我国气候变化对地下水资源影响研究的主要进展

贾瑞亮，周金龙，2，李 巧

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052;2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

我国气候变化对地下水资源影响研究的主要进展

贾瑞亮1，周金龙1，2，李 巧1

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052;2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

为了推动我国关于气候变化对地下水影响的深入研究，列举了关于气候变化对地下水影响的研究方法，包括包气带和含水层环境示踪技术，研究地下水及其沉积物的物理化学指标，地表水－地下水耦合数值模拟技术等;综述了我国华北地区(北京市、滹沱河流域、海河流域、滦河下游地区、黄淮海平原、临汾盆地、鄂尔多斯盆地、黄河下游地区、大同盆地、北方岩溶泉域)、西北地区(塔里木下游地区、三工河流域、阿克苏河绿洲、黑河流域、石羊河流域、河西走廊、巴丹吉林沙漠)和东北地区(吉林中部平原地区、三江平原)等典型区域气候变化(气温、降水、蒸发)对地下水水位、补给量与排泄量(泉流量、开采量)、水化学成分、水温、同位素组成的影响;提出了气候变化条件下合理利用和管理地下水资源的若干对策，包括减缓温室效应引起的全球气候变暖对未来地下水资源产生不利影响，定量化研究气候变化和地下水之间的相互关系，应用高新技术开展地下水资源脆弱性的研究，充分利用灌区地下含水层的调蓄作用，通过地表水与地下水的联合利用控制水盐平衡、涵养地下水源，节约农业、工业和生活用水等。

气候变化;地下水;研究进展

中国地下水资源量约为7 600亿m3，约占水资源总量的26.8%。地下水是我国农业灌溉和农村饮用水的主要来源［1］。近几十年来气候的变化对地下水水位、补给量与排泄量(泉流量、开采量)、水化学成分、水温、同位素组成的影响越来越明显。大量观测证据表明，由于大气中温室气体浓度的增加，我们正处于一个气候变暖期。19世纪以来，全球平均地区温度已升高了0.3℃ ～0.6℃。最近的研究认为2050年全球升温的最佳估计为 1.2℃［2］。气温升高使蒸发量增大，相应也会增加地下水的排泄量。气温在引起地下水蒸发量增加的同时还能引起地下水水温的波动，并导致化学成分、矿化度的变化和水的物理性质变化［3］。目前，气候变化对地下水的影响研究还处于起步阶段，一方面是由于地下水与气候、人类活动的关系以及地下水的补给方式要比地表水复杂的多，由气候模型输出驱动各种形式的地下水水量平衡模型得到的地下水补给尚不能作为对地下水的预测［4］。气候变化对地下水影响的研究，因受技术和区域地理环境的影响还没有一个确定的方法。因此，综述气候变化对地下水资源影响研究的主要进展，对推动我国关于气候变化对地下水影响的深入研究，定量化研究气候变化和地下水之间的相互关系和气候变化条件下如何合理利用和管理地下水资源具有重要的现实意义。

