工业地下水连续监测与可持续管理：日本某河岸冲积平原三十年水文分析

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Continuous monitoring and sustainable management of industrial groundwater: A three-decade hydrological analysis in a riverbank alluvial plain, Japan

　　

研究人员对日本庄川（Sho River）沿岸富山平原（Tonami Plain）含水层系统进行了长达33年（1991–2023）的系统水文地质评估，旨在量化工业地下水开采（约占区域总用水量的50%）对含水层动态及地表水-地下水相互作用的影响，识别抽水驱动下的流径变化、补给过程及水化学稳定性改变，并为该区域提出可持续地下水管理指导。研究获得的新水文认识包括：降水对地下水补给的贡献率为34.5%（0.76 m/yr），其中直接入渗补给占8.5%，山区侧向径流补给占26%；工业抽水导致深部含水层最大降深达5 m，对下游地下水和河流径流产生负面影响，并诱发水力梯度反转，触发浅部至深部的层间越流；该越流减少了浅部含水层补给，可能驱动硝酸盐向深部含水层迁移，而主导的Ca-HCO₃（钙-重碳酸盐水化学类型）水化学类型保持稳定；工业Group IV区的抽水已接近可持续补给极限，Group III区含水层在针对性管理下具有恢复潜力。研究提出了精细化的水管理方案及上下游一体化管理框架，对全球气候与人为压力下的河岸冲积平原地下水管理具有可重复借鉴价值。

**研究背景与问题提出**

地下水是全球分布最广泛的液态淡水资源，在全球水循环中扮演活跃角色，为数十亿人提供饮用水源，支撑超过40%的全球灌溉需求，并满足约一半的工业用水需求。地下水水位（Groundwater Level, GWL）是量化地下水变化的重要参数，其连续时间序列记录对于理解含水层动态和地下水可持续开发至关重要。然而，地下水水位受气候变化、水文条件和人类活动共同影响。降水是全球地下水的主要补给来源，气候变暖与地表水-地下水相互作用共同驱动着地下水水位波动。与此同时，以农业灌溉、工业生产和 Domestic 使用为目的的地下水开采（Groundwater Exploitation, GWE）已剧烈改变自然地下水动态，而抽水减少则已被证实可引发被开采含水层中可测量的水位回升。

沿岸冲积平原作为人口密集区域，地表水与地下水联系紧密，对气候变化响应迅速。日本富山平原西部的利根平原（Tonami Plain）是典型的河岸冲积平原，由庄川和 Oyabe 河冲积形成，长约35 km，宽10–15 km，自富山湾向陆地方向呈西南展布。该区域地下水主要用于工业生产、农业灌溉和建筑施工等，其中工业生产用水约占地下水开采总量的50%。尽管已有研究关注了该区域水文地质条件，但长期工业抽水对多含水层系统水动力及水化学稳定性的综合影响仍缺乏定量认识，尤其在气候变化背景下，如何平衡工业用水需求与含水层可持续性成为紧迫问题。

**研究目标与方法概述**

基于上述背景，研究人员利用1991–2023年长达33年的多源数据集，设定四项研究目标：（1）刻画利根平原降水、河流水位和地下水水位的时空变化特征；（2）量化降水、庄川（地表水）与河岸含水层系统之间的水动力相互作用；（3）评估工业地下水开采对含水层补给/排泄过程、流径和水化学稳定性的影响；（4）为研究区及全球类似河岸冲积平原提出可量化的可持续地下水管理策略。为实现这些目标，研究人员采用了传统水文方法与机器学习相结合的技术体系，包括描述性统计与趋势分析、Mantel检验与Pearson相关分析、水位波动法（Water Table Fluctuation, WTF）、随机森林（Random Forest, RF）结合SHAP（SHapley Additive exPlanations）分析，以及水化学趋势分析等方法，并进行了补给极限计算与含水层敏感性分析。样本数据来源于日本气象厅网站的气候数据集、国土交通省水信息系统的河流日流量数据（2002–2023），以及利根市厅提供的地下水水位监测数据与地下水开采记录。

