气候与人类压力下的地下水亏损：基于MODFLOW的建模与突尼斯中部前瞻性情景预测

《Journal of African Earth Sciences》：Groundwater Depletion Under Climate and Human Pressures: MODFLOW Modeling and Prospective Scenarios for Central Tunisia

　　

干旱与半干旱地区的地下水资源面临着人口增长与农业集约化带来的日益加剧的压力。在突尼斯中部，Sidi Bouzid North (SBN) 盆地严重依赖其浅层含水层系统以满足用水需求。本研究开发了一个基于MODFLOW的数值地下水流模型，并校准了29年（1990-2019）的时期，以评估含水层的当前状态并模拟其未来演变。稳态和瞬态校准得出的相关系数 (R²) 分别为0.97和0.95，证实了模型的可靠性。2019年的水平衡揭示了17.24 Mm³/年的结构性赤字，反映了自1990年以来日益加剧的过度开采。研究人员为2050年开发了两种前瞻性情景：基于国家气候预测设定降雨量减少18%的气候情景，以及结合补给减少与持续当前开采趋势的人为情景。气候情景导致0.3 m的适度平均测压水位下降，而人为情景则导致1.8 m的更为严重的下降，降幅是前者的六倍，凸显了人类压力是含水层退化的主导驱动因素。盆地外围区域被确定为最易干涸的脆弱区。这些发现呼吁采取紧急行动，包括减少开采量、人工补给和加强测压水位监测，以确保该水资源紧缺地区的地下水可持续管理。

地下水是世界上最为珍贵且被大量利用的自然资源之一，尤其在地表水资源有限且受气候变异显著影响的干旱与半干旱地区。近年来，人口快速增长与农业实践集约化导致地下水开采量大幅增加，对脆弱的含水层系统产生了巨大压力。相较于地表水，地下水更新周期尤为漫长且天然补给能力低下，极易受到过度开采和人为干扰的影响。突尼斯中部的Sidi Bouzid North (SBN) 盆地作为半干旱地中海气候区的典型代表，其经济以农业为主，严重依赖地下水进行灌溉、饮用水供应与社会经济发展。数十年来，该盆地含水层一直处于密集开采状态，导致测压水位逐步下降、可开采储量减少以及部分地区地下水水质恶化。这一趋势在全球其他半干旱地中海盆地中亦有报道，地下水过度开采已被确认为威胁长期水安全的主要因素。针对SBN盆地，以往的相关研究多局限于历史状态重建，缺乏量化的前瞻性模型预测，且未能明确区分气候变化与人类过度开采对含水层退化的相对贡献，亦无法为流域尺度的管理干预提供空间上的明确指导。为填补这些研究空白，开展这项研究尤为必要。研究人员利用MODFLOW构建了校准长达29年的数值地下水流模型，并模拟了至2050年的两种对比情景，首次量化比较了气候变化与人类压力对地下水亏损的相对影响。该研究明确了人为压力是含水层退化的主导因素，并精准识别了最脆弱的区域，为地下水可持续管理提供了可操作的空间指导。这项研究成果发表在《Journal of African Earth Sciences》上。

在关键技术方法方面，研究人员主要综合运用了多源数据处理与三维数值模拟技术。首先，整合了来自盆地内43个观测井的稳态数据与53个观测井长达29年的瞬态测压、气候及抽水记录队列以构建模型基础。运用Visual MODFLOW软件建立了两层数值模型，基于有限差分法求解地下水水力扩散方程，并结合克里金插值法处理地质层与底层高程数据。通过试错法校准水力传导率(K)与补给率(R)等关键参数，并利用Pearson相关系数(R²)与归一化均方根误差(NRMSE)严格评估模型性能。最后，基于国家气候变化适配策略设定的降雨降幅与历史抽水趋势线最小二乘法拟合，构建了至2050年的气候与人为两种前瞻性模拟情景。

在研究结果部分，模型校准与验证结果表明，稳态校准（以1990年为参照）取得了0.97的R²与1.60%的NRMSE，在1991至2019年间的瞬态校准中获得了0.95的R²与1.55%的NRMSE，各项误差指标均远低于10%的可接受阈值，证实了模型在长时空尺度上的高鲁棒性。敏感性分析揭示，模拟测压水位对水力传导率(K)的变化最为敏感，其次是补给率(R)，证实了校准策略聚焦于首要控制参数的合理性。水文地质特征分析显示，盆地2019年的地下水测压面紧密顺应当地地形，整体水流呈西南至东北流向。三个子区域呈现不同的水力梯度特征，且计算得出2019年水平衡存在高达17.24 Mm³/年的结构性赤字，证实了含水层系统处于明显的过度开采状态。在前瞻性情景模拟中，至2050年，仅考虑降雨减少18%的气候情景导致平均测压水位下降0.3 m，并在外围山区山麓出现新型干涸区；而结合当前抽水趋势持续增长的人为情景则导致平均测压水位急剧下降1.8 m，且在西部Awled Asker子盆地等外围区域形成严重的测压水位降落漏斗。

在讨论与结论部分，研究人员指出两种情景的对比明确凸显了人类活动压力在含水层退化中的主导地位，其引发的测压水位降幅是气候因素影响的六倍之多。盆地外围区域被一致确认为最易发生干涸的脆弱区，其机理在于外围含水层厚度较薄，地形重力作用促使地下水流向盆地中心排干。研究明确指出SBN含水层正承受着主要由人为过度开采引发的严峻压力。该研究开发的校准模型不仅可作为评估替代管理策略的适应性决策支持工具，其所采用的长时期瞬态校准结合对比情景预测的空间脆弱性映射方法亦可直接推广至北非及地中海地区面临类似挑战的其他过度开采含水层系统。研究强烈呼吁在极度脆弱区立即减少开采量、实施人工补给并推行高效灌溉，以实现该水资源紧缺地区地下水的长期可持续治理。