《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Assessment of groundwater quality and analysis of influencing factors in semi-arid areas over a long time series based on Monte Carlo uncertainty: A Case Study of Yinchuan Area
编辑推荐：
Zihan Dong|Pinlu Yang|Lei Zhang|Ye Zou|Lichuan Zhang•在银川平原发现了21年来地下水质量呈倒U型变化的趋势。•承压含水层通过一种新的地质双重机制对城市扩张作出响应。•浅层潜水含水层从以工业用途为主转变为农业与城市混合用途。•敏感
Zihan Dong|Pinlu Yang|Lei Zhang|Ye Zou|Lichuan Zhang
- •
在银川平原发现了21年来地下水质量呈倒U型变化的趋势。
- •
承压含水层通过一种新的地质双重机制对城市扩张作出响应。
- •
浅层潜水含水层从以工业用途为主转变为农业与城市混合用途。
- •
敏感性分析表明，优化后的EWQI-MCS框架具有很高的稳健性。
引言
在干旱和半干旱地区，地下水是一种至关重要的资源，它为生态系统、农业以及城市供水提供支持，同时通过与地表水的相互作用参与水文循环（Amiri等人，2014；Scanlon等人，2023）。在这些地区，较低的降水量和高蒸发量限制了自然补给，使得地下水愈发重要，但同时也更容易受到过度开采和水质下降的影响（Pande和Moharir，2021）。含水层的储存和流动等水文地质过程决定了地下水的可用性，但这些过程又会受到气候变化和人类活动的干扰（Liu等人，2024；Wang等人，2024）。了解这些动态变化对于在水资源匮乏的环境中实现地下水的可持续管理至关重要（Gorelick和Zheng，2015；Polemio和Voudouris，2022）。
然而，随着全球城市化进程的加速，尤其是干旱和半干旱地区的城市化，地下水资源的可持续性面临着前所未有的挑战（Ashraf等人，2022）。城市扩张使得原本具有渗透性的地表被不透水的基础设施所取代，从而减少了水分下渗，改变了地下水的补给模式（Carlson等人，2011）。此外，城市和农业活动还会引入各种污染物，比如灌溉带来的硝酸盐以及工业废水中的重金属，这些污染物通过水化学作用降低了地下水质量（Agrawal等人，2021；Ahmed等人，2022；Yifru等人，2022）。补给减少和污染加剧这两大压力共同凸显出有必要更深入地了解水文地质系统对土地利用变化的响应机制。
为应对干旱和半干旱地区地下水枯竭和污染的问题，需要有效的方法来评估水质和水量状况。早期的评估方法往往仅局限于单参数分析，难以体现受城市化和农业集约化影响的地下水系统的复杂性（Wang等人，2021；Li等人，2023）。水质指数作为一种综合工具，能够整合多个参数，从而实现不同地区水质的标准化评估（Patel等人，2023；Krishan等人，2023）。不过，这种方法的局限性在于参数选择可能存在主观性，而且环境数据也存在不确定性，因此需要更加客观且具有适应性的方法，以便在快速变化的环境条件下评估地下水的可持续性（Fortes等人，2023）。
尽管在评估方法上已经取得了一些进展，但数据输入的不确定性和环境变化仍然给干旱地区城市化背景下的地下水质量评估带来了巨大挑战（Najafzadeh等人，2022；Cui等人，2021）。例如，承压含水层和潜水含水层具有不同的水力特性，对城市带来的压力因素也有不同的反应（Tijani等人，2021）。那些被富含黏土的不透水岩层覆盖的承压含水层虽然污染发生较晚，但却容易因过度开采而出现压力变化（Ismail等人，2021）。而直接暴露在人类活动影响下的潜水含水层，则更容易因土地覆盖变化而迅速受到污染物侵入（Etsias等人，2021）。这些因素的相互作用使得确定性模型难以准确描述含水层中实际的水质状况，因为这类模型无法体现水质情况的随机性（Zhang等人，2024）。
