孟加拉国半干旱巴林德流域地下水枯竭、气候干旱与地表动态的综合评估

《Science of The Total Environment》：Integrated assessment of groundwater depletion, climatic drought and land surface dynamics in the semi-arid Barind Tract, Bangladesh

　　

# 研究摘要

- 1981—2024年统一记录显示，地下水存在显著的下降趋势（?0.01 至 ?0.61 m/年）。
- Penman-Monteith SPEI-12 与水位下降存在强相关关系（r = +0.744，p < 0.01）。
- 2 km 站点缓冲区内，地表温度热点（LST）与土壤水分流失直接相关（NDMI，r = ?0.804）。
- 干季 NDVI 升高揭示出由集约化 Boro 水稻灌溉所驱动的"NDVI 悖论"。
- 在 Nachole、Tanore 和 Godagari 三个联合县（upazila）优先确定了关键地下水枯竭热点区域。

## 引言

地下水是地球系统中最关键的自然资源之一，对于维持湖泊、湿地、河流、农业以及生态系统服务至关重要。由于地下水约占地球上可获取淡水资源总量的95%（Palazzo 和 Brozovi?, 2014），它对人类生存和社会经济发展具有重要意义。过去50年来，由于人口快速增长、农业扩张、工业化和城市化，用于家庭、灌溉和工业的地下水抽取量大幅增加，导致地下水可持续性面临巨大压力（UNCSD, 2012）。根据 Morris 等（2003）和 Sajib 等（2023）的研究，全球约一半的粮食生产依赖于灌溉农业，而灌溉农业主要依靠地下水资源；全球超过20亿人依赖地下水作为饮用水来源。全球每年抽取的地下水约982 km3，用于满足各种需求；在许多地区，仅灌溉一项就占全部淡水抽取量的近70%和日常居民用水量的近90%（Siebert 等, 2010）。由于地表水供应受限和气候变化日益加剧，地下水已成为南亚地区——全球地下水抽取热点地区之一——的主要灌溉水源（Rosegrant 和 Svendsen, 1993；Islam 等, 2019）。孟加拉国拥有丰沛的地表和地下水资源，但其地下水系统正承受着越来越大的压力。约90%的灌溉活动依赖地下水，仅有很小一部分依赖地表水源（Zahid 和 Ahmed, 2006）。这种依赖性在孟加拉国西北部的 Barind 地区表现得最为明显——该地区是干旱频发区域，降雨量少、蒸散发量高、黏土层厚，自然补给能力极为有限。

1971年至2009年间，孟加拉国西北部年均降雨量为1326至1650 mm，平均约为1505 mm，比孟加拉国全国年均降雨量（2456 mm）低约39%（Islam, 2009）。季风后旱季期间降雨严重不足，而此时灌溉需求达到峰值，尤其是 Boro 水稻种植需求（Shahid, 2009；Ahmad 等, 2014），导致地下水补给极为有限。

根据孟加拉国农业发展公司（BADC, 2024）的数据，Rabi 季节约有577万公顷农业用地进行了灌溉，其中416万公顷（72.07%）使用地下水灌溉，161万公顷（27.93%）使用地表水灌溉。由于地下水补给与消耗之间日益加剧的失衡，孟加拉国许多地区的地下水位一直在稳步下降。

众多研究表明，孟加拉国农村和城市的地下水枯竭趋势令人担忧。长期地下水监测数据显示，自20世纪90年代以来，达卡等城市的地下水位一直在稳步下降。这种枯竭由于过度抽取和补给不足而加速（Islam 等, 2021；Moshfika 等, 2022）。1981年至2017年间，孟加拉国北部地下水位呈下降趋势，下降速率范围为每十年0.1至1.3 m。预测显示未来几年将进一步枯竭，对地下水可持续利用构成严重威胁（Salam 等, 2020）。在 Barind 地区，地下水枯竭主要由与农业集约化和种植结构变化相关的集约化灌溉抽取所驱动，加上自然补给有限、降水变率和蒸散发量高等因素的共同影响（Hasanuzzaman 等, 2017；Islam 和 Ashrafuzzaman, 2017）。

影响地下水补给和储存动态的一个重要因素是气候干旱。干旱是大气需求与水资源供给失衡的结果，在受季风变率强烈影响的水文过程地区（如孟加拉国）尤其复杂。干旱通常被定义为在作物生长季期间土壤水分降至作物良好生长所需阈值以下的状况（Maipauw 等, 2020），主要影响孟加拉国西北部地区，尤其是 Barind 地区。由于干旱发生缓慢、区域难以预测，且与地下和地表过程相互作用，干旱预测难度较大。

标准化干旱指数（如标准化降水指数 SPI 和标准化降水蒸散发指数 SPEI）通常用于衡量不同时间尺度上的干旱严重程度。SPEI 考虑了降水和受温度驱动的蒸散发，因此在气候上升条件下对干旱加剧更为敏感，而 SPI 仅取决于降水亏缺。通过多时间尺度干旱分析（如3个月、6个月和12个月），可以区分短期农业干旱与直接影响地下水系统的长期水文干旱（Xiong 等, 2023；Khan 等, 2022）。近期研究表明，孟加拉国的干旱发生频率和强度正在上升，尤其是在西北地区，凸显了气候变率对供水日益加剧的影响。

