土地利用/土地覆盖对地下水补给的影响：基于遥感技术的多方法评估——以赞比亚卢萨卡含水层为例

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Land use/Land cover control on groundwater recharge: A multi-method assessment using remote sensing-based Water Balance in the Lusaka Aquifer, Zambia

土地覆盖变化对卢萨卡含水层地下水补给的影响研究，采用地球观测数据驱动的水平衡方法（WBM）结合水位波动法（WTF）和经验方法，评估1990-2022年间补给量的时空变化。结果显示城市扩张（830.49%）和森林覆盖率下降（67.10%）导致年均补给量从212.7mm降至147.7mm，空间分布受岩性（白云岩>350mm，花岗岩<10mm）和土地利用类型显著调控。方法验证表明WBM与WTF在空间模式上一致但存在岩性相关差异（最大93.09%）。

　　

Muumbe K. Lweendo|Benjamin Mapani|Kawawa Banda|Samuel Adelabu|Dimitrios Bassukas|Christoph Külls

纳米比亚科学技术大学，工程与建筑环境学院，邮政信箱13388，温得和克，纳米比亚

摘要

土地利用和土地覆盖（LULC）变化是控制地下水补给的主要因素，尤其是在城市化地区。本研究使用基于地球观测（EO）的水量平衡方法（WBM）评估了1990年至2022年间赞比亚卢萨卡含水层LULC变化对补给的影响。通过水位波动（WTF）和经验方法对补给量进行了评估，以检验其一致性和合理性。结果表明，由于建成区面积的扩大（830.49%）和森林覆盖率的减少（67.10%），季节性补给量显著下降，从1990年的212.7毫米降至2022年的147.7毫米。2004/05年和2018/19年的补给量降幅尤为明显（分别为61.61毫米和55.14毫米），而模拟结果之间的最大偏差出现在2007/08年（108.12毫米）和2016/17年（110.50毫米）。补给的空间分布受到LULC和岩性的强烈影响。在森林和植被覆盖下，碳酸盐岩层的补给量最高（>350毫米），而花岗岩层无论土地覆盖如何补给量始终较低（<10毫米）；片岩层的补给量介于两者之间，但在建成区明显减少（<50毫米）。WBM和WTF的补给量估计结果在空间上具有高度一致性，但数值因岩性不同而有所差异：在白云岩层中，WBM估计的补给量为227.95毫米，而WTF为291.67毫米；在石灰岩层中分别为122.14毫米和123.45毫米；在片岩层中分别为158.34毫米和82.00毫米，相对差异分别为-21.85%、-1.06%和93.09%。经验方法的补给量估计结果进一步证实了WBM所揭示的下降趋势，并反映了与降水相关的时变特性。总体而言，这些发现表明基于EO的水量平衡方法在数据稀缺的含水层中量化补给变化方面具有可靠性，强调了在持续城市扩张背景下管理LULC对维持地下水补给的重要性。同时，这也表明使用多种概念上不同的方法可以减少补给量估计的不确定性。

引言

地下水补给是水文循环的基本组成部分，也是含水层可持续性的关键决定因素（Zektser和Loaiciga，1993；De Vries和Simmers，2002a）。它代表了从地表向地下水位的水流，受气候条件、水文地质特征以及土地利用和土地覆盖（LULC）动态的相互作用影响（Lerner等人，1990；De Vries和Simmers，2002b；Healy，2010；Belay等人，2024）。尽管补给对地下水更新至关重要，但它仍是理解最少的水文过程之一（Mays，2013）。因此，对其量化对于可持续的含水层管理以及阐明补给如何响应人为和气候压力至关重要。特别是在快速城市化的地区，地表覆盖和气候动态的变化不断改变补给模式。LULC的变化被广泛认为是地下水补给空间和时间变异性的主要驱动因素（Han等人，2017）。城市化通过增加不透水表面、改变排水系统和减少渗透作用改变了自然水文过程（Wakode等人，2018）。城市扩张的总体影响导致地下水补给量减少（Senadi等人，2025），这凸显了深入了解城市扩张对补给模式影响的必要性。因此，理解LULC变化如何影响补给已成为一个重要的科学和政策问题，尤其是在面临水资源需求增加、用水竞争激烈和地表水资源有限的情况下（Kath和Dyer，2017）。

地下水补给量估计方法在水文文献中已有广泛研究，大致分为直接方法和间接方法（Ali等人，2017）。直接方法依赖于现场测量来估计补给量，但成本高昂且受空间限制，限制了其在区域尺度上的应用（Healy，2010；Duncan等人，2016；Koeniger等人，2016；Krüger等人，2024）。间接方法通过水量平衡计算、水位波动、示踪技术、数值和统计模型来推断补给量（Ali等人，2017）。间接方法适用于流域和区域尺度，但容易受到数据限制、模型假设和参数不确定性的影响（Gee和Hillel，1988）。Xu和Beekman（2019）指出，单独使用的地下水补给量估计方法存在较大不确定性，建议整合多种方法。在撒哈拉以南非洲，已采用多种方法量化补给量，这些方法反映了方法多样性和数据稀缺带来的持续挑战（Beekman等人，2003）。因此，利用地球观测（EO）数据和建模的框架已成为提高补给量评估可靠性的实用且可扩展的解决方案。

