埃及南部红海沿岸地区可持续发展的综合水文动力学分析

《Journal of African Earth Sciences》：Integrated Hydrogeodynamic Analysis for Sustainable Development along the Southern Egyptian Red Sea Coast

红海东南部与东沙漠的地质-资源-灾害综合研究整合DEM、航空磁测、重力密度图及结构线谜数据，揭示地形控制水道与洪水风险（23个高险盆地占152100km2）、断层网络（82%水道对应该构造）主导资源分布与地下水潜力，降低勘探不确定性40%，为可持续发展提供决策支持。

　　

Zeinab A. Shawky | Amin Esmail Khalil | Tark Arafa-Hamed | Rasha Tharwat | Alhussein Adham Basheer

埃及开罗Helwan大学科学学院地质系，邮编11790，Ain Helwan

摘要

埃及红海沿岸的南部地区和东部沙漠是一个地质活动频繁且环境脆弱的区域，实现可持续发展需要综合了解地貌学、地球物理学和构造地质学方面的知识。本研究采用多数据集的方法，结合数字高程模型（DEM）、航空磁测、重力密度测绘和构造线状构造分析，来研究地形、地下结构与资源潜力之间的相互作用。该地区年降水量不足10毫米，反映了其极度干旱的气候特征。DEM分析显示，崎岖的东部沙漠（海拔超过800米）与狭窄的沿海平原之间存在明显的高程差异，这些差异控制着径流分布、季节性河流的形成以及灾害模式。通过增强过滤技术处理的航空磁测数据能够勾勒出与红海裂谷相关的岩石边界和断层网络。基于重力的密度测绘进一步区分了富含矿物的致密镁铁质/超镁铁质岩体与适合储水的低密度沉积盆地。构造线状构造的叠加显示了构造因素对排水路径和地下水潜力的影响。主要研究成果包括：（1）DEM分析识别出23个高洪水风险盆地，其坡度超过25°；（2）处理后的航空磁测数据描绘了控制82%主要干谷走向的NE-SW方向断层网络；（3）通过针对断裂带的测绘，将地下水勘探的不确定性降低了约40%；（4）灾害分区显示大约15,200平方公里（占研究区域的10%）属于洪水高风险区。从地质动力学的角度来看，这种综合方法为了解裂谷相关过程提供了见解，尽管对泛非洲构造重新激活的详细解释还需要额外的地震或野外验证。从实际应用角度来看，这些结果有助于灾害缓解、有针对性的地下水勘探、矿产勘探和基础设施规划。本研究强调了地球物理数据整合作为在干旱沿海地区平衡经济发展与环境韧性的决策支持工具的价值。未来的工作应结合地震成像和机器学习方法，以提高这一战略关键区域的预测能力。

引言

埃及的红海和东部沙漠地区（图1）是一个地质复杂且具有战略意义的走廊，这里汇聚了构造地质学、地貌学和自然资源。研究区域面积为152,100平方公里（约390公里×390公里），位于纬度22°至27°、经度31.5°至37°之间。该地区东临红海裂谷，西接尼罗河谷，以崎岖的基底高地、狭窄的沿海平原以及快速演变的地陆-海洋相互作用为特征。该地区的地质背景反映了新生代-第四纪裂谷作用对泛非洲造山结构的叠加，形成了受古老构造遗产和持续地壳拉伸共同影响的地貌（Abdelsalam等人，2022年）。关于红海裂谷动态的最新研究（Khalil & McClay，2020年；Ali等人，2023年）为理解埃及边缘的拉伸过程提供了额外的背景信息。

除了其构造重要性外，埃及南部还面临着日益严峻的可持续性挑战，包括淡水资源匮乏、易受突发洪水影响、沿海含水层盐碱化以及城市扩张和基础设施发展带来的压力，这些都凸显了进行综合地球物理评估的必要性。传统的针对特定地点的研究通常只关注其中一个方面，如矿产勘探、地下水评估或灾害制图，但无法提供一个能够平衡经济发展与环境韧性的整体框架。

地球物理技术和计算建模的最新进展为解决这些挑战提供了新的机会。数字高程模型（DEM）不仅可用于水文建模，还是地球物理校正和机器学习应用的重要输入（Li等人，2020年）（图S1）。

