重建潜水古地下水位：一种方法学综述

《Earth-Science Reviews》：Reconstructing phreatic palaeogroundwater levels: A methodological review

　　

•我们综合了已有的和新颖的PGWL重建方法。•整合多种方法有助于克服单一代理指标或技术的局限性。•时空和定量权衡促使策略性地选择方法。•历史记录约束了模型和代理重建。引言人类活动在整个历史过程中深刻地改变了水文系统，改变了其天然过程和动态特征（Brown等，2017）。这些影响源于有意的干预措施（例如河道渠化、排水）以及土地利用变化、大量抽取地下水或泥炭地开垦等无意的后果。这些改变破坏了水资源的天然可利用性、流动和储存（D?ll等，2009，D?ll等，2012；Scanlon等，2023），降低了水文系统的韧性，并增加了系统在气候变化和人类需求增长的双重压力下的脆弱性（Rockstr?m等，2014；Falkenmark等，2019；Richardson等，2023）。因此，社会正面临日益加剧的水文极端事件，包括干旱和洪涝，这些事件在未来气候情景下预计将更加严重（Lehner等，2006；Caretta等，2023；Rodell和Li，2023）。地下水是水文循环的重要组成部分，也是地下水依赖型生态系统的关键驱动因素。同时，由于地下水位和水量下降，地下水系统特别面临枯竭的风险（Konikow，2011；Taylor等，2013；Jasechko等，2024）。为应对这些挑战，人们越来越认识到需要将水资源管理从工程系统转向综合性的基于自然的解决方案。这些方法被认为对于保护生物多样性、支持可持续用水和增强水文韧性至关重要（Ficklin等，2022；Scanlon等，2023）。在这一转变过程中，理解广泛人类改变前的基线水文条件是关键一步（Brown，2002）。然而，定义这样的基线本质上很复杂，因为人类影响的性质和强度在空间和时间上差异很大。在许多地区，尤其是欧洲，前工业条件并不代表完全天然的状态，因为景观数千年来已被人类活动所塑造。因此，基线更可靠地定义在可量化的历史基准（操作性术语）中，例如大量抽取地下水、大规模排水或特定管理转变之前的条件。人类对局部环境的影响可能可追溯到新石器时代（约公元前6000年）（Kalis等，2003；Nentwig，2007；Maa?等，2021），主要通过森林砍伐和土地开垦实现。森林转化为农业用地降低了蒸散发速率，从而改变了水分平衡。开垦做法包括修建沟渠和渠道，通过改变水力梯度进一步改变了地下水系统。在温带地区，这些干预措施使得泥炭地和湿地能够被排水，地下水位降低以支持农业和居住。相反，在干旱景观中，类似的结构促进了灌溉，通常导致人工补给和局部地下水位升高（Scanlon等，2007；Valipour等，2020；Bruisch和van de Grift，2022）。然而，在全球尺度上对地下水系统产生实质性且广泛影响通常被认为自19世纪末以来才出现，主要受地下水抽取和排水基础设施扩展的驱动（Van der Gun，2019）。地下水系统变化的后果对依赖水的生态系统及其服务功能可能因气候变化而进一步加剧（Taylor等，2013）。尽管存在这些复杂性，但建立参考水文状态对于实际应用和学术应用都至关重要。来自过去的这些基线为评估人类影响和分析长期地下水动态提供了基本基准。过去与现在的比较提供了对历史变化程度以及系统在扰动后恢复程度的见解（Ferguson和George，2003；Knotters和Jansen，2005）。古地下水重建正成为确定此类参考地下水条件的关键途径（Forstner等，2025）。古水文视角对于生态系统修复和基于自然的解决方案日益重要，因为这些途径需要理解过去的（'基线'）条件以设定现实的目标（Eggermont等，2015；Baptist等，2019；Ruangpan等，2020）。过去地下水条件的知识为定义维持修复后的植被和生态系统所需的地下水目标和阈值提供了科学依据，适用于当前或未来气候情景（Higgs等，2014；Rohde等，2024b）。整合这些见解通过协调水资源管理实践与生态历史来加强生态水文学，从而促进更具韧性和适应性的实践（Bridgewater，2018）。尽管古地下水重建很重要，但在古水文研究中很大程度上被忽视了，这些研究主要关注河流和湖泊系统中的古洪水和古干旱（Bl?schl等，2020；Herget和Fontana，2020；Baker等，2022）。涉及古地下水的研究主要考察了地下水年龄（Bethke和Johnson，2008）、补给速率和路径（Candel等，2016；Priestley等，2020）或地下水质量（van Engelen等，2019），通常在深层和承压含水层中进行。相比之下，承压含水层（浅层和非承压）对气候变化影响和人类扰动高度敏感（Hare等，2021），却很少受到关注。然而，承压地下水支撑着多样的地下水依赖型生态系统（GDEs），包括沼泽地、泥炭地、湖泊和沿海生境，这些生态系统在地下水位变化时立即面临脆弱性（Eamus等，2006；Xu等，2019；Rohde等，2024）。鉴于其相关性，本文综述重点关注承压地下水系统。我们将北极地区排除在本文范围之外，因为永久冻土或季节性冻土的存在创造了不透水屏障，迫使这些系统作为承压含水层运行（Walvoord和Kurylyk，2016；Zhou等，2024）。地下水位是决定生态系统功能的基本水文参数。因此，它们是管理地下水资源和指导基于自然途径的基本指标（Eamus等，2006）。术语"地下水位"、"水位深度"和"地下水深度"在文献中经常互换使用，指的是水位相对于参考基准面的位置（Baird和Low，2022）。