气候变化驱动下基于集成动态模型的滨海地下水演化与海水入侵机制研究——以湄公河三角洲茶荣省为例

《Water》：Evolution of Coastal Groundwater Resources and Seawater Intrusion Under Climate Change Based on an Integrated Dynamic Model: A Case Study of Tra Vinh Province, Mekong Delta

　　

滨海地下水资源正日益受到过度开采与气候变化的双重胁迫。揭示其演化规律并制定可持续管理策略是全球性的科学挑战。本研究基于地下水模拟系统（GMS）平台构建了集成地下水流与溶质运移模型，以湄公河三角洲茶荣省为典型案例，系统评估了人为与气候双重胁迫下多层滨海含水层系统的水动力过程、水位变化及盐度演化特征。模型基于2007年1月至2017年1月的地下水位观测数据进行校准，随后用于模拟地下水与盐度演化，并利用可获取的总溶解固体（TDS）观测数据评估模拟盐度结果的一致性。通过敏感性分析与情景模拟，研究定量识别了关键参数的控制作用及未来气候变化（主要为降水变化）的影响。研究提供三项核心发现，可为类似滨海环境提供借鉴：（1）地下水开采的影响：地下水位下降与海水入侵与持续的地下水开采密切相关，在维持开采条件下，预测的地下水补给增加不足以逆转地下水位下降趋势。（2）差异化的参数敏感性模式：地下水位对水力传导系数最为敏感，边界流入对边界导水系数最为敏感，储水量变化受上述两参数共同调控。（3）补给增加的有限效应：在持续开采条件下，预测的地下水补给增加不足以逆转地下水位持续下降趋势，凸显了未来地下水管理中须将地下水开采与补给统筹考虑的重要性。本研究不仅为茶荣省的开采控制与补给管理等管理策略提供了科学依据，也为理解人为与气候双重胁迫下滨海多层含水层系统的响应提供了洞见，为类似高强度开发的三角洲及滨海平原的地下水资源管理提供了方法参考。

论文解读

一、研究背景与科学问题

滨海地区是全球最具生产力的区域之一，承载着密集的人口与集约化的农业和工业活动。地下水是这些区域生活、农业和生态用水的重要淡水资源。位于海陆交接地带的年轻三角洲系统中的滨海含水层，同时受陆地和海洋过程的影响，包括海水入侵、地质过程、气候变化和人类活动，形成了复杂的地下水资源系统。随着人口快速增长和经济发展，地下水需求不断增加，过度开采会打破海水与淡水之间的平衡，促进海水入侵，并引发淡水枯竭、土壤盐渍化和生态影响等问题。除过度开采外，气候变化还可能进一步加剧滨海含水层的海水入侵，对地下水资源构成额外威胁。

湄公河三角洲主要位于越南，是地势低洼、人口密集且土壤肥沃的地区，占越南粮食总产量的50%。目前，该三角洲因各种目的过度开采地下水的问题日益严重，导致地下水位和储水量快速下降，对三角洲的社会经济活动构成风险，包括饮用水供应、农业系统和民生。特别是在茶荣省等典型沿海省份，由于人口增长和经济发展，加之地表水受污染和盐化，地表水资源不足以满足区域需求，地下水被过度开采，导致地下水枯竭和海水入侵等问题。因此，开展湄公河三角洲代表性区域特别是茶荣省等沿海省份的地下水资源管理研究具有重要意义。

已有研究多采用社会调查、数理统计和跨学科方法，属于静态模拟范畴，无法刻画湄公河三角洲地下水系统的物理机制，也无法模拟区域地下水流和溶质运移的时空演化。机器学习方法虽能预测滨海含水层盐度，但属于黑箱模型，可解释性差，同样无法描述地下水过程的物理机制。虽有研究采用三维变密度SEAWAT模型探讨过度开采对海水入侵的影响，但未涉及敏感性分析，未能量化模型输出对输入参数变化的响应、识别关键影响参数，也未考虑气候变化对地下水的影响。

二、研究内容与主要结论

本研究基于GMS平台构建耦合地下水流与溶质运移模型，评估茶荣省在地下水开采和气候相关补给变化条件下的地下水动态与盐度演化。研究聚焦三个方面：模拟地下水流与溶质运移的时空演化，探究地下水位变化、流场格局和盐度分布；开展模型参数与边界条件的敏感性分析，量化模型输出响应并识别主导控制因素；通过情景模拟探讨未来气候变化特别是预测的地下水补给变化的影响。

研究得出三项核心结论：地下水开采与历史时期地下水位和储水量下降密切相关，2007年1月至2016年12月地下水开采量增加，伴随地下水储量的显著下降；地下水系统对水力性质和边界条件表现出含水层依赖性和参数依赖性的敏感性，地下水位、边界流入和地下水储量对水力传导系数、储水系数和定水头边界导水系数的变化响应不同；在采用的情景下，预测的地下水补给增加不足以逆转地下水位下降趋势，茶荣年平均地下水补给量预计在50年预测期内增加约12%，尤其在渗透性较好的砂质区域，但即使在补给增加条件下，维持2016年开采水平仍与2017至2066年地下水位持续下降相关。

