變化環(huán)境下的地下水動態(tài)響應研究進展

趙 芳, 2， 田質(zhì)勝2， 馮一鳴， 姜 欣3， 沈 紅4， 劉玉玉

(1. 濟南大學 水利與環(huán)境學院， 山東 濟南 250022； 2. 山東省水利勘測設計院， 山東 濟南 250014； 3. 山東省水利科學研究院 山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室， 山東 濟南 250014； 4. 清華大學 土木水利學院， 北京 100084)

近年來， 隨著全球經(jīng)濟的增長， 對水資源的需求不斷在增加， 人類對地下水的開采利用規(guī)模越來越大， 地下水危機凸顯。 Mekonnen等[1]研究表明， 全球40億人正面臨嚴重的水資源短缺問題。 美國國家航空與航天局(NASA)發(fā)布的衛(wèi)星圖像顯示， 世界上最大的地下蓄水層正在以驚人的速度下降。

D?ll等[2]研究發(fā)現(xiàn)，全球地下水在2000—2009年期間以每年113 km3的速率枯竭，與1960—2000年的地下水消耗量相比，全球地下水枯竭的速率增加了1倍多。過度利用地下水資源有可能造成極嚴重的后果，如地面塌陷、林地破壞、局地生態(tài)環(huán)境惡化等[3-4]。同時，極端降水、全球變暖、高溫干旱等自然因子在系統(tǒng)內(nèi)部驅動著地下水的變化，地下水的開采、水利工程的修建等人類活動也使地下水作出動態(tài)響應。本文中基于Web of Science數(shù)據(jù)庫，按主題“groundwater response or groundwater influence”進行檢索，自1980—2019年共檢索到16 491篇文獻。檢索發(fā)現(xiàn)：地下水響應或影響的相關文獻研究，自1980年1篇增加至2000年41篇；從2000年以來迅速增加，至2019年已達到1 802篇。同時，研究者關于自然因素和人為因素對地下水影響的研究所占比例相當。

如今，眾多學者越來越重視地下水受影響后動態(tài)響應的研究，已經(jīng)逐步成為水文、環(huán)境、生態(tài)等領域的研究重點，因此，針對復雜變化的環(huán)境和有限的地下水資源面臨的枯竭以及污染問題，分析它們之間的動態(tài)機制和作用關系，探索有效的技術方法，研究地下水水位、水量、水質(zhì)以及水溫的變化，對未來制定水資源管理和保護相關政策，合理開發(fā)利用水資源有重要意義。

1 影響因子驅動分析

氣候變化影響地表徑流的變化， 從而可能引起地下水補排關系改變。 20世紀中期以來， 受到全球變暖趨勢的強力驅動， 強降雨及異常高溫等極端天氣頻率增大， 加上人類不合理開采利用水資源， 對地下水系統(tǒng)產(chǎn)生了諸多影響， 例如， 地下水位波動、 地下水儲量變化、 地下水水環(huán)境以及地下水溫變動等一系列水文環(huán)境響應， 已引起世界各國的關注。 影響區(qū)域地下水變動的主要驅動因子是地下水補給量與開采量， 而氣候變化和人類活動是導致主要驅動因子變化的根本原因[5]。 下面主要從氣候和人類活動2個方面對地下水的影響進行分析。

1.1 氣候

1.1.1 降水

大氣降水入滲是地下水補給的一個重要來源，降水對地下水影響的研究成果比較多。極端降水(或暴雨洪水)是降水的一種特殊情況，對地下水的作用也相對復雜。徐華山等[6]利用河岸帶地下水理化指標變化，研究了地下水與洪水之間的響應關系。張光輝等[7]以海河南系平原為例，開展了暴雨洪水對地下水超采緩解特征與資源增量的研究。Liu等[8]針對三江平原進行了2013年特大洪水對淺層地下水補給量的估算。徐則民等[9]總結探討了山區(qū)流域高蓋度斜坡對極端降雨事件的地下水響應規(guī)律。極端降水對地下水系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在地下水位上升、地下水儲量補充、區(qū)域水文地質(zhì)的改變等方面。不可忽視的是，極端降水的增加也容易使大量物質(zhì)隨徑流入滲進入地下，導致地下水污染風險變大，因此，如何對極端降水進行合理利用、補充至地下并使地下水免受污染，是未來研究的一個重點內(nèi)容。

