效应导致湖泊流域水文循环发生了不同程度的改变（Liu 等，2021a；Tan 等，2024；Wang 等，2022；Xue 等，2024；Zhang 等，2023a）。这些变化往往通过改变流域内部的水文连通性来重新界定流域边界。这种边界的动态变化，进而通过改变湖泊的有效集水区域，驱动湖泊表面面积的持续演化（Abbott 等，2019）。因此，量化流域水文连通性的演化趋势，识别其动态演化的过程与驱动因素，并分析流域与湖泊演化之间的协同关系，具有至关重要的科学意义。此类研究对于解决干旱地区的水危机以及构建生态修复的理论框架具有重要意义。

由水文要素波动所驱动的流域水文循环变化，长期以来一直是湖泊演化研究的焦点（Do 等，2020）。众多学者结合人类活动的不同强度和气候演化特征，研究了不同地区湖泊对水文变化的响应。例如，受气候暖湿化影响，青藏高原中部热喀斯特湖泊在过去50年间显著扩张（Luo 等，2022），其中降水、冰川融水和地下冰融化分别贡献了高原内流区湖泊水量增加的74%、13%和12%（Li 等，2022）。相比之下，在内蒙古高原上，气候暖干化、耕地扩张和矿产开发的综合作用导致地表水网络断裂和地下水位下降，过去30年间共损失了145个面积超过1 km2的湖泊，湖泊总面积减少了30.3%（Hu 等，2015；Tao 等，2015；Zhou 等，2019）。尽管现有研究已对流域水文循环演化特征及湖泊面积的相应响应取得了深刻认识，但这些研究主要以数据驱动为主，通过多源数据融合来探索湖泊对外部因子的响应。流域水文情势如何通过水文连通性的变化来改变流域边界，最终导致湖泊萎缩和退化，这一机制仍不清晰。

对于水文和生态系统脆弱的内流区湖泊而言，维持稳定的水文连通性对于保持湖泊水收支和物质循环至关重要。近年来，水文连通性在各类生态系统中已得到广泛研究，包括湖泊（Lei 等，2024；Li 等，2019；Lin 等，2025；Liu 等，2024b；Yang 等，2024）、湿地（Chen 等，2023a；Liu 等，2024b；Qu 等，2024a；Qu 等，2024b；Wu 等，2023）和河流（Covino，2017；Hu 等，2024；Paillex 等，2009；Wang 等，2023；Yang 等，2024）。尽管这些研究揭示了水文连通性在流域演化中的重要作用（Liu 等，2024a），但现有研究主要聚焦于地表水（Balkanlou 等，2020；Bin 等，2024；Gbohoui 等，2021），这主要是因为河流网络、洪泛区和湖泊中的地表水流路径可见，因此更易于监测和分析。然而，对于地下水通常主导流域水文过程的华北干旱半干旱地区（Yu 等，2022；Zhang 等，2024），地下水连通性退化如何通过驱动流域边界演化并最终导致内流区湖泊萎缩，其机制仍缺乏充分认知，尤其是与以地表水为中心的连通性研究以及强调湖泊扩张的研究相比。

查汗淖尔湖位于中国北方农牧交错带核心区，是一个典型的内流区湖泊。作为华北地区曾经最大的内陆咸水湖，查汗淖尔是北方干旱区具有代表性的脆弱内流生态系统。风蚀洼地湖泊在该地区广泛分布，地表水稀缺使得浅层孔隙含水层成为湖泊-流域生态系统的主要支撑。近几十年来，该地区呈现暖干化趋势，农业和牧业用水持续增加，自2000年代中期以来伴随间歇性地表水流中断。因此，查汗淖尔盆地是研究长期人为胁迫下地下水连通性退化和流域边界演化如何最终驱动湖泊萎缩的理想案例。已有研究探讨了该流域的耕地分布（Chen 等，2021）、湖泊萎缩机制（Chen 等，2022；Wang 等，2022）和生态系统演化（Chen 等，2023b；Zhao 等，2023）。然而，大多数研究仅关注单一系统或特定水文要素，缺乏对流域演化的整体性研究。此外，关于湖泊演化的现有研究未充分考虑地下水连通性的作用，尤其是在上游山区地下水分水岭和流域边界演化中的作用，因此未能充分解释导致湖泊萎缩的内在过程。为弥补这一不足，本研究整合多源观测数据，采用由地球物理和钻孔数据约束的SWAT-MODFLOW耦合模型，从而能够稳健地重建地下水位演化过程，这对于识别动态地下水分水岭至关重要。基于此重建，我们提出了区域地下水连通性指数（RGCI）作为空间显式指标，用于量化区域地下水系统的侧向连通性，从而克服了传统方法主要侧重地表水或假设流域边界静态的局限性。

本研究基于多源数据，采用SWAT-MODFLOW耦合模型，旨在调查查汗淖尔湖盆地的演化特征，并量化该演化对湖泊面积的影响。主要目标为：（1）构建基于多源数据并经地球物理和钻孔信息约束的水文模型，以重建流域地下水位演化；（2）识别不同子盆地的地下水分水岭，并表征其水位演化特征；（3）开发区域地下水连通性指数（RGCI）作为空间显式指标，用于量化区域地下水侧向连通性并界定流域演化过程；（4）研究地下水补给和湖泊面积对流域演化的响应模式。

各章节摘要

研究区域

查汗淖尔湖盆地位于内蒙古自治区与河北省交界地带，介于北纬41°00′–42°10′和东经113°10′–114°30′之间（图1）。该地区是华北生态屏障的重要组成部分。盆地总面积约6757 km2。其地形特征为四周高、中部低，海拔从南北山区约1817 m逐渐降低至中部约1252 m。

模型率定与验证

为准确表征盆地非承压含水层的空间异质性，根据64口钻孔柱状图揭示的岩性组成和空间分布，将含水层概念化为12个不同的水文地质参数分区。关键水文地质参数的初始值——包括水平渗透系数（Kh）、垂直渗透系数（Kv）、给水度（Ss）和释水系数（Sy）——根据抽水试验结果和

讨论

综合以上发现，我们表明1985–2020年期间查汗淖尔湖盆地并非一个静态的集水单元。相反，随着地下水位下降，流域连通性逐渐减弱。当地下水位降至或低于关键分水岭高程时，子盆地之间相继发生水力断联，导致有效流域边界持续收缩。这种收缩经历了不同的阶段（表1）：初始

结论

本研究聚焦于华北地区最大的内陆咸水湖——查汗淖尔湖。采用SWAT-MODFLOW耦合模型，我们重建了1985至2020年盆地地下水的演化过程。通过整合子盆地的空间分布，我们开发了RGCI以定量界定连通性对流域演化的影响，并揭示驱动湖泊萎缩的机制。主要结论如下：

（1）流域边界的演化驱动了快速

CRediT作者贡献声明

赵乐凡：写作——审稿与编辑，写作——原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，方法论，形式分析，概念化。金晶：写作——审稿与编辑，监督，方法论，形式分析。郑艳红：方法论，形式分析，概念化。徐健：写作——原稿撰写，监督，方法论。马蓉：写作——审稿与编辑，写作——原稿撰写，可视化，软件，资金获取，形式分析，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到水文地质与环境地质研究所地质调查项目基金（DD20230700103）、国家重点研发计划（2024YFC3211600）、中科院黑河流域水循环野外观测站联合开放基金（编号：WCSHR-2024-08）以及青海省科技计划项目激励基金2024（2024KFKT-B06）的支持。

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