三、关键技术方法

研究人员基于GMS平台构建了集成地下水流与溶质运移模拟框架，包含概念模型和数值模型。概念模型涵盖七个含水层（全新统qh、上更新统qp₃、中上更新统qp_2–3、下更新统qp₁、上新统中段n_2–2、上新统下段n_2–1、中新统上段n_1–3）及六个隔水层，考虑边界条件、水文地质参数和水文应力。数值模型采用MODFLOW-2005模拟三维非稳定地下水流，采用100 m×100 m水平网格，共750行、670列、19个垂直层；采用MT3DMS模拟溶质运移；采用SEAWAT集成模拟变密度地下水流与运移过程。模型以2007年1月至2017年1月13个监测井的地下水位观测数据进行校准，采用平均误差（ME）、均方误差（MSE）、均方根误差（RMSE）和相关系数（r）评估模型性能。敏感性分析将水力传导系数、储水系数和边界导水系数分别调整±50%以观察输出响应。未来模拟采用RCP4.5情景下的补给预测数据，预测期为2017年1月至2066年12月，开采量维持2016年水平。

四、研究结果

4.1 地下水流与溶质运移模型的校准与结果

模型校准通过调整水力传导系数和地下水开采量以减少模拟与观测水位之间的差异。校准后13个监测井的平均均方误差从约4.91降至4.73，平均均方根误差从2.00降至1.92。以Q07701H井为例，其均方误差从0.57显著降至0.16。模拟水位总体再现了代表性监测井的观测时间变化。2007年1月至2017年1月，地下水开采量增加而储量减少，顶部潜水含水层的补给与储量变化趋势一致，边界流入和河流渗漏无显著变化。TDS浓度等值线图显示，咸水在研究区广泛分布，茶荣省北部TDS浓度相对较高，各含水层间的TDS空间分布存在差异，表明地下水系统内盐度分布具有非均质性。

4.2 参数敏感性分析

水力传导系数敏感性：水力传导系数增加50%时，顶部含水层地下水位因向下伏含水层渗漏增强而下降，下部承压含水层水位上升；水力传导系数减少50%时地下水位相对变化更为显著。边界流入随水力传导系数增加而增加，储量变化在水力传导系数增加50%时相对变化更为明显。

储水系数敏感性：储水系数增减50%时，不同含水层和观测井在不同应力期的响应各异。储水系数变化对边界流入有显著影响，储水系数减少50%时边界流入变化尤为显著。储水系数增减50%时储量变化均增加，储水系数减少50%时相对变化更为显著。

边界导水系数敏感性：边界导水系数增加时，更多水通过边界补给和渗漏进入含水层，导致地下水位上升；边界导水系数减少50%时水位相对变化更为显著。边界导水系数增加时边界流入增加，增加50%时比较变化更大。边界导水系数增加时储量增加，减少50%时相对变化更为显著。

4.3 未来地下水预测

未来地下水补给预测显示，砂质区域的地下水补给显著大于黏土区域，补给主要发生在砂质区域，黏土区域补给相对极少，且未来50年补给率预计增加。基于预测的月补给值，在RCP4.5补给情景和开采量维持2016年水平的假设下，2017至2066年50年模拟期内地下水位呈逐渐下降趋势，与2007至2017年观测到的下降趋势基本一致。水均衡方面，预测期内河流渗漏和边界流入预计增加，地下水储量在大部分未来时期保持负值。海水入侵模拟显示，与2017年条件相比，未来情景下研究区北部咸水仍广泛分布，部分地区TDS浓度超过3000 mg/L，表明这些区域盐度相对较高。1000 mg/L和3000 mg/L TDS等值线在三个含水层中的分布各异，表明地下水盐度演化存在空间差异。部分浅层区域TDS浓度相对较低，表明在预测补给条件下存在局部淡水补给，这一变化在浅层砂质含水层中更为明显，因为相对较高的补给促进了淡水补充。

五、讨论与结论

讨论部分指出，地下水开采对湄公河三角洲滨海含水层的地下水位下降和海水入侵具有显著影响，与已有研究结论一致。2007至2017年间地下水开采增加而年降水量波动，与地下水位持续下降相吻合。情景模拟进一步表明，在开采量维持2016年水平时，预测的补给增加不足以逆转地下水位持续下降趋势。敏感性分析揭示了差异化的响应模式：地下水位对水力传导系数最敏感，深层承压含水层响应显著而浅层潜水含水层变化较小；边界流入对边界导水系数最敏感，表明滨海系统中海陆交界面处的侧向交换主导补给和排泄过程；储量变化受水力传导系数和边界导水系数共同调控。管理方面，应优先调控人类开采活动，实施分阶段分区域的开采限制，通过地表水替代和含水层人工补给（MAR）减少地下水开采并促进含水层恢复，同时建立系统的监测网络。

研究结论可概括为：地下水开采与历史时期地下水位和储量下降密切相关，2007年1月至2016年12月地下水开采量增加伴随地下水储量显著下降，顶部潜水含水层比深层含水层表现出更大的补给响应，而边界流入和河流渗漏相对稳定；地下水系统对水力性质和边界条件表现出含水层依赖性和参数依赖性的敏感性，地下水位、边界流入和地下水储量对水力传导系数、储水系数和定水头边界导水系数的变化响应不同，50%的水力传导系数减少产生相对较大的地下水位变化，凸显了校准多层滨海地下水模型时须综合考虑垂向水力连通性、含水层储水性质和侧向边界交换的重要性；预测的地下水补给增加不足以逆转地下水位下降趋势，茶荣年平均地下水补给量预计在50年预测期内增加约12%，但即使在补给增加条件下，维持2016年开采水平仍与2017至2066年地下水位持续下降相关，表明仅增加补给可能无法抵消持续地下水开采的影响，地下水开采控制应继续作为滨海地下水管理的优先事项。