青藏高原地下水的来源、分类、研究动向及发展趋势

郭凤清，曾辉，丛沛桐

(1.山西农业大学 城乡建设学院，山西 太谷 030801； 2.北京大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055；

3.华南农业大学 水利与土木工程学院，广东 广州 510642)



青藏高原地下水的来源、分类、研究动向及发展趋势

郭凤清1，曾辉2，丛沛桐3

(1.山西农业大学 城乡建设学院，山西 太谷 030801； 2.北京大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055；

3.华南农业大学 水利与土木工程学院，广东 广州 510642)

摘要：以青藏高原地下水的来源、分类、研究动向为基础，对青藏高原地下水利用方面的研究新趋势进行综述：(1)青藏高原地下水因补给来源不同分为两类，即外界补给的冰雪融水和大气降水、地球内部生成的地层内生水；(2)青藏高原地下水类型按照不同的划分指标有不同的分类，按照地下水埋藏深度分为浅层地下水和深层地下水，按照地下水用途分为水质较好适合生活用水的饮用水和水质较差的不可饮用水，按地下水形成的主导因素分为外源型地下水和受新构造运动及构造体系控制的地下水；(3)青藏高原地下水研究的新动向主要集中在宏观层面的青藏高原地下水参与深循环研究、交叉学科层面的放射性元素/同位素研究和水利经济学层面研究。针对青藏高原地下水利用方面状况，指出了青藏高原地下水研究的发展趋势，即构建青藏高原地下水信息平台，开展以地下概念水库为基础，用虚拟水的手段平衡青藏高原及其源头河流中下游的水资源研究，以期为虚拟水的实施提供技术支撑平台。在青藏高原需水量增长和高原源头河流中下游地区日益缺水的形势下，可为科学利用地下水，以及开展青藏高原地下水研究提供一种崭新的视角。

关键词：青藏高原地下水；地下概念水库；虚拟水；发展趋势

青藏高原的冻土退化随着全球气候变暖显著及人类活动增加而日趋严重，青藏高原冻土区水文循环也随之发生了改变，进而影响了青藏高原地下水。青藏高原地下水的变化对该地区及中国水资源的管理提出了严峻的考验。研究青藏高原地下水，一方面具有缓解该区旱季的缺水状况和探明该区地下水资源分布规律的现实意义；另一方面，规划和管理好该区的地下水资源，对改善该区的生产生活条件、改善生态环境、促进区域经济社会可持续发展具有十分重要的意义。同时，研究世界上海拔最高高原的地下水，本身对于研究者和学术界来说具有挑战意义。

近几十年来，运用野外考察、实验室研究分析、数值模拟及假说推演等科学手段对青藏高原地下水进行“擦边”研究的文献数量已逾百篇。这些文献从环境、气候、工程地质、防灾减灾、管理学等领域的实际面临问题出发进行分析阐述，解决和提出了一些有关青藏高原地下水方面的重大科学问题。本文重点对青藏高原地下水的来源、类型和研究的新动向作了对比梳理；在做出青藏高原地下水利用方面总结的同时指出了青藏高原地下水研究的新趋势，提出青藏高原地下概念水库的设想，以期为虚拟水的实施提供技术支撑平台。在青藏高原需水量增长和高原源头河流中下游地区日益缺水的形势下，为科学的利用地下水，本文为开展青藏高原地下水研究提供了一种崭新的视角，即以地下概念水库为基础，用虚拟水的手段平衡青藏高原及其源头河流中下游的水资源。

1青藏高原地下水研究回顾

目前对青藏高原地下水进行研究的专家学者大多从综合领域展开，并且对地下水的研究有些文献只是作为一部分涉及。刘东生等从青藏高原的地质及冰期领域出发研究了地下冰与温度变幅的关系，此研究的核心是围绕青藏高原地下钻探得到的300 m冰芯[1]；王绍令等利用氚同位素在水中的含量推断青藏高原地下水的循环特征，埋藏越深的地下水同位素含量越低，说明水体循环越慢[2]；虞震东从地震角度说明了青藏高原地下水的来源之一和地下水冷热异常的成因[3]；程国栋等从冻土角度研究了青藏高原地下水的补给、径流、排泄及其理化性质[4]；陈建生利用同位素及钻孔资料发现青藏高原存在大量深层地下水，并推断这些地下水参与了内蒙古高原、华北平原的深层地下水大循环，这也是黄土高原风尘颗粒能持续沉积的原因[5，6]；毕焕军结合青藏铁路建设勘察的地下水资料，对多年冻土区地下水的开发利用前景进行了分析并提出地下水的开采参数[7]；赵林等依据青藏公路、青藏铁路多年冻土区的钻孔资料，分析研究得出青藏高原多年冻土平均厚度38.79 m，平均含水量17.19%，估算出青藏高原地下冰的总储量为9 528 km3[8]；折书群等从矿区工程勘察水源的数据发现,藏东峡谷区岩溶地下水含水层厚度不大，地下水库容不大，但地表水与地下水交替运动频繁，地下水的补给充沛[9]；康小兵等依据阿里地区的地质背景和地质资料研究发现，阿里地区第四系地下水资源分布从南往北依次减少，到中北部大范围地区为干旱区[10]；张志攀利用羌塘盆地各泉点资料分析得出，泉水主要来自大气降水，但表现出受深部油气藏影响的特征，可能与深部天然气水合物相关，预示这样的地下泉水—含Ⅱ型天然气水合物的水有指示油气田储藏地的作用[11]；库新勃等利用GIS平台建模和地温钻孔资料回归分析，得出青藏高原天然气水合物集中在羌塘盆地西北部，储量可观[12]；吴青柏等根据冻土条件和天然气水合物形成的热力学条件,估算得到天然气水合物最浅的顶层界埋深为74 m左右，最深的底层界埋深达上千米[13]；南卓铜利用遥感数据和扩展地面冻结数模型，通过模拟的方法得出青藏高原多年冻土下限深度由东南-西北向逐渐加深，分为小于30 m、30～50 m、大于50 m 3个级深，这是地下水埋深的上限[14]；刘建刚[15]从地下水幔源氦同位素特征、巴丹吉林沙漠湖泊中钙华幔源碳特征方面验证了巴丹吉林沙漠湖泊得到了青藏高原深层地下水的补给，这也是对陈建生之说的有力支持；胡海涛等[16]依据青南-藏北高原的水文普查及勘探数据，认为高原多年冻土区，储藏着大量的地下水资源，且水量大，水质良好，可开发为大中型的供水水源，同时也得出结论，新构造运动及构造体系是青南-藏西高原地下水及水文网的控制因素和推力。