**主要研究结果**

**3.1 降水、河流水与地下水水位变化**

1991–2023年间年降水量为2206 mm，呈轻微下降趋势（y = ?3.92x + 2335.7, R²=0.025），但统计上不显著。河流水位在2.7–3.5 m范围内波动，均值为3.1 m，2007年后呈稳定轻微上升趋势。Group III区地下水水位在1995年 industrial 抽水后呈现约1.5 m的下降，2011年后有所恢复；Well FH37因冬季融雪取水，水位从1993年3月的?6.3 m降至2023年3月的?11.5 m，最大降深达?23.8 m。Group IV区自1999年抽水后水位持续下降，Wells NH和SS从1995年6月至2023年6月各下降0.8 m；Wells PW1和PW2（含水层III和IV）分别从?9.5 m和?8.2 m降至?13.1 m和?10.4 m。

**3.2 降水、河流与地下水的相互作用**

Mantel检验结果显示，降水与各监测井地下水水位存在一定相关性，但统计上不显著，主要受2–73天滞后效应影响。地下水开采（GWE）对Wells SS、No.3、FH34、No.1和MW有显著影响（p < 0.01），对Wells NH、No.4和No.2有显著影响（p < 0.05）。含水层I（Wells SS、NH）对GWE的敏感性高于河流水位；含水层II对GWE和河流波动均敏感；含水层III和IV的井对GWE响应更强。河流水位主要影响河岸附近及庄川西侧的井。

**3.3 下游井与河流的驱动因素贡献**

RF-SHAP分析表明，Well No.1的地下水水位作为深部含水层水动力条件的关键指标，其波动对河流径流和下游地下水水位始终产生正向影响，具有最大的Shapley值。GWE对Wells No.3、No.4和河流径流主要产生负向贡献，但对Well NH呈正向效应。整合SHAP分析与区域水文地质数据，揭示出从东向西的侧向地下水流动为主导模式；Well NH对地下水开采相对不敏感，提示存在局部独立的水文地质单元。西岸河岸井（Wells No.3和No.4）对抽水显著敏感，尤其受Well FH34及Group III和IV工业用水的影响。年降水约2206 mm的有利水文地质条件促进了大量入渗和侧向补给，但深部地下水开采已显著改变自然地下水流动路径和空间分布格局。

**3.4 对地下水水化学组成的影响**

尽管工业抽水改变了自然地下水补排动态，但钙和重碳酸根始终为河流水和地下水中的主导阳离子和阴离子，1992–2016年间保持稳定的Ca-HCO₃水型。Group III和IV及庄川的水化学类型在研究期间保持稳定。主要离子浓度比较显示，Well No.5（含水层I）钙浓度变异性大，与河水及其他地下水样品显著不同；Well MW（含水层III、IV）镁和钠浓度最高，与河水及其他地下水有显著差异。氯化物浓度在Wells No.4、No.3、No.2、PW1和MW中升高，与庄川及Well No.5有显著差异。硝酸盐浓度总体较低，但Wells No.5和PW1相对较高。硫酸盐浓度在Wells No.5和PW1中呈高变异性。

**讨论部分总结**

**4.1 降水与侧向径流对地下水补给的影响**

降水是庄川冲积平原地下水的主要补给来源，直接入渗补给量为186 mm，约占年降水量的8.5%；来自东部山区的侧向补给在抽水前达573 mm，约占降水量的26%。两者合计，降水对地下水补给的贡献约为34.5%（0.76 m/yr）。2012年强抽水期（7500 m³/day）伴随降水减少464 mm，浅部含水层井水位显著下降，河流水位同期降低0.2 m，显示河流径流与地下水补给对降水的高度依赖。研究表明气候变化导致地下水补给高程从720–870 m（2001–2003）上移至840–1140 m（2018），未来降水或增至3000 mm/年，而年降雪量可能降至1000 mm以下，将改变地下水补给的时序和空间格局。

