Nature Sustainability｜气候变化下含水层可持续性缓解策略的有效性

文章导读

地下水系统对于保障食物和饮用水供应以及维护生态系统的健康至关重要。然而，由于全球众多含水层的过度枯竭，许多这些重要资源的可持续性面临风险，这主要是由于开采率超过其自然补给率造成的。这引发了人们对消费用水的可持续性和依赖地下水的生态系统稳定性的担忧。有鉴于此，迫切需要有效的缓解策略来保护含水层及其赖以生存的依赖地下水的生态系统。由于被认为的高成本和争议，这些策略的实施在实践中经常面临挑战。因此，必须将评估其有效性的方法整合到规划和执行过程中。尽管迫切需要这些缓解措施，但目前保护依赖地下水的物种的措施往往不足或不存在。我们对全球 710 个含水层的调查显示，缺乏关于这些缓解策略在确保可持续环境流动和保护依赖地下水的栖息地方面的有效性的科学证据。

在本文中，我们对喀斯特爱德华兹含水层系统中缓解措施的有效性进行了创新的、数据驱动的评估。在美国德克萨斯州中南部的含水层，这是该地区 200 多万人的主要水源，并支持独特的生态栖息地，包括其他地方没有的特有物种。这些物种越来越脆弱，其中 8 个物种已被归类为受威胁或濒危物种，主要是由于人类活动和自然因素（例如气候变异）可能导致泉水流量下降。我们的研究采用反“假设”分析，评估所实施的缓解措施是否能有效保护含水层和依赖地下水的栖息地。这包括评估它们在降低水文干旱严重程度和维持更高的泉水流量方面的有效性，同时确保地下水的可持续性，以满足人类和农业的需求。反事实分析还阐明了在没有此类缓解措施的情况下对地下水位和泉水流量的潜在影响，为未来规划提供了重要见解，并加强了继续实施缓解策略的基本原理。

由于几个关键因素，爱德华兹含水层地区非常适合进行这项分析：（1） 存在联邦列为受威胁和濒危的依赖地下水的特有水生物种，（2） 区域水文气候数据表明在不断变化的气候条件下呈变暖趋势，（3） 实施全面的栖息地保护计划，其中包括 2002 年启动的关键期管理计划等强制性战略和 2010 年启动的财政补偿驱动的灌溉暂停计划等自愿性战略，（4） 从 1946 年至今获得广泛、详细的水文气候数据，包括强烈气象和地下水干旱时期，这对于训练准确的 AI 模型至关重要，（5） 协同的学术-工业伙伴关系，加强数据、知识、见解和指导的有效交流，这对于此类综合研究的成功至关重要。这些因素有助于对缓解措施的影响进行全面而细致的理解，为可持续地下水管理和栖息地保护领域做出宝贵贡献。值得注意的是，我们的方法主要评估缓解措施对泉水流量和地下水位的影响，使用这些水文功能作为生态系统健康的代理。我们认为保持足够的泉水流量和地下水位对于维持水生栖息地至关重要。

文章摘要

地下水系统在确保粮食和水安全同时维持重要的生态系统功能方面发挥着关键作用。然而，全球众多含水层的枯竭引发了人们对地下水抽取和环境流动可持续性的担忧。尽管努力缓解这种下降，但在证明这些措施的有效性方面仍然存在明显的差距。我们的研究重点是德克萨斯州的喀斯特 Edwards 含水层系统，以评估当前的缓解策略如何有效地保护地下水位和泉水流量，这对生物多样性和水安全至关重要。使用反事实人工智能，我们解决了关键问题：如果没有缓解措施，会发生什么以及可能会发生什么？这种方法提供了对中高排放气候情景下的历史影响和未来预测的深刻见解。通过模拟如果没有这些缓解措施可能已经发生和未来可能发生的事情，我们的方法对地下水管理策略的实际好处进行了有力的分析，突出了它们在增强气候适应力和确保含水层可持续性方面的作用。

