基于GIS和土壤平衡法识别Chinchiná流域含水层补给区及其对热带安第斯地区水资源可持续管理的意义

本研究针对Chinchiná河流域地下水补给区识别与保护需求，基于Schosinsky土壤平衡法，集成降水、植被、坡度、土壤质地及蒸散等多源数据，利用GIS空间分析技术，构建了流域含水层潜在补给模型。结果表明，流域内存在三个主要补给区（年补给量100–400 mm），植被覆盖与土壤渗透性是关键影响因素。研究为类似热带安第斯盆地数据稀缺区的含水层管理提供了可复制框架，对支持哥伦比亚国家水政策及联合国可持续发展目标6（SDG 6）具重要实践意义。

　　

在水资源日益紧张的今天，地下水作为重要的淡水来源，其可持续管理已成为全球性挑战。尤其是在热带安第斯地区，气候变化和土地利用变化正严重影响着水文循环的动态，进而威胁到地下水的补给与可利用性。哥伦比亚的Chinchiná河流域作为卡尔达斯省五个城市的重要水源地，面临着水质恶化、资源调控不足、土地利用变更、地质灾害以及需求增长等多重压力。因此，准确识别该流域的含水层补给区，评估其现状，并制定相应的保护策略，显得尤为迫切。

在此背景下，一项发表在《Water Cycle》上的研究应运而生。由Diego A. Martínez Carrillo等人领导的研究团队，利用二次信息和GIS空间分析技术，基于Schosinsky提出的土壤平衡法，对Chinchiná河流域的含水层潜在补给区进行了测绘与评估。该研究不仅旨在深化对该流域水文动态的理解，更希望为区域土地利用规划和可持续水资源管理提供科学基础。

为开展此项研究，团队整合了多源数据，包括来自IDEAM的1991-2020年月降水与温度数据、CORPOCALDAS提供的1:25,000比例尺的土壤与植被覆盖数据，以及ASF Alaska的12.5米分辨率数字高程模型（用于提取坡度与排水网络）。核心技术方法包括：1）利用反距离权重法（IDW）对气象数据进行空间插值；2）基于Schosinsky土壤平衡法，计算关键变量如月降水量（P）、植被截留量（Ret）、土壤渗透系数（Ic，由土壤Ks、植被Kv和坡度Kp系数相加得到）、以及实际月蒸散量（ETmr，采用Thornthwaite模型和Budyko比率计算）；3）最终通过水量平衡公式（Rp = Ri - ETmr）计算潜在含水层补给量（Rp），并在ArcGIS Pro中进行空间制图与可视化分析。

研究结果揭示了流域内水文特性的空间分异规律。

在降水方面，研究发现流域呈现双峰降雨 regime，两个高强度峰值期出现在3-5月和9-11月。年累积降水量在1487至2336 mm/年之间，高值区分布于流域北部和西南边缘，而东部和中部地区降水量较低。这表明Rioclaro和Guacaica河子流域可能具有更高的饱和度和更好的入渗能力。

在潜在补给模型的关键变量分析中，研究得出了多项具体结论。关于年实际蒸散量（ETa），其值在671至878 mm/年之间，呈现出从东北向西南递增的趋势，这与流域的温度梯度一致。Guacaica河子流域的ETa最低，而Rioclaro河子流域下游西侧的ETa最高。在植被截留降雨量（Ret）方面，高值区主要集中在流域中部和东北部，这些区域 likely 对应着茂密的森林覆盖，其在截留和保持降水方面扮演着关键角色。低值区则多见于南部和西南部，暗示着植被稀疏，可能与农业或城市用地有关。流域核心城市马尼萨莱斯由于其 urban 表面特性，也显示出较低的Ret值。至关重要的入渗系数（Ic）由坡度（Kp）、土壤质地（Ks）和植被（Kv）三部分系数综合计算得出。由于流域坡度陡峭，大部分地区的Kp值极低，陡坡促进了地表径流，减少了水分入渗时间。土壤质地系数Ks显示，流域西部以薄层土壤为主，对应于沉积岩和变质岩，入渗系数低；而中部和东部以火山灰等细粒物质为主的土壤则具有更高的入渗能力。植被系数Kv在整个流域内普遍较高，东部以稠密、开放和破碎化森林为主，西部则以作物和牧场为主，降低了入渗系数。综合得到的Ic值在0.11至0.8之间，最高值出现在流域东南部和东部以及考卡河河口附近。

