伊朗南部夏米尔-塔赫特沿海含水层的地下水位下降、盐渍化与土地利用动态

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Groundwater-Level Decline, Salinization, and Land-Use Dynamics in the Shamil–Takht Coastal Aquifer, Southern Iran

　　

•利用Mann–Kendall分析方法量化了长期地下水衰减情况。•水文地球化学演化揭示了地下水盐化程度不断加重的趋势。•钠-氯型水被确定为主要的地下水化学水化学类型。•吉布斯分析突出了蒸发作用和水-岩相互作用的控制效应。•土地利用变化加剧了地下水质量恶化。

引言

地下水是全球最重要的淡水资源之一，在维持居民供水、农业生产、工业发展和生态系统服务方面发挥着至关重要的作用。在干旱和半干旱地区，由于地表水资源的可利用量往往有限且变化剧烈，地下水通常是人类活动的主要淡水来源。然而，近几十年来，农业和工业增长、城市扩张以及气候变化对地下水系统施加了巨大的压力，导致许多地区的地下水位下降、地下水质量逐步恶化以及污染物不断增加（Krishan等，2023；Basharat等，2025；Jat Baloch等，2026）。无论是天然污染源还是人为污染物导致的地下水质量退化，都是一个日益引起全球关注的问题，影响着干旱和半干旱地区的饮用水安全和农业可持续性（Jat Baloch等，2021, 2025；Krishan等，2023；Basharat等，2025；Jat Baloch等，2026）。暴露于砷等有毒微量元素，或接触过量的氟化物和硝酸盐，可能导致严重的环境和健康危害，因此需要开展严谨的地球化学评估和健康风险模拟（Baloch等，2020）。在全球范围内，地下水污染已不再局限于局部的天然水化学类型，而是日益受到复杂的多源风险和人为压力的驱动。近期的全球研究强调，垃圾填埋场和露天废弃填埋点向潜水含水层引入了生物毒性物质和重金属淋滤物，威胁着周边社区和水生态系统（Chai等，2024；Ili?等，2024）。为了评估和管理这些广泛扩散的灾害，国际研究人员采用了人工智能、多变量统计和机器学习模型，用于大规模污染风险评估和天然污染物预测（Iqbal等，2024；Meng等，2024）。

地下水资源的可持续性不仅取决于维持足够的地下水储量，还取决于保持地下水质量。地下水的地球化学特征受自然因素和人为因素的复杂相互作用控制，包括地质构造、矿物溶解、补给条件、蒸发过程、地下水停留时间、农业活动和土地利用变化。地下水的地球化学演化通常受含水层特性、矿物溶解-沉淀作用以及地表农业改良措施的影响（Das & Das，2024）。在干旱地区，土壤管理技术——例如利用污泥改良盐碱土——以及地下水净化策略会改变局部的水文地球化学平衡，进而影响溶质向含水层的迁移（Jat Baloch等，2023）。过度开采地下水会改变地下水流场，加剧水-岩相互作用，并通过蒸发浓缩和海水入侵促进盐分积累，这在沿海含水层中尤为显著（Das & Das，2024）。因此，对地下水数量和质量进行同步评估已成为可持续水资源管理的一项主要优先事项（Sadeghi-Lari等，2024）。

研究者已开发出多种水化学和统计方法来评估地下水质量并识别控制地下水演化的主要过程。水质指数（WQI）方法被广泛使用，因为它将多种理化参数整合为一个指标，便于解读地下水的饮用水适宜性（Derdour等，2021；Krishan等，2023）。近年来，机器学习和预测模型越来越多地应用于优化WQI评估并处理复杂的水文地球化学数据集（Hussein等，2023）。同样，皮珀图、肖勒图和威尔克斯图等水化学分类技术为地下水类型、饮用水质量和灌溉适宜性提供了有价值的信息。此外，吉布斯图常用于区分降水、蒸发和水-岩相互作用过程对地下水化学的相对影响。结合Mann–Kendall检验等参数统计方法，这些方法为评估地下水质量的长期动态并检测显著的时间趋势提供了全面的框架（Basharat等，2025）。

近年来，地理空间技术和地球观测系统的进步显著提升了监测影响地下水系统的环境变化的能力。土地利用和土地覆盖变化直接影响地下水补给、开采速率、污染物迁移和盐分动态。农业扩张尤其被认为是干旱缺水地区地下水耗竭和质量退化的最重要驱动因素之一。Sentinel-2等高时空分辨率卫星影像等数据的日益可用，以及Google Earth Engine（GEE）等云计算平台的兴起，使得在区域尺度上高效评估土地利用的长期动态及其与地下水资源的相互作用成为可能（Nigar等，2026；Ali等，2025）。具体来说，将地理空间土地覆盖分类与水文地球化学分析相结合，使研究者能够追溯农业和城土地用途变化如何影响局部含水层补给和溶质淋滤（Iqbal等，2024；Jat Baloch等，2022）。因此，将水文地质观测与遥感数据相结合为理解人类活动与自然过程对地下水系统的耦合效应提供了一种强有力的方法（Liaqat等，2021；Gautam等，2026）。