文章内容

缓解策略的当前和过去有效性

在这项研究中，我们使用了基于树的提升集成 AI 模型，根据 1946 年至 2005 年（实施缓解措施之前的时期）的每周重采样数据进行训练和验证。然后，该模型用于预测 2006 年至 2022 年（缓解后时期）的地下水位和泉水流量。该模型使用缓解前（2006 年之前）的数据进行训练，当时尚未强制实施缓解策略，可生成 2006-2022 年的预测（即反事实），这些预测代表了在没有监管影响的不断发展的气候下的变化。相比之下，2006 年至 2022 年的观测数据（即事实数据）既反映了自然变化，也反映了所实施的缓解措施的效果。图1与同一时间范围内的实际观察数据进行了比较，以说明缓解策略的不同效果。

图1.气候变化下减缓措施对地下水位和泉流量影响的时间序列反事实分析

我们的分析揭示了显着的发现。在实施缓解措施之前（2006 年之前），预测和观测的泉水流量与地下水位之间的差异相对较小。然而，在 2006 年之后，当实施缓解措施时，出现了显著差异 。值得注意的是，在 2013-2015 年期间，反事实预测偶尔不会产生低于实际观测数据的值。虽然噪音和各种不确定性（例如，与其他地方水务机构的缓解措施相关的因素）等影响因素可能影响了这些异常，但主要原因似乎是 2011-2015 年干旱期的独特严重性，并促使进一步检查。在此时间范围内，Edwards 含水层的 Uvalde 水池。经历了极端干旱情况，创下 2 年多来的最低水平。尤瓦尔德水池水位的下降极大地影响了含水层内东西向的水转移，特别是导致流入圣安东尼奥水池的水减少。然而，本研究中采用的模型并未使用捕捉这些特殊情况的数据进行训练。因此，在干旱期间，尤瓦尔德水池的巨大变化可能会影响模型的预测及其与观测数据的一致性。在这个特定实例中，由于 Uvalde 池的“补给”减少，模型的预测更加准确，这种情况在模拟期间的其余时间并不常见。这一观察结果表明，所注意到的差异主要是由于训练数据集中的差距，特别是缺乏关于 2011-2015 年干旱期间经历的独特水文条件的详细数据。因此，为了说明大局，图2对 2006 年实施缓解措施后观测的（事实）和预测的（反事实）最小泉水流量和地下水位进行了比较可视化。图 2 提供了明确的反事实解释：如果没有缓解措施，2006 年至 2022 年的泉水流量和地下水位可能会大大降低，这凸显了这些措施对维持含水层的关键影响。泉水流量低可能对该地区受威胁和濒危物种构成严重威胁，因此需要更严格地强制减少地下水抽取供人类使用和农业用途。

图2.减缓措施对地下水位和泉流量的反事实和实际影响的箱线图比较( 2006 - 2023年）

未来气候背景下的减缓效果

在干旱时期，观察到的缓解策略在将地下水位和泉水流量维持在足够高的水平方面的有效性——对于保护受威胁和濒危物种的水生栖息地至关重要——自然会引发对其在气候变化背景下的未来有效性的质疑。为了解决这个问题，我们的研究利用定制的 CMIP5 和 CMIP6 气候预测，涵盖中间（RCP 4.5 和 SSP 2-4.5）和高排放（RCP 8.5 和 SSP 5-8.5）情景。这些从 2023 年到 2100 年的预测为评估未来气候情景下地下水位和泉水流量的潜在变化提供了基础，无论是否实施当前的缓解策略。通过整合这些气候模型，我们的目标是预测和增强我们对含水层及其栖息地在各种气候压力下弹性的理解。这种方法使我们能够在面对气候挑战时评估这些重要生态系统的当前和长期可持续性。纳入各种气候情景可确保进行全面分析，从而深入了解当前的缓解措施如何有效地适应和减轻气候变化对依赖地下水的生态系统的影响。

图3显示了使用 HadGEM2-CC 和 EC-Earth3 GCM 的年代际弹簧流预测。十年预测对于分析特别有用，因为与较短的时间尺度相比，它们的变化性较小，在此图中，它们使用箱线图表示。这些图说明了每个十年每周最小春季流量的频率，比较了有缓解和没有缓解的情景。在 RCP 4.5 情景下，整个 21 世纪的春季流量存在显着变化。

