全球地下水資源開發利用特點及主要環境問題概述

馬寶強，王 瀟，湯 超，馬建源

（甘肅省生態環境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730020）

地下水是全球最大的可用淡水資源[1]，是水資源的重要組成部分。與地表水相比，地下水具有水質優、分布廣、不易污染等諸多優點，在保障人類用水安全方面發揮著不可替代的作用；特別是在占全球陸地面積15%的干旱半干旱地區，地下水更是可靠的水資源。全球用水量35%來自地下水，其中農業、生活和工業用水量最大，有力保障了世界糧食安全和超20億人口的生活飲水需求[2]。在干旱、洪水等極端氣候變化更頻繁和更強烈的背景下，由于地下水資源的穩定性和可調節性，其價值越來越凸顯，對于保障現代全球供水和糧食安全尤為重要。此外，地下水在維系生態系統和諧、保障河流基流和防止海水入侵，以及地面沉降等方面發揮著重要的環境價值功能。

然而，地下水作為一種隱形資源，它的資源環境功能和環境污染問題被長期忽視和低估，人類活動已經對地下水造成了嚴重影響，導致印度西北、美國中部和我國華北平原等地區含水層面臨嚴重的水資源枯竭問題[3]。地下水一旦發生人為破壞或污染，修復治理難度非常大，不僅修復時間長，而且成本高，甚至無法完全修復。為保護地下水，讓更多人關注地下水資源環境，2022年世界水日的主題定為“珍惜地下水，珍視隱藏的資源”（Groundwater:Making the Invisible Visible）。未來隨著全球人口增長和經濟社會發展以及氣候變化，人類對淡水的需求會越來越大，淡水供應也會趨于緊張。因此，本文從全球尺度宏觀分析地下水資源特點及其環境問題，讓更多人能夠認識地下水，重視地下水，保護地下水，進而讓地下水資源更好地支撐人類社會與生態系統的健康穩定和可持續發展。

1 全球地下水資源及其開發利用現狀

地下水分布非常廣泛，儲量豐富，是全球最大的可用淡水資源，占全球可用淡水資源的96%，其儲存量遠遠大于湖泊及河流中的淡水總量，體積是全球淡水湖泊和河流的100倍[4]。全球地表2000 m以淺地下水資源量約2260萬km3，其中10萬～500萬km3為現代地下水（0～50 a）。如果將現代地下水全部開采出來，可以平均覆蓋地球陸地表面3 m厚度[5]。全球大型區域含水層主要包括美國加利福尼亞中央峽谷含水層、高平原含水層，南美洲瓜拉尼含水層、北非撒哈拉西北部含水層及其東部努比亞砂巖含水層，印支平原含水層，以及我國華北平原含水層和澳大利亞大自流盆地含水層等[1]。

全球很多國家都在大規模開采地下水，開采量約為1000km3/a，其中支持農業灌溉、生活用水和工業用水的分別為67%、22%和11%（圖1）[6]。從用水量來看，農業灌溉、生活用水和工業用水地下水用水量分別占其總用水量的43%、37%和24%[7-8]。全球地下水開采量最大的國家主要是印度、中國、美國、巴基斯坦和伊朗等15個國家[9]（圖1），其中，印度地下水開采量最大，為251 km3/a。地下水開采主要用以支持農業灌溉，用水量最大的是小麥和水稻，主要分布在美國、墨西哥、中東、北非、印度、巴基斯坦和中國等國家或地區[3]。與印度、中國和美國等國家開采地下水主要用于農田灌溉不同，印度尼西亞、俄羅斯和泰國等國家[9]，地下水開采主要用以保障生活用水，占地下水總開采量的60%～93%；特別是北歐國家丹麥的生活用水、農業用水和工業用水等用水絕大部分來自地下水[10]。中國地下水資源量占全國水資源總量的1/3，供水量接近全國供水總量的20%，在保障華北和西北等北方缺水地區城市及農村供水安全方面發揮著獨特作用。

圖1 全球地下水年開采量最大的15個國家[9]和地下水利用結構[6]

2 全球地下水資源環境問題

2.1 全球地下水超采問題

地下水超采是人類過度開發利用地下水資源引起的全球性環境問題，其原因主要在于地下水資源的開采量遠大于地下水資源的補給量，造成地下含水層無法通過自然降水等外界水源的補給得到及時補充恢復或更新。在自然條件下，除中深層地下水以外，大部分地區淺層地下水水位較淺，在水量充沛情況下，地下水還會以泉水等形式自然排出于地表。由于地下水資源的隱蔽性和復雜性，地下含水層對人類超采活動的響應具有一定的滯后性，人類短暫的開采活動并不會立刻造成含水層地下水儲存量的快速縮減，但是長期的地下水超采活動必然會導致地下水水位持續降低和地下水儲量逐漸耗損直至枯竭。地下含水層一旦枯竭，除非規模化的人工補給，否則其水量自然恢復的周期非常漫長。