1.1.2 高溫、干旱

全球高溫、干旱發(fā)生的頻率正在不斷增加，我國呈現(xiàn)的是由北方向西南地區(qū)蔓延的發(fā)展趨勢[10]。氣溫升高導致蒸發(fā)量增大，部分地區(qū)特別是農(nóng)業(yè)灌區(qū)，僅靠地表水資源不能滿足干旱年和連續(xù)干旱年的供水要求，促使人類過度開采地下水資源，使得地下水被抽取的速度快于補給的速度，致使水位下降，產(chǎn)生地下水降落漏斗、地面塌陷等現(xiàn)象。多項研究表明，氣象干旱對地下水位下降起到正反饋作用[11]。

近年來，一些學者關于全球氣候的研究有了新的成果，得出了新的結論。Gramling[12]指出，全球平均氣溫一直在持續(xù)上升。高溫對地下水的水溫產(chǎn)生了影響，由于潛水含水層埋深較淺，受溫度變化較大，因此高溫條件下淺層地下水的溫度會升高。Menberg等[13]分析表明，德國地下水溫度隨全球變暖而產(chǎn)生細微上升。林學鈺等[14]通過研究指出，水溫的變化與氣溫的變化接近一致，也說明高溫與地下水水溫為正相關關系。Fischer等[15]研究發(fā)現(xiàn)，氣候變暖可能會導致極端天氣；Wasko等[16]研究成果表明，氣溫變高可能使澳大利亞洪災發(fā)生風險增大；而Yang等[17]研究人員發(fā)現(xiàn)，全球變暖將給中國北方帶來更多的雨水。由此可以看出，氣溫升高可以影響到降水或洪水的發(fā)生，這又間接影響著地下水資源的分布。

1.2 人類活動

從幾千年或更長尺度的氣候史來看，很久以前更加干旱少雨的異常氣候都沒有導致類似現(xiàn)在的地下水危機，這也說明人類活動在環(huán)境效應方面起著重要作用[11]。

1.2.1 開采地下水

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的不斷增長，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水需求量不斷增大，水資源供需矛盾日益突出。地下水具有水量穩(wěn)定、就地開采、見效快等優(yōu)勢，已經(jīng)成為部分地區(qū)重要的開采水源[18]。費宇紅等[19]和楊懷德等[20]通過關聯(lián)度和相關分析，得出人類開采地下水是影響地下水水位下降的絕對主導性因子。Wada等[21]研究表明，全球不可再生淡水消耗量在1960—2010年期間增加了50%，主要原因是農(nóng)業(yè)大國的灌溉超采。大型水源地長期過度開采地下水會改變地下水的水化學場，引起地下水污染物遷移、水質(zhì)變差等[22]。劉君等[23]研究表明，我國北方區(qū)域大規(guī)模開采地下水，增大了地下水的污染風險和污染程度。如何合理開發(fā)利用地下水資源，是地下水資源保護與恢復的主要內(nèi)容之一。

1.2.2 土地開發(fā)利用

人類的土地開發(fā)利用活動，會對地下水產(chǎn)生一定的影響。程立平等[24]研究了長武黃土塬區(qū)的土地利用，發(fā)現(xiàn)土地利用率提高，地下水補給量減少，地下水水位下降。Taylor等[25]通過研究發(fā)現(xiàn)，位于美國(Minneapolis-St.Paul)明尼阿波利斯 -圣保羅緯度的土地利用率較高的發(fā)達市區(qū)的地下水溫度比同緯度土地利用率較低的地區(qū)的高。

