半干旱地区地下水补给的多方法估算：物理、化学和同位素方法的比较分析

《Groundwater for Sustainable Development》：Multi-Method Estimation of Groundwater Recharge in Semi-Arid Regions: A Comparative Analysis of Physical, Chemical, and Isotopic Approaches

地下水补给量评估方法及结果：研究采用水表波动法、水均衡模型、氯离子质量平衡和稳定同位素分析四种独立方法，估算伊朗达姆甘盆地年补给量介于2.5至40.64亿立方米，揭示各方法因假设差异导致结果偏差，需结合物理、化学及同位素技术提升精度。

　　

Peyman Sudegi | Houshang Khairy

伊朗达姆甘大学地球科学学院，达姆甘

摘要

准确估算地下水补给量对于可持续的含水层管理至关重要，尤其是在水资源稀缺的半干旱地区。本研究评估了四种独立的方法——水位波动（WTF）、水量平衡法（WBM）、氯化物质量平衡（CMB）和稳定同位素（SIs）分析——以量化伊朗达姆甘含水层的补给量并确定其来源。根据每种方法的概念框架和假设，补给量估计值在每年250万至4064万立方米（MCM/year）之间。WTF方法得出的数值最高，因为它记录了所有导致水位上升的原因，如直接补给、灌溉回流水和侧向流入，而没有将它们区分开来。然而，这种方法仍然容易受到与补给无关的波动的影响；例如，冬季抽水井的临时关闭会降低抽水量，从而导致水位暂时上升，这可能被误认为是补给。WBM方法得出的估计值较为适中且符合水文实际情况（约2500万立方米/年），因为它同时考虑了自然因素和人为因素。相比之下，基于化学的方法（CMB和SIs）得出的估计值较低且较为保守（分别为490万和250万立方米/年）。这些方法主要关注通过垂直渗透的直接降水补给，而排除了灌溉回流水和边界流入。这些结果表明，在解释补给数据时需要考虑方法论背景。通过结合物理、化学和同位素技术，本研究展示了这些方法如何相互补充，以区分降水、灌溉回流水和侧向流入的贡献。在存在多种补给途径的半干旱含水层中，WTF和WBM方法是实用的选择。这种综合观点提高了补给量评估的可靠性，并为水资源稀缺地区的可持续地下水管理提供了实际支持。

引言

地下水在支持人类和生态系统方面发挥着关键作用，特别是在地表水资源稀缺或不可靠的干旱和半干旱环境中（Priyan, 2021）。在这些地区，地下水作为一种重要资源，保护了农业产出、工业活动和家庭用水免受气候变化和长期干旱的影响（Shivakoti et al., 2019）。地下水的长期可持续性取决于含水层的补给——即自然或人为过程，这些过程能够补充枯竭的储水量并帮助维持水文平衡（Zheng et al., 2021）。如果没有足够的补给，含水层会持续减少，从而降低水质、增加抽水成本并造成负面生态影响（Sufyan et al., 2024）。此外，在许多干旱盆地，过度抽取加上补给不足会导致不可逆的土地沉降和土壤结构恶化，威胁到基础设施和粮食安全（Herrera-García et al., 2021, Omoko et al., 2018）。

地下水补给是指水向下流入饱和带的过程，从而恢复含水层的储水量（Healy, 2010）。在半干旱环境中，补给量取决于气候变异性、地表特征和地下地质条件之间的相互作用（Jafari et al., 2019, Sophocleous, 2005）。空间和时间上的变化使得补给量的测量变得复杂（Simmers, 2013），而土地利用变化（如城市化或森林砍伐）会改变自然补给路径（Karimi & Sultana, 2024）。补给可能在大范围内分散发生，也可能集中在河床等特定区域（De Vries & Simmers, 2002）。

估算半干旱含水层的地下水补给量通常使用两类主要方法。物理方法（包括水位波动（WTF）和水量平衡建模（WBM）用于追踪短期含水层响应和整个流域的过程（Labrecque et al., 2020, Sibanda et al., 2009）。化学和同位素技术（如氯化物质量平衡（CMB）和稳定同位素分析（SIs）用于识别补给来源，并提供降水输入的长期视图（Fryar et al., 2021, Wood and Sanford 1995, Poulain et al., 2018）。每种方法都有其特定的优势和局限性，通常受到尺度、数据可用性或局部假设的限制（Mohan et al., 2018）。早期在达姆甘和其他伊朗盆地的研究大多只使用了单一方法（例如WTF或CMB），导致补给量估计结果不一致或不完整（Ekramipour et al., 2023, Ghafari et al., 2018, Ahmadi et al., 2012, Alem et al., 2021）。

为了解决这些问题，本研究将四种互补的技术（WTF、WBM、CMB和SIs）结合在一个框架中。WTF和WBM测量总补给量，而CMB和SIs通过区分直接降雨渗透和人为引起的回流水来识别补给来源。这种多方法策略能够更精确地了解像达姆甘这样的半干旱含水层的补给情况，其中复杂的水文地质条件和稀少的数据需要多种方法的强整合。鉴于含水层持续枯竭、水质下降以及对农业的依赖程度较高，精确的补给量评估对于有效的地下水管理至关重要。因此，本研究旨在：（1）更准确地量化总地下水补给量；（2）确定并分配补给来源及其贡献；（3）制定适合半干旱盆地需求的管理策略。

研究区域

达姆甘平原位于伊朗北部塞姆南省的中部，面积约为1522平方公里，包含一个主要的非限制性含水层，该含水层位于冲积沉积物中（图1）。这个含水层为该地区提供了大部分的水资源，特别是为拥有约94,000名居民的达姆甘市供水。补给主要来自北部石灰岩高地，这些高地海拔高达2500米，将地下水从西北方向引导至东南部的沙漠边缘（Ashuri et al., 2023）。

方法

本研究使用了四种互补的方法来估算达姆甘含水层的补给量。两种基于物理的方法——水位波动（WTF）和水量平衡建模（WBM）——用于量化总补给量（Jie et al., 2011）。另外两种方法——氯化物质量平衡（CMB）和稳定同位素分析（SIs）——是化学和同位素技术，用于识别补给来源，特别是直接降水渗透与回流水之间的差异。

使用WTF方法进行补给量估算

达姆甘含水层的补给量是通过水位波动（WTF）方法估算的，该方法使用了38个活跃水压计提供的水位记录数据。对于每个水压计，通过水文图分析确定了季节性水位上升（ΔH），如图3所示。在本研究中，ΔH取的是五年期间多次季节性上升的平均值，而不是单次事件的结果，以考虑时间变化因素。

结论

本研究应用了四种独立的方法——水位波动（WTF）、水量平衡建模（WBM）、氯化物质量平衡（CMB）和稳定同位素（SIs）分析——来估算半干旱达姆甘含水层的补给量。结果显示补给量估计值范围较广，从每年250万到4064万立方米（MCM/year），这反映了每种方法的不同概念框架和假设。

WTF方法得出的估计值最高（约4064万立方米/年）。

伦理批准和参与同意

不适用

出版同意

不适用

数据和材料的可用性

不适用

临床试验编号

不适用

CRediT作者贡献声明

Peyman Sudegi： 项目管理、方法论、数据分析、数据整理、概念构思。 Houshang Khairy： 文章撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源获取、资金筹集

利益冲突

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益

资助

本研究基于伊朗国家科学基金会（INSF）资助的项目（项目编号4029549）开展。作者Houshang Khairy获得了伊朗国家科学基金会的研究支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢伊朗国家科学基金会（INSF）为这项研究提供的财政支持。本研究是在项目编号4029549下进行的。