地下水超采主要發生在亞洲、美洲、歐洲和中東等地區。美國、墨西哥、沙特阿拉伯、巴基斯坦、印度和中國等國家由于地下水超采引起水資源量的衰減較為嚴重[11]，其中，印度地下水資源衰減最為明顯。超采地下水不僅會引起地面沉降，而且會破壞生態環境，導致河流斷流、濕地縮減、植被死亡和土地荒漠化等生態環境問題。Konikow L F[12]估計1900—2008年全球地下水衰減總量為（4500±1224）km3；其中，1950年以來，地下水衰減量顯著增加，最大衰減量出現在2000—2008年，衰減量約為145 km3/a（圖2）。D?ll P等[13]結合地下水觀測井水文模型和GRACE重力衛星評估，認為在2000—2009年，全球地下水平均衰減量為113 km3/a，相比于1960—2000年至少增加了1倍。其中，印度、美國、伊朗、沙特阿拉伯和中國是該時期地下水超采和衰減量最大的國家，而且利比亞、埃及和以色列，以及阿拉伯半島等在該時期開采的地下水至少有30%是不可更新的。進入21世紀以來，全球地下水用水量顯著增加，特別是第一個10年，地下水衰減量超過100 km3/a。GRACE重力衛星監測顯示，地下水超采已經導致全球37個最大含水層中的21個正在枯竭[14]。美國俄亥俄州大邁阿密河流域和加利福尼亞州圣華金河谷含水層的研究表明，如果人類活動對地下水的干預減少20%，就可能使含水層由枯竭轉為自流狀態[15]，因此通過合理調控，就可以減輕人類活動對地下水的負面影響。

圖2 全球主要國家和地區地下水衰減量變化情況[12]

印度作為全球地下水利用量最大的國家，地下水超采問題尤其突出，全國約有29%的地下水處于半臨界、臨界或超采狀態[16]。地下水超采不僅會造成水位埋深的持續增大，而且會導致地下水補給量減少。Rodell M等[17]研究認為，2002—2008年印度拉賈斯坦邦等地區地下水超采十分嚴重，衰減量為109 km3，是印度最大水庫的兩倍，若不及時采取治理措施，可能會導致該地區1.14億居民面臨糧食產量減少和飲用水短缺。美國高平原含水層和加利福尼亞州中央峽谷含水層是美國地下水超采最嚴重的區域，地下水衰減量占全美國的50%；特別是在堪薩斯州和得克薩斯州的部分地區，地下水開采量已經超過了補給量的10倍[18]。更值得注意的是，盡管非洲撒哈拉沙漠東部的努比亞砂巖含水層中的地下水是百萬年前補給的老水，自然降水補給率基本為零，地下水更新能力非常弱，但是仍然被大量開采用于農田灌溉，造成埃及部分地區地下水水位下降了60 m[19]。過度開采這種更新緩慢的古老地下水，在短期不會帶來問題，但在長時間尺度內會造成嚴重的經濟、社會和環境問題。此外，從北非到中東再到南亞地區，鉆探2 km以上才能獲取地下水已經成為普遍現象[20]。中國自20世紀60年代規模化開采地下水資源以來，地下水水位明顯下降，形成了世界上最大的地下水水位降落漏斗區——華北平原。從全球而言，地下水超采還會導致全球水井整體面臨枯竭的風險。Jasechko S等[21]最新研究全球3900萬眼水井的數據，分析發現6%～20%的水井深度不低于水位5 m，表明地下水超采引起地下水水位加深，會導致水井成為干井，這將會造成嚴重的經濟損失和水資源危機。

2.2 全球地下水環境問題

2.2.1 地下水超采威脅生態系統健康

地下水與生態系統關系密切，河流、湖泊、濕地、植被等生態系統的健康穩定均與地下水的補給、徑流和排泄存在著直接或間接的關系，形成了獨特的地下水依賴型生態系統。在自然條件下，地下水向河流、濕地等地表水體補給，并會以泉水形式向外流出，進而支撐河流、濕地、泉水等沿岸帶植被的健康生長。但是在人工超采條件下，會造成地下水水位持續下降，形成降落漏斗，導致地下水向河流、湖泊等地表水體的補給減少，同時使得河流、湖泊等對地下水形成反向補給，最終導致河流、湖泊水量減少，甚至因此出現斷流或干涸，威脅生態環境系統的健康，引起生態環境系統的退化（圖3）。

圖3 地下水超采與生態環境系統相互影響關系示意圖[22]