1 气候变化对地下水影响的研究方法

气候变化对地下水影响的研究方法主要有:包气带和含水层环境示踪技术;地下水及其沉积物的物理化学指标;地表水－地下水耦合数值模拟等技术。

1.1 包气带和含水层环境示踪技术

20世纪60年代，随着同位素技术和计算机技术的发展和广泛应用，环境示踪技术被引入到水文地质领域中来。这种技术是根据稳定同位素和放射同位素在自然界的变化来研究水循环，获得了传统方法不可能得到的一些重要信息(卫克勤，1992)，该技术成为解决地下水问题的重要工具。包气带和含水层环境示踪技术主要是利用由天然或人为引入同位素，通过研究这些同位素所包含的信息进行分析与估算地下水的一些信息，这些被用于研究的同位素被称为示踪剂。由于环境示踪剂可以直接参与水循环过程，其组成特征可以反映地下水的形成环境和演变历史，因此它是研究地下水水循环非常有效的手段。一般而言，不同的环境示踪剂的特点和适用范围是不同:如氯离子(Cl－)由于其本身的惰性，在水溶液中不参加氧化与还原反应，可以被用来确定水分通量和补给速率，还可以恢复补给历史;地下水中的氢氧稳定同位素组成及其变化在研究地下水的补、径、排条件上具有同类方法无法比拟的优越性。其中，包气带土壤水中的氚(T)和氯离子(Cl－)可以用来估计当地补给(如 Allison等，1978;Kitching等，1979)，稳定同位素(D和18O)可以用来估计区域补给与蒸发(如 Allsion等，1983;Saxena等，1984)和土壤中的水汽运移与交换(如 Barnes等，1989;Knowlton等，1992)，其所揭示的土壤水通量的有关信息(如蒸发、蒸腾和向下的入渗等)是其它技术很难获取的［5］。

1.2 研究地下水及其沉积物的物理化学指标

地下水作为水圈的一部分，在与岩石圈、大气圈、生物圈相互作用过程中成为能量交换和物质循环的载体与纽带，环境变化所导致的上述圈层间物质循环与能量交换的变化必然在地下水中留下某种“印记”，从而使地下水具有了存储和保护环境变化信息的功能［6］。环境变化又是气候变化的信息的载体，所以地下水是气候变化的信息载体。研究表明，地下水各种物理化学指标及岩溶沉积物可用作指示不同时间尺度上气候变化的有效、甚至是高精度的信息的载体。用于研究气候变化对地下水影响的地下水物理指标一般包括:温度、水位、颜色、透明度、电导率、比重等。如地下水的温度变化主要受气温和地温的影响。气候变化时气温随之变化，则地下水的温度也将随之变化。地下水的化学指标主要是地下水中的离子，常用于评价气候变化对地下水的影响的化学指标主要是地下水中的一些离子、同位素、放射性元素以及惰性气体。因地下水中同位素与元素组成受其在接受补给时气候条件的影响，所以这些同位素与元素组成可以用作气候变化的指示剂。碳酸盐沉积物(如石笋、泉钙华、方解石脉等)是岩溶地下水系统中水岩相作互作用的产物，可有效地、高分辨率地指示古气候变化［3］。如 Yuan等通过对我国贵州董哥洞中2个石笋(D3，D4)的230Th和氧同位素比的研究，揭示了160 ka BP以来低纬度区降雨和亚洲季风特点［7］。

1.3 地表水－地下水耦合数值模拟技术

地表水和地下水的转换及其过程耦合模拟，是水资源开发利用和科学评价的基础。但由于水循环自身的复杂性，以及介质空间和运动状态的不同，长期以来地表水和地下水的运动过程与模拟研究，分别在各自相对独立的领域中发展。近年来，随着计算机、“3S”、GIS空间数据分析与处理平台的发展，为地表水与地下水耦合模型提供了必要的条件和技术支撑。目前，国内外对地表水与地下水耦合模拟已经做了一定深度的科学研究，并取得了一些阶段性成果［8］。现在国内外已出现很多地表水和地下水耦合模型。根据不同的分类标准，耦合模型有着不同的分类。根据研究对象的侧重点，耦合模型可分为地表水模型包容地下水模块型、地下水模型包容地表水模块型、地表水和地下水模型双向兼容型。根据地表水和地下水模型的耦合计算方法可分为分离型、相关分析型、线性入渗/排泄型、线性水库型和达西定律型五类［9］。其中比较典型的是“四水”转化模型、SWATMOD、MIKESHE和 MODBRANCH模型。

2 我国典型地区气候变化对地下水资源影响研究的主要进展

目前，气候变化对地下水影响的研究还是一个新的领域。我国各个地区在研究气候变化对地下水的影响的气候因素中，主要考虑的是气温、降水和蒸发的变化对地下水水位、补给量与排泄量(泉流量、开采量)、水化学成分、水温、同位素组成的影响。

