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本研究利用协克里格法整合多源次生数据，对伊比利亚半岛长序列地下水动态进行区域尺度评估。结果表明，地质信息与后续时期数据能有效提升早期地下水映射精度，而降水数据影响较小。研究验证了多源数据协同在地下水评估中的价值，为区域水资源管理提供新方法。
Nahed Ben-Salem|Amir Rouhani|Nadim K. Copty|Emmanouil A. Varouchakis|J.Jaime Gómez-Hernández|George P. Karatzas|Michael Rode|Seifeddine Jomaa
德国马格德堡亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）水生生态系统分析与管理系
摘要
在区域尺度上绘制地下水位图通常受到缺乏高密度直接水位测量数据的阻碍。在这项研究中，我们探讨了结合不同类型的二次数据与共克里金（cokriging）方法来评估整个伊比利亚半岛地下水位空间变异性的价值。该地区以显著的水文气候变异性和不断增长的水资源需求为特征。分析使用了来自该地区3,822个观测井的60多年地下水位数据，并结合了易于获取的二次数据，包括数字高程模型、降水数据和水文地质信息。由于数据序列长度较长，分析被分为四个时期，每个时期的观测次数不同。通过交叉验证和统计指标严格评估了地质统计模型的性能。结果表明，在观测井数量有限的早期时期，结合后续时期的地下水位数据和水文地质信息显著提高了地下水位绘制的准确性。年平均降水量数据与地下水位数据之间没有相关性，对插值的影响很小，而数字高程模型的影响则较为复杂。总体而言，本研究强调了在实地数据稀缺的情况下，利用二次数据通过共克里金方法进行区域尺度地下水位绘制的价值。
引言
地下水是全球水循环的重要组成部分，是灌溉、生活用水和生态系统服务的基本水源（Rohde等人，2024年）。地下水资源作为天然水库，可以缓解季节性和长期的水资源压力，支持农业发展，尤其是在干旱和半干旱地区（Famiglietti，2014年）。同时，地下水通过维持湿地和河流的补给量，有助于保护生态系统和生物多样性（Erostate等人，2020年）。
人类活动对气候和水循环的影响日益增加，显著改变了地表水和地下水补给情况以及水资源可持续性（de Marsily，2021年）。过度开采含水层会大幅降低地下水产量，改变地下水流动模式并导致水质恶化，例如沿海地区的海水入侵（Xiao，2021年）。地下水位下降还会影响依赖地下水的生态系统（Erostate等人，2020年），并威胁粮食安全（Moench等人，2009年；Gelati等人，2020年）。
由于自然变化和人为压力，地下水位会经历短期、季节性和长期波动。在动态条件下评估地下水资源的可用性，长期和频繁的监测至关重要。分析数十年的地下水位趋势对于有效的水资源管理和规划至关重要（Dahlke等人，2018年；Ma等人，2017年）。长期地下水位趋势有助于了解历史变化，并帮助理解水文变化（Power等人，1999年；Chávez García Silva等人，2024年），包括对生态系统生物多样性和水资源可用性的潜在威胁（Huggins等人，2023年）。
本研究关注的是十年平均地下水位状况，这些数据可以平滑季节性和多年间的变化，从而突出长期区域模式。因此，短期波动不在本研究的范围内。地下水位以平均海平面为基准表示，这是伊比利亚地区数据集的标准报告格式，有助于实现一致的区域插值。然而，对于生态和管理应用而言，地表以下地下水的深度通常更为重要，这也是未来研究的重要方向。由于传统的直接地下水监测方法存在不一致、分布不均和数据稀缺的问题，地下水位测量通常只能在有限的地点进行。以往的研究使用了多种插值算法，主要是地质统计方法，这些方法随着时间的推移得到了显著改进，以确定地下水位的空间和时间变异性（Ahmadi和Sedghamiz，2007年；Cay和Uyan，2009年）。为了解决数据稀缺的问题，一些研究结合了更易获取的相关二次数据（Asante等人，2022年）。在共克里金方法中，地形、地质、气候或遥感等二次数据可以作为辅助信息，以提高地下水位属性的空间预测精度（例如Ahmed和de Marsily，1987年；He等人，2014年；Ravish等人，2025年）。这些通常更容易获取且成本更低的二次数据有助于改进插值模型并减少预测不确定性。通过利用这种多源数据整合，共克里金已被证明是一种有价值的地质统计方法，特别是在直接观测有限的地区，有助于改善地下水资源评估。
