地下坝：基于可用数据推导选址准则及一个案例研究示例

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Underground dams: Deriving criteria for appropriate site selection by available data, and an example of a case study

　　

•地下坝可为干旱和半干旱地区提供部分用水需求。•地下坝的选址需要充分必要的数据以及现场评估。•布尔逻辑和层次分析法（AHP）模型在确定地下坝适宜建设地点方面可以取得令人满意的结果。•在现有数据下，地下坝选址的大部分结果基本上是在确定不宜建设的区域，而非确定适宜建设的区域。

**引言**

世界各地不同地区的水资源管理方式各不相同。在分配、供给和消费决策中固有的复杂性可能会加剧水资源可用量的下降。在干旱和半干旱地区，实现用水与可持续性的平衡是一个困难且耗时的过程（Maliva和Missimer, 2012）。气候变化带来了额外的复杂性，需要在满足社会对饮用水和粮食安全需求与维持最低生态保障之间取得平衡。关于水资源分配和使用限制的决策可能导致高昂的经济成本，有时还会引发社会政治紧张。

在世界许多干旱和半干旱地区，气候变化等同于因河流或泉水干涸而导致的水资源短缺。与此同时，城市化进程、人口增长、社会福利需求以及旅游业的发展增加了用水需求。在河流干涸的地区，肆意开采地下水已成为实现临时粮食安全的一种常见方法，这种做法伴随着许多风险，如地面沉降（Huang等, 2012）、地面塌陷的形成（Karimi和Taheri, 2010; Taheri等, 2017; 2019, 2023）、地下水关键区的形成（Taheri等, 2020）、泉水干涸（Taheri等, 2016），并伴随着地下水质量退化（Cerón和Pulido-Bosch, 1996）。

目前，在世界许多干旱和半干旱地区，特别是伊朗，当地管理者和决策者应对水危机的最快最简便方式就是钻井更深的水井（Taheri等, 2021a）。地下水位的下降迫使水井必须钻得更深。在城市近郊钻探的农业水井造成了与井和水权所有权相关的法律冲突，扩大了水资源短缺区域，从而引发了社会冲突。在某些情况下，为满足用水需求，人们向此前未被利用的含水层系统（如岩溶和坚硬岩石地层）钻探饮用水井，同时在少数仍有河流的区域修建蓄水坝。通常，这些活动是在未进行充分技术调查以确定其可持续性的情况下进行的。

在河流上修建大型水坝耗时且昂贵。即使完成了实施阶段，仍存在关于沿岸水资源分配的严重社会问题。下游沿岸水权、地表水污染、水处理和蒸发损失都必须作为限制水坝建设的因素加以考虑。在一些地区，另一个可行的选择是在岩溶地层中钻井，这些地层的地下水位因过度开发含水层而严重下降。在这种情况下，可以使用其他水资源管理策略来增加供水，如人工补给（Stevanovi?, 2016）、利用处理后的废水或雨水修复含水层（Maliva等, 2011; Missimer等, 2012; Ghaffour等, 2013），以及修建地下坝以帮助拦截地下水，从而帮助管理者和决策者更好地管理当地水资源。

近年来，地下坝的建设因其在水泥和半干旱条件下相比地表坝的优势而备受关注。在一篇综述文章中，Ishida（2011）在阐述此类地下结构优势的同时，记录了它们在各国的开发情况，包括日本。地下坝被定义为在干旱和半干旱地区建造的地下结构，用于拦截地下水流，使水积聚到足够的饱和厚度，从而允许通过抽水泵井提取（图1a）（Nilsson, 1988）。根据多个分类，地下坝和砂存储坝是两种可建造的水供给用地下结构类型（Hanson和Nilsson 1986; Rajabi等, 2025）。从水资源管理角度来看，这两种类型追求同一个目标，即储存或增加饱和地下水厚度（Raju等, 2006; El-Hames 2012; Sahin和Tayfur 2023）。然而，一些地下坝也用于防止海水入侵沿海含水层（Nawa和Miyazaki 2009）。矿井中的地下坝主要用来避免隔离相邻的淹水区以防倾侧工作面被淹没。它们也用于在火灾时淹没矿井的一部分，并限制抽水量以保持水位可控（地下防洪），以便在需要时使用这些水（Gupta等, 1987）。地下坝和水库的修建可提供水储存，可应用于岩溶含水层，尽管其设计和施工可能相当复杂（Jemcov等, 2011）。

在地下屏障或砂存储系统的建设中，一个至关重要且关键的问题是确定适宜的建设地点（Onder和Yilmaz 2005; Talebi等, 2019; Fathi等, 2019; Ebrahimi等, 2021）。一个方便的地点必须具有能够适应地下坝优势的条件，并且经济上可行且社会可接受。地下坝通常建在饱和水厚度不可用的区域，但非饱和区具有足够厚度，允许利用自然地下水梯度积聚水。在Ishida（2011）对地下坝的综述中，日本的平均坝高为7米。其他研究人员描述了高度在4到10米之间的地下坝（Onder和Yilmaz, 2005）。此外，这些坝的轴长和库容通常不太大（Nilsson, 1988）。