图3.有减缓和无减缓两种情况下Comal Springs流的年代际预测

该情景预测，在八十年的大部分时间里，水流将完全停止，表明情况极度干燥。值得注意的是，中位弹簧流量的下降趋势导致越来越严重的低流量条件。然而，在严重干旱条件下，缓解措施可以减少泉水完全停止的机会，但过去十年除外，当时缓解措施只能使流量改善 0.2m³s⁻¹。

图 4 显示了使用 GCM 对 J17 井地下水位的年代际预测，类似于泉水流预测。在没有缓解措施的 RCP 4.5 情景下，地下水位在最初的三十年中表现出显着下降。然而，缓解措施被证明可以将地下水位保持在 1-2.8 m，从而促进 2043-2052 年十年间从压力中恢复。第一四分位和中位数的地下水位在有缓解的情况下始终高于没有缓解的地下水位。在缓解和非缓解情景中，地下水位的下降在本世纪中叶之前比之后更为严重，但通过缓解措施可以大大减轻其严重性。鉴于历史地下水位尚未降至 186.5 m 以下，未来的预测将其用作评估的基线。RCP 8.5 情景在强度和持续时间上都比相应的 RCP 4.5 更严重。预计 2063 年至 2072 年期间将达到最低的地下水位，而长期干旱条件无法恢复则加剧了这一情况。预计缓解措施将促进地下水位从压力中恢复，在这个关键的十年中将中位保持在 4 m。没有缓解措施的最低地下水位低于历史记录的最低水平，这种情况可以通过缓解措施来避免。

图4.对J17指标井有减缓和无减缓两种情况下的地下水位进行了年代际预测

讨论

本研究证明了缓解措施在有效维持和提高含水层地下水位和泉水流量方面的关键作用，尤其是在干旱期间。对缓解后数据的分析表明，与实际观测相比，反事实预测代表了没有缓解措施的假设“假设”情景，始终低估了地下水位和泉水流量。这种差异凸显了缓解策略在保护地下水资源、维持泉水流量以及减轻对受威胁和濒危物种栖息地的压力方面的成功。此外，这些措施对于确保消耗性地下水利用的可持续性至关重要，如果地下水位和泉水流量低于爱德华兹含水层栖息地保护计划中确定的临界水平，则可能需要更大规模的抽水削减。

使用 CMIP5 和 CMIP6 未来预测的模型结果进一步证实了这些缓解措施的有效性。在中排放和高排放情景下，这些策略在缓解触发关键阶段 4 和 5 的长期水文干旱方面发挥着关键作用。如果没有这些缓解措施，地下水位和春季流量可能会经常低于该地区 1950 年代干旱期间记录的历史最低值。现有措施有助于减轻极端水文干旱条件的强度和持续时间，从而维持可持续的地下水水位，以满足生态和消费需求。

我们研究的主要结论强调了以下必要性：（1） 实施和执行有针对性的缓解策略，以确保地下水资源的长期可持续性，同时满足环境流量和消耗性用水需求;（2） 持续收集数据和严格分析，以评估这些缓解策略的影响并确定需要改进的领域;（3） 促进学术界与产业界的伙伴关系，如本研究所示，以进行创新和实用的研究。

随着世界面临来自气候变化和其他环境挑战的日益严峻的威胁，采取有效的缓解措施对于保护地下水资源和依赖它们的生态系统变得势在必行。根据这项研究和其他研究的经验，有效的缓解策略可以指导全球政策和管理决策，帮助制定具有气候韧性的地下水运营计划此类计划应考虑生态和水文要求，同时解决社会、经济和政治因素。

原文信息

原文题目：

Efficacy of mitigation strategies for aquifer sustainability under climate change

原文作者：

Sharma et al.

期刊名：

Nature  sustainability

发表时间：

2024.12

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41893-024-01477-6