我國氣候變化對地下水資源影響研究的主要進展

賈瑞亮，周金龍，2，李 巧

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052;2.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

我國氣候變化對地下水資源影響研究的主要進展

賈瑞亮1，周金龍1，2，李 巧1

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052;2.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

為了推動我國關于氣候變化對地下水影響的深入研究，列舉了關于氣候變化對地下水影響的研究方法，包括包氣帶和含水層環境示蹤技術，研究地下水及其沉積物的物理化學指標，地表水－地下水耦合數值模擬技術等;綜述了我國華北地區(北京市、滹沱河流域、海河流域、灤河下游地區、黃淮海平原、臨汾盆地、鄂爾多斯盆地、黃河下游地區、大同盆地、北方巖溶泉域)、西北地區(塔里木下游地區、三工河流域、阿克蘇河綠洲、黑河流域、石羊河流域、河西走廊、巴丹吉林沙漠)和東北地區(吉林中部平原地區、三江平原)等典型區域氣候變化(氣溫、降水、蒸發)對地下水水位、補給量與排泄量(泉流量、開采量)、水化學成分、水溫、同位素組成的影響;提出了氣候變化條件下合理利用和管理地下水資源的若干對策，包括減緩溫室效應引起的全球氣候變暖對未來地下水資源產生不利影響，定量化研究氣候變化和地下水之間的相互關系，應用高新技術開展地下水資源脆弱性的研究，充分利用灌區地下含水層的調蓄作用，通過地表水與地下水的聯合利用控制水鹽平衡、涵養地下水源，節約農業、工業和生活用水等。

氣候變化;地下水;研究進展

中國地下水資源量約為7 600億m3，約占水資源總量的26.8%。地下水是我國農業灌溉和農村飲用水的主要來源［1］。近幾十年來氣候的變化對地下水水位、補給量與排泄量(泉流量、開采量)、水化學成分、水溫、同位素組成的影響越來越明顯。大量觀測證據表明，由于大氣中溫室氣體濃度的增加，我們正處于一個氣候變暖期。19世紀以來，全球平均地區溫度已升高了0.3℃ ～0.6℃。最近的研究認為2050年全球升溫的最佳估計為 1.2℃［2］。氣溫升高使蒸發量增大，相應也會增加地下水的排泄量。氣溫在引起地下水蒸發量增加的同時還能引起地下水水溫的波動，并導致化學成分、礦化度的變化和水的物理性質變化［3］。目前，氣候變化對地下水的影響研究還處于起步階段，一方面是由于地下水與氣候、人類活動的關系以及地下水的補給方式要比地表水復雜的多，由氣候模型輸出驅動各種形式的地下水水量平衡模型得到的地下水補給尚不能作為對地下水的預測［4］。氣候變化對地下水影響的研究，因受技術和區域地理環境的影響還沒有一個確定的方法。因此，綜述氣候變化對地下水資源影響研究的主要進展，對推動我國關于氣候變化對地下水影響的深入研究，定量化研究氣候變化和地下水之間的相互關系和氣候變化條件下如何合理利用和管理地下水資源具有重要的現實意義。

