基于GIS-AHP-WLC的极度干旱区人工地下水回灌（MAR）决策支持框架——以埃及东部沙漠Wadi El-Nakhil盆地为例

《Scientific African》：A Geospatial Decision-Support Framework for Managed Aquifer Recharge in Hyper-Arid Environments: Wadi El-Nakhil Basin, Eastern Desert, Egypt

　　

研究人员开发了一个集成水文地理空间框架，用于人工地下水回灌（Managed Aquifer Recharge, MAR）。利用地理信息系统（Geographic Information System, GIS）、层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）和加权线性组合（Weighted Linear Combination, WLC）技术整合了十八项评价标准。地下水补给潜力指数（Groundwater Recharge Potential Index, GRPI）识别出Wadi El-Nakhil盆地46.37%的区域高度适宜开展MAR。蒙特卡洛分析和受试者工作特征（Receiver Operating Characteristic, ROC）验证确认了模型稳健性（曲线下面积AUC=0.941）。地理空间适宜性被转化为实用且经济可行的MAR设计方案。

**研究背景与问题**

地下水是全球最大的可获取淡水资源，在干旱和极端干旱地区，地表水稀缺或不可靠，地下水往往是支撑社会经济用水唯一稳定的淡水来源。然而，全球范围内因过度开采、人口增长、农业扩张和气候变率，地下水资源正在加速耗竭，已有研究表明含水层支撑着近20亿人口，且许多高开采强度含水层的取水量已超过可持续补给量。在超干旱环境中，天然补给极为有限且高度随机，主要由短历时暴雨产生的偶发暴洪提供，这些洪水既是水文灾害也是宝贵的补给水源。管理的关键问题并不完全在于洪水是否可得，而在于如何在保证含水层储水能力、水质安全和工程可行性的前提下选择高效捕获与补给的场所。人工地下水回灌（Managed Aquifer Recharge, MAR）为有意将可获取的地表水储存于含水层以供后续利用提供了可行途径，在干旱区可减少蒸发损失、缓解洪水危害、增强地下水储量并提高气候韧性。然而，MAR的有效性严重依赖选址是否科学合理，因为回灌性能受地质、水文地质、地形、水文和环境等多重因素交互控制。传统选址方法依赖野外调查、勘探钻探和水文地质试验，成本高昂、耗时漫长，难以在大型流域推广。遥感（Remote Sensing, RS）与地理信息系统（Geographic Information System, GIS）结合多准则决策分析（Multi-Criteria Decision Analysis, MCDA）提供了一种空间显式的替代方案，可同步评价多个补给控制因子。其中层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）为准则赋权提供了系统框架，并能定量检验专家判断的一致性。尽管大量研究已经利用RS–GIS–MCDA开展地下水潜力和回灌区划，但从划定潜在有利回灌区向经实证检验且可落地实施的MAR决策转化之间仍存在显著缺口。因此，本研究选取埃及东部沙漠Wadi El-Nakhil盆地开展集成水文地理空间决策支持框架的构建与应用。

**研究内容与结论**

Wadi El-Nakhil盆地位于红海省境内，面积约1,535 km2，气候极端干旱，年均降雨量低于7 mm，潜在蒸散发超过3,500 mm yr?1，地下水是支持居民用水、农业、旅游、采矿和区域发展的重要淡水来源。盆地内前寒武纪结晶基底与新生代沉积物并存，且发育季节性暴洪，使其成为评估空间靶向MAR策略的理想自然场所。研究人员开发了一套将RS、GIS、AHP和WLC方法相结合的综合框架，整合十八项水文地质、地形、水文及环境评价准则，构建相对性地下水补给潜力指数（Groundwater Recharge Potential Index, GRPI），并通过预设权重扰动和地下水井记录对比进行模型评估。结果显示，GRPI将盆地内46.37%的区域划分为高或极高适宜性，并进一步识别出9个位于极高级区域内的候选场址，为后续详细水文地质调查和试点回灌试验提供了空间优先级。该框架的贡献在于将可视化的空间适宜性评价与尚未验证的工程实施可行性明确区分，为类似干旱流域MAR选址提供了可转移的决策结构。

**关键技术方法**

研究所用主要方法包括：利用Sentinel-2 MSI影像进行土地利用/覆被、线性构造和归一化植被指数（NDVI）提取；利用ALOS PALSAR DEM（12.5 m分辨率）派生高程、坡度、水系、地形湿度指数（TWI）、汇流累积量、地形崎岖度指数（TRI）等参数；借助NASA POWER降水数据构建1990–2025年长期平均降雨图层；结合CONOCO地质图、埃及地质调查和矿业资源局数据以及埃及水资源与灌溉部提供的水井记录，在GIS中建立空间数据库。权重确定采用Saaty九级标度的AHP法，并通过一致性比率（CR）检验判断逻辑一致性；采用WLC完成加权叠加生成GRPI。模型稳健性采用1,000次±15%权重扰动的蒙特卡洛敏感性分析，以及与8口控制井（来自埃及水资源与灌溉部并辅以2025年2月野外观测）对比的受试者工作特征（ROC）曲线验证。