2.1 华北地区

华北地区是我国政治、经济和文化的中心。同时，它也是我国水资源供需矛盾十分突出的地区。所以该区研究气候变化下对地下水的影响意义重大。

该区降水变化对地下水的影响至关重要。从自然背景看，华北地区十年九旱。如北京市1999年以后，因连续遭遇枯水年，全市地下水理深呈直线下降趋势，1999－2009年年末全市平均累计降深达到 9.86 m，年降幅达到 0.90 m［10］。张光辉等(2008)在研究滹沱河流域平原区地下水流场异常变化与原因时，指出降水量变化是导致地下水流场异常重要影响因素［11］。张世法(1995)在研究气候变化对海河流域水资源影响中，指出该区的地下水量随着CO2的升高而降低［12］。王庆平等(2010)从简单实用角度考虑，采用倾向斜率法分析水文气象要素的变化趋势。通过对气温和降水两个气候因子进行分析发现，近50年中滦河下游地区的年平均气温总体呈上升趋势，增温幅度达1.0℃。气温变化对地下水资源的影响主要表现为温度升高使地面的蒸发量加大，迫使地下水的排泄量增大。滦河流域下游平原区在气温升高1.0℃时，降水减少8%，地下水资源减少幅度为12%，地下水位理深呈下降趋势［13］。谢正辉等(2009)利用陆面水文模型(VIC)、驱动统计模型(RTFN)在黄淮海平原区开展气候变化的敏感性试验。研究表明，地下水埋深对降水变化的敏感程度远大于温度变化，埋深较浅区比埋深较深区敏感、在温度变化2℃ ～5℃，降水变化 ±15%的情景下，黄淮海平原区平均地下水埋深变化范围大致为 －81～96 mm［14］。王业耀等(2009)利用数值模拟方法研究气候异常对临汾盆地地下水系统的影响，表明连续遭遇两个特殊干旱年将对地下水系统产生较大影响。根据数值模型预测，气候异常条件下潜水水位将下降 0.3～0.9 m，承压水水位下降 2.5～5 m［15］。黄冠星等(2007)利用18O同位素研究鄂尔多斯盆地地下与区域古气候变化关系，结果表明古地下水的补给过程受古气候的变化影响呈现非等速补给特征［16］。杨勇等(2003)在研究大同盆地地下水环境演化时指出，受全新世以来该区气候温暖湿润、河流发育的影响，浅层潜水含水量增加。但由于地下水位埋深较小，蒸发强烈，地下水盐份易于聚集，潜水中矿化度较高［17］。由于岩溶含水层对环境变化非常敏感，郝永红等(2009)利用灰色系统模型对气候变化条件下北方岩溶泉泉水流量的进行了分析，得到了在自然条件下，泉水流量主要受大气降水的影响。泉水流量呈现出波动中平稳下降的态势，这与降水量的变化趋势相一致［18］。

2.2 西北地区

西北地区地处亚欧大陆腹地，远离海洋，降雨稀少，蒸发强烈，多风沙，属干旱半干旱地带。水资源成为该地区维系脆弱生态环境重要资源。该区地下水补给来源主要是在山区获得大气降雨和冰雪冰川融水。气候变暖将引起该区地面和水面的蒸发量及蒸腾量的增加。对于高山冰川，气候变暖将导致冰川消融速度加快，这使得地下水补给量增大。气候变暖对西北地区降水量的影响目前众说纷纭，但多数学者认为气温升高，将引起年降水量的增加［19］。

