基于地理信息系统（GIS）支持的地下水文地质评估用于国土管理：哥伦比亚博亚卡省莫尼基拉-苏塔马昌河流域含水层脆弱性的GOD–T指数

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：GIS-supported hydrogeological assessment for territorial management: The GOD–T index for aquifer vulnerability in the Moniquirá–Sutamarchán River basin, Boyacá (Colombia)

　　

本研究区域为哥伦比亚博亚卡省莫尼基拉-苏塔马昌河流域（19.69?km²），位于上苏亚雷斯河系统内，属于热带安第斯山区环境，以破碎的中生代沉积地层和双峰降雨模式为特征。研究重点是将概念性托马斯（ABCD）水文模型与经典GOD（地下水赋存条件、包气带总体岩性、地下水位埋深）方法相结合，开发一个综合的GOD–托马斯（GOD–T）指数，用于评估含水层固有脆弱性。利用2000–2025年的水文气象系列数据模拟了地下水补给，并在GIS环境中以12.5?m分辨率进行空间分布。模型校准取得了满意的性能（纳什-萨克利夫效率系数NSE = 0.8363；决定系数R² = 0.8363；皮尔逊相关系数r = 0.956），支持了模拟补给作为动态脆弱性参数的可靠性。针对该区域的新水文地质认识显示，补给强烈受岩性破碎和地形梯度控制，最高入渗率出现在里托克、阿尔卡布科和帕哈地层。与静态方法相比，纳入模拟补给显著提高了脆弱性等级的空间区分度。中等脆弱性占主导地位（77%），而高和极高脆弱性区域（约17%）与浅层地下水位和渗透性破碎单元相吻合。GOD–T框架表明，整合动态补给过程提升了对热带安第斯盆地的水文地质理解，并为数据稀缺山区的地下水保护和国土规划提供了一种可复现的方法。

**论文解读**

**研究背景与问题**
地下水资源的可用性和质量对于环境可持续性、供水安全和经济发展至关重要，特别是在地表水资源有限或高度变化的地区。全球范围内，日益增长的水需求、农业集约化和城市扩张正对含水层系统施加越来越大的压力，加剧了其受污染和过度开采的脆弱性。在拉丁美洲，大片区域部分或完全依赖地下水资源，使得在水文气候多变和土地利用加速变化的背景下，综合水文地质管理成为战略优先事项。在哥伦比亚，超过40%的国土依赖地下水用于生活和生产用途。然而，国土规划历来优先考虑地表水系统，导致对含水层的特征描述和保护不足。这一局限在安第斯山区尤为突出，该区域结构复杂性、岩性非均质性和显著的地形梯度强烈控制着入渗、储存和基流过程。缺乏空间上详细的脆弱性评估限制了环境当局定义基于证据的规划决策依据的能力。

博亚卡省的莫尼基拉-苏塔马昌河流域是一个典型的热带安第斯山区系统，其中破碎的中生代沉积地层蕴藏着具有战略重要性的含水层。农业和城市扩张增加了潜在的污染风险；然而，现有的水文地质研究范围较为笼统，缺乏基于补给的空间显式脆弱性分析。经典的GOD方法在数据稀缺地区被广泛用于评估含水层固有脆弱性，但其传统的实施方式主要是静态的，未明确纳入空间分布的动态补给过程。近期研究强调，整合定量的水文变量可以改善脆弱性区分度，特别是在结构非均质的环境中。尽管如此，很少有研究在热带安第斯山区盆地以高空间分辨率将模拟补给操作化地整合到固有脆弱性框架中。

**研究目标与方法**
本研究旨在解决以下核心问题：在热带安第斯盆地中，纳入模拟的地下水补给是否会显著提高固有脆弱性评估的空间敏感性和水文地质可解释性？为此，研究人员提出假设：将动态模拟的补给组分整合到经典GOD框架中，将增强脆弱性等级之间的区分度，并更好地表征岩性结构、地下水埋深和水文过程之间的相互作用。