**研究结果**

**补给的空间控制因素**：通过整合地质、水文地质、地形、水文和环境等专题图层发现，地下水位高补给适宜性主要沿主河谷中下段呈条带状集中分布。渗透性较好的渐新统砂岩、古近系沉积岩、上新统河湖相沉积物及第四系冲积层相比于前寒武纪结晶基底具有更高的补给适宜性；高地形湿度指数、缓坡、低地形崎岖度和靠近主排水通道的地区，径流汇聚条件好，入渗机会更大；环境因素方面，距离红海海岸线和潜在污染源较远处地下水防护条件更优。

**GRPI与候选MAR场址**：利用AHP权重和WLC生成的GRPI在空间上呈显著异质性。极高适宜性等级覆盖235.39 km2（15.33%），高等级覆盖476.54 km2（31.04%），二者合计711.93 km2（46.37%）。高值区集中于主河谷中下游，低值区则位于上游结晶基底山区。在上述区域内进一步筛选出9个候选MAR场址，GRPI值为4.31–4.49，均位于极高级内，靠近断裂构造与主河道，距海岸线超过15.17 km，距潜在污染源超过14.08 km。然而，研究明确指出这些数值属于描述性筛选指标，尚未经独立验证的排除性标准确认。

**模型敏感性与验证**：AHP一致性评估获得λmax=18.1862、CI=0.010955、CR=0.006787，低于0.10阈值，表明成对比较结构高度一致。蒙特卡洛分析中，18个准则在±15%扰动下变异系数均低于9%，权重稳定性良好。ROC分析以8口控制井为依据，产水井对应高或极高GRPI类，低产井对应低或中等GRPI类；AHP加权模型曲线下面积（AUC）为0.941，优于等权模型（AUC=0.815），增益ΔAUC=0.126，说明AHP加权提高了判别能力。然而，验证样本有限，且未开展空间分块交叉验证，因此该结果仅被视为探索性证据。

**用于量化MAR性能的数据可用性**：现有空间数据集和井位观测不足以支撑对9个候选场址开展完整的水量平衡定量估算。事件尺度洪水过程线、设施捕获与储存特征、时变入渗过程、蒸发量、非饱和带运移、含水层储热响应以及回收效率均未联合量化，因此本研究报告未提供捕获水量、有效补给量、净储水增量和可回收地下水量的数值估计。表4列出了开展场地尺度MAR水量平衡所需的关键参数及其观测要求。

**讨论与结论**

讨论部分强调，GRPI的空间格局反映出流域功能性的水文地质组织：结晶基底高地主要产生和输送季节性径流，下游冲积和沉积区则为入渗与地下水储存提供相对有利的条件。但高GRPI并不代表更高的实际入渗速率、有效补给量或可回收储存量，也不能替代对洪水水资源可得性、非饱和带水力特性、含水层剩余储水空间、水质安全和工程可行性的场地尺度验证。与既往研究相比，本研究的贡献在于建立了一个从空间筛选、权重不确定性评估、地下水井对比、候选场址优先级划分到技术选型的完整框架，并明确了各项待测参数的信息需求。未来工作应优先开展场地尺度的水文地质和水力特性调查，并实施带监测的试点回灌以验证水源与目标含水层之间的水力连通性。研究结论部分可翻译为：本研究开发了一个面向埃及东部沙漠Wadi El-Nakhil盆地MAR规划的集成水文地理空间决策支持框架。框架利用遥感、GIS、AHP和WLC整合了18项地质、水文地质、地形、水文和环境准则，生成了GRPI并将其空间分布与可获取的地下水井记录进行比较，同时将空间适宜性与不确定性评估、井记录探索性对比、候选场址优先级划分和工程解释相联系。GRPI将盆地内15.33%的区域划分为极高、31.04%划分为高相对补给潜力，共识别出46.37%（711.93 km2）区域作为进一步MAR适宜性评估的优先区。上述等级不构成对实际补给速率、可回收储存量或补给损失的证明。这些高适宜区主要分布于中下游河谷地带，其内识别出9个候选场址。AHP一致性评估与蒙特卡洛敏感性分析仅验证判断逻辑和权重稳定性，ROC比较仅提供地下水生产力相关的探索性证据，均不能证明有效补给、剩余可储水量、可回收地下水量或MAR运行性能。因此，候选场址仅代表需要优先开展调查的部位，所提出的技术方案仍然是概念性选项。在其他流域应用该工作流时，需重新评估输入数据、准则相关性、评分规则和权重，并进行适当的独立验证。