20世纪80年代后期，新疆降水增加20% ～30%，河川径流普遍增大，湖泊水位明显升高，地下水位逐渐回升。这种趋势将持续到21世纪前20年［20］。三工河流域近40a的研究表明，该流域空气湿度上升，蒸发力减小，干旱指数下降，冲洪积平原区由于降水增加，地下水水位呈上升趋势。但塔里木河下游地区年径流量减少，部分河流出现断流，地下水得不到补给，地下水位不断下降。阿克苏河流域绿洲在全球变暖背景下表现出向暖湿转变的态势，气温升高降水有所增加，但降水对地下水补给意义不大［21－23］。张光辉等(2006)通过研究黑河流域地下水同位素特征，揭示了区域气候变化是黑河流域地下水补给与更新演变的驱动力之一。在祁连山补给源区，降水量变化是改变平原地下水补给源水量的主导因素。在年均气温升高0.5℃条件下，平原区地下水补给增加7.38%;在气温升高 1.0℃条件下，由于陆而蒸发量增加幅度超过冰川雪融水量，地下水补给量减少2.68%。张文化等(2009)对石羊河流域1956～2000年的气温、降雨和蒸发资料进行趋势分析，得出气温变化趋势同全球气候变暖的趋势一致;降水量稍有增加，但绝对幅度变化不大;蒸发量有上升的趋势，引起地下水补给条件弱化;平原区地下水位大幅度下降［24］。刘洪兰等(2010)利用河西走廊中部1957～2006年6个气象站的气候资料，分析得到了该区气温升高、降水量的增加、蒸发量的减少、气候由暖干向暖湿转变的趋势［25］。马金珠等(2004)利用氯平衡原理研究地下水补给与气候变化的关系，表明我国干旱区降雨对地下水的补给非常微弱［26］。

2.3 东北地区

目前，东北地区气候变化对地下水资源影响研究主要集中在吉林中部平原和三江平原地区。通过对吉林中部平原地区浅层地下水温度变化的分析，发现在1978～2001年的24 a间，研究区地下水温约上升1.3℃。区域浅层地下水位普遍下降2～4m，对其水温上升有抑制作用。因此，可以判定研究区地下水温上升主要是受气温上升(约1.5℃)的影响，同时也可以认为，浅层地下水温度的多年持续上升趋势也是对全球气温上升的有力佐证［27］。

通过50年来对三江平原水循环和气候变化影响的分析，得到了三江平原气候变化对地下水的影响主要体现在:区域降水总量呈减少趋势，但变化趋势不显著;区域温度上升，蒸发潜力增大;三江平原地温上升最为显著，冻土层变薄，冻土融通时间提前(缩短)55～62d，且冻土层融通后土壤水分的含水量较50年前有明显降低的趋势。耕地土壤含水量明显减少。这些变化均不利于地表径流的形成以及降水入渗补充地下水［28］。

3 气候变化条件下合理利用和管理地下水资源的对策

随着全球气候的变化，气候变化对地下水的影响也愈发明显。地下水资源是我国重要的淡水组成部分，尤其在用水矛盾日益突出的情况下，如何合理的利用与管理地下水资源，不仅影响到现在社会的发展，还会直接的影响到今后社会的发展方向与程度。为此，提出如下气候变化条件下合理利用与管理地下水资源的对策与建议。

3.1 减缓温室效应引起的全球气候变暖对未来地下水资源产生不利影响

气候变暖使得全球气温升高，这会给地下水资源产生很多不利的影响，如蒸发量增加，加大了地下水的排泄量;海平面上升，使海水入侵地下水的灾害加重等。大气中CO2含量的升高是引起温室效应的主要原因，因此要减缓温室效应引起的全球气候变暖就必须减少CO2的排放量。这就要求我们必须改变传统的能源发展观。一方面减少煤炭、石油的使用量;另一方面要大力开发新型无污染的新能源，如风能、水能、太阳能。与此同时还应加大对CO2有强大吸收能力的森林草地的保护，加快CO2地质储存的研究进程。

3.2 定量化研究气候变化和地下水之间的相互关系

虽然现在对气候变化和地下水之间的相互关系的研究还处于起步阶段，但随着研究的进一步加深，定量化的研究两者之间的相互关系是必然发展的趋势。如气温的升高或降低对地下水水位、水温、矿化度等的影响。同时当地下水水位、水温、矿化度等发生变化时，研究当地的气温有什么样的变化。如果能确定两者之间的相互关系，将有助于气候变化趋势和地下水资源变化趋势的预测。