針對地下水依賴型生態系統的保護與管理已經納入澳大利亞、歐盟、南非和美國等多個國家或地區的水行政管理措施中[23]。然而，不合理的地下水開發利用已經造成地下水水位的劇烈下降和儲量的嚴重虧損，特別是在農業集中灌溉區尤為嚴重。Jasechko S等[24]分析了美國420萬眼水井的水位埋深，結果顯示近64%的水井水位均低于附近的河流水面，這會導致全美大部分地表水水體滲漏補給地下水而面臨消失的危險。中國地下水超采也對生態環境造成了嚴重影響。最新研究報道[25]地下水超采已經導致大量濕地和河流的消失。與地表水相比，地下水開采的環境效應具有明顯滯后性，Graaf I E等[26]預估2050年全球將有42%～79%的流域會因地下水的廣泛開采達到環境流量極限。由于全球很多地區地下水超采已經非常嚴重或已經超過了環境流量極限，因此地下水水位的微小變動就可以影響地表徑流和達到環境流量極限。地下水超采還造成了泉水消失、植被退化，以及土地沙漠化等生態環境問題。曾以泉多著稱的北京市已有千余眼泉水由于地下水過度開采而消失。當地下水水位持續下降超過3 m時，就會顯著影響楊樹的生長，致其死亡率達到88%[27]。中國西北最大內陸河塔里木河下游由于地下水超采導致依賴地下水生存的蘆葦、駱駝刺、檉柳和胡楊等植被出現了大面積死亡和衰敗。

2.2.2 地下水污染及劣質地下水威脅飲水安全

人類工農業活動產生的各種污染物會隨著降水淋濾通過土壤帶滲入地下水中，進而對地下水造成污染，影響飲用水安全。人類活動對地下水造成污染的主要污染物類型包括三氮、重金屬和有機污染物，其中硝酸鹽污染最為普遍。美國、加拿大、英國、德國、丹麥等國家均有地下水硝酸鹽污染的相關報道。農業化肥的大面積過度施用是造成地下水硝酸鹽污染的主要原因。長時間飲用高濃度的硝酸鹽水會引起高鐵血紅蛋白癥和癌癥。此外，地下水中檢出的細菌、病毒、殺蟲劑、非水相液體（NAPLS）、新型有機污染物（CECS）和微塑料等特殊污染物與人類活動密切相關。人類活動也對深層古老地下水水質造成了影響，通過分析全球6455眼水井古老地下水的碳同位素及氚同位素數據，在古老地下水中檢測到了氚同位素，表明人類活動已經影響到大部分古老地下水的水質[2]。人類活動超采地下水還會造成海水入侵，進而引起全球海岸帶地下水水質咸化，威脅數百萬人的飲水安全。美國、英國、法國、中國等幾十個國家和地區已經發現了海水入侵問題[28]。當地下水中含有超過2%～3%的海水就會導致地下水不可飲用，而且修復被海水咸化的地下水難度非常大，需要幾十年甚至數百年時間。相比其他含水介質，巖溶含水層更容易受到人類活動的污染，而巖溶含水層覆蓋了全球陸地（無冰地區）面積的15%，支持了全球10%～25%人口的飲水需求，因此要特別重視人類活動可能造成的巖溶水污染問題。

除人類活動污染以外，全球還廣泛分布著地質成因的原生劣質地下水，特別是在干旱半干旱地區，如高砷（≥10 ug/L）、高氟（≥1mg/L）、高碘（≥100 ug/L）地下水[29]。高砷地下水已在全球70個國家都有發現，飲用高砷地下水或皮膚暴露接觸會導致烏腳病、皮膚癌、腎癌等疾病，全球估計有0.94～2.2億人遭受高砷地下水的威脅，其中94%位于亞洲，主要分布在印度、孟加拉國、柬埔寨、中國、越南、緬甸等國家[30]；高氟地下水在全球影響超過2.6億人的飲水安全和身體健康；高碘地下水的數據相對較少，2013年全球有10個國家被列為碘攝入過量的地區，這可能與飲用高碘地下水有關，中國華北平原、大同盆地和太原盆地均有高碘地下水的分布。

3 結語

（1）伴隨全球氣候變化，以及極端氣候的頻繁出現，人類未來對水資源的需求會變得愈演愈烈。地下水資源作為一種廣泛分布并相對穩定的有限可再生水資源，可以很好地幫助人類應對極端氣候條件下，以及廣大干旱半干旱地區的缺水問題。然而，由于人類對地下水資源的過度開采，導致全球地下水水位持續下降，大部分含水層及水井面臨枯竭，地下水開采深度不斷增加，同時人類工農業活動對地下水水質造成了嚴重的污染。為確保地下水資源的可持續開發利用，必須加強政府和全社會對地下水超采，以及污染問題的嚴格管理和廣泛關注。積極推進地下水相關政策法規的制定與完善，穩定增加專項資金投入，加大支持科學研究與推進相關保護項目實施，統籌推進地下水資源的可持續開發利用與水質保護。

（2）地下水既是水資源的重要組成部分，又是影響生態環境系統健康的活躍環境因子。不可持續的地下水開采活動，不僅破壞優質的地下水資源，而且會造成河流流量降低、湖泊與濕地面積縮減、植被退化、泉水斷流等一系列生態環境問題。相比地下水資源的不可持續開發利用問題，地下水對生態環境的影響問題關注度更低，相關方面的研究更為缺乏，管理明顯滯后。因此加強地下水生態環境保護，關系到河流、湖泊、濕地、植被、泉水等地下水依賴型生態系統的健康穩定，也關系到山水林田湖草沙生態系統的協同治理，對新時代背景下推進生態文明建設具有重要意義。