Assessment of groundwater depletion rate by numerical modelling: a case study of Johar town Lahore, Pakistan

在南亚繁忙的城市中，一场无声的危机正在街道下方展开。地下水——这一隐藏在地下、巨大的淡水储库——被抽取的的速度超过了自然补充的速度。这并非一个无穷无尽的深井；它更像是一个银行账户，其中的取款速度已经超过了存款速度。当雨水落下时，它会渗入土壤并缓慢地流向下层，从而补充这些地下层，这一过程被称为“补给”。然而，随着城市的扩张，混凝土和沥青覆盖了地面，阻挡了雨水到达下方的含水层。与此同时，不断增长的人口和工业正以加速的速度抽取着水分。当平衡被打破，水位就会下降，迫使人们挖掘更深的井，从而增加成本，并增加剩余水质受损的风险。准确了解特定社区内这种水分消失的具体速度，对于规划一个城市不会枯竭的未来至关重要。

在巴基斯坦拉合尔的一个名为乔哈尔镇（Johar Town）的密集城市景观中，研究人员转向使用一种数字工具来测量这种隐形的衰退。由索尼娅·安瓦尔（Sonia Anwar）领导的团队使用了一套复杂的计算机程序，为该地区的地下水系统创建了一个虚拟孪生体。这款被称为 Visual MODFLOW 的软件就像一张详细的地图，模拟水如何在土壤和岩层中移动。为了构建这个模型，研究人员从当地部门收集了现实世界的数据，包括过去十年中从水井中抽取了多少水、水位深度以及降雨模式的记录。他们绘制了每个抽水站的位置以及地面的物理特性，例如水在土壤中流动的难易程度，这种特性被称为“渗透系数”。通过将这些信息输入计算机，他们可以在模拟中观察水位随时间的变化，实际上是在数字环境中运行过去六年的历史，以观察地下到底发生了什么。

这项数字调查的结果揭示了一个清晰且稳定的趋势。在 2015 年至 2021 年期间，乔哈尔镇的地下水位平均每年下降近 0.88 米。在六年的时间里，总水位下降了超过两米。这种下降不仅仅是图表上的一个数字；它代表了环境的切实变化。随着水位的退缩，提取水的成本上升，水本身也变得更容易受到地表污染的影响。研究人员发现，造成这种下降的主要驱动因素是该地区的快速城市化。随着农田和开阔地被建筑和道路取代，地面失去了吸收雨水的能力。雨水不再渗入大地去补给含水层，而是从坚硬的表面流走，导致地下储库空置。由于需要满足不断增长的人口及其工业需求，大量抽水使得这一问题更加严重。

为了确保研究结果的准确性，研究人员根据实际观测结果对模型进行了测试。他们调整了计算机模拟中的设置，特别是关于水在土壤中移动难易程度的数值，直到模拟的水位与实地水井中测得的实际测量值相匹配。他们发现，水在地下移动的速度是决定水位的最关键因素。一旦模型经过调整以匹配现实，它便证实了这种枯竭率是持续且显著的。研究还强调，虽然降雨有助于补充含水层，但该地区降雨的数量不足以抵消大量被抽走的水量。即使在降雨量大的年份，净效应仍然是地下系统的水分流失。

这些研究结果的影响超出了单个社区的范畴。该研究表明，目前拉合尔管理水资源的方式是不可持续的。研究人员建议，仅仅等待降雨已不再是一种可行的策略。相反，他们建议改变城市与其水循环互动的方式。这包括安装倒置井（inverted wells），这种结构旨在捕捉雨水并将其引导至地下深处，以及创造更多的绿地，让土壤能够呼吸并吸收水分。他们还呼吁进行更严格的监测，建议每月检查一次水位，而不是每年一次，以便及早发现问题。此外，新的住房开发项目应被要求在抽取水分的同时，必须平衡其回补水分。目标是创建一个这样的系统：城市不仅是消耗其水资源的消费者，而且积极参与到补充水资源的过程中，从而确保后代不会面临水龙头枯竭的局面。