3.3 应用高新技术开展地下水资源脆弱性的研究

通过对地下水资源脆弱性的研究，可以了解地下水中各要素维持地下水性状的可能性与趋势性，因而地下水资源脆弱性评价是制定地下水利用和保护综合措施的重要依据。因地下水脆弱性影响因素较多，且它们之间的相互关系还不明确。因此，应用高新技术对地下水资源脆弱性研究可以进一步的提高评价的准确性与可信性，为合理利用和管理地下水提供科学依据。

3.4 充分利用灌区地下含水层的调蓄作用

灌区内大规模引用地表水灌溉，产生入渗，导致灌区地下水位大幅度上升，使得有含水能力的非饱和土层充水转化为饱水带;或灌溉水入渗使原先很低的潜水位升高，占据了土壤中不含水的空间，成为地下水含水层［29］。该含水层在地表水充足时可以作为地下水库储存水资源;当地表水紧缺时，可以作为灌溉用水进行开采利用。

3.5 通过地表水与地下水的联合利用控制水盐平衡、涵养地下水源

地表水与地下水的联合利用直接影响着地表水和地下水水体的水质和水量。从水质方面来说，地表水对地下水进行补给时，地表淡水会稀释地下水;地下水排泄时，会将水中的盐分排到地表或地表水体中。从水量方而来说，地下水体接收地表水补给可直接增加地下水的储存量。所以地表水与地下水的联合利用可以控制水盐平衡、涵养地下水源。

3.6 节约农业、工业和生活用水

节约用水是我国走可持续发展道路的一项基本国策。对于农业，应大力推行先进的节水灌溉制度，将工程节水、管理节水和农艺节水技术相结合，促进水资源的可持续利用和农业的可持续发展;同时积极开展中－高盐度地下水安全灌溉技术的研究。工业节水主要是通过优水优用、废污水改造和中水回用等措施，实行定额供水、总量控制，提高用水重复利用率。生活用水要提高其重复利用率，同时还要通过经济手段强制节水。根据国内外经验，水价提高10%，对水的需求量可下降7%。

4 结语

由于地下水与气候变化的关系以及地下水的补给方式要比地表水复杂得多，由气候模型输出驱动各种形式的地下水水量平衡模型还不能对地下水进行有效预测。目前，气候变化对地下水影响的研究还是一个新的领域。但我们已对气候变化对地下水资

源影响有了一定的研究并取得了一定的成果。由于气候变化对地下水资源的影响越来越明显，日益突出的用水矛盾也迫使我们必须更加关注气候变化对地下水影响的研究，不断完善气候变化对地下水影响研究理论体系和研究成果，为在气候变化条件下合理利用和管理地下水资源提供科学依据与对策。

［1］高占义.气候变化对地下水影响的研究［J］.中国水利，2010，(8):8.

［2］王焰新，马腾，郭清海，等.地下水与环境变化研究［J］.地学前缘，2005，12(s1):14 －21.

［3］张文化，魏晓妹，李彦刚.气候变化与人类活动对石羊河流域地下水动态变化的影响［J］.水土保持研究.2009，16(1):183－187.

［4］刘春蓁，刘志雨，谢正辉.地下水对气候变化的敏感性研究进展［J］.水文，2007，(2):1 －6.

［5］刘君.利用环境示踪剂研究滹沱河冲洪积扇地下水补给强度及其变化［D］.中国地质科学院，2009V.

［6］EDMUNDS W M. Geochemical in the groundwater environment of rapid environment change［A］. KHARAKA，CHUDAEV. Water－Rock Interaction［C］.Rotterdam:Balkema，1995:3－8.