最终，研究成功绘制了流域年潜在补给量（RECp）图，其值最高可达761 mm/年。并识别出三个重要的补给区：第一个位于流域东南部，补给Rioclaro河，补给率在200–300 mm/年，主要受植被、土壤质地和降雨影响；第二个位于流域东北部，补给Guacaica河，补给率在100–200 mm/年，受植被覆盖和土壤质地影响；第三个位于流域东部，靠近考卡河河口的平坦区域，补给率在300–400 mm/年，拥有最高的入渗能力，主要受坡度和土壤质地影响。研究还指出，河岸地区因冲积土壤、平缓坡度和廊道植被也表现出良好的补给能力，但这些补给可能较浅，主要补给主河道而非深层含水层。而城市化区域则显示出最低的补给潜力。

在讨论与结论部分，研究者将他们的发现置于更广阔的背景下进行了深入分析。研究成果与先前强调将水文评估纳入环境规划的重要性的研究相一致。三个主要补给区的识别与哥伦比亚其他热带盆地的观测模式一致，但卡尔达斯独特的地形、土地利用和气候变率组合要求定制化的解决方案。

一个关键的发现是现有保护区与补给区空间分布的不完全重叠。流域东南部的补给区位于内华多斯国家自然公园的保护区内，这突显了保护区在保护水文地质资源方面的关键作用。然而，Guacaica河子流域和考卡河附近的西部平原地带则缺乏保护措施，使其易受土地利用变化、森林砍伐和人为压力的影响。这揭示了保护工作中的一个显著空白。

土地利用和植被覆盖被证实是决定补给潜力的关键因素。茂密森林表现出更高的入渗系数，而城市化区域和农业用地则显示出较低的入渗率。在卡尔达斯，咖啡种植和畜牧业的扩张导致了广泛的森林砍伐和土壤退化，进一步损害了补给潜力。研究者建议，可持续的土地利用实践，如农林复合经营和再造林，可以提高入渗率并减缓气候变率的影响。

本研究采用的Schosinsky土壤平衡法为识别补给区提供了一个稳健的框架，但也存在局限性，例如未考虑断层和裂缝等构造特征对水流的影响，以及土壤层厚度和基岩裂隙状态等因素。与SWAT或MODFLOW等更复杂的模型相比，此方法在数据需求较少的情况下提供了更易进行的空间分析。

研究结果对区域水资源管理具有重要的政策意义。保护内华多斯国家公园以外的补给区，特别是在Guacaica河子流域和考卡河附近，应成为政策制定者的优先事项。将水文地质评估纳入土地利用规划框架，对于确保Chinchiná河流域水资源的长期可持续性至关重要。在国家层面，该研究直接支持哥伦比亚国家水资源政策（PNGIRH）和联合国可持续发展目标（SDG 6），强调了综合水资源管理的必要性。

最后，研究者展望未来，指出气候变化预计将通过升高温度、改变降雨 regime 来加剧哥伦比亚的水资源挑战，减少含水层补给并增加蒸散发。流域观测到的双峰降雨模式在未来可能变得不可靠。因此，将气候预测纳入模型、采取适应性策略（如早期预警系统、改进的储水基础设施）以及进行基于 field 的验证和同位素示踪研究，对于提高模型的预测能力和区域的 climate resilience 至关重要。这项研究为热带安第斯盆地类似地区的数据驱动型水资源管理奠定了坚实基础，展示了科学在应对复杂环境挑战中的力量。