在本文中，地下水位具体指地下水水面的位置，通常表示为地下水相对于共同垂直基准面的高程。在承压或非承压含水层中，地下水位对应水位的高程。然而，地下水条件也可以由其他与地下水位相关的变量表示，取决于它们与地下水的关系，例如水头、距地表水位深度（DTW）、高地下水位约束（HWC）、低地下水位约束（LWC）、干湿条件（D/W）、地表水位或深度（SWL）或土壤湿度条件（SMC）。水头表示以相对于参考基准面的等效水柱高程表达的地下水水力势。在承压条件下，水位处的水头对应地下水位。DTW表示地表与水位之间的垂直距离。HWC和LWC分别指示相对较高或较低的地下水条件，并约束地下水位的可能范围。D/W条件描述景观中相对干燥或湿润的程度，其中环境响应与地下水位之间可以建立关系。SWL指地表水体中地下水对地表水条件有所贡献的水位高程或深度。SMC描述土壤中的含水量或水分可利用性，特别是在非饱和带中，这可能受浅层地下水通过水文过程（例如毛细上升）的影响。过去承压地下水位在此被称为古地下水位（PGWL）。我们将PGWL作为一个概括性概念来讨论，因为不同的重建方法提供了不同的地下水位相关变量的信息，具体取决于方法和水文地质背景。对于每种讨论的方法，我们在图注和正文中明确了所重建的PGWL相关指标。重建PGWL及其相关参数需要选择适当且特定于背景的方法途径。关于PGWL重建的知识分散在水文地质学、古水文学、地貌学、考古学、古生态学、土壤科学和数学建模等领域，但没有现有的综述专门评估浅层承压地下水系统的这些方法。每种方法都是特定于背景的，且每种方法都带有固有的不确定性和局限性，需要进行背景化解释。尽管研究广泛，但缺乏关于PGWL重建可用方法的全面综述，包括其适用性和局限性（Forstner等，2025）。这一差距凸显了对整合性方法综述的需求。本综述的主要目标是为评估和整合PGWL重建方法提供批判性的跨学科基础。在此过程中，我们努力促进PGWL重建技术的透明度和跨学科可用性。具体而言，我们的目标是：a）收集并综合不同科学学科和文献来源中的PGWL重建方法，讨论其理论基础；b）评估每种方法重建的内容，连同其适用性、假设、优势、局限性和潜在偏差，通过确定实施标准和表示的时空尺度；c）通过代表性示例展示每种方法的应用；d）提供一个集成框架和操作流程，指导使用多种方法和数据集进行PGWL重建的实际应用。本综述的结构如下：首先，我们呈现各种PGWL重建途径，分为三大类：（1）直接历史数据源；（2）经验代理记录；（3）建模技术。其次，我们批判性地比较这些方法，包括其重建指标、适用性、优势、局限性、假设和偏差。第三，我们提供评估假设和报告不确定性的框架，并讨论如何整合不同途径。最后，我们以对未来研究方向和方法学进展机会的看法总结本综述。章节摘要历史记录历史记录包括测量、地图和文档等来源。由于它们通常提供过去水文条件的有日期的直接证据，对于理解历史时期与史前时期过渡阶段的地下水状态至关重要。因此，我们将这些记录作为重建该边界时期PGWL的直接数据源。基于代理的重建方法与直接历史数据不同，代理指标通过推断关系提供PGWL的间接证据。我们按照其科学学科对其进行了分类：地貌学、考古学、生物学和水文土壤学代理指标。对于基于代理的重建，定年技术对约束PGWL的时间范围很重要，见表1。地下水模型地下水模型通过提供将历史或代理推导的输入转化为过去地下水条件估计值的互补途径来进行PGWL重建（图12）。与通过环境指标间接推断PGWL的代理方法不同，模型可以明确模拟目标变量，如水头、地下水位、距地表水位深度或季节性地下水行为。它们的主要优势在于灵活性：它们可以在……重建PGWL指标。重建指标及其与PGWL的关系在本综述中，我们确定了在不同学科和景观背景下重建过去承压地下水条件的广泛方法。这些方法不一定重建相同的地下水位变量。观察到的代理指标或环境特征与PGWL之间的关系取决于将二者联系起来的水文地质过程。所推断的指标不仅取决于方法本身，还取决于证据所处的水文地质背景。结论我们提供了PGWL重建已有和新颖方法的全面综述，涵盖历史记录、多样的基于代理的方法和数值及统计建模框架。我们的评估确认，任何单一方法的准确性和适用性与数据可用性、所需的时空尺度、所需假设和特定研究目标内在相关。本次综述的一个关键发现是，重建方法不……生成式人工智能和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明在语法校正和编辑过程中使用了ChatGPT和Gemini。作者审查并编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。资金来源本出版物是项目'NAT：气候韧性、可持续和高产沙质土壤景观的基于自然的途径'的一部分，项目编号为KICH1.LWV02.20.008，属于研究计划'KIC - 2020年气候韧性生产系统与水资源管理任务'，（部分）由荷兰研究委员会（NWO）资助。Jasper Candel也得到了NWO的支持（资助Veni，编号21004）。未引用参考文献da Avelino等，2017Heuvelink和Webster，2023Rohde等，2024a利益冲突声明作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Laxmi Chaulagain报告获得了荷兰研究委员会的财务支持。Jasper Candel报告获得了荷兰研究委员会的财务支持。如果有其他作者，他们声明不存在已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。Laxmi Chaulagain | Jasper Candel | W.

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