為了擴大空間，世界沿海地區(qū)通過圍填海來解決日益嚴峻的“土地赤字”問題，主要包括鹽田開發(fā)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、臨港產(chǎn)業(yè)集群、近岸油田開采以及濱海旅游等[26]。受這些人類活動的影響，海陸水交換平衡被打破，地下水補給、徑流和排泄條件都被改變，導致地下水系統(tǒng)變化，造成海水入侵、地下水咸化以及鹽漬化等問題。許士國等[27]著重分析了填海造陸對地下水鹽環(huán)境的影響，并提出一些對策措施。Liu等[28]研究了萊州灣地區(qū)圍填海工程，對近岸地下水水流和水質(zhì)的影響。圍填海活動改變了地表水、土壤及地下水系統(tǒng)之間的水力聯(lián)系，改變了地下水環(huán)境，而地下水量 -水鹽運移機理已成為目前研究的一個難點[29]。

1.2.3 水利工程

隨著水資源以及水環(huán)境健康問題的出現(xiàn)，河湖水系連通工程、河湖濕地生態(tài)修復工程等成為新形勢下的治水方略[30-31]。水利工程對地下水的影響也比較復雜：一方面，水系連通工程可以有效補償?shù)叵滤?，改善水生生境和生物的生存空間，修復連通區(qū)域及其周邊的生態(tài)環(huán)境。如崔廣柏等[32]以常熟城區(qū)為例進行研究，對水系連通改善區(qū)域水質(zhì)和水環(huán)境進行了評估。另一方面，連通工程也會使地下水循環(huán)發(fā)生改變，影響土壤水鹽的水平和垂直運動，導致土壤鹽漬化，特別是調(diào)水區(qū)和輸水沿線，可能會引發(fā)一系列的水污染和水環(huán)境問題。夏繼紅等[33]經(jīng)過對水系連通性的研究指出，過高的水系連通性會使污染物的污染范圍擴大，產(chǎn)生局部的生態(tài)環(huán)境惡化等生態(tài)及環(huán)境問題。如何合理地實施河湖水系連通工程，使工程發(fā)揮優(yōu)良的生態(tài)效應，是未來研究發(fā)展中必不可少的重點內(nèi)容。

2 研究方法和技術

隨著氣候變化和人類活動的影響，地下水動態(tài)響應趨于復雜化，研究方法和技術也不斷增多，主要有統(tǒng)計分析、實驗(或試驗)驗證、同位素技術、溫度示蹤、模型模擬等，涵蓋地下水與諸要素的相關關系、 地下水資源估算、 地下水補給量推求、 地表水 -地下水轉化、 地下水水化學運移等。

2.1 典型統(tǒng)計分析

統(tǒng)計相關分析法是一種通用的方法， 可以直觀地反映地下水與其他要素的相關關系， 表現(xiàn)在明晰地下水位埋深變動、 地下水資源量與開采量、 降水量以及徑流量等的相互關系上。 王電龍等[34]采用相關回歸分析法研究發(fā)現(xiàn)， 隨著人類開采影響增大，單位人類開采影響強度所引起的地下水位和漏斗面積的變化幅度愈大。 危潤初等[35]采用雙向回歸突變分析方法， 同時結合標準化降水指數(shù)(SPI)分析黑龍江建三江地區(qū)地下水水位下降趨勢的突變與灌溉面積的響應關系。 Lehr等[36]利用主成分分析法探尋河流生態(tài)修復前后河流與地下水兩者之間的水力聯(lián)系。 同時， 結合其他數(shù)學方法， 可分析區(qū)域地下水資源變化趨勢。 例如， 劉志國等[37]利用灰色系統(tǒng)預測河北省地下水資源開采趨勢； 杜尚海等[38]應用模糊數(shù)學和多維聯(lián)合分布概率計算滹沱河地下水庫的補給水量。 這些研究內(nèi)容和方法為地下水資源合理利用與配置提供了依據(jù)。

2.2 室內(nèi)、室外實驗(或試驗)

國內(nèi)外相關文獻中通過人工設計不同的實驗(或試驗)來模擬驗證不同變化情景下(例如降水強度、地下水開采強度以及水文地質(zhì)條件等)的地下水響應規(guī)律。Wise等[39]采用抽水 -地下水位響應試驗來判斷沼澤濕地與地下水之間的聯(lián)系；林學鈺等[40]通過室內(nèi)實驗模擬研究得出人工回灌水量與地下水水質(zhì)之間的關系；張增勤等[41]利用引水 -大水淹沒 -積水入滲試驗方法，對滹沱河河道的石家莊段進行了1.8×107m3水量的雨洪補給地下水的研究。由此可見，室內(nèi)外實驗(或試驗)為不同條件下的地下水響應研究，提供了可靠性數(shù)據(jù)。

