《Journal of Hydrology》：Changes in irrigation practices may deplete aquifers faster and more severely than meteorological droughts: A numerical modeling approach
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地下水枯竭的驱动机制研究：基于水文干旱与灌溉方式变化的情景模拟，发现灌溉回流量减少对地下水系统及依赖性生态系统的破坏更显著。
阿格尼丝·雷达埃利（Agnese Redaelli）| 图莉娅·博诺米（Tullia Bonomi）| 达维德·萨蒂拉纳（Davide Sartirana）| 詹弗兰科·西纳特拉（Gianfranco Sinatra）| 丹尼尔·T·费因斯坦（Daniel T. Feinstein）| 兰德尔·J·亨特（Randall J. Hunt）| 马可·罗蒂罗蒂（Marco Rotiroti）| 奇亚拉·扎诺蒂（Chiara Zanotti）
米兰-比科卡大学（University of Milano-Bicocca）地球与环境科学系，意大利米兰20126，科学广场1号（Piazza della Scienza 1, 20126 Milan, Italy）
摘要
全球范围内的地下水可用性正受到气候变化的威胁。在灌溉密集的地区，含水层可能因潜在的地表水资源短缺而改变灌溉方式，从而对气候变化表现出特殊的脆弱性。本研究旨在定量评估农业区域含水层枯竭的主要驱动因素：水文干旱以及为应对地表水资源减少而采取的更高效灌溉措施。基于特定地点的概念模型，开发并校准了一个三维的稳态和瞬态结合的地下水流动模型，利用地下水位数据和地下水与河流的交换流量数据来重建2015-2017年间一个灌溉密集的水文地质系统的动态变化，其中灌溉回流水是主要的补给机制。模拟了两种假设情景：（1）持续两年的气象干旱；（2）将灌溉方式从地面灌溉改为更高效的滴灌技术，同时保持其他条件不变。干旱情景导致补给过程显著减少，两年内总地下水储量损失了2.34×10^5立方米/天。然而，基线模拟中观察到的地下水储量、地下水位、低地泉水流量以及地表水与地下水之间的相互作用仍然得以保持。相比之下，减少灌溉回流量的情景导致两年内地下水储量减少了2.77×10^5立方米/天，并对低地泉水和相关地表水体产生了严重影响。基线条件与这两种情景的对比表明，地表水灌溉回流对于维持灌溉密集区域的地下水平衡和依赖地下水的生态系统的功能至关重要。因此，结果表明，政策制定者为应对气候变化引发的地表水资源短缺所采取的适应措施可能比气候变化本身对地下水资源的直接影响更为显著，这突显了科学证据在为政策制定者提供信息和指导方面的关键作用。
引言
地下水为社会提供了社会、经济和环境方面的益处与机遇（联合国教科文组织，2022年）。尽管相对于地表水，地下水被认为对气象条件更具抵抗力，但由于气候变化，它仍面临着直接和间接的影响（泰勒等人，2013年）。
预测显示，在所有排放情景下，全球地表温度至少会持续升高到本世纪中叶，从而导致气候系统的变化，包括极端高温事件的增加和干旱的加剧（政府间气候变化专门委员会（IPCC），2023年；斯蒂格特等人，2023年）。研究表明，气象干旱的频率和强度将会增加（巴罗内蒂等人，2020年；吴等人，2020年），这威胁到全球的地下水和依赖地下水的生态系统，包括陆地植被、河流、泉水、湿地和河岸带，这些生态系统不仅支持生物多样性，还为人类社区提供基本的生态系统服务（霍华德等人，2023年；罗德等人，2024年；斋藤等人，2025年；斯蒂格特等人，2023年）。