尽管过去几十年开发了许多数据插值技术，但专门针对多年尺度和大范围预测地下水位的研究相对较少（Huang等人，2015年；Gong等人，2018年），这凸显了进行更多长期研究的必要性（Dahlke等人，2018年）。缺乏覆盖大范围的长期数据以及地下系统的复杂水文地质特性是进行多年尺度地下水位评估的主要障碍。
本研究的目的是利用包括降水、数字高程模型、平均地下水位和水文地质单元在内的不同二次数据，建立伊比利亚半岛区域尺度的长期地下水位特征。这种区域视角旨在揭示大范围的地下水模式和空间变异性，而不仅仅是局部动态。通过结合实地地下水观测数据和多个二次数据集，我们的研究提供了一个参考框架，既补充了特定地点的分析，也补充了基于过程的模型，同时指出了数据密度和时间平均所带来的局限性。
地下水位受补给量、排放量、含水层几何形状和地下水流特性的共同影响。在较大的区域尺度上，地形（通过数字高程模型表示）影响地下水梯度和流动方向，因为地下水位倾向于与地表高程相关的等势线对齐（Tóth，1963年；Refsgaard等人，2021年）。降水决定了含水层的长期补给情况，特别是在地中海和半干旱气候条件下，年际变化可能主导补给动态（Tularam和Keeler，2024年）。水文地质特征（如含水层类型、岩性）进一步调节了补给如何转化为地下水位变化，因为不同的岩性具有不同的储水和传导特性。在空间插值框架中结合使用这些二次变量在概念上是合理的，因为它们可以作为大陆和区域尺度上控制地下水分布的主要物理因素的代理。本研究的主要目的是调查伊比利亚半岛地下水位的多十年空间变异性，并评估在插值中使用二次数据的好处。具体目标包括：（i）分析伊比利亚半岛地下水位的多十年变化和空间模式；（ii）利用包括降水、数字高程模型和水文地质属性在内的不同二次数据开发地下水位图；（iii）通过交叉验证方法评估在区域尺度上使用不同二次数据进行地下水位插值的好处。伊比利亚半岛拥有长期的实地监测数据、明确的地下异质性以及对地下水资源的强烈依赖性，是一个独特的大规模示范地点，用于评估使用不同二次数据进行共克里金方法评估多年尺度地下水位变化的能力。
研究区域
伊比利亚半岛位于欧洲西南部，面积约为583,000平方公里。其地形复杂，内陆高原被山脉环绕，在某些地区山脉延伸至海岸。该地区具有地中海气候，干季较长，蒸发蒸腾作用主要受水资源可用性的控制。降水模式变得更加季节性，陆地与大气之间的相互作用增强（
结果
本节展示了用于估计伊比利亚半岛地下水位的各种插值方法的结果。首先介绍了地下水位与各二次数据之间的相关性，然后是每个变量的直方图以及每个时期的变异图和交叉变异图。插值结果以地下水位图的形式呈现。每种插值方案的性能通过相应的指标进行评估
讨论
本研究指出了水文数据插值中的两个关键挑战：（i）实地数据的可用性在空间和时间上存在显著差异，过去时期的数据往往稀缺；（ii）虽然基于克里金的技术在局部尺度上被广泛使用，但在具有复杂水文地质特征的大范围内应用时的稳健性却较少被研究。为了探讨这两个问题，本研究重点关注了地下水位的估计
结论
本研究考察了在大范围内应用基于克里金的插值方案的各种二次数据的有效性，特别是伊比利亚半岛。所提出的基于克里金的插值方案在数据可用性方面存在限制，尤其是在第一和第二时期，且地质条件复杂。仅依赖直接地下水位观测得到的地下水位图具有较高的不确定性。通过整合
作者贡献声明
Nahed Ben-Salem：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件开发，方法论研究，数据分析，概念化。Amir Rouhani：撰写 – 审稿与编辑，研究。Nadim K. Copty：撰写 – 审稿与编辑，研究。Michael Rode：撰写 – 审稿与编辑，研究。Seifeddine Jomaa：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论研究，概念化。Emmanouil A. Varouchakis：撰写
未引用的参考文献
Branco等人，2024年；Gonzalez-Hidalgo等人，2024年；Martínez-de la Torre和Miguez-Macho，2019年；Taylor等人，2013年；Webster等人，2022年；Xiao等人，2021年。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