1 氣候變化對地下水影響的研究方法

氣候變化對地下水影響的研究方法主要有:包氣帶和含水層環境示蹤技術;地下水及其沉積物的物理化學指標;地表水－地下水耦合數值模擬等技術。

1.1 包氣帶和含水層環境示蹤技術

20世紀60年代，隨著同位素技術和計算機技術的發展和廣泛應用，環境示蹤技術被引入到水文地質領域中來。這種技術是根據穩定同位素和放射同位素在自然界的變化來研究水循環，獲得了傳統方法不可能得到的一些重要信息(衛克勤，1992)，該技術成為解決地下水問題的重要工具。包氣帶和含水層環境示蹤技術主要是利用由天然或人為引入同位素，通過研究這些同位素所包含的信息進行分析與估算地下水的一些信息，這些被用于研究的同位素被稱為示蹤劑。由于環境示蹤劑可以直接參與水循環過程，其組成特征可以反映地下水的形成環境和演變歷史，因此它是研究地下水水循環非常有效的手段。一般而言，不同的環境示蹤劑的特點和適用范圍是不同:如氯離子(Cl－)由于其本身的惰性，在水溶液中不參加氧化與還原反應，可以被用來確定水分通量和補給速率，還可以恢復補給歷史;地下水中的氫氧穩定同位素組成及其變化在研究地下水的補、徑、排條件上具有同類方法無法比擬的優越性。其中，包氣帶土壤水中的氚(T)和氯離子(Cl－)可以用來估計當地補給(如 Allison等，1978;Kitching等，1979)，穩定同位素(D和18O)可以用來估計區域補給與蒸發(如 Allsion等，1983;Saxena等，1984)和土壤中的水汽運移與交換(如 Barnes等，1989;Knowlton等，1992)，其所揭示的土壤水通量的有關信息(如蒸發、蒸騰和向下的入滲等)是其它技術很難獲取的［5］。

1.2 研究地下水及其沉積物的物理化學指標

地下水作為水圈的一部分，在與巖石圈、大氣圈、生物圈相互作用過程中成為能量交換和物質循環的載體與紐帶，環境變化所導致的上述圈層間物質循環與能量交換的變化必然在地下水中留下某種“印記”，從而使地下水具有了存儲和保護環境變化信息的功能［6］。環境變化又是氣候變化的信息的載體，所以地下水是氣候變化的信息載體。研究表明，地下水各種物理化學指標及巖溶沉積物可用作指示不同時間尺度上氣候變化的有效、甚至是高精度的信息的載體。用于研究氣候變化對地下水影響的地下水物理指標一般包括:溫度、水位、顏色、透明度、電導率、比重等。如地下水的溫度變化主要受氣溫和地溫的影響。氣候變化時氣溫隨之變化，則地下水的溫度也將隨之變化。地下水的化學指標主要是地下水中的離子，常用于評價氣候變化對地下水的影響的化學指標主要是地下水中的一些離子、同位素、放射性元素以及惰性氣體。因地下水中同位素與元素組成受其在接受補給時氣候條件的影響，所以這些同位素與元素組成可以用作氣候變化的指示劑。碳酸鹽沉積物(如石筍、泉鈣華、方解石脈等)是巖溶地下水系統中水巖相作互作用的產物，可有效地、高分辨率地指示古氣候變化［3］。如 Yuan等通過對我國貴州董哥洞中2個石筍(D3，D4)的230Th和氧同位素比的研究，揭示了160 ka BP以來低緯度區降雨和亞洲季風特點［7］。

1.3 地表水－地下水耦合數值模擬技術

地表水和地下水的轉換及其過程耦合模擬，是水資源開發利用和科學評價的基礎。但由于水循環自身的復雜性，以及介質空間和運動狀態的不同，長期以來地表水和地下水的運動過程與模擬研究，分別在各自相對獨立的領域中發展。近年來，隨著計算機、“3S”、GIS空間數據分析與處理平臺的發展，為地表水與地下水耦合模型提供了必要的條件和技術支撐。目前，國內外對地表水與地下水耦合模擬已經做了一定深度的科學研究，并取得了一些階段性成果［8］。現在國內外已出現很多地表水和地下水耦合模型。根據不同的分類標準，耦合模型有著不同的分類。根據研究對象的側重點，耦合模型可分為地表水模型包容地下水模塊型、地下水模型包容地表水模塊型、地表水和地下水模型雙向兼容型。根據地表水和地下水模型的耦合計算方法可分為分離型、相關分析型、線性入滲/排泄型、線性水庫型和達西定律型五類［9］。其中比較典型的是“四水”轉化模型、SWATMOD、MIKESHE和 MODBRANCH模型。

2 我國典型地區氣候變化對地下水資源影響研究的主要進展

目前，氣候變化對地下水影響的研究還是一個新的領域。我國各個地區在研究氣候變化對地下水的影響的氣候因素中，主要考慮的是氣溫、降水和蒸發的變化對地下水水位、補給量與排泄量(泉流量、開采量)、水化學成分、水溫、同位素組成的影響。