地下水补给是一个复杂的过程，受自然因素（如降水、地质或植被特征）和人为因素（如土地利用和灌溉回流水）的共同影响（阿塔韦内等人，2021年；贾塞奇科等人，2014年）。此外，含水层系统具有不同的补给机制组合，每种机制对气候变化的直接和间接影响都有不同的反应，这决定了一个地区对气候变化的特殊敏感性（阿曼安布等人，2020年；梅克斯纳等人，2016年）。
在这种背景下，以灌溉密集为特征的农业地区的地下水系统极其脆弱，因为它们目前不仅受到气候变化直接影响的威胁，还受到与灌溉方式变化相关的人为影响的威胁（例如，由于灌溉回流水减少而导致的抽取量增加和补给量减少）。世界上大多数大型含水层系统位于农业和灌溉活动频繁的地区，这些系统不仅对当地农业需求至关重要，也对全球粮食安全和相关生态系统的可持续性至关重要（恩德赫德赫等人，2023年）。例如北美的奥加拉拉含水层和加利福尼亚中央谷地含水层（戴维斯和普特南，2013年；方特，2009年），亚洲的印度-恒河流域和华北平原系统（杜等人，2024年；麦克唐纳等人，2016年；杨等人，2015年），以及欧洲的波河平原含水层（卡尔森等人，2025年；马塞罗尼等人，2024年；范德冈，2022年）。
农业对这些系统有着双重影响：一方面通过抽取水资源而耗尽它们，另一方面通过灌溉回流水为系统的补给做出贡献，尤其是在使用地表水作为灌溉水源的情况下（雷达埃利等人，2025年；斯坎伦等人，2023年；泰勒等人，2013年；范德冈，2022年）。然而，地表水极易受到气象干旱的影响。因此，全球越来越关注高效的灌溉方法，如滴灌或地下灌溉，以节约地表水并降低水资源短缺的风险（郭和李，2024年；马塞罗尼等人，2024年；尼古拉乌等人，2020年）。这些方法可以通过直接将水输送到植物根部来实现高效率（高达90%），显著减少渗透到含水层的水量（穆尼尔等人，2018年；尼古拉乌等人，2020年）。然而，虽然这些策略在减少地表水消耗方面有益，但随之减少的灌溉回流水可能导致含水层补给量减少。因此，农业和灌溉密集地区的含水层对气候变化表现出特殊的脆弱性，不仅受到降水减少等直接影响的威胁，还受到为应对地表水资源短缺而改变的水资源管理方式带来的间接影响的威胁。
迄今为止，只有少数研究直接探讨了灌溉回流量减少对地下水系统和依赖地下水的生态系统的影响（例如，金等人，2018年；普尔等人，2021年）。这些研究表明，与灌溉效率提高相关的回流量减少可能会显著改变地下水补给模式，并减少对地表水和依赖地下水的生态系统的基流贡献。然而，目前尚无关于补给量损失的定量估计，这在水资源研究中存在一个重要空白。理解和量化灌溉管理结合未来气候变化及其他驱动因素的影响对于制定可持续战略和长期水资源管理至关重要，这不仅涉及地下水本身，还涉及其与地表水系统的相互联系（梅克斯纳等人，2016年；斯坎伦等人，2023年）。因此，解决这一空白需要能够捕捉这些耦合过程的综合建模方法。
本研究的目的是定量评估气象干旱和灌溉方式变化对地下水及依赖地下水的生态系统（如河流和泉水）的影响，以便为利益相关者和水资源管理者提供基于证据的决策依据。为此，开发了一个瞬态地下水流动模型，用于模拟一个以农业用地为主的、人类活动高度影响的系统中地下水的动态变化，并研究其可能受气候变化和水资源利用变化的影响。
为了量化和比较气象条件和灌溉管理变化对系统的影响，运行了两种假设情景：a）持续两年的气象干旱；b）将灌溉方式从地面灌溉改为更高效的滴灌技术。通过比较这两种情景对系统多个组成部分的影响来评估其效果：（1）含水层储量，这是最易受气候变化影响的组成部分之一（恩德赫德赫等人，2023年；吴等人，2020年）；（2）低地泉水流量，从水文地质、农业和生态系统的角度来看非常重要（德卢卡等人，2014年）；（3）地下水与地表水的关系，这是含水层系统变化最重要的指标之一（斯特凡尼亚等人，2018年；斯蒂格特等人，2023年）
研究区域