为了验证这一假设，本研究将托马斯概念性水文模型与GOD方法相结合，开发了综合的GOD–托马斯（GOD–T）指数。主要目标包括：（1）量化并绘制莫尼基拉-苏塔马昌盆地地下水补给图；（2）通过GOD–T指数将补给纳入固有脆弱性评估；（3）分析这种整合对热带安第斯山区水文地质分区和国土规划的意义。

研究人员开展的研究主要基于以下关键技术与方法：
1. **研究区与数据**：研究区为哥伦比亚博亚卡省里考尔特省比利亚德莱瓦市内的莫尼基拉-苏塔马昌河流域（面积约19.69?km²）。该区域气候属温带半湿润，具有双峰降雨模式。水文地质框架以中生代沉积地层为主，上覆第四纪冲积层。数据来源包括：哥伦比亚水文气象与环境研究所（IDEAM）提供的多年度月降水、温度和径流系列数据（2000–2025年）；哥伦比亚地质调查局（SGC）提供的地质图；博亚卡自治区域公司（Corpoboyacá）提供的地质与水文地质档案、垂直电测深（VES）和钻孔记录，用于估算地下水位埋深（GOD中的D参数）。
2. **水文建模**：采用托马斯（ABCD）概念性水文模型估算流域月水量平衡和地下水补给。该模型以降水和潜在蒸散发为输入，内部表征土壤水分储存、地下水储存、地表径流和基流。模型使用多年度月平均系列数据进行校准，以纳什-萨克利夫效率系数（NSE）、决定系数（R²）和皮尔逊相关系数（r）评估性能。模拟的补给值在GIS环境中通过克里金插值生成了12.5?m分辨率的空间分布表面。
3. **脆弱性评估**：构建了GOD–T指数，其表达式为GOD–T = G × O × D × T。其中，G（地下水赋存条件）、O（包气带总体岩性）、D（地下水位埋深）参数源自官方地质与水文地质信息，并归一化至0–1范围。T参数为上述模拟的补给量，同样归一化处理。所有参数在GIS中进行栅格分析，生成综合脆弱性指数，并根据阈值重新分类为五个脆弱性等级。

**研究结果**
**3.1. 托马斯模型的水文性能**
模型校准结果显示，模拟与观测径流之间具有高度一致性，纳什-萨克利夫效率系数（NSE）为0.8363，决定系数（R²）为0.8363，皮尔逊相关系数（r）为0.9563，表明模型性能良好。校准参数显示流域具有较高的地表储水能力、土壤持水性、中等偏高的深层入渗以及以基流为主导的径流组成，模型在储存、入渗和排泄组分之间表现出内部一致性。

**3.2. 气候行为与平均水文情势**
降水和潜在蒸散发的多年度月平均值呈现典型的双峰分布。降水峰值出现在4-5月和10-11月，最小值在12-2月和6-8月。潜在蒸散发全年相对稳定。湿季降水超过潜在蒸散发，水收支为正；干季则相反。这种季节性交替定义了两个主要的补给期。

**3.3. 地下水补给的空间分布**
模拟生成的补给图显示，流域内存在明显的空间梯度。较高的补给值集中在流域北部和东北部，特别是在里托克、阿尔卡布科和帕哈地层，这些区域岩性渗透性较好且坡度适中。较低的补给值出现在中部、西南部和东南部，该区域以致密冲积物和较高的排水密度为主，地表径流相对于入渗占主导。

**3.4. GOD–托马斯（GOD–T）指数的整合**
整合模拟补给与G、O、D参数生成了GOD–T指数。脆弱性等级的空间分布显示，中等脆弱性类别占主导，面积为15.17?km²（占流域面积的77.07%）。高脆弱性占3.03?km²（15.36%），低脆弱性占1.16?km²（5.91%），极高脆弱性占0.33?km²（1.68%），未出现极低脆弱性区域。高和极高脆弱性区域主要集中在流域北部和东北部，中等脆弱性主导中部区域，低脆弱性区域主要位于西南部。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**
研究人员在讨论中分析了水文对补给动态的控制、补给对固有脆弱性格局的影响、GOD–T框架的方法学意义以及不确定性和局限性。

