基于可靠性（Reliability）、韧性（Resilience）和脆弱性（Vulnerability）的评估方法，用于研究过度开采的山麓平原地区地下水开采的可持续性

《Journal of Hydrology》：RRV (reliability, resilience and vulnerability)-based assessment of groundwater extraction sustainability in an over-exploited piedmont plain

地下水可持续性评估与降水贡献分析：基于北京平原的GWS变化与南水北调工程响应研究。研究通过回归分析与优势分析发现，降水年际波动对GWS变化贡献达86%，其中干旱年份抽水导致GWS损失占比85%。南水北调实施后系统虽呈现恢复趋势，但可持续性指数（SI）持续下降，揭示单纯恢复不等于可持续性保障，需建立动态抽水调控机制。

　　

曹国亮|韩东梅|张永红

中国地质大学（北京）水资源与地球科学学院地下水保护重点实验室，北京 100083，中国

摘要

在基于地下水储存（GWS）变化的地下水开采可持续性评估框架中，很少评估涵盖完整补给-干旱周期的评估期长度以及降水的相对贡献。本研究以过度开发的北京平原为例，通过分析1961年至2023年间多个区域因素的长期变化来评估地下水开采的可持续性。利用回归程序和优势分析（DA），我们评估了GWS变化、降水量和地下水抽取之间的关系。地下水可持续性通过可靠性、恢复力和脆弱性（RRV）标准以及由GWS变化和降水不足得出的可持续性指数（SI）来评估。研究发现，GWS变化受到干旱年和湿润年频率的显著影响，而DA显示86%的GWS变化可归因于降水。干旱年的GWS损失占总消耗量的85%，突显了干旱期的主导作用。根据GWS变化得出的SI系统性地高估了系统的可持续性，与基于降水不足得出的SI相比高出多达34%。主要原因在于非平稳GWS变化的偏差导致系统可靠性的高估。特别是在南水北调工程（SNWDP）运行后，地下水系统显示出趋于平衡的迹象。然而，GWS的恢复并不等同于可持续性，这从SI下降的趋势中可以看出来。这些发现强调了根据动态调整的抽取量来减少地下水抽取的必要性，以缓解水资源紧张含水层的过度开采问题。

引言

地下水提供了全球近一半的饮用水，全球有25亿人完全依赖地下水满足日常用水需求（联合国教科文组织，2015年）。全球约70%的抽取地下水用于农业（Margat和van der Gun，2013年）。对于大约66%面临水资源短缺问题的大城市来说，地下水开采可能是一个有效的解决方案（He等人，2021年）。在干旱和半干旱地区，地下水资源的开发和利用虽然发挥了重要作用，但也导致了广泛的过度开采（Gleeson和Wada，2013年）。这引发了一系列环境问题，包括长期地下水位下降、海水入侵和地面沉降。由于人口和经济的持续增长，地下水需求的持续上升预计将加剧地下水枯竭（Famiglietti，2014年）。这种趋势可能会因长期干旱事件而加剧（Trenberth，2011年；Liu等人，2022a；Liu等人，2022b）。因此，确保地下水开采的长期可持续性在地方和全球层面都是一项关键挑战（联合国教科文组织，2015年）。

在地下水可持续性评估框架中，如基于水量的地下水足迹（Gleeson和Wada，2013年）和地下水压力（Richey等人，2015a，Richey等人，2015b），以及通常基于多过程建模和优化算法的更复杂的社会经济指标（Pandey等人，2011年；Elshall等人，2020年；Mundetia等人，2024年；Saqr等人，2025a；Saqr等人，2025b），地下水可再生可用性是一个关键因素。为了突出干旱对地下水的影响，将地下水干旱的概念纳入了可持续性评估（Bloomfield和Marchant，2013年；Thomas等人，2017a）。地下水干旱指数是通过将地下水位或储存变化视为随机变量进行统计分析得出的。为了系统地评估地下水系统的性能，Hashimoto等人（1982年）提出的可靠性、恢复力和脆弱性（RRV）标准被整合到一个综合可持续性指数中，用于评估地下水可持续性（Mays，2013年；Thomas等人，2017b；Ahmed等人，2019年；Nair和Indu，2021年；Ali等人，2023年）。地下水RRV分析主要基于重力恢复和气候实验（GRACE）数据得出的地下水储存（GWS）变化。与气候变化和人类活动相关的地下水补给变化也对含水层的恢复力和可持续性很重要（Richey等人，2015b；Gleeson等人，2020年），但在这一评估框架中并未直接考虑。此外，水资源管理中的RRV指标的时间变化趋势（Loucks，1997年；Fowler等人，2003年）在地下水可持续性评估中很少被考虑（Ahmed等人，2019年）。现有的可持续性框架通常适用于处于持续下降或平衡状态的含水层系统。在评估从活跃枯竭阶段向管理恢复阶段过渡的含水层的长期可持续性方面存在知识空白。与极端降水相关的地下水补给的频繁间歇性使得地下水可持续性的评估变得复杂，需要数十年的长期观测才能进行全面评估（Shamsudduha和Taylor，2020年）。

