两种对比气候状态下基于过程建模的坡面-河谷系统控制性含水层补给研究

《Journal of Hydrology》：Process-based modeling of managed aquifer recharge in a hillslope-valley system under two contrasting climatic regimes

　　

•地下水可持续性需要考虑地表水与地下水的相互作用。
•在干旱气候下，山丘-河谷系统中的动态平衡可能需要数百年才能达到。
•动态平衡模拟评估了抽取和人工回灌如何影响可持续性。
•抽取对地下水动态的影响从河流向山丘方向递增。
•模拟显示，山丘地区对人工回灌的地下水响应比河谷地区更快。

引言
人工含水层回灌一直是全球水资源受限地区增强地下水可持续性的关键策略之一。通过在水资源可利用时期有意识地将水储存在含水层中，人工回灌能够缓解地下水枯竭、稳定供水、增加基流，并增强对气候变异的抵御能力。地下水枯竭是许多集约化管理农业区域水可持续性面临的关键挑战，包括加利福尼亚州中央谷地。数十年的集约化农业生产和反复出现的长期干旱导致地下水显著下降和不可逆转的土地沉降。这些挑战增加了对能够增强地下水储存并提高气候变异抵御能力的管理策略的关注。例如，在加利福尼亚州，为含水层盆地实现可持续地下水管理提供了监管框架，通过应对慢性超采、土地沉降和水质问题，同时支持农业生产。

数学模型是评估管理措施对地下水可持续性影响的重要工具。地下水模型通常使用源汇项和/或边界条件来近似考虑与地表水和非饱和带的交换。综合考虑地表水、非饱和带和地下水完整耦合的集成和耦合水文学模型提供了关于地表径流动态、非饱和带储存、补给以及地下水-地表水相互作用所需的额外见解，这些相互作用对于准确捕捉地下水行为至关重要。此外，耦合水文学模型应用越来越多地考虑了地表和基岩地形对非饱和带动态、地表径流过程和地下水储存的影响。在研究抽水或人工回灌等人类活动对陆域水循环的影响时，这类耦合表征尤为重要。地下水抽取会在流域中造成失衡状态，并改变降水向地表水、非饱和带和地下水储存的分配。人工回灌涉及有意识地将地表水捕获并储存在含水层中以供后续使用或环境效益，是全局范围内实现地下水可持续性的主要策略。两种常用的回灌技术包括注水井和地表入渗。注水井用于含水层储存与回取，简称ASR。地表回灌方法包括使用专用入渗池、农业用地以及紧邻河谷的洪泛平原。迄今为止，大多数回灌研究和实施都集中在相对平坦的地形上，包括谷底和洪泛平原环境，那里的表层粗颗粒冲积物可以促进快速入渗。这些研究为理解冲积含水层系统中的回灌性能提供了重要背景，而山丘过程以及山丘-河谷连接性仍未得到充分表征。

地下水模型和入渗实验已在各种空间尺度上进行，从小区尺度的入渗过程研究到流域尺度的区域地下水系统评估。然而，这些方法主要关注相对平坦的谷底环境，可能无法充分代表山丘-河谷系统中的地下水动态，在后者中强烈的横向梯度影响着地下水流和回灌性能。当同时考虑在存在河流、地表和基岩地形变化以及各种气候条件下地下水储存空间变异性的情况下，抽水和回灌对地下水动态的不同作用时，这一点尤为明显。入渗、地表径流和地下水动态受地表和基岩地形以及非均质冲积系统和河谷两翼丘陵地区的土壤分层强烈控制。然而，在回灌背景下山丘尺度的水文功能仍知之甚少。这种对山丘过程的忽视限制了现有地下水模型准确预测和评估回灌策略在流域尺度上影响的能力。特别是，大多数回灌研究隐含地假设地下水系统能够在管理相关的时间尺度上对补给扰动进行调整，忽视了含水层固有的水文地质记忆和潜在的百年平衡时间。因此，短期水力响应经常被解释为长期储存恢复的代理指标，这种假设可能导致关于回灌有效性的过早或错误结论。

解决这一差距需要一个基于过程的框架，该框架明确解析了连续山丘-河谷-洪泛平原地区的地表、非饱和区和饱和区耦合动态，并考虑了长期平衡和瞬态条件下的地形和气候梯度。将此类框架应用于真实流域的关键前提条件是开发和评估一个概念性系统表征，在其中可以隔离和检查主导水文过程，而不受复杂系统结构、参数不确定性和观测稀疏的混淆影响。尽管特定场地的流域模型通过针对现场观测进行校准和验证，为水资源工程设计和管理的不可或缺工具，但其复杂性可能会掩盖单个水文控制因子的相对影响。相比之下，概念模型提供了一个互补框架，用于在受控条件下隔离主导过程。因此，一个设计良好的虚拟流域实验充当了必要的试验场，能够在受控条件下实现过程理解，并为解释和约束更复杂、数据丰富的应用奠定基础。