水文控制方面，模拟补给的空间和时间分布表明，流域地下水更新受结构地质和季节性气候强迫相互作用的控制。补给最大值集中在破碎的中生代地层，其次生孔隙度增强了垂直渗透和侧向地下传输。双峰降雨模式产生了两个年度补给脉冲。高基流主导性参数表明显著的次表层缓冲能力，这是破碎安第斯含水层的特征。补给量约占年降水量的7.9%，处于热带山区盆地的预期范围内。

关于补给对脆弱性的影响，将模拟补给纳入脆弱性框架表明，流域的固有易感性强烈受水动力过程调控，而不仅仅是静态地质描述因子。高和极高脆弱性区域与高补给率和浅层地下水位区域在空间上重合。中等脆弱性占主导反映了分布在非均质岩性中的中等补给条件。通过整合空间分布的补给表面，GOD–T方法增强了对具有相似地质特征但入渗状况不同的区域之间的区分度。补给量起到了固有易感性的动态放大器作用。

方法学意义方面，GOD–T框架通过在校准的水文补给组分嵌入经典指数结构中，代表了固有脆弱性评估的方法学改进。它将指数转变为半动态系统，其中固有易感性部分地受水文通量强度条件制约。该方法在保持可解释性和中等数据需求的同时，引入了基于物理的补给变异性，为数据有限的山区盆地提供了一条中间方法学路径。

不确定性与局限性包括：水文模型校准基于多年度月平均值，限制了评估异常气候条件下瞬态补给动态的能力；地下水位埋深参数源自垂直电测深解释，可能存在不确定性；将连续补给值转换为离散脆弱性类别引入了分类阈值，可能简化水文梯度；12.5?m补给表面对应的是插值过程的空间分辨率，而非输入数据的固有分辨率。

**研究结论翻译**
校准后的托马斯（ABCD）模型在表征莫尼基拉-苏塔马昌河流域的水文动态方面表现出稳健的性能（NSE = 0.8363；R² = 0.8363），证实了其再现破碎安第斯含水层特有的储存、基流和入渗过程的能力。以12.5?m分辨率进行的空间补给划定揭示了明确的入渗梯度，识别出里托克、阿尔卡布科和帕哈地层为结构控制的补给单元。这些结果表明，流域地下水更新受结构-气候耦合控制而非仅由降水驱动。

将模拟补给整合到GOD框架（GOD–T）中，通过明确将水文通量强度与含水层结构属性联系起来，增强了固有脆弱性评估的敏感性。中等脆弱性占主导（77%），而高和极高脆弱性类别在空间上与具有浅层地下水位和高补给率的破碎区域相关。研究结果证实，在热带山区含水层中，补给量是固有易感性的动态调节因子。

GOD–T框架受水文输入时间聚合以及源自地球物理解释的地下表征不确定性的制约。基于多年度平均值的校准捕捉了平均季节性行为，但未解析年际变率或极端气候事件响应。此外，基于指数分类固有的离散化可能简化了过渡性易感性梯度。

通过耦合概念性水文建模与固有脆弱性指数化，GOD–T方法弥合了流域尺度水量平衡过程与含水层尺度污染易感性之间的差距。半分布式、基于GIS的实施为以水文地质数据有限为特征的结构非均质热带山区盆地提供了一种可重复且可转移的方法论。

将动态补给过程整合到脆弱性制图中，构成了一条通向更具物理依据的区域地下水评估的方法学路径，有助于在日益增长的气候和人为压力下支持保护区划定、补给保护策略和适应性地下水管理。