［7］YUAN D，CHENG H R，EDWARDS L，et al. Timing，duration，and transition of the Last Interglacial Asian Monsoon ［J］. Science，2004，304:575－578.

［8］王蕊，王中根，夏军.地表水和地下水耦合模型研究进展［J］.地理科学进展，2008，27(4):37 －41.

［9］胡立堂，王忠静，赵建世，等.地表水和地下水相互作用及集成模型研究［J］.水利学报，2007，38(1):54－59.

［10］杨忠山，窦艳兵，王志强.北京市地下水水位下降严重原因分析及对策研究［J］.中国水利，2010，(9):52 －54.

［11］张光辉，费宇红，张行南等.滹沱河流域平原区地下水流场异常变化与原因［J］.水利学报，2008，39(6):747－752.

［12］张世法.气候变化对海河流域水资源影响的研究与展望［J］.海河水利，1995，(6):10 －12.

［13］王庆平，刘金艳.气候变化和人类活动对滦河下游地区水资源变化影响分析［J］.中国水利，2010，(15):41 －44.

［14］谢正辉，梁妙玲，袁星，等.黄淮海平原浅层地下水埋深对气候变化响应［J］.水文，2009，29(1):30 －35.

［15］王业耀，白利平，王金生.气候异常对临汾盆地地下水系统的影响［J］.资源科学，2009，31(7):1168 －1174.

［16］黄冠星，孙继朝，齐继祥，等.鄂尔多斯地下水同位素组成与气候变化关系［J］.地球学报，2007，28(6):550－554.

［17］杨勇，郭华明.大同盆地地下水环境演化分析［J］.岩土工程技术，2003，(2):107 －111.

［18］郝永红，王玮，王国卿，等.气候变化及人类活动对中国北方岩溶泉的影响——以山西柳林泉为例［J］.地质学报，2009，(1):138－144.

［19］张燕君.西北内陆盆地环境变化对水资源影响分析［J］.干旱区资源与环境，2005，19(5):89 －92.

［20］胡汝骥，马虹，樊自立，等.新疆水资源对气候变化的响应［J］.自然资源学报，2002，17(1):22 －27.

［21］杨余辉.新疆三工河流域气候变化及水资源响应研究［D］.新疆师范大学，2005.

［22］苏里坦，张展羽，宋郁东，等.塔里木河下游土地沙漠化对地下水位动态的响应——建立沙漠化程度预测数学模型［J］.干旱区资源与环境，2005，19(2):62 －66.

［23］沈永平，王国亚，张建岗，等.人类活动对阿克苏河绿洲气候及水文环境的影响［J］.干旱区地理，2008，31(4):524－534.

［24］张文化，魏晓妹，李彦刚.气候变化与人类活动对石羊河流域地下水动态变化的影响［J］.水土保持研究.2009，16(1):183－187.

［25］刘洪兰，白虎志，张俊国，等.1957—2006年河西走廊中部气候变化对水资源的影响［J］.冰川冻土，2010，32(1):183－188.

［26］马金珠，陈发虎，赵华.1000年以来巴丹吉林沙漠地下水补给与气候变化的包气带地球化学记录［J］.科学通报，2004，49(1):22－26.

［27］方燕娜，林学钰，廖资生，等.吉林中部平原区浅层地下水温度对全球气候变暖的响应［J］.冰川冻土，2005，27(6):833－837.

［28］刘正茂，夏广亮，吕宪国，等.近50年来三江平原水循环过程对人类活动和气候变化的响应［J］.南水北调与水利科技，2011，9(1):68 －74.

［29］刘俊民.论渭北黄土原灌区地下水新含水层［J］.西北农业大学学报，1994，22(1):1 －6.

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

国家自然科学基金项目(51069016);新疆水文学及水资源重点学科基金(xjswszyzdxk20101202)。

贾瑞亮(1988－)，男，山西绛县人，在读硕士研究生，主攻方向:干旱区地下水利用与保护方面研究。