北京是世界上少数主要依赖地下水作为供水来源的特大城市之一。由于快速的城市化和气候变化，北京平原长期以来一直面临地下水过度开采的挑战（Zhou等人，2012年）。为了缓解水资源短缺的压力并改善由地下水过度开采引起的生态和环境问题，跨流域调水项目在过去十年中发挥了积极作用（Long等人，2020年）。根据北京的水资源供应统计数据（北京水务局，2023年），北京地下水供应的比例从2000年的总供应量的67.2%逐渐下降到2023年的30.6%。自2014年底以来，南水北调工程（SNWDP）中间路线的实施以及再生水的利用提供了替代水源，有效缓解了北京地下水水平的持续下降（Long等人，2020年；Jiang等人，2022年）。

了解地下水水平的长期动态和地下水预算的变化是有效控制地下水过度开采和未来水资源管理的重要基础，也是制定地下水利用可持续目标的关键。地下水数值模型表明，在实施SNWDP后，减少地下水抽取是逆转北京平原地下水水平下降趋势的关键因素（Yang等人，2012年；Zhou等人，2012年；Zhang等人，2018年；Long等人，2020年；Liu等人，2022a；Liu等人，2022b；Yang等人，2022年；Liu等人，2024年）。在综合管理下，预测的地下水水平可以在十年内上升超过10米并达到平衡状态。考虑到降水是主要驱动力之一，直接使用了历史降水记录（Zhang等人，2018年），或者调整了区域气候模型（RCMs）的预测（Liu等人，2024年），以确保未来的年平均降水量保持一致。选择的历史降水记录时期将显著影响模拟的未来地下水水平动态。然而，气候变化和人为景观变化对地下水补给变化的综合影响通常难以预测（Han等人，2017年；Hyndman等人，2017年）。

人口密集的半干旱山前含水层在强烈的人类压力下，使得北京平原成为全球地下水管理挑战中的一个关键例子。由于城市化和气候变率的共同作用，该地区经历了严重的枯竭，反映了世界各地类似地质和社会经济环境所面临的挑战。SNWDP实施后观察到的持续地下水恢复使其成为研究战略政策干预对水文响应的罕见而有价值的例子。本研究旨在定量评估地下水开采的可持续性，以应对水资源需求和降水变化。将RRV框架应用于恢复系统，在这种情况下，评估指标是动态变化的，这在概念和方法上仍然探索不足。我们的研究通过在北京平原几乎一个完整的枯竭和恢复周期内应用和批判性评估RRV框架，直接解决了这一空白。由于准确的地下水抽取数据通常不可用，因此很难确定净流入量和可持续的地下水抽取量，以维持稳定的平均地下水水平（Butler等人，2016年；Butler等人，2020年；Butler等人，2023年）。为了解决这个问题，本研究将RRV框架与水资源不足分析相结合，建立了GWS和降水之间的直接关系。在这个框架中，根据降水变化趋势评估了抽取的可持续性。鉴于降水年际变化可能会增加（Yang等人，2022年），本研究重点评估湿润年和干旱年频率对地下水可持续性性能标准的影响。

北京平原的水文状况

北京平原是一个人口密集且地下水过度开采的山前平原，面积约为6,400平方公里，占北京行政区域的约39%，2023年的人口约为1800万。该地区的西北部海拔较高，东南部海拔较低（图1）。北京位于温暖的大陆性季风气候区，具有半湿润和半干旱的气候特征，年平均...

降水和抽取对GWS变化的影响

在北京平原，年GWS变化与降水量之间存在强相关性，皮尔逊相关系数为0.79（p<0.001）（图4a）。然而，GWS变化与地下水抽取之间的关系相对较弱（相关系数为-0.52，p<0.001）。1961-2023年间GWS变化与降水异常之间的线性回归显示，降水解释了63%的GWS变化（p<0.001）（图4a）。GWS变化与...

讨论

长期来看，GWS变化与降水或气候指数之间的相关性在半干旱环境中尤为明显，例如加利福尼亚中央谷地、大自流盆地、高平原含水层和印度南部的含水层（Whittemore等人，2016年；Asoka等人，2017年；Russo和Lall，2017年；Li等人，2019年）。因为在这些压力巨大的含水层中，GWS变化的主要驱动因素是灌溉抽取，因此GWS变化与气候...

结论

在过去60年中，特别是在SNWDP实施后，降水和抽取的相对贡献对北京平原的地下水可持续性评估至关重要。回归分析结合优势分析表明，大多数GWS变化可归因于降水变化。干旱年的GWS损失占总GWS消耗量的85%。考虑到北京平原干旱年和湿润年之间的频繁交替...

未引用的参考文献

Bredehoeft，2002年；Devlin和Sophocleous，2005年。

CRediT作者贡献声明

曹国亮：撰写——初稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理。韩东梅：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。张永红：调查、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：U2344225）和中国自然资源部（拨款编号：A2115）的支持。感谢编辑和匿名审稿人的宝贵意见，这些意见提高了本文的质量。