2.1 華北地區

華北地區是我國政治、經濟和文化的中心。同時，它也是我國水資源供需矛盾十分突出的地區。所以該區研究氣候變化下對地下水的影響意義重大。

該區降水變化對地下水的影響至關重要。從自然背景看，華北地區十年九旱。如北京市1999年以后，因連續遭遇枯水年，全市地下水理深呈直線下降趨勢，1999－2009年年末全市平均累計降深達到 9.86 m，年降幅達到 0.90 m［10］。張光輝等(2008)在研究滹沱河流域平原區地下水流場異常變化與原因時，指出降水量變化是導致地下水流場異常重要影響因素［11］。張世法(1995)在研究氣候變化對海河流域水資源影響中，指出該區的地下水量隨著CO2的升高而降低［12］。王慶平等(2010)從簡單實用角度考慮，采用傾向斜率法分析水文氣象要素的變化趨勢。通過對氣溫和降水兩個氣候因子進行分析發現，近50年中灤河下游地區的年平均氣溫總體呈上升趨勢，增溫幅度達1.0℃。氣溫變化對地下水資源的影響主要表現為溫度升高使地面的蒸發量加大，迫使地下水的排泄量增大。灤河流域下游平原區在氣溫升高1.0℃時，降水減少8%，地下水資源減少幅度為12%，地下水位理深呈下降趨勢［13］。謝正輝等(2009)利用陸面水文模型(VIC)、驅動統計模型(RTFN)在黃淮海平原區開展氣候變化的敏感性試驗。研究表明，地下水埋深對降水變化的敏感程度遠大于溫度變化，埋深較淺區比埋深較深區敏感、在溫度變化2℃ ～5℃，降水變化 ±15%的情景下，黃淮海平原區平均地下水埋深變化范圍大致為 －81～96 mm［14］。王業耀等(2009)利用數值模擬方法研究氣候異常對臨汾盆地地下水系統的影響，表明連續遭遇兩個特殊干旱年將對地下水系統產生較大影響。根據數值模型預測，氣候異常條件下潛水水位將下降 0.3～0.9 m，承壓水水位下降 2.5～5 m［15］。黃冠星等(2007)利用18O同位素研究鄂爾多斯盆地地下與區域古氣候變化關系，結果表明古地下水的補給過程受古氣候的變化影響呈現非等速補給特征［16］。楊勇等(2003)在研究大同盆地地下水環境演化時指出，受全新世以來該區氣候溫暖濕潤、河流發育的影響，淺層潛水含水量增加。但由于地下水位埋深較小，蒸發強烈，地下水鹽份易于聚集，潛水中礦化度較高［17］。由于巖溶含水層對環境變化非常敏感，郝永紅等(2009)利用灰色系統模型對氣候變化條件下北方巖溶泉泉水流量的進行了分析，得到了在自然條件下，泉水流量主要受大氣降水的影響。泉水流量呈現出波動中平穩下降的態勢，這與降水量的變化趨勢相一致［18］。

2.2 西北地區

西北地區地處亞歐大陸腹地，遠離海洋，降雨稀少，蒸發強烈，多風沙，屬干旱半干旱地帶。水資源成為該地區維系脆弱生態環境重要資源。該區地下水補給來源主要是在山區獲得大氣降雨和冰雪冰川融水。氣候變暖將引起該區地面和水面的蒸發量及蒸騰量的增加。對于高山冰川，氣候變暖將導致冰川消融速度加快，這使得地下水補給量增大。氣候變暖對西北地區降水量的影響目前眾說紛紜，但多數學者認為氣溫升高，將引起年降水量的增加［19］。

