一項新的衛星研究顯示，常被稱為「亞洲水塔」的高山亞洲（High Mountain Asia, HMA）地區地下水儲量正以驚人的速度萎縮。該地區的水源支持著十幾個下游國家的農業、城市和生態系統，對數億人來說是關鍵資源。研究人員估計，地下水儲量每年約減少242億噸。

這項研究由中國科學院空天信息研究院的王樹東教授領導。研究團隊試圖克服該地區地下水研究面臨的兩大障礙：實地數據有限以及地勢極其複雜的山區地形。研究結果最近發表在《環境研究快報》（Environmental Research Letters）上。

人工智慧與衛星揭示二十年的變化

為了更清晰地描繪地下發生的情況，研究人員創建了一個由人工智慧（AI）驅動的評估模型，該模型結合了多個衛星觀測、地球系統模型和可解釋人工智慧。

利用這種方法，他們重建了高山亞洲地區約20年的地下水儲量（GWS）變化。該系統還有助於識別驅動這些變化的主要因素，並讓研究人員能夠探討在未來情境下地下水風險可能如何發展。

結果顯示，在2003年至2020年間，高山亞洲地區約有三分之二的區域經歷了地下水儲量的下降。損失最嚴重的地區位於人口稠密的下游盆地，這些地區的灌溉需求很高，包括恆河-布拉馬普特河、印度河和阿姆河盆地。然而，一些較高海拔的內陸地區則出現了局部地下水儲量的增加。

氣候與人類用水驅動地下水下降

氣候相關因素解釋了近一半的地下水儲量變化，其中與冰凍圈相關的變化扮演了尤其重要的角色。

同時，人類對地下水的抽取已成為日益顯著的消耗來源，特別是在嚴重依賴灌溉的下游農業地區。人類用水的影響在2010年後變得更加明顯。

研究人員還預測，如果目前的用水模式持續下去，地下水損失將繼續存在。在某些地區，冰川融水增加可能會在2060年代左右暫時減緩地下水下降的速度。但這種「緩衝效應」無法無限期持續，預計之後將出現更快的損失。

如果目前的用水模式不改變，地下水枯竭可能會進一步加速，增加下游依賴這些儲量的農業地區面臨的威脅。

追蹤山區地下水的新方法

在分析中，研究人員採用了一個以現有科學知識為指導的框架，同時也利用了大量的觀測數據。過去20年來，來自多個衛星傳感器的資訊被用來估計地下水儲量的變化。

該框架整合了一個輕量級的Transformer架構，旨在考慮山區集水區的水文記憶和延遲效應。研究人員還使用可解釋的機器學習方法來確定與系統識別的地下水變化相關的物理因素。

為了測試結果的可靠性，研究團隊將其發現與來自地下水井的數千次測量以及獨立數據集進行了比較。這些比較為研究結論提供了額外的支持。

透過結合遙感觀測、既有的水文知識和可解釋的人工智慧方法，該框架有助於解決高山亞洲地區長期以來在研究中面臨的困難，包括崎嶇的地形和關於人類用水的不完整資訊。

該研究由中國國家重點研發計畫和中國國家自然科學基金會（NSFC）重點項目資助。