从赫尔加达到哈莱布的埃及红海南部地区属于极度干旱的气候类型，全年降水量极其有限且分布极不均匀。过去五年的观测表明，该地区没有明显的雨季，尽管冬季（12月至2月）的降水量略有增加。该地区的年降水量大约在1至25毫米之间，与埃及北部降水更稳定的地区形成鲜明对比（Nashwan和Shahid，2022年；世界银行气候风险概况，2021年；气候中心，2024年）。此外，该地区的地形特征——从海岸线升起的沿海山脉和浅层平原——显著影响了水分流动，既决定了降雨的位置，也影响了径流的分布。山区地形抬升可以在局部增加降水量，同时也会在背风坡形成雨影效应，导致更干燥的条件。高海拔地区的径流会集中在干谷或平原上的干河床中，偶尔引发突发洪水（Abou El-Magd等人，2010年；El-Sorogy等人，2012年及2016年）。最近使用高分辨率数字高程模型和遥感技术的研究进一步证实，地形在引导罕见风暴期间的水分积聚过程中起着关键作用（El-Rayes、Arnous和Helmy，2023年；Rashwan等人，2023年）。

通过过滤方法处理的航空磁测数据揭示了控制矿化作用、断层活动和裂谷演化的地下结构（Hassaan等人，2022年）。基于重力的密度图通过区分富含矿物的基底复合体与含碳氢化合物和地下水的沉积盆地，补充了这些数据集（El Kaliouby和Gharib，2021年）。将构造线状构造映射与这些地球物理数据结合，可以提供一个关于构造遗产、地下水路径和灾害易发区的统一视角。

本研究旨在整合DEM、航空磁测、密度和线状构造数据集，以深入理解红海东南缘和东部沙漠的地质动力学和资源状况。具体而言，它探讨了：（i）地形如何控制排水、灾害和补给过程；（ii）航空磁测和重力数据如何揭示地下岩石和构造的变异性；（iii）综合地球物理解释如何指导水资源管理、矿产勘探、灾害缓解和基础设施设计。通过将地球物理学视为一种科学工具和政策相关的决策支持系统，这项研究为埃及这个环境脆弱但经济战略重要的地区的可持续发展做出了贡献。

地理背景

研究区域位于埃及东南部边缘（图1），从东部沙漠内部延伸到濒临红海的狭窄沿海平原，纬度范围为22°至27°，经度范围为31.5°至37°。该区域面积约为152,100平方公里，东临红海裂谷，西接尼罗河谷。

地质背景

埃及红海南部边缘是一个地质复杂的过渡带，前寒武纪基底与……

方法论

为了实现全面的地球物理综合分析，本研究采用顺序分析工作流程整合并处理了四个主要数据集。每个数据集在纳入统一的地理空间框架之前都经过了特定的处理步骤。

数字高程模型（DEM）和地形控制

覆盖埃及南部红海沿海平原及相邻东部沙漠的数字高程模型（DEM）清晰地展示了该地区的地貌变异性（图3）。东部沙漠的内陆山脉陡峭隆起，海拔超过800米，随后急剧下降至几乎与海平面齐平的狭窄沿海地带。这种地形对比不仅仅是表面特征，它从根本上决定了……

讨论

将综合地球物理方法应用于埃及红海南部边缘和东部沙漠，展示了如何将从地形DEM到航空磁测和重力数据的各种数据集整合成一个既有助于科学理解又有助于可持续发展的框架。这一讨论将各个方法论见解与更广泛的概念性问题联系起来，强调了它们之间的相互依赖性和实际意义。

结论

本研究揭示了几个关键发现：地形评估识别出23个高洪水风险盆地，总面积约为15,200平方公里，这些盆地是该地区最脆弱的集水区。处理后的航空磁测数据明确了地下结构框架，显示82%的主要断层走向与地表排水模式直接对应。基于重力的密度测绘进一步区分了富含矿物的区域（密度2.9–3.1克/立方厘米）和适合……

作者贡献声明

Amin Esmail Khalil：项目监督、项目管理、方法论制定、调查实施、数据管理、概念构思。 Zeinab A. Shawky：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化展示、数据验证、软件应用、资源协调、方法论制定、调查实施、数据分析、概念构思。 Alhussein Adham Basheer：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化展示、数据验证、项目监督、软件应用、资源协调、项目管理、方法论制定。

未引用参考文献

《埃及国家适应战略》，2021年；El-Sorogy等人，2016年；Farr等人，2007年；Morgan，2009年；NASA，2014年；PCI Geomatics，2023年；USAID埃及项目，2008年；世界银行，2021年。

数据可用性声明

数据包含在文章中，如需其他研究数据，可另行索取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本研究的个人关系，并保证所提供的所有信息均准确无误。他们承诺在研究过程中或相关事件发生时及时通报任何变化或新的冲突情况。

资金来源

本研究未获得任何国家或国际公共、商业或非营利机构的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。

致谢

作者衷心感谢埃及明亚大学英语系副教授Nahal Adel（[e-mail]）对稿件审查所做的宝贵工作。她的语言改进和语法修正显著提高了文章的清晰度，有助于更有效地传达科学内容。