2.3 水化學同位素技術與溫度示蹤法

水化學同位素技術主要用于地表水與地下水的關系及兩者間轉化模式、 地下水補給來源以及地下水更新能力的研究。 王希義等[42]利用穩(wěn)定同位素技術， 研究了塔里木河下游地表水對地下水的轉化率。 Rautio等[43]應用同位素技術研究了芬蘭Pyhajarvi流域的湖泊水和地下水的交換作用， 采用水量平衡及同位素質(zhì)量平衡法估算了地下水對湖泊的貢獻量。 Trauth等[44]利用水化學和同位素方法對河流和河岸地下水之間的相互作用進行了探索， 發(fā)現(xiàn)增加河水與河岸帶地下水滲透可以促進脫氮作用， 對硝酸鹽的去除具有重要的意義。 袁瑞強等[45]借助氚同位素， 結合數(shù)學物理模型估算了白洋淀流域非承壓地下水的更新速率。 賀國平等[46]利用氮、 氧同位素特征， 結合水化學方法對永定河沖洪積扇地下水中硝酸鹽的來源進行了識別。 利用水化學同位素可以定量描述地下水水化學的運移， 為地下水污染的防控提供科學依據(jù)。

溫度示蹤法主要應用于表征地下水的水化學運移、 地表水與地下水的相互轉化， 計算地下水流速以及研究工程中地下水滲漏情況。 馬瑞等[47]和李英玉等[48]利用溫度示蹤法， 研究了地表水與地下水的作用機制。 Tristram等[49]借助2種溫度示蹤技術， 研究了冰島南部冰川前冰期的地下水交換格局。 由此可見， 示蹤技術在地下水研究中的運用已經(jīng)愈來愈廣泛。

2.4 計算機水文模擬模型

水文模擬模型具有高效、便捷、精度高等優(yōu)點，已成為研究模擬地下水文過程響應的最有效工具之一。Keilholz等[50]和盧小慧等[51]利用MIKE SHE軟件，分別對塔里木河中游土地利用與氣候變化作用下的地下水響應、丹麥Skjern流域上降雨入滲補給地下水水文響應的滯后效應進行了研究。Diem等[52]利用有限元地下水數(shù)值模型(FEFLOW)和參數(shù)優(yōu)化模型(PEST)對河流與地下水之間的交互作用進行了模擬和研究。田世英等[53]利用三維有限差分地下水流數(shù)值模擬(MODFLOW)模型，模擬漫灘洪水補給涇渭濱河濕地地下水。由此可見，計算機水文模型在國內(nèi)外已有較好的發(fā)展，也逐步成為未來水文研究中的主要方法和技術。

Gleeson等[54]將各國收集到的地下水數(shù)據(jù)與全球水文模型相結合，提出一種新方法測量世界各地相對含水層供給的地下水使用量的地下水足跡法，可清楚地監(jiān)測地下水枯竭的狀況。張凱等[55]采用地下水足跡法，對華北平原農(nóng)業(yè)地下水資源的消耗進行了分析。地下水足跡法為國內(nèi)外研究地下水利用量和水儲量提供了一種有效的途徑，隨著該方法的不斷發(fā)展完善，可為未來地下水研究提供一種新的思路。

2.5 綜合方法

綜合研究地下水動態(tài)響應機制，反演陸地水儲量還可利用重力恢復和氣候實驗(GRACE)衛(wèi)星，以及全球定位系統(tǒng)(GPS)、 遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等3S技術手段。孫才志等[56]利用ArcGIS軟件，對下遼河平原地下水脆弱性進行了相關分析。D?ll等[2]結合利用GRACE衛(wèi)星和WaterGAP軟件模擬地下水凈化、地表水地下水補給情況等，來探索地下水枯竭的現(xiàn)象。許朋琨等[57]和李愛華等[58]基于GRACE衛(wèi)星時變重力場，研究了青藏高原、雅魯藏布江流域和黃河中游地區(qū)水儲量變化。Rahmati等[59]基于GIS數(shù)據(jù)和有關模型方法，對研究地區(qū)進行了地下水位測繪。

