全球地下水資源開發(fā)利用特點(diǎn)及主要環(huán)境問題概述

馬寶強(qiáng)，王 瀟，湯 超，馬建源

（甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)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(zhì)優(yōu)、分布廣、不易污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，在保障人類用水安全方面發(fā)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(qū)，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(nóng)業(yè)、生活和工業(yè)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(qiáng)烈的背景下，由于地下水資源的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性，其價(jià)值越來越凸顯，對(duì)于保障現(xiàn)代全球供水和糧食安全尤為重要。此外，地下水在維系生態(tài)系統(tǒng)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(fā)揮著重要的環(huán)境價(jià)值功能。

然而，地下水作為一種隱形資源，它的資源環(huán)境功能和環(huán)境污染問題被長(zhǎng)期忽視和低估，人類活動(dòng)已經(jīng)對(duì)地下水造成了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致印度西北、美國(guó)中部和我國(guó)華北平原等地區(qū)含水層面臨嚴(yán)重的水資源枯竭問題[3]。地下水一旦發(fā)生人為破壞或污染，修復(fù)治理難度非常大，不僅修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，而且成本高，甚至無法完全修復(fù)。為保護(hù)地下水，讓更多人關(guān)注地下水資源環(huán)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(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及氣候變化，人類對(duì)淡水的需求會(huì)越來越大，淡水供應(yīng)也會(huì)趨于緊張。因此，本文從全球尺度宏觀分析地下水資源特點(diǎn)及其環(huán)境問題，讓更多人能夠認(rèn)識(shí)地下水，重視地下水，保護(hù)地下水，進(jìn)而讓地下水資源更好地支撐人類社會(huì)與生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

1 全球地下水資源及其開發(fā)利用現(xiàn)狀

地下水分布非常廣泛，儲(chǔ)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(chǔ)存量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)代地下水（0～50 a）。如果將現(xiàn)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(qū)域含水層主要包括美國(guó)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(guó)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(guó)家都在大規(guī)模開采地下水，開采量約為1000km3/a，其中支持農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水和工業(yè)用水的分別為67%、22%和11%（圖1）[6]。從用水量來看，農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水和工業(yè)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(guó)家主要是印度、中國(guó)、美國(guó)、巴基斯坦和伊朗等15個(gè)國(guó)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(nóng)業(yè)灌溉，用水量最大的是小麥和水稻，主要分布在美國(guó)、墨西哥、中東、北非、印度、巴基斯坦和中國(guó)等國(guó)家或地區(qū)[3]。與印度、中國(guó)和美國(guó)等國(guó)家開采地下水主要用于農(nóng)田灌溉不同，印度尼西亞、俄羅斯和泰國(guó)等國(guó)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(guó)家丹麥的生活用水、農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水等用水絕大部分來自地下水[10]。中國(guó)地下水資源量占全國(guó)水資源總量的1/3，供水量接近全國(guó)供水總量的20%，在保障華北和西北等北方缺水地區(qū)城市及農(nóng)村供水安全方面發(fā)揮著獨(dú)特作用。

圖1 全球地下水年開采量最大的15個(gè)國(guó)家[9]和地下水利用結(jié)構(gòu)[6]

2 全球地下水資源環(huán)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(fā)利用地下水資源引起的全球性環(huán)境問題，其原因主要在于地下水資源的開采量遠(yuǎn)大于地下水資源的補(bǔ)給量，造成地下含水層無法通過自然降水等外界水源的補(bǔ)給得到及時(shí)補(bǔ)充恢復(fù)或更新。在自然條件下，除中深層地下水以外，大部分地區(qū)淺層地下水水位較淺，在水量充沛情況下，地下水還會(huì)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(fù)雜性，地下含水層對(duì)人類超采活動(dòng)的響應(yīng)具有一定的滯后性，人類短暫的開采活動(dòng)并不會(huì)立刻造成含水層地下水儲(chǔ)存量的快速縮減，但是長(zhǎng)期的地下水超采活動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致地下水水位持續(xù)降低和地下水儲(chǔ)量逐漸耗損直至枯竭。地下含水層一旦枯竭，除非規(guī)模化的人工補(bǔ)給，否則其水量自然恢復(fù)的周期非常漫長(zhǎng)。

