《Journal of African Earth Sciences》：Effect of climate change and salinization- freshening phases on groundwater quality of a coastal phreatic aquifer. A case study on El Qaa plain, Sinai, Egypt
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本研究通过结合统计、水文化学及历史降水数据，分析了气候变化对埃及El Qaa平原沿海潜水含水层水质和组成的影响，发现海水入侵距离在2022年较1997年显著缩短，主要归因于降水减少和地下水过度开采，并提出了综合监测和管理策略。
亨德·S·阿布·萨勒姆（Hend S. Abu Salem）|埃斯拉·阿博-汉格尔（Esraa Abo-Khanger）|哈特姆·M·梅克赫梅尔（Hatem M. Mekhemer）|穆罕默德·M·埃尔·卡马尔（Mohamed M. El Kammar）
开罗大学理学院地质系，邮政信箱12613，吉萨，埃及
摘要
浅层海滨含水层是受气候变化影响最严重的地下水系统之一，这主要是由于它们容易受到海水入侵和水质化学变化的影响。温度上升、降水量减少以及海平面上升改变了补给过程、地下水流动和溶质传输动态。本研究利用统计数据、水质化学数据以及历史降水数据，并结合早期选定的化学数据，来了解气候变化对埃尔卡阿（El Qaa）平原浅层海滨含水层水质和成分的影响。该地区的地下水是干旱地区的主要水源。研究使用了来自a) 1997年（JICA，1999年）和b) 2019年（Yousif等人，2020年）的原始数据，并将其与2022年的数据进行对比。历史降水数据是在采样前一年计算得出的。结果显示，2019年降雨量增加后水质有所改善。通过对海水入侵地下水情况的回归分析（通过海水混合指数来证明），发现海水入侵的距离从16.29公里缩短至2.58公里，而1997年这一距离为37.48公里至3.63公里。2022年，海水入侵的距离再次缩短至37.48公里至5.40公里。这种变化可能与2019年的相似降水量以及由于钻井数量增加导致的地下水抽取量增加有关。因此，在这三个时期分别记录了盐化-淡化-再盐化的事件，并通过Piper图和水质化学相演变（HFE-D图）得到了进一步验证。此外，本研究还强调了水岩相互作用、人为影响和蒸发作用对该含水层水质的影响。为了减轻水质恶化，需要采取综合监测、建模和适应性管理策略，以确保在气候变化加剧的情况下可持续利用地下水。这项工作强调了将水质化学过程与气候变化评估相结合的重要性，以便更好地预测含水层的响应并保障沿海地区的水资源安全。
引言
沿海含水层盐化是一个紧迫的环境问题，影响着全球沿海地区的淡水资源（Nosair等人，2022年；Passarella等人，2025年；Missimer和Maliva，2025年）。随着海水侵入地下，淡水的质量和可用性受到严重影响，给饮用水、农业和工业带来了巨大挑战（Shammi等人，2019年；Jasechko等人，2020年；Basack等人，2022年）。这一现象由气候变化、海平面上升、过度抽取地下水以及土地利用变化等因素驱动（Hussain等人，2019年；Sithara等人，2020年；Dieu等人，2022年）。补给量的波动不仅减少了淡水的可用性，还改变了地下水的成分和质量（Huang等人，2021年；Zhao等人，2021年；Luo等人，2025年）。了解沿海含水层盐化的原因、后果及潜在的缓解策略对于确保可持续的水资源管理和保护脆弱沿海地区的生态系统至关重要（Mastrocicco和Colombani，2021年；Abd-Elaty等人，2022年；Missimer和Maliva，2025年）。
研究表明，沿海含水层的盐度变化受多种因素影响，包括地质构造、水岩相互作用以及历史上的海水入侵（SWI）（Abu Salem等人，2022年；águila等人，2022年）。Abd-Elaty等人（2022年）使用SEAWAT模型模拟了侧向海水入侵过程，考虑了气候变化对含水层边界条件的影响。Dieu等人（2022年）基于水质成分对海水淡化和入侵过程进行了水质化学分析，提出了一个考虑自然和人为因素以及季节性周期影响的概念模型。
此外，地球物理学方法为了解沿海含水层中的海水入侵提供了清晰的视角（Massoud等人，2010年；Abu Salem等人，2022年；águila等人，2022年）。águila等人（2022年）结合了地球物理、岩土技术和水质采样方法，研究了受潮汐影响的非封闭型沿海砂质含水层的地下水流动模式和盐度分布。Abu Salem等人（2022年）综合了统计、水文地球化学和地球物理分析的结果，研究了海水入侵期间控制地下水化学的过程。Shaddad等人（2025年）使用共克里金法（cokriging）生成了三年的海水入侵指标空间专题地图，得出结论认为含水层盐化的主要原因是过度抽取导致的水资源枯竭。他们还使用因子共克里金法分析了影响含水层水质变化的因素，并绘制了具有相似特征的区域地图。