**4.2 抽水驱动的水动力与水化学变化**

工业抽水显著改变了含水层系统的水动力和水化学特征，且两者紧密耦合。水动力方面，抽水导致深部含水层局部降深达5 m（FH37），逆转了浅部与深部含水层之间的自然水力梯度，诱发垂向层间越流，速率为含水层I向II/III的210 mm/年和含水层II向III/IV的153 mm/年。这种越流减少了浅部含水层补给，而该补给对河流-含水层相互作用和地表水补给至关重要。水化学方面，尽管Ca-HCO₃（钙-重碳酸盐水化学类型）保持稳定，但层间越流已驱动可测量的水化学变化，特别是深部含水层硝酸盐（NO₃^?）浓度变异性增加。研究提出NO₃^?可作为表征层间越流程度和强度的新型示踪剂。深部含水层硝酸盐升高构成水质风险，因深部含水层是工业和Domestic用水的主要水源。这些水化学变化虽为暂态，但表明通过针对性抽水管理可有效管控水质风险。

**4.3 可持续地下水开采建议**

可持续地下水开发要求开采量与自然补给量平衡，最大可持续产量等于总地下水补给量。Group III区地下水水位有所恢复，而Group IV区持续下降，这与Group III（庄川左岸）较Group IV（右岸）具有更高补给潜力的空间差异相关，凸显了基于不同含水层区补给潜力差异实施针对性管理策略的必要性。SHAP分析揭示西部区域抽水对河流径流和井产水量施加显著水力胁迫。高强度抽水，尤其Well FH34及Group III和IV的工业用水，干扰自然地下水补给和流动动态，减少向庄川及下游监测井的侧向地下水入流，不仅影响本地含水系统的水量水质，还减少下游河流径流，可能加剧庄川下游沿海盐水入侵区的水化学风险。

研究建议基于定量补给估算（34.5%的总补给来自降水，相当于0.76 m/yr）和含水层敏感性分析，实施可量化的抽水强度阈值、人工含水层补给（Managed Aquifer Recharge, MAR）技术以及长期高精度多指标监测。当地政府的长期高精度监测已确认研究区具有足够地下水潜力支撑合理工业用水需求，因此重点在于用水精细化管理而非简单削减总开采量。该精细化管理方案确保地下水资源的合理开发利用，同时避免过度抽水的负面影响，如下游水量不足和沿海盐水入侵区水质退化。

**4.4 局限性与未来工作**

研究依赖历史和近期观测数据集，可能无法完全代表长期水文变异性或解释日益频繁的极端气候事件。山区监测点有限导致侧向径流定量存在不确定性。未来应优先监测极端降水事件，应用集成气候预测和多种开采情景的先进数值模型以提高预测精度，并建立涵盖降水、地表水和地下水定量与定性参数的综合长期监测网络。

**研究结论翻译**

本研究对利根平原庄川冲积含水层系统进行了33年系统水文地质评估。降水作为主要区域地下水补给来源，贡献率为34.5%（0.76 m/yr），其中直接入渗和山区侧向径流分别占年降水量的8.5%和26%。工业地下水开采（≈区域总用水量的50%）显著干扰自然水动力 regime，导致深部承压含水层局部降深达5 m，并诱发水力梯度反转，触发浅部至深部的垂向层间越流。该抽水诱导越流驱动硝酸盐向深部含水层迁移，而含水层系统主导的Ca-HCO₃（钙-重碳酸盐水化学类型）水化学类型保持稳定。工业Group IV区的抽水已接近可持续补给极限，Group III区含水层在针对性管理下显示恢复潜力，对此提出了满足工业生产需求和下游水安全的精细化管理方案。

研究中，山区监测井有限导致侧向径流定量存在不确定性；水质风险评估仅聚焦于硝酸盐和主要离子。未来研究将扩展监测网络，集成极端气候情景，并进行全面的多污染物分析，以全面评估越流诱导的水质风险。

超越利根平原，长期监测、传统水文地质诊断与机器学习相结合的集成框架，为量化人为-气候联合作用对含水层的影响提供了可重复的范式。提出的特定场地、可量化管理阈值架起了学术研究与实际政策之间的桥梁，为全球河岸冲积平原平衡工业发展与地下水保护提供了可操作指导，并为气候与人为开采双重压力下的区域可持续地下水开发提供了科学见解。