地下水超采主要發(fā)生在亞洲、美洲、歐洲和中東等地區(qū)。美國(guó)、墨西哥、沙特阿拉伯、巴基斯坦、印度和中國(guó)等國(guó)家由于地下水超采引起水資源量的衰減較為嚴(yán)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(huì)引起地面沉降，而且會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致河流斷流、濕地縮減、植被死亡和土地荒漠化等生態(tài)環(huán)境問題。Konikow L F[12]估計(jì)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(xiàn)在2000—2008年，衰減量約為145 km3/a（圖2）。D?ll P等[13]結(jié)合地下水觀測(cè)井水文模型和GRACE重力衛(wèi)星評(píng)估，認(rèn)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(guó)、伊朗、沙特阿拉伯和中國(guó)是該時(shí)期地下水超采和衰減量最大的國(guó)家，而且利比亞、埃及和以色列，以及阿拉伯半島等在該時(shí)期開采的地下水至少有30%是不可更新的。進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球地下水用水量顯著增加，特別是第一個(gè)10年，地下水衰減量超過100 km3/a。GRACE重力衛(wèi)星監(jiān)測(cè)顯示，地下水超采已經(jīng)導(dǎo)致全球37個(gè)最大含水層中的21個(gè)正在枯竭[14]。美國(guó)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(dòng)對(duì)地下水的干預(yù)減少20%，就可能使含水層由枯竭轉(zhuǎn)為自流狀態(tài)[15]，因此通過合理調(diào)控，就可以減輕人類活動(dòng)對(duì)地下水的負(fù)面影響。

圖2 全球主要國(guó)家和地區(qū)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(guó)家，地下水超采問題尤其突出，全國(guó)約有29%的地下水處于半臨界、臨界或超采狀態(tài)[16]。地下水超采不僅會(huì)造成水位埋深的持續(xù)增大，而且會(huì)導(dǎo)致地下水補(bǔ)給量減少。Rodell M等[17]研究認(rèn)為，2002—2008年印度拉賈斯坦邦等地區(qū)地下水超采十分嚴(yán)重，衰減量為109 km3，是印度最大水庫的兩倍，若不及時(shí)采取治理措施，可能會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)1.14億居民面臨糧食產(chǎn)量減少和飲用水短缺。美國(guó)高平原含水層和加利福尼亞州中央峽谷含水層是美國(guó)地下水超采最嚴(yán)重的區(qū)域，地下水衰減量占全美國(guó)的50%；特別是在堪薩斯州和得克薩斯州的部分地區(qū)，地下水開采量已經(jīng)超過了補(bǔ)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(bǔ)給的老水，自然降水補(bǔ)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(nóng)田灌溉，造成埃及部分地區(qū)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(huì)帶來問題，但在長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境問題。此外，從北非到中東再到南亞地區(qū)，鉆探2 km以上才能獲取地下水已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象[20]。中國(guó)自20世紀(jì)60年代規(guī)?；_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(qū)——華北平原。從全球而言，地下水超采還會(huì)導(dǎo)致全球水井整體面臨枯竭的風(fēng)險(xiǎn)。Jasechko S等[21]最新研究全球3900萬眼水井的數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致水井成為干井，這將會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和水資源危機(jī)。

2.2 全球地下水環(huán)境問題

2.2.1 地下水超采威脅生態(tài)系統(tǒng)健康

地下水與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系密切，河流、湖泊、濕地、植被等生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定均與地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄存在著直接或間接的關(guān)系，形成了獨(dú)特的地下水依賴型生態(tài)系統(tǒng)。在自然條件下，地下水向河流、濕地等地表水體補(bǔ)給，并會(huì)以泉水形式向外流出，進(jìn)而支撐河流、濕地、泉水等沿岸帶植被的健康生長(zhǎng)。但是在人工超采條件下，會(huì)造成地下水水位持續(xù)下降，形成降落漏斗，導(dǎo)致地下水向河流、湖泊等地表水體的補(bǔ)給減少，同時(shí)使得河流、湖泊等對(duì)地下水形成反向補(bǔ)給，最終導(dǎo)致河流、湖泊水量減少，甚至因此出現(xiàn)斷流或干涸，威脅生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的健康，引起生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的退化（圖3）。

圖3 地下水超采與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)相互影響關(guān)系示意圖[22]

針對(duì)地下水依賴型生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與管理已經(jīng)納入澳大利亞、歐盟、南非和美國(guó)等多個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水行政管理措施中[23]。然而，不合理的地下水開發(fā)利用已經(jīng)造成地下水水位的劇烈下降和儲(chǔ)量的嚴(yán)重虧損，特別是在農(nóng)業(yè)集中灌溉區(qū)尤為嚴(yán)重。Jasechko S等[24]分析了美國(guó)420萬眼水井的水位埋深，結(jié)果顯示近64%的水井水位均低于附近的河流水面，這會(huì)導(dǎo)致全美大部分地表水水體滲漏補(bǔ)給地下水而面臨消失的危險(xiǎn)。中國(guó)地下水超采也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。最新研究報(bào)道[25]地下水超采已經(jīng)導(dǎo)致大量濕地和河流的消失。與地表水相比，地下水開采的環(huán)境效應(yīng)具有明顯滯后性，Graaf I E等[26]預(yù)估2050年全球?qū)⒂?2%～79%的流域會(huì)因地下水的廣泛開采達(dá)到環(huán)境流量極限。由于全球很多地區(qū)地下水超采已經(jīng)非常嚴(yán)重或已經(jīng)超過了環(huán)境流量極限，因此地下水水位的微小變動(dòng)就可以影響地表徑流和達(dá)到環(huán)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(tài)環(huán)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(dāng)?shù)叵滤怀掷m(xù)下降超過3 m時(shí)，就會(huì)顯著影響楊樹的生長(zhǎng)，致其死亡率達(dá)到88%[27]。中國(guó)西北最大內(nèi)陸河塔里木河下游由于地下水超采導(dǎo)致依賴地下水生存的蘆葦、駱駝刺、檉柳和胡楊等植被出現(xiàn)了大面積死亡和衰敗。