本研究聚焦于奥廖河（Oglio River）流域内约2000平方公里的区域（意大利北部），位于伊塞奥湖（Lake Iseo）出口与奥廖河与梅拉河（Mella River）交汇处之间（图1）。在这项研究中考虑的约95公里河段内，奥廖河接收了五条支流的水：切里奥河（Cherio River）、杰尼沃尔塔运河（Scolmatore di Genivolta Channel）、萨韦罗纳溪流（Saverona Stream）、斯特罗内河（Strone River）和梅拉河（图1）（罗蒂罗蒂等人，2019年；扎诺蒂等人，2019年）。
该研究区域具有温带大陆性气候特征，
基线模型校准和统计
参数估计后，观测值与模拟值之间的地下水位一致性令人满意。模型性能通过模拟值与观测目标值的视觉比较以及遵循既定地下水建模最佳实践选定的统计指标进行了评估（安德森等人，2015年），具体数据见表1和图3。具体而言，地下水位残差范围为-7.87至+3.79米，平均残差为0.16米，绝对
长期干旱会显著减少地下水储量和泉水流量
S1情景基于2022年的观测条件，但延长为两年期，显示了含水层系统对气候变化和灌溉用水量减少的强烈敏感性。这种敏感性体现在基线条件下观察到的主要水分预算组分的典型季节性模式的明显减弱。具体来说，虽然季节性变化的幅度减小了，但
结论
本研究对一个以灌溉为主的地区的水量平衡的主要组成部分进行了定量评估，以及它们与气候变率和灌溉方式变化相关的潜在变化。特别是，比较了两种情景与基线模型条件，以研究长期干旱（S1情景）和从传统灌溉方法转向更高效灌溉技术的影响
未引用的参考文献
罗蒂罗蒂等人（Rotiroti et al.，2019年）。
CRediT作者贡献声明
阿格尼丝·雷达埃利（Agnese Redaelli）：撰写——初稿撰写、可视化、数据分析、正式分析、数据整理。图莉娅·博诺米（Tullia Bonomi）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。达维德·萨蒂拉纳（Davide Sartirana）：撰写——审阅与编辑、可视化、概念构思。詹弗兰科·西纳特拉（Gianfranco Sinatra）：资源协调。丹尼尔·T·费因斯坦（Daniel T. Feinstein）：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。兰德尔·J·亨特（Randall J. Hunt）：撰写——审阅与编辑、方法论，
资助
本研究得到了布雷西亚水务公司（Acque Bresciane S.r.l. SB）的财务支持，通过研究合同编号2021-ECO-0019，以及卡里普洛基金会（Fondazione Cariplo）的资助，项目编号2014–1282。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：马可·罗蒂罗蒂（Marco Rotiroti）是《水文学杂志》（Journal of Hydrology）的副主编。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢萨拉·塔维亚尼（Sara Taviani）、詹纳罗·阿尔贝托·斯特凡尼亚（Gennaro Alberto Stefania）和卢卡·托斯卡尼（Luca Toscani）在构建数值模型方面做出的重要贡献，以及米兰-比科卡大学（University of Milano-Bicocca）的莱蒂齐亚·富马加利（Letizia Fumagalli）博士提供的宝贵见解和科学支持。我们还要感谢米兰-比科卡大学的芭芭拉·莱奥尼（Barbara Leoni）教授在管理卡里普洛基金会（Fondazione Cariplo）资助的项目中所起的作用，该项目的结果支持了这项工作的开展。同时，我们也感谢自由研究员马可·法乔利（Marco Faggioli）的工作
