ENSO驱动半干旱城市供水蒸发动态与水源贡献的同位素示踪研究

《Journal of Arid Environments》：Isoscapes reveal ENSO-driven variability in evaporation and source water contributions in a semi-arid urban tap water supply

　　本研究针对半干旱城市加博罗内（博茨瓦纳）供水系统，通过稳定同位素技术揭示了ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）对自来水同位素组成和水源贡献的时空调控机制。研究人员在2022-2024年开展多季节采样，结合聚类分析和MixSIAR贝叶斯混合模型，发现厄尔尼诺期导致δ18O升高和d-excess降低，反映蒸发增强；拉尼娜期则呈现相反趋势。结果表明迪克加特隆大坝是主要水源（46.2%），并识别出四种同位素特征集群的空间分布规律。该研究为全球类似气候区城市供水系统应对气候变率提供了创新性监测框架。

　　

在气候变化和快速城市化的双重压力下，全球半干旱地区城市供水系统正面临前所未有的挑战。博茨瓦纳首都加博罗内作为典型代表，其供水网络依赖多元水源组合——包括北部的迪克加特隆大坝、莱齐博戈大坝，南部的加博罗内大坝、博卡阿大坝，以及马萨马地下水井群。这种复杂的水源结构虽然增强了供水韧性，但也使得系统对气候波动异常敏感。特别是ENSO现象引发的降水格局变化，会通过改变水库蒸发强度和水源调配策略，最终影响到达用户水龙头的自来水化学特征。

为揭示这种气候-水文-工程系统的耦合机制，研究团队创新性地将同位素水文学方法应用于城市供水网络诊断。通过分析水分子中δ¹⁸O和δ²H的天然丰度变化，可以追溯水体的蒸发历史和水源贡献比例。这种"水指纹"技术无需添加人工示踪剂，就能揭示供水管网的混合动态和时空变异特征。

本研究的关键技术方法包括：系统采集加博罗内全市399个自来水点位在四个季节（2022年冬季-2024年夏季）的瞬时样本，结合周度监测数据（42个样本）和主要水源（4个水库48个样本）同位素测定；使用k-means聚类算法识别同位素特征集群；采用MixSIAR贝叶斯混合模型量化五大水源的贡献比例；整合博茨瓦纳气象局的气候数据和历史同位素数据库（降水85例、地下水126例、地表水105例）构建区域水文背景场。

研究结果从多个维度揭示了ENSO对自来水同位素的调控规律。在气候变率方面，2022年拉尼娜期年降水量达637毫米，而2023年厄尔尼诺期降至482毫米，这种干湿交替直接反映在同位素组成上——厄尔尼诺期自来水δ¹⁸O均值从拉尼娜期的-0.30‰升至+1.16‰，d-excess从+0.93‰降至-4.69‰，证实了蒸发强化效应。空间聚类分析识别出四个特征集群：集群1（δ¹⁸O最高+2.51‰，d-excess最低-12.61‰）在2023年后向东部扩张，反映强烈蒸发信号；集群3（δ¹⁸O -0.63‰，d-excess +0.86‰）主要出现在2022年北部区域，代表较少蒸发的水体；集群4（δ¹⁸O最低-2.01‰）与地下水使用相关且分布零星。这种空间格局的时序演变揭示了供水管网中不同蒸发程度水体的混合动态。

贝叶斯混合模型量化了水源贡献：迪克加特隆大坝占比最高（46.2%±18.8%），其次是加博罗内大坝（17.5%±11.9%）和博卡阿大坝（15.6%±10.4%），地下水贡献约11.1%±6.4%。值得注意的是，厄尔尼诺期部分区域出现高δ¹⁸O异常值（达+3.75‰），同时伴随d-excess低至-19‰的样本，这种"同位素双异常"信号暗示了极端蒸发条件下可能存在的非法地下水抽取行为。

讨论部分深入阐释了ENSO影响自来水同位素的级联机制：ENSO相位→大气湿度改变→降水格局调整→水库蒸发强度变化→水源同位素组成改变→供水系统混合信号。这种从全球尺度气候信号到局部自来水化学特征的传递链条，使稳定同位素成为监测城市水系统气候响应的敏感指标。研究还指出，虽然水库端元在混合模型中作为"次级源"出现（已经历蒸发修改），但其贡献格局仍能反映管理者的水源调配策略——例如干旱期增加北部远距离输水比例，或激活地下水备用源。

该研究的科学意义在于建立了"气候驱动-同位素响应-管理对策"的定量解析框架，为半干旱区城市水资源适应性管理提供了新范式。实践中，自来水同位素监测可低成本实现供水网络诊断、漏损识别和非法取水监管，特别适合数据稀缺地区的水资源管理需求。未来研究可结合智能水表数据和同位素连续监测，构建气候韧性供水系统的数字孪生平台。

论文发表于《Journal of Arid Environments》，通过将同位素水文学与城市水系统工程交叉融合，不仅深化了对ENSO影响城市水循环的科学认知，更开创了基于天然示踪技术的智慧水务管理新途径。这种"从水龙头看气候"的研究视角，为全球快速城市化地区的水平衡研究提供了可复制的方法论框架。