2.2.2 地下水污染及劣質(zhì)地下水威脅飲水安全

人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的各種污染物會(huì)隨著降水淋濾通過土壤帶滲入地下水中，進(jìn)而對(duì)地下水造成污染，影響飲用水安全。人類活動(dòng)對(duì)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(jī)污染物，其中硝酸鹽污染最為普遍。美國(guó)、加拿大、英國(guó)、德國(guó)、丹麥等國(guó)家均有地下水硝酸鹽污染的相關(guān)報(bào)道。農(nóng)業(yè)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(zhǎng)時(shí)間飲用高濃度的硝酸鹽水會(huì)引起高鐵血紅蛋白癥和癌癥。此外，地下水中檢出的細(xì)菌、病毒、殺蟲劑、非水相液體（NAPLS）、新型有機(jī)污染物（CECS）和微塑料等特殊污染物與人類活動(dòng)密切相關(guān)。人類活動(dòng)也對(duì)深層古老地下水水質(zhì)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?cái)?shù)據(jù)，在古老地下水中檢測(cè)到了氚同位素，表明人類活動(dòng)已經(jīng)影響到大部分古老地下水的水質(zhì)[2]。人類活動(dòng)超采地下水還會(huì)造成海水入侵，進(jìn)而引起全球海岸帶地下水水質(zhì)咸化，威脅數(shù)百萬人的飲水安全。美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、中國(guó)等幾十個(gè)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了海水入侵問題[28]。當(dāng)?shù)叵滤泻谐^2%～3%的海水就會(huì)導(dǎo)致地下水不可飲用，而且修復(fù)被海水咸化的地下水難度非常大，需要幾十年甚至數(shù)百年時(shí)間。相比其他含水介質(zhì)，巖溶含水層更容易受到人類活動(dòng)的污染，而巖溶含水層覆蓋了全球陸地（無冰地區(qū)）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(dòng)可能造成的巖溶水污染問題。

除人類活動(dòng)污染以外，全球還廣泛分布著地質(zhì)成因的原生劣質(zhì)地下水，特別是在干旱半干旱地區(qū)，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(gè)國(guó)家都有發(fā)現(xiàn)，飲用高砷地下水或皮膚暴露接觸會(huì)導(dǎo)致烏腳病、皮膚癌、腎癌等疾病，全球估計(jì)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(guó)、柬埔寨、中國(guó)、越南、緬甸等國(guó)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(shù)據(jù)相對(duì)較少，2013年全球有10個(gè)國(guó)家被列為碘攝入過量的地區(qū)，這可能與飲用高碘地下水有關(guān)，中國(guó)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(jié)語

（1）伴隨全球氣候變化，以及極端氣候的頻繁出現(xiàn)，人類未來對(duì)水資源的需求會(huì)變得愈演愈烈。地下水資源作為一種廣泛分布并相對(duì)穩(wěn)定的有限可再生水資源，可以很好地幫助人類應(yīng)對(duì)極端氣候條件下，以及廣大干旱半干旱地區(qū)的缺水問題。然而，由于人類對(duì)地下水資源的過度開采，導(dǎo)致全球地下水水位持續(xù)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(shí)人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下水水質(zhì)造成了嚴(yán)重的污染。為確保地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，必須加強(qiáng)政府和全社會(huì)對(duì)地下水超采，以及污染問題的嚴(yán)格管理和廣泛關(guān)注。積極推進(jìn)地下水相關(guān)政策法規(guī)的制定與完善，穩(wěn)定增加專項(xiàng)資金投入，加大支持科學(xué)研究與推進(jìn)相關(guān)保護(hù)項(xiàng)目實(shí)施，統(tǒng)籌推進(jìn)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用與水質(zhì)保護(hù)。

（2）地下水既是水資源的重要組成部分，又是影響生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康的活躍環(huán)境因子。不可持續(xù)的地下水開采活動(dòng)，不僅破壞優(yōu)質(zhì)的地下水資源，而且會(huì)造成河流流量降低、湖泊與濕地面積縮減、植被退化、泉水?dāng)嗔鞯纫幌盗猩鷳B(tài)環(huán)境問題。相比地下水資源的不可持續(xù)開發(fā)利用問題，地下水對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響問題關(guān)注度更低，相關(guān)方面的研究更為缺乏，管理明顯滯后。因此加強(qiáng)地下水生態(tài)環(huán)境保護(hù)，關(guān)系到河流、湖泊、濕地、植被、泉水等地下水依賴型生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定，也關(guān)系到山水林田湖草沙生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同治理，對(duì)新時(shí)代背景下推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。