研究还强调了水质化学和同位素分析在识别盐化来源和补给过程中的作用（Yousif等人，2020年；Nair等人，2021年）。Nair等人（2021年）确定了自然因素和人为因素之间的复杂关系，识别了控制高压力和环境敏感沿海含水层水质的过程，以便合理管理可用的淡水资源。此外，利用机器学习模型预测沿海含水层的盐度对于资源管理也非常重要（Nosair等人，2022年；Gopalakrishnan等人，2025年；Kassem等人，2025年）。Nosair等人（2022年）结合人工智能和水质化学指标，开发了含水层盐度演变的预测模型，为脆弱沿海地区的早期预警和可持续水资源管理提供了可靠工具。Sithara等人（2020年）利用机器学习（SVM）预测海平面上升，并将其作为变密度模型的输入。此外，还探讨了土地开垦和岩水相互作用对沿海含水层盐度水平的影响（Passarella等人，2025年）。关于地中海沿海含水层的研究表明，降水量减少和温度上升将进一步加剧地下水供应的压力（Parisi等人，2018年；Stigter等人，2014年）。
埃尔卡阿平原位于埃及南西奈地区，是一个浅层海滨含水层。这里的地下水被大量用于农业、生活和工业用途，因此有效管理水资源以防止过度抽取和枯竭至关重要（Sultan等人，2009年；Massoud等人，2010年）。Massoud等人（2010年）利用沿苏伊士湾海岸线大致垂直布置的52个站点的瞬态电磁数据，发现浅层地下介质可以由四个地质电层表示，第四纪含水层在西部和中部受到了海水入侵的影响。Yousif等人（2020年）通过整合遥感、水文和同位素方法以及先前发布的数据，研究了埃尔卡阿平原的含水层特征及现代和古代补给作用。
本研究结合统计数据分析、全面的水质化学特征以及历史降水数据，利用早期选定的化学数据，探讨了气候变化对埃尔卡阿平原浅层海滨含水层水质和成分的影响，特别关注了该含水层对降水事件和持续抽水的敏感性。研究使用了来自a) 1997年（JICA，1999年）和b) 2019年（Yousif等人，2020年）的原始数据，并将其与2022年的数据进行对比。历史降水数据是在采样前一年计算得出的。水质化学指标（如水质化学相演变图（HFE-D）和海水混合指数（SMI）是检测海水入侵早期信号和评估气候变化对地下水系统影响的重要工具。通过运用多种水文地球化学技术，本研究将建立对埃尔卡阿平原第四纪含水层现状的基本了解，为该干旱地区的可持续水资源管理策略制定提供依据。
研究区域
埃尔卡阿平原位于埃及西南奈地区（图1a）。该地区呈明显的西北-东南走向，长约150公里，宽20-30公里，面积约为3900平方公里（JICA，1999年），占西奈半岛总面积的约10%（Sherief，2008年）。平原向南和西部逐渐倾斜（Dames和Moore，1981年）。该地区存在分离的基底丘陵，海拔高度在400至500米之间（例如Gebel山）
采样、数据来源和统计分析
从埃尔卡阿平原采集了18个地下水样本，另外还采集了2个雨水和海水（红海）样本作为参考（Samy等人，2023年；Wannous等人，2021年；见表S1）。采样前，每个井被抽水20至30分钟，然后样本被收集在用井水多次冲洗过的聚乙烯瓶中。采样过程遵循《水和废水检测标准方法》（Baird等人，2017年）。
总计
历史降水数据
研究中的降水数据如图2所示。1997年、2019年和2022年采样前一年的总降水量分别为18.26毫米、25.81毫米和28.03毫米（见图2中矩形内的红色和蓝色数值，补充表S5）。此外，1997年、2019年和2022年采样前六个月的总降水量分别为13.76毫米、20.95毫米和27.98毫米（见图2中矩形内的红色和蓝色数值，补充表S5）。
统计分析
2022年地下水的化学分类和特征
地下水的pH值在7.39到8.16之间，符合大多数自然水的范围，也在饮用水质量标准的理想范围内。盐度在约541至6664毫克/升之间，表明50%的样本为淡水（<1000毫克/升），50%为微咸水（1000-10000毫克/升）（表2和表3，Todd，1980年）。
最大Na+、SO42-和Cl-浓度分别超过了美国环保署（EPA，2018年）规定的限值4.2、4.5和9.7倍（表2）。最大NO3-
结论与建议
近年来，沿海含水层面临多重压力，气候变化、人为因素、土地利用变化和人口增长的综合影响导致含水层盐化和质量下降。本研究利用统计数据、水质化学数据以及历史降水数据，并结合早期选定的化学数据，探讨了气候变化对埃尔卡阿平原浅层海滨含水层水质和成分的影响
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
作者贡献声明
穆罕默德·M·埃尔·卡马尔（Mohamed M. El Kammar）：可视化、监督、方法论、概念设计。哈特姆·M·梅克赫梅尔（Hatem M. Mekhemer）：监督、项目管理、方法论、资金获取、概念设计。埃斯拉·阿博-汉格尔（Esraa Abo-Khanger）：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源管理、项目管理、方法论、调查、资金获取、数据分析、概念设计。亨德·阿布·萨勒姆（Hend Abu Salem）：写作——审稿与编辑、初稿撰写未引用的参考文献
埃及卫生局，2007年；GóRSKI和GHODEIF，2000年；METHOD 415.3 - 总有机碳测量，无日期；Mohammed等人，2022年；美国环保署（US EPA），2018年；世界卫生组织，2017年。伦理批准
所有作者均已阅读并理解了“作者伦理责任”声明，并遵守了相关要求。
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作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