卢萨卡含水层是赞比亚首都及其周边地区的主要水源，为超过300万居民提供生活和工业用水（Mwamba等人，2018）。地下水还支持社会经济活动，通过数千口私人井和公共钻孔获取，减少了了对远处地表水源（如卡富埃河）的依赖（Nussbaumer等人，2016）。与广泛的管道系统相比，这种方式提供了相对较低成本的供水。此外，卢萨卡超过65%的居民生活在缺乏正式供水基础设施的城郊地区，严重依赖地下水，这使得该含水层对社区水资源安全和公共卫生至关重要（Nyundu，2024）。然而，其韧性受到人为和环境压力的威胁（Mpamba等人，2008a；B?umle和Kang’omba，2009；Mabmann，2012b）。Mpamba等人（2008a）报告称，由于市政供水和私人钻孔的过度抽取，地下水位持续下降。最近，Lweendo等人（2025）的研究表明，快速的城市扩张及其相关的LULC变化显著改变了地下水补给潜力的空间分布，减少了适合补给的地带。虽然这些发现突显了城市化对补给过程的潜在影响，但它们主要基于补给潜力映射而非补给量的直接量化。尽管卢萨卡含水层非常重要，但其补给量仍缺乏准确约束。现有研究主要采用独立的方式在局部尺度上进行补给量估计，导致估计值范围广泛，每年约为66至707毫米（Mpamba等人，2008a；Volker，2012b；De Waele和Follesa，2003；JICA，1995）。这种差异源于气候强迫、方法假设、数据可用性的差异以及对补给过程简化表示的不充分捕捉（Nussbaumer等人，2016；Hartmann等人，2017）。此外，现有评估未明确考察LULC变化对补给动态的影响，尽管卢萨卡的城市化进程迅速。本研究通过整合地球观测数据、LULC信息和地质异质性，在一个空间明确的补给量估计框架中解决了这些问题。采用Google Earth Engine（GEE）中的水量平衡方法，并结合水位波动（WTF）和经验方法来量化地下水补给量。研究目标包括：（1）量化1990年至2022年间LULC的时空变化；（2）估算卢萨卡含水层的空间分布补给量；（3）评估1990年至2022年间LULC变化对补给量的影响。本研究有助于加深对LULC驱动的补给变化的理解，并支持撒哈拉以南非洲快速增长城市的地下水安全。

研究区域

研究区域

卢萨卡含水层系统（LAS）位于赞比亚中南部，覆盖卢萨卡及中部省份的部分地区，纬度范围为15°10′S至15°40′S，经度范围为27°40′E至28°30′E（图1）。该含水层系统面积约为2,306平方公里，位于卢萨卡下方，这里是赞比亚的主要行政、工业和商业中心。近年来，卢萨卡一直被认为是撒哈拉以南非洲城市化最快的城市之一（Wall，2012）。

1990年至2022年的LULC变化

下图4展示了1990年和2022年的LULC地图。地图评估结果高度一致，Kappa系数分别为0.87（1990年总体准确率为0.84）和0.84（2022年总体准确率为0.76）。分类后的变化检测显示，建成区面积显著扩大，相比1990年增加了582.46平方公里。这种增长主要通过森林和耕地的转换实现，占建成区面积的830.49%。

WBM、WTF和经验方法的性能

WBM、WTF和经验方法的综合应用为卢萨卡含水层的补给量评估提供了互补的框架。WBM结合WTF和经验方法的结果表明，该方法能够捕捉到广泛的补给空间模式，尤其是在白云岩和石灰岩层中（图11a）。WBM捕捉到了与LULC变化相关的空间分布补给响应，而WTF方法则反映了...

结论

本研究显示，LULC变化显著改变了卢萨卡含水层的地下水补给动态。1990年至2022年间，该地区森林覆盖率减少了67%，农业用地减少了34%，建成区面积增加了830%。这导致平均补给量减少了30.23%（从211.7毫米降至147.7毫米）。补给模式受到LULC的强烈影响，森林和植被覆盖下的区域补给量较高。地质背景进一步调节了这些变化...

作者贡献声明

Christoph Külls：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、概念化。Muumbe Kenneth Lweendo：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Kawawa Banda：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、方法论、概念化。Benjamin Mapani：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、项目管理、方法论、资金支持

未引用参考文献

Ali和Mubarak，2017；B?umle等人，2012；Chow Ven等人，1988；De Vries和Simmers，2002；Deshbhandari和Krishnaiah，2025；Hahne和Shamboko-Mbale，2010；McCoy和Johnston，2001；Mpamba等人，2008；Simwanda和Murayama，2018；Zhang Lu等人，2002；ABATZOGLOU等人，2018；ADDISIE，2022；ADELEKE等人，2015；ALI和MUBARAK；ALLOCCA等人，2014；ANORNU等人；ARORA和MISHRA，2022；BANDA和SHILENGWE，2025；B?UMLE和KANG’OMBA，2009；BECK等人，

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。