高分辨率對地觀測衛(wèi)星(簡稱高分衛(wèi)星)遙感是目前水資源研究領域的新興技術，該技術使我國高分辨率數(shù)據(jù)的自給率大幅提高，主要用于大面積水環(huán)境監(jiān)測、確定地下水系統(tǒng)邊界、與地下水數(shù)值模擬進行耦合，進而分析地下水相關問題等。目前，將高分衛(wèi)星遙感技術與模型相結合在我國已逐漸應用于各個領域，如程乾等[60]利用高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立了有關模型對杭州灣河口跨海大橋水域懸浮泥沙濃度進行反演，但在與地下水數(shù)值模擬進行耦合以應用于地下水方面的研究尚少。高分衛(wèi)星也為地下水資源領域研究提供了數(shù)據(jù)保證，如Wan等[61]利用高分一號衛(wèi)星得出青藏高原湖泊數(shù)量和大小的2005年子數(shù)據(jù)集，以便進一步研究地下水與地表水水分交換運移作用。由此可以看出，提高高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的精確度并充分應用于地下水數(shù)值模擬中，更精確地進行地表水水文過程與地下水動力過程的耦合模擬也是未來發(fā)展的一個前沿和熱點。地下水響應研究方法的比較見表1。

表1 地下水響應研究方法

3 結語

未來氣候變化會導致全球水資源重新分配，可能進一步加劇全球淡水資源的安全供應問題。氣候變化和人類活動的共同作用改變了地下水系統(tǒng)的原有狀態(tài)，使其水位、水量、水質(zhì)以及水溫等發(fā)生改變。國內(nèi)外研究人員對地下水進行了一系列的研究并取得了豐碩的研究成果，然而，在變化環(huán)境對地下水影響的不確定性分析、各種脅迫效應的應對措施、研究技術等方面尚存在不足。綜合以上各方面考慮，建議在以后地下水的研究中加強以下幾部分的工作：

1)變化環(huán)境和人類活動對地下水各方面影響的不確定性研究以及歸因定量分析。由于環(huán)境變化與人類活動具有動態(tài)性和復雜性，使得地下水變化具有不確定性，而且兩者之間又有著不同程度的密切關系，在研究中無法有效分離兩者對地下水的影響，影響了變化環(huán)境對地下水響應評價的準確性，因此，如何增強對這些不確定性因素的定量化，采用何種手段可將兩者對地下水影響程度進行精確的定量描述，準確地量化各自影響的貢獻比是未來研究的熱點和難點。

2)完善應對和緩解各種因子對地下水系統(tǒng)脅迫效應的措施，有效保護利用地下水資源。如針對地下水水位持續(xù)下降、水量減少以及地下水水質(zhì)污染等問題，一些地區(qū)采用修建地下水庫、水系連通、植被緩沖帶和濕地生態(tài)修復等措施。同時，新的地下水管理方法，如從地下水功能屬性出發(fā)構建地下水功能區(qū)劃體系并制定相應管理指標，虛擬水戰(zhàn)略等可以科學地調(diào)度地下水資源，因此，應當不斷更新地下水保護理念，完善保護措施，減小變化環(huán)境和人類活動引起的負效應。

3)推進和發(fā)展地下水研究技術，深入研究變化環(huán)境模型和地下水模型的雙向耦合技術，提高兩者之間尺度的轉化和精度。新興的高分衛(wèi)星遙感等技術為研究提供了更廣泛的數(shù)據(jù)，但在解譯精度和耦合嵌入等方面尚未完全成熟。如何將3S技術與地下水數(shù)值模擬等進行更好地耦合，以分析地下水問題是未來發(fā)展的一大熱點。此外，聯(lián)合理論分析、實驗驗證和各種技術，從宏觀到微觀進行地下水水儲量變化、水質(zhì)遷移轉化、地表水與地下水資源聯(lián)合優(yōu)化配置的研究，分析變化環(huán)境下地下水的動態(tài)響應已成為未來研究的主要趨勢。