應(yīng)用案例

（Picarro L2130-i）長(zhǎng)期干旱對(duì)不同土地利用方式下景觀蓄水與恢復(fù)的影響

發(fā)表時(shí)間：2024-10-12

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摘要

歐洲最近發(fā)生的極端干旱凸顯了迫切需要量化其對(duì)景觀生態(tài)水文通量（蒸散量、地下水補(bǔ)給）和水儲(chǔ)存（主要是土壤濕度）的影響。為此，結(jié)合基于EcH₂O-iso和(NARX模型來(lái)估計(jì)長(zhǎng)期干旱對(duì)水通量和儲(chǔ)存的持久影響，并預(yù)測(cè)未來(lái)短期地下水位和各種降水條件下的恢復(fù)潛力場(chǎng)景。這項(xiàng)工作是在德姆尼茨米爾溪(DMC)進(jìn)行的，這是德國(guó)北部一個(gè)70平方公里的混合土地利用（耕作作物和林業(yè)）集水區(qū)。模擬表明，2018年和2022年的極端干旱年份影響最為顯著，導(dǎo)致地下水補(bǔ)給量(>40%)、蒸散量(高達(dá)16%)和土壤濕度(高達(dá)6%)大幅下降。模擬表明，如果最近的降水異常持續(xù)存在，地下水位可能在未來(lái)15年內(nèi)不會(huì)恢復(fù)。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)迫切需要增強(qiáng)抵御能力并促進(jìn)土地和水資源管理綜合戰(zhàn)略，以優(yōu)化景觀保水并更好地應(yīng)對(duì)干旱。

研究目的

量化長(zhǎng)期干旱對(duì)景觀水文通量（如蒸散發(fā)、地下水補(bǔ)給）和水儲(chǔ)存（主要是土壤濕度）的持久影響，并預(yù)測(cè)未來(lái)短期地下水位和恢復(fù)潛力。研究旨在評(píng)估不同降水情景下干旱對(duì)水資源恢復(fù)的影響，并提出增強(qiáng)抗旱能力和綜合管理土地與水資源的策略，以優(yōu)化景觀中的水分保持并更好地應(yīng)對(duì)干旱。

研究方法

采用基于EcH₂O-iso和NARX模型相結(jié)合的方法來(lái)估計(jì)長(zhǎng)期干旱對(duì)水通量和儲(chǔ)存的持續(xù)影響，并預(yù)測(cè)未來(lái)地下水位。研究使用了位于德國(guó)北部一個(gè)70平方公里的混合土地利用（農(nóng)作物和林業(yè)）流域作為研究區(qū)域。研究中還包括了對(duì)環(huán)境同位素示蹤劑的分析，以幫助更好地理解干旱條件下的生態(tài)水文通量、水分分配和景觀水儲(chǔ)存動(dòng)態(tài)。

如下圖所示，不同土地利用類型和觀測(cè)點(diǎn)的同位素模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較，支持模型的準(zhǔn)確性和研究結(jié)論的有效性。

溪水同位素（δ²H和δ¹⁸O）在三個(gè)不同地點(diǎn)（Demnitz Mill、Bruch Mill 和 Peat North）的模擬與觀測(cè)值的對(duì)比。

地下水同位素在GW4觀測(cè)點(diǎn)的模擬與觀測(cè)值的對(duì)比。

土壤水同位素在森林地點(diǎn)的第1層（頂部15厘米）和第2層（頂部15-35厘米）的模擬與觀測(cè)值的對(duì)比。

通過(guò)這些數(shù)據(jù)，研究者能夠確保模型在模擬干旱條件下的水分動(dòng)態(tài)時(shí)具有可靠性和有效性。

結(jié)論

研究結(jié)果表明，最近的干旱對(duì)德國(guó)北部低地集水區(qū)的生態(tài)水文學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的負(fù)面影響。集水區(qū)規(guī)模的地下水補(bǔ)給、土壤濕度和蒸發(fā)量都大幅減少，特別是在2018年和2022年的主要干旱年份。當(dāng)時(shí)我們觀察到，在持續(xù)缺水的情況下，整個(gè)集水區(qū)的水通量表現(xiàn)出最小的空間變化（跨不同的土地用途）。然而，我們?nèi)匀挥^察到，農(nóng)田和針葉林的不同土地利用方式在干旱的生態(tài)水文途徑上存在明顯的脆弱性，這主要是由于它們的地下儲(chǔ)存能力不同。假設(shè)最近的負(fù)降水異常持續(xù)存在，我們對(duì)地下水恢復(fù)的預(yù)測(cè)是悲觀的，一口井不太可能恢復(fù)，另外三口井可能平均需要6年才能恢復(fù)到干旱前的水位。

Picarro的使用

Picarro L2130-i

Picarro L2130-i水同位素分析儀被用于分析水樣的穩(wěn)定同位素組成。

- 從2018年開(kāi)始，每月在不同的主要土地利用-土壤單元收集的土壤樣本被分析其穩(wěn)定水同位素，使用直接平衡法。

- 降水水樣通過(guò)自動(dòng)采樣器在Hasenfelde采集，為防止蒸發(fā)，在采樣瓶中加入石蠟油。

- 每周/每天收集一次溪水同位素的抓取樣本。

- 每月手動(dòng)使用潛水泵收集地下水樣本。

- 所有液體樣本在實(shí)驗(yàn)室使用Picarro L2130-i分析儀分析δ²H和δ¹⁸O。

數(shù)據(jù)被用來(lái)分析和驗(yàn)證模型模擬的準(zhǔn)確性，尤其是在評(píng)估地下水和土壤水的同位素組成方面。這些數(shù)據(jù)幫助研究者更好地理解了干旱條件下水分循環(huán)和儲(chǔ)存的動(dòng)態(tài)變化，為模型提供了重要的校準(zhǔn)和驗(yàn)證信息。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.131339

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