除了气候干旱外，地表反应也为干旱状况在不同农业景观和生态系统中的表现提供了重要洞察。卫星遥感技术的进步使得能够持续监测地表温度、水分胁迫、植被健康和地表水动态。归一化差异植被水分指数（NDMI）显示植被水分胁迫，而归一化差异植被指数（NDVI）等其他指标常用于评估植被活力和产量。归一化差异水指数（NDWI）用于识别地表和近地表水可获取性的变化，而地表温度（LST）是与水分亏缺相关的地表热状况度量（Tucker, 1979；Guha 等, 2020；Ahmed 等, 2022）。这些指标在依赖地下水的农业地区尤为有用，因为地下水位下降直接影响植物状态和地表湿润度。

尽管技术性的水文研究已广泛绘制了孟加拉国西北部地下水下降情况，但现有文献往往孤立地分析水文气候变异和卫星反演的地表指标。如何在评估这些不同监测工具的空间整合是否能为地下水枯竭、气象干旱与地表-植被热胁迫之间的耦合作用产生新的实证证据方面，仍存在关键的研究空白。此外，在半干旱农业制度中应对水资源短缺，需要将研究范围从纯粹的水文学扩展到制度治理、政策框架和协作性资源管理机制（Radhi 等, 2025；Awawdeh 等, 2025）。加强制度能力、推广可再生能源支持的监测技术，以及促进透明的信息共享平台，是实现农业可持续发展的关键组成部分（Morone 等, 2019；Falcone, 2023；Giganti 等, 2024）。

为在概念上弥合这些物理方面的空白，本研究建立了一个控制地表—地下—气候连续统的水文气候反馈框架：

气候变异/干旱 → 补给减少和灌溉需求增加 → 地下水下降 → 植被/水分胁迫 → LST 升高。

为应对这些实证和制度层面的空白，本研究整合了 Barind 地区的多十年水文地质测量数据、气象干旱指数和多传感器卫星图像。具体而言，本文提出四个核心可检验的研究问题：(i) 在控制序列自相关时，Barind 地区长期地下水枯竭的空间分布和统计显著性如何？(ii) 各时间尺度（3个月、6个月和12个月）的气象干旱指数（SPI/SPEI）如何与地下水水位异常和响应时间滞后相关？(iii) 瞬时卫星指标（LST、NDVI、NDMI、NDWI）是否反映了局部地下水胁迫和地表升温？干季灌溉扩张如何掩盖了自然植被动态？(iv) 如何运用整合的水文气候证据，指导高风险区域的空间优先化制度干预、政策调整以及可持续水资源管理框架？

## 研究区域与数据

研究区域位于孟加拉国西北部干旱影响的 Barind 地区，自20世纪80年代中期以来，地下水动态受到灌溉需求不断上升的巨大影响。目前地下水供应约77%的灌溉需求，随着用水需求增长，这种依赖在未来预计将进一步增加。因此，该地区的供水将继续主要依靠地下水。研究区域包括 Naogaon 联合县的 Porsha、Sapahar 和 Niamatpur 联合县。

## 地下水水位趋势分析的统计方法

为评估长期动态，将12口监测井（1981—2022）的每周地下水水位（GWL）观测值汇总为年均值和季节指数——具体为季风前期（3月至5月）和季风后期（10月至11月），以捕捉季节恢复动态。采用非参数 Sen 斜率估计量量化单调趋势的幅度（m/年）及95%置信区间。在进行趋势检验前，对每个时间序列进行了滞后1的筛选……

## 观测到的地下水水位趋势

利用年均数据生成了12个测压头站（PHS）的地下水情势线图，以评估年均地下水水位（GWL）动态和长期趋势。图 3a—b 显示了显示研究区域内不同时间模式的代表性地下水情势线图。与河流洪泛区和低洼地区相比（后者显示出显著更高的变率和更弱的长期趋势），Barind 地区显示出相对较低的……

## 枯竭的空间变化与因果论述的适度表述

长期修正 Mann-Kendall（MMK）分析表明，地下水水位下降速率存在显著的空间异质性（?0.01 至 ?0.61 m/年）。最高的枯竭速率高度聚集在高 Barind 高地（如 Godagari、Tanore 和 Nachole 副县）。在缺乏直接计量体积管井抽取记录的情况下，断言地下水枯竭"完全由抽取造成"的直接因果主张必须以方法论上的谨慎措辞来表述……

## 结论

本多十年综合评估（1981—2024）定量地将孟加拉国 Barind 地区的地下测压头趋势、水文气候干旱指标和卫星反演的地表指标耦合起来。本研究的主要实证发现总结如下：

- **测压头下降**：长期测压头监测显示所有12个观测井的含水层持续枯竭，Sen 斜率下降速率范围为 ?0.01 至 ?0.61 m/年。下降……

**CRediT 作者贡献声明**
Roni Roy：写作—审阅与编辑、写作—原稿撰写、可视化、验证、监督、软件、方法学、调查研究、形式化分析、数据整理、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能影响本论文所述的工作。

Roni Roy