蒙特卡洛模拟作为一种强大的工具，可用于解决环境系统中的不确定性问题，它通过概率框架来模拟复杂的相互作用和变化情况（Soleimani等人，2022）。通过基于输入参数的分布生成数千种不同情景，蒙特卡洛方法能够量化各种潜在结果出现的可能性和范围，从而帮助人们更全面地了解地下水质量的风险。虽然蒙特卡洛模拟已在水文研究领域得到广泛应用，但在城市地下水质量评估中的应用，尤其是将土地覆盖变化模式与含水层特征相结合的评估方法，目前还较少被研究。此外，确定影响地下水质量的主要因素对于制定相应的缓解措施非常重要，但目前很少有研究系统地运用主成分分析等多变量统计工具来分析城市化带来的各种压力因素所带来的影响（Li等人，2021a）。这些不足之处阻碍了人们对城市化如何影响地下水质量的全面理解，也限制了针对性管理策略的制定。
为弥补这些不足，本研究重点分析了在水文化学过程、人类活动以及土地利用变化等多种复杂因素共同作用下，银川地区地下水质量的变化规律。本研究的目标如下：（1）通过计算熵加权水质指数，并利用蒙特卡洛模拟分析21年间的数据不确定性，从而了解地下水质量的分布情况；（2）研究不同类型的土地利用变化，包括稳定的土地利用类型（连续的不透水表面和连续的耕地）以及动态的土地转换类型（其他类型土地转为不透水表面，或者耕地转为草地），对这些地区不同含水层地下水质量的影响；（3）通过主成分分析找出导致地下水质量下降的关键因素。通过阐明土地利用变化与地下水质量之间的关联，本研究旨在为半干旱城市地区的可持续水资源管理提供科学依据。
章节摘要
自然条件
本研究区域位于中国西部宁夏回族自治区中部和北部的银川平原，属于冲积平原地带（Li等人，2021b）。该地区包含五个行政区域：金凤区、西夏区和兴庆区，以及贺兰县和永宁县，西侧以贺兰山为界，东侧与黄河相邻。该地区的纬度范围在北纬38°20′至38°39′之间，经度范围在东经105°52′至106°34′之间，总面积约为1760平方公里（见图1）。该地区的特点是以干旱气候为主
样品采集与分析
在1991年至2011年间，研究人员从研究区域的50口监测井中采集了地下水样本，其中第二承压含水层有15口井，潜水含水层有35口井，总共获得了1050份样本。这些监测井的地理位置如图3所示。为了分析微量元素和其他无机成分，这些样本被保存在两个250毫升的聚乙烯瓶中。其中一个用于分析微量元素的瓶子会用硝酸酸化，使pH值低于2。所有的
地下水参数的特征
表2展示了在银川地区采集的地下水样本的各项质量参数的描述性统计信息。总硬度在15.12毫克/升到5497.39毫克/升之间，中位数为390.72毫克/升，标准差为366.52毫克/升，这表明这些参数存在较大的差异。在各类主要阴离子中，硫酸根离子的中位数浓度最高，为163.30毫克/升，其次是氯离子、氟离子、硝酸根离子、碘离子和亚硝酸根离子。在阳离子方面，钠离子的中位数浓度最高，为112.00毫克/升，其次是
地下水质量的时空演变
通过对21年间的EWQI值进行时间序列分析，可以发现地下水质量呈现出明显的变化趋势：20世纪90年代地下水质量相对稳定，此后开始出现显著恶化，这一恶化趋势在21世纪00年代末达到顶峰，大约在2008年左右，之后水质又有所恢复，但恢复幅度不大。这种变化趋势并非仅仅由自然的水文化学过程所导致，而是与银川平原的宏观经济发展阶段密切相关。
急剧上升的
结论
本研究结合经过精心优化的熵加权水质指数、可靠的蒙特卡洛模拟以及多年的数据降维分析方法，研究了银川盆地21年来地下水质量的时空演变情况，以及地下水质量对土地利用变化的响应机制。主要结论如下：
- 1.
长期质量趋势：该地区的地下水质量总体良好，但从1991年到2008年出现了明显的恶化趋势，这一恶化的主因是
作者贡献说明
Zihan Dong：概念设计、软件应用、数据可视化、初稿撰写。Pinlu Yang：数据整理、实地调查。Lei Zhang：项目管理、监督工作、论文审阅与修改。Ye Zou：概念设计、研究方法设计、结果验证。Lichuan Zhang：软件应用、数据可视化。