沙米尔-塔克特平原位于伊朗南部霍尔木兹甘省，地处阿巴斯港东北部，是该国最重要的农业区之一，其居民生活和灌溉用水严重依赖地下水资源。近几十年来，地下水开采量不断增加、农业发展、非法水井的扩张以及盐渍地质构造的存在，引发了人们对含水层长期可持续性的担忧。此外，该盆地的沿海位置使其更容易受到盐化和海水入侵的影响。尽管该含水层具有重要的战略意义，但现有研究通常仅关注地下水的单一方面，如地下水数量（水位波动）或地下水质量（空间盐度分布），而综合水文地质、水化学和土地利用分析的系统性研究仍然有限（Salehi等，2023；Tara & Bazrafshan，2023）。

这种碎片化的研究方式构成了一个显著的研究空白。将地下水数量和质量分开评估，无法捕捉地表土地利用变化与地下地球化学反应之间的动态反馈回路。例如，通过遥感检测到的农业扩张导致地下水开采量增加，从而降低了地下水位（水文地质学）。这种物理性的下降改变了水力梯度，从周围地质构造或沿海地带引入侵蚀性盐水，进而引发矿物溶解、阳离子交换和盐化（水化学）。通过将水文地质学（监测含水层储量和衰减）、水化学（表征水类型、矿物-水相互作用和水质指数）与遥感（绘制农业扩张和土地利用强度的时间演变）相结合，我们可以构建一个统一的三维诊断框架。这种整合使我们能够将地表人为驱动因素与地下地球化学响应和含水层动态进行定量关联，特别是在脆弱的沿海冲积环境中（Barzkar等，2026）。因此，在缺乏这种耦合方法的情况下，沙米尔-塔克特含水层系统中地下水衰减、盐化过程、水化学控制因素和农业土地利用变化之间的相互关系仍难以充分理解。

本研究的新颖之处在于整合了长期地下水位监测、水化学表征、水质评估、趋势分析和基于遥感的土地利用评估，以研究二十年期间地下水数量和质量之间的耦合动态。与以往在该地区开展的研究不同，本研究采用跨学科框架，同时考察地下水衰减、盐度演化、水化学类型和土地利用变化，该框架结合了水文地质观测、统计趋势分析、水质指数、水化学解释和地球观测数据。

因此，本研究的目标为：(i) 利用测压观测评估长期地下水位波动；(ii) 通过Mann–Kendall分析研究主要地下水质量参数的时间趋势；(iii) 利用WQI和水化学分类方法评估地下水的饮用和灌溉适宜性；(iv) 识别控制地下水化学的主导水文地球化学过程；以及(v) 利用Sentinel-2影像和Google Earth Engine考察土地利用变化对地下水条件的影响。研究成果有助于更好地理解干旱沿海含水层的地下水退化机制，并为可持续地下水管理和长期水资源规划提供科学依据。

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研究区域

沙米尔-塔克特平原位于伊朗南部霍尔木兹甘省阿巴斯港的东北部。研究区域位于东经56°30′至57°00′、北纬27°10′至27°35′之间（图1）。该地区属热带沙漠气候，蒸发率高，降水稀少。山区年均温约为26.3°C，平原地区约为28.4°C。山区年均降水量约为268.9毫米，平原地区约为217.3毫米。

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地下水动态

长期地下水监测结果显示，在研究期间（2002–2021年），沙米尔-塔克特含水层的地下水位持续下降。平均地下水位从2003年的约22.38米降至2020年的17.63米，净下降幅度近4.75米。这一下降趋势表明地下水补给与开采之间出现了持续性的失衡（图2）。

水文过程线显示，地下水开采量始终超过自然补给量。

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结论

本研究整合了地下水位监测、水化学评估、统计趋势分析、水质评价和基于遥感的土地利用调查，以考察2002年至2021年间沙米尔-塔克特含水层的长期动态。研究结果揭示了在干旱环境下的沿海冲积含水层中，地下水衰减、盐化过程、水化学演化和农业土地利用变化之间的相互作用，为理解这些问题提供了重要的见解。

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CRediT作者贡献声明

Ameneh Moradi：撰写-初稿、可视化、软件、形式分析。Adnan Sadeghi-Lari：验证、项目管理、数据整理、概念化。Mehdi Bahrami：撰写-审阅与编辑、指导、方法论、概念化。

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未引用参考文献

Asadi等，2019；Iqbal等，2024。

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利益冲突声明

? 作者声明他们不存在已知的、可能影响本文工作的竞争性经济利益关系或个人关系。

Adnan Sadeghi-Lari | Mehdi Bahrami | Ameneh Moradi