本研究以加利福尼亚州中央谷地作为地下水可持续性问题的区域背景，但数值实验是在一个理想化的概念性山丘-河谷系统中进行的。概念框架受到从丘陵到谷底和洪泛平原环境及其与河流走廊连接的启发。对比的水文气候强迫来源于加利福尼亚州莫德斯托和卡米诺的观测数据。具体的模型几何形状、含水层尺寸、地下参数化、边界条件和管理位置均为数值实验而理想化。因此，该模型被设计用于在受控条件下研究一般水文响应，并不代表中央谷地的特定场地模拟。

本研究使用基于物理的、空间分布的MIKE SHE模型，考察了在抽水和人工回灌过程响应下概念性山丘-河谷系统中的地下水动态。概念域简化了景观几何形状，同时明确保留了地形、地下水力特性和含水层几何形状的空间变异性，以研究三个景观段中对抽水和人工回灌实施的地下水响应。这种概念模型方法提供了三个主要优势。首先，它简化了山丘-河谷连续体的地下非均质性，以捕捉主导水文过程，包括山丘驱动的扩散补给和跨越河谷的地下水连通性。其次，它提供了一个受控环境，在其中可以在规定的气候强迫下严格表征山丘和河谷含水层系统的长期平衡行为。第三，它建立了一个透明且可重复的基于过程的基础，以便后续扩展到真实流域，在那里系统复杂性和观测不确定性可能会掩盖已识别的因果关系。

本研究首次对山丘-河谷系统在干湿气候强迫、地形位置和抽水共同控制下的地下水动态进行了长期评估。本研究中回灌方法的比较侧重于地下水响应和水力有效性。水质、堵塞、维护要求、技术劳动力和成本等实际因素对于人工回灌的实施很重要，但不属于本分析的范围。研究目标包括：量化干湿气候强迫下山丘-河谷系统达到动态平衡所需的时间；评估抽水和不同回灌策略如何修改不同位置的长期地下储存和短期地下水响应；确定回灌性能空间和时间变异性的控制因素。通过将人工回灌与系统尺度平衡联系起来，本研究提供了一个稳健的基于过程的框架，用于评估山丘含水层中回灌的水力有效性，并设计考虑水文地质记忆跨越气候制度的回灌策略。

MIKE SHE模型
MIKE SHE与MIKE水力模型耦合，是一个基于物理的耦合水资源模型，用于模拟地表和地下水的动力学及其相互作用。该模型考虑了截留、蒸散发、地表径流、河道径流、非饱和流和饱和区流过程，为理解大尺度水文过程提供了有价值的工具。在本研究中，河道和河流径流被...

达到动态平衡的自旋时间
图3和补充材料1的表S1总结了在不同自然和人类影响场景下，干旱和湿润气候条件下，关键水文要素达到动态平衡所需的自旋时间。人类影响模拟以自然气候强迫条件下达到的动态平衡状态为初始状态，该状态定义了基线...

山丘系统长的水文地质自旋时间及其对人工回灌的影响
大多数人工回灌研究在年度到多十年的时间尺度上评估性能，反映了以管理为导向的关注点，包括地下水位恢复、补给效率和运行产量，而不是地下储存的平衡。这些方法是适当的，因为在真实场景中管理的地下水系统很少与气候强迫处于动态平衡。相比之下，本研究专注于长期空间...

结论
本研究表明，山丘-河谷含水层系统中的地下水动态强烈受固有水文地质记忆控制，动态平衡时间尺度在对比气候制度下跨越十年级到百年级。在规定的地下水文地质框架内，干旱和湿润场景对管理扰动的地下水响应表现出不同的时间尺度。在干旱半干旱条件下，含水层需要更长的时间...

作者贡献声明
凌新英：写作 – 审稿与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。梅布鲁·B·梅莱斯：写作 – 审稿与编辑，监督，资源，项目管理，调查，经费获取。斯科特·布拉德福德：监督，资源，项目管理，经费获取。胡丽·阿贾米：监督，项目管理，经费...

利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本论文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本研究由美国农业部农业研究局国家计划211支持。USDA是一个平等的机会提供者、雇主和贷款人。提及任何专有产品不构成USDA或美国政府的认可，也不意味着批准排他性地使用其他可能同样适用的产品。

凌新英|梅布鲁·B·梅莱斯|斯科特·布拉德福德|胡丽·阿贾米