用于供水开发的地下坝不会建在有工业和农业污染物（如硝酸盐）污染风险的城镇或乡村地区（Lalehzari和Tabatabaei, 2015）。Nilsson（1988）描述了设计这些坝的多种方法（图2）。地下坝的可行性可以使用简单的和多量化的决策方法进行评价（Kharazi等, 2019）。考虑到选择合适的地下坝建设地点取决于各种因素，使用多准则决策方法可以为设计师、规划者和当地管理者提供更全面的视角，同时节省选择坝址的时间。

多准则决策分析是一个从可能的备选方案类型中确定合适方案的过程。为此，两种传统方法已被应用于不同的决策研究主题：加权求和法的多目标决策（MODM）（Janssen, 2001）和多属性决策（MADM）工具，如层次分析法（AHP）（Saaty, 1977, 1980; Taheri等, 2015）（Pohekar和Ramachandran, 2004）。MODM的目的是同时优化一组约束问题的目标函数（通常是相互冲突的）（Ekhtiari等, 2023）。完成MADM分析的目的是在有限区域内冲突可能性的领域中选出最佳备选方案，并确定选定土地范围内各备选方案的排名。本研究的主要重点是评估干旱或半干旱地区建设地下坝的最佳地点。为实现研究目标，首先需要介绍设计施工地下坝的限制性因素或排除性准则以及有效因素或适宜性准则，然后在气候、结构和地质条件的背景下评估其适用性。伊朗半干旱的克尔曼沙赫省被选为案例研究，以确定基于可获取数据开发地下坝的可行性。

除了使用这些决策模型的所有优势之外，还应注意，在AHP方法中，地下坝建设的适宜点并未被确定，而是由模型呈现符合所选准则的最佳匹配条件的适宜区域（区域）。尽管这是模型的局限性之一，但从定义有利建设地下坝的区域这一意义上来说，它可以减少现场勘探的站点成本，而这些站点可能不具备开发地下坝最理想的特征。

尽管布尔逻辑和AHP方法在地下水选址研究中已分别被应用，但本文提出的综合方法引入了不同的方法论创新。在所提出的框架中，布尔逻辑方法作为一种筛选机制，强制执行排除性约束——最突出的是水系的存在——从而排除那些本质上缺乏必要水文地质前提条件的区域。AHP则作为权重工具，根据剩余区域与所选准则定义的 optimal 条件的接近程度对其进行渐进排名。这两种范式的互补结合实现了两阶段决策过程：严格的布尔过滤器确保物理可行性，随后是基于AHP的优先级排序，确保逐步适宜性排名。这种混合方法在以前的地下水选址研究中未以这种特定的集成形式呈现，在数据有限的干旱和半干旱环境中，它在严格的约束执行与灵活的多准则排名之间提供了实用的平衡。

**资料与方法**

对于地下坝选址的区域评估，专题图和卫星影像仍然是最合适的主要工具（Nilsson, 1988）。地质、地形、气候、水文、水文地质、土壤、植被和土地利用图——连同以前的专家报告——为选址分析提供了关键输入。如今，地理信息系统（GIS）在整合这些异构数据集和生成数字输出方面发挥着重要作用。

在本研究中，我们使用了布尔逻辑。不适合建设地下坝的因素总结在表3中。这些因素基于表3中列出的缓冲区进行呈现。通过使用布尔逻辑叠加它们，获得了被排除区域的地图（图3b）。该地图显示了没有严重障碍（如排除居民区、地表坝等）的可能性建设地下坝的区域。在此阶段，可以讨论气候结果……

**讨论**

地下坝的建设需要细致的方针，包括选择合适的位置、材料选择以及确定适宜的岩土来源。这一技术和工程过程需要一系列专业知识以确保成功实施。建造地下坝的第一步是确定最佳位置，这需要考虑各种地质、地貌、气候、水文、水文地质……

**结论**

本研究结果表明，虽然模型在确定地下坝建设的适宜区域方面是有用的，但尚无一种无需专家修正的确定性方法可用。一个关键要点是，输入模型的数据精度显著影响输出质量，使其更适合决策。数据不足、选择不当的因素以及忽视地貌条件可能导致不良结果。

**CRediT作者贡献声明**

Rasool Ghobadian：可视化、监督、项目管理、方法论。Ali Rezaei：撰写—原始文稿、方法论、调查、数据管理、概念化。Kamal Taheri：验证、软件、方法论、调查、概念化。Thomas M.

Missimer：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理

未引用的参考文献：Abdalla and Al-Rawahi, 2013；Al-Nahari, 2004；Al-Taee et al., 2015；Bozkus 和 Kaya, 2023；Chang et al., 2019；Dahmardeh et al., 2020；Davis et al., 1966；Degardin, 2021；Ebrahimi and Tajbakhsh, 2018；Falkenmark et al., 2001；Ghosh, 2016；Gobashy and Al-Garni, 2008；Hasan et al., 2014；Ishida et al., 2003；Ishida et al., 2011；Kheirkhah Zarkesh et al., 2012；Kobayashi and Jatiya, 2010；Lvovitch, 1973；Meran et al., 2021；Nagata, 1993；Nilsson, 1988；Nishigaki et al., 2004；Ouerdachi et al.

利益冲突声明 ? 作者声明，他们不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢：本文是Razi大学农学院水利工程系硕士论文的一部分。作者感谢Razi大学研究副校长以及Razi大学农业与自然资源学院水利工程系的同事们的宝贵合作。作者还感谢克尔曼沙赫地区供水公司提供了部分数据。

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