20世紀80年代后期，新疆降水增加20% ～30%，河川徑流普遍增大，湖泊水位明顯升高，地下水位逐漸回升。這種趨勢將持續到21世紀前20年［20］。三工河流域近40a的研究表明，該流域空氣濕度上升，蒸發力減小，干旱指數下降，沖洪積平原區由于降水增加，地下水水位呈上升趨勢。但塔里木河下游地區年徑流量減少，部分河流出現斷流，地下水得不到補給，地下水位不斷下降。阿克蘇河流域綠洲在全球變暖背景下表現出向暖濕轉變的態勢，氣溫升高降水有所增加，但降水對地下水補給意義不大［21－23］。張光輝等(2006)通過研究黑河流域地下水同位素特征，揭示了區域氣候變化是黑河流域地下水補給與更新演變的驅動力之一。在祁連山補給源區，降水量變化是改變平原地下水補給源水量的主導因素。在年均氣溫升高0.5℃條件下，平原區地下水補給增加7.38%;在氣溫升高 1.0℃條件下，由于陸而蒸發量增加幅度超過冰川雪融水量，地下水補給量減少2.68%。張文化等(2009)對石羊河流域1956～2000年的氣溫、降雨和蒸發資料進行趨勢分析，得出氣溫變化趨勢同全球氣候變暖的趨勢一致;降水量稍有增加，但絕對幅度變化不大;蒸發量有上升的趨勢，引起地下水補給條件弱化;平原區地下水位大幅度下降［24］。劉洪蘭等(2010)利用河西走廊中部1957～2006年6個氣象站的氣候資料，分析得到了該區氣溫升高、降水量的增加、蒸發量的減少、氣候由暖干向暖濕轉變的趨勢［25］。馬金珠等(2004)利用氯平衡原理研究地下水補給與氣候變化的關系，表明我國干旱區降雨對地下水的補給非常微弱［26］。

2.3 東北地區

目前，東北地區氣候變化對地下水資源影響研究主要集中在吉林中部平原和三江平原地區。通過對吉林中部平原地區淺層地下水溫度變化的分析，發現在1978～2001年的24 a間，研究區地下水溫約上升1.3℃。區域淺層地下水位普遍下降2～4m，對其水溫上升有抑制作用。因此，可以判定研究區地下水溫上升主要是受氣溫上升(約1.5℃)的影響，同時也可以認為，淺層地下水溫度的多年持續上升趨勢也是對全球氣溫上升的有力佐證［27］。

通過50年來對三江平原水循環和氣候變化影響的分析，得到了三江平原氣候變化對地下水的影響主要體現在:區域降水總量呈減少趨勢，但變化趨勢不顯著;區域溫度上升，蒸發潛力增大;三江平原地溫上升最為顯著，凍土層變薄，凍土融通時間提前(縮短)55～62d，且凍土層融通后土壤水分的含水量較50年前有明顯降低的趨勢。耕地土壤含水量明顯減少。這些變化均不利于地表徑流的形成以及降水入滲補充地下水［28］。

3 氣候變化條件下合理利用和管理地下水資源的對策

隨著全球氣候的變化，氣候變化對地下水的影響也愈發明顯。地下水資源是我國重要的淡水組成部分，尤其在用水矛盾日益突出的情況下，如何合理的利用與管理地下水資源，不僅影響到現在社會的發展，還會直接的影響到今后社會的發展方向與程度。為此，提出如下氣候變化條件下合理利用與管理地下水資源的對策與建議。

3.1 減緩溫室效應引起的全球氣候變暖對未來地下水資源產生不利影響

氣候變暖使得全球氣溫升高，這會給地下水資源產生很多不利的影響，如蒸發量增加，加大了地下水的排泄量;海平面上升，使海水入侵地下水的災害加重等。大氣中CO2含量的升高是引起溫室效應的主要原因，因此要減緩溫室效應引起的全球氣候變暖就必須減少CO2的排放量。這就要求我們必須改變傳統的能源發展觀。一方面減少煤炭、石油的使用量;另一方面要大力開發新型無污染的新能源，如風能、水能、太陽能。與此同時還應加大對CO2有強大吸收能力的森林草地的保護，加快CO2地質儲存的研究進程。

3.2 定量化研究氣候變化和地下水之間的相互關系

雖然現在對氣候變化和地下水之間的相互關系的研究還處于起步階段，但隨著研究的進一步加深，定量化的研究兩者之間的相互關系是必然發展的趨勢。如氣溫的升高或降低對地下水水位、水溫、礦化度等的影響。同時當地下水水位、水溫、礦化度等發生變化時，研究當地的氣溫有什么樣的變化。如果能確定兩者之間的相互關系，將有助于氣候變化趨勢和地下水資源變化趨勢的預測。

3.3 應用高新技術開展地下水資源脆弱性的研究

通過對地下水資源脆弱性的研究，可以了解地下水中各要素維持地下水性狀的可能性與趨勢性，因而地下水資源脆弱性評價是制定地下水利用和保護綜合措施的重要依據。因地下水脆弱性影響因素較多，且它們之間的相互關系還不明確。因此，應用高新技術對地下水資源脆弱性研究可以進一步的提高評價的準確性與可信性，為合理利用和管理地下水提供科學依據。

3.4 充分利用灌區地下含水層的調蓄作用

灌區內大規模引用地表水灌溉，產生入滲，導致灌區地下水位大幅度上升，使得有含水能力的非飽和土層充水轉化為飽水帶;或灌溉水入滲使原先很低的潛水位升高，占據了土壤中不含水的空間，成為地下水含水層［29］。該含水層在地表水充足時可以作為地下水庫儲存水資源;當地表水緊缺時，可以作為灌溉用水進行開采利用。

3.5 通過地表水與地下水的聯合利用控制水鹽平衡、涵養地下水源

地表水與地下水的聯合利用直接影響著地表水和地下水水體的水質和水量。從水質方面來說，地表水對地下水進行補給時，地表淡水會稀釋地下水;地下水排泄時，會將水中的鹽分排到地表或地表水體中。從水量方而來說，地下水體接收地表水補給可直接增加地下水的儲存量。所以地表水與地下水的聯合利用可以控制水鹽平衡、涵養地下水源。

3.6 節約農業、工業和生活用水

節約用水是我國走可持續發展道路的一項基本國策。對于農業，應大力推行先進的節水灌溉制度，將工程節水、管理節水和農藝節水技術相結合，促進水資源的可持續利用和農業的可持續發展;同時積極開展中－高鹽度地下水安全灌溉技術的研究。工業節水主要是通過優水優用、廢污水改造和中水回用等措施，實行定額供水、總量控制，提高用水重復利用率。生活用水要提高其重復利用率，同時還要通過經濟手段強制節水。根據國內外經驗，水價提高10%，對水的需求量可下降7%。

4 結語

由于地下水與氣候變化的關系以及地下水的補給方式要比地表水復雜得多，由氣候模型輸出驅動各種形式的地下水水量平衡模型還不能對地下水進行有效預測。目前，氣候變化對地下水影響的研究還是一個新的領域。但我們已對氣候變化對地下水資

源影響有了一定的研究并取得了一定的成果。由于氣候變化對地下水資源的影響越來越明顯，日益突出的用水矛盾也迫使我們必須更加關注氣候變化對地下水影響的研究，不斷完善氣候變化對地下水影響研究理論體系和研究成果，為在氣候變化條件下合理利用和管理地下水資源提供科學依據與對策。

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Main Progress of Effect Research of Chinese Climate Changes on Groundwater Resources

JIA Rui－ liang1，ZHOU Jin － long1，2，LI Qiao1
(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China;2.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，Hubei，China)

In order to promote deep research of the effect of China＇s climate changes on groundwater，the paper shows the studied methods of climate changes on groundwater，including the vadose zone and aquifer environment tracer technology，discussing physical and chemical indexes of groundwater and its sediment，surface water － groundwater coupling numerical simulation technologies and so on. Then it summarizes the typical regional climate changes effects on groundwater levels，recharge and discharge，water chemical composition，temperature，isotopic composition. It also puts forward some many countermeasures reasonably using and managing the groundwater resources under the conditions of climate changes，including negative impact of global climate warming on water resources in the future induced by the mitigation of greenhouse，ascertaining the relationship between climate change and groundwater through qualitative and quantitative research，carrying out the groundwater resources vulnerability research by the application of high－tech，making full use of irrigation and storing functions of underground aquifers，using the surface water and groundwater jointly to control water and salt balance and to conserve groundwater，and economizing the agricultural，industrial and domestic water.

Climate changes;groundwater and research progress

P641.12

A

1004－1184(2012)01－0001－04

2011－09－30

國家自然科學基金項目(51069016);新疆水文學及水資源重點學科基金(xjswszyzdxk20101202)。

賈瑞亮(1988－)，男，山西絳縣人，在讀碩士研究生，主攻方向:干旱區地下水利用與保護方面研究。