戴长雷等对中国近年基于试验的寒区地下水研究做过综述，主要内容包括：冻融过程中土壤水热盐迁移试验；冻土水理性质试验；在东北、西北、青藏高原等寒区开展的应用类试验；相关试验仪器、试验方法的研究[17]。

目前对青藏高原地下水研究的单项综述和青藏高原地下水来源、地下水深循环、地下水利用等方面研究的综述欠缺，本文将从以上三方面对青藏高原地下水研究作一梳理和分析，并从地下概念水库和虚拟水视角对青藏高原地下水利用做展望。

2青藏高原地下水的来源

青藏高原号称“亚洲水塔”，是中国及亚洲大江大河的主要发源地，而这是与其高亢的海拔和丰富的水资源特点分不开的。青藏高原的地下水是其水资源的重要组成部分。由于高原自然条件的制约，地下水相比地面水资源略显神秘。青藏高原地下水的来源比较复杂，但大致可以分为两类，冰雪融水和大气降水、地层内生水。

2.1冰雪融水和大气降水

青藏高原丰富的冰雪融水和大气降水为地下水提供了补给，青藏高原地下水的形成是和多年冻土密不可分的。多年冻土地下水分为冻土层上水、冻土层中水、冻土层下水。基岩类冻土层上水通过风化裂隙和构造裂隙接受大气降水和冰雪融水的补给，多年冻土层构成相对稳定的隔水层，垂直入渗条件差。大气降水、地表水和浅层地下水只有通过局部融区或断裂破碎带侧向运移补给深层地下水。山区是地下水的主要补给区，盆地和谷地是地下水的主要径流、排泄区。冻土层下水径流较滞缓，基岩裂隙水循环较快，碎屑岩类的孔隙水补、径、排条件差，而松散岩类孔隙水的补、径、排条件较好[4]。总之，依靠冰雪融水和大气降水为来源的青藏高原地下水具有埋藏浅、水质好、循环周期短的特点，但随着冻土退化，青藏高原地下水呈径流不稳定、埋藏加深、循环周期变长、水质恶化的趋势。

2.2地层内生水

按照“地下存在核燃烧核聚变”之说，地下核燃烧在影响所及的范围内，异常的高温会把部分岩石烧成岩浆，而这个高温烧灼岩石的过程会使岩石析出结晶从而产生地下水，这部分内生的地下水一部分直接在原地积累储存，另一部分在承压作用下会沿着岩层裂缝上升、积累形成较浅的地下水[3]，这种地下水具有水质差、循环慢的特点。在非理想状态下，这种地下水含有地表水通过复杂途径、漫长时间入渗后的成份。但按照陈建生的观点，青藏高原的深层地下水是参与了内蒙古高原和华北平原的地下水循环的，那么水质差和循环慢的非理想状态下地下水特点恰好和理想状态下的地下水特点相反，即按照程国栋和虞震东深层地下水之说，其水体循环慢、水质差，而按照陈建生深层地下水参与循环说，其水体循环快、水质好。虞震东还指出，地下核燃烧核聚变会产生氡元素，因为它的沸点是-62 ℃,所以它产生时就是气体，这种氡气体会沿着岩石裂缝上升，所到之处，会使地下水强烈降温结冰；同时若地质条件许可，在氡气上升的相邻或相近处,核燃烧产生的热能会加热承压地下水，形成地热温泉，这样同一区域就可能同时存在天然冰和温泉。国内一些地方存在咫尺之内冰火两重天的地质现象(如山西省宁武县的万年冰洞和温泉同处一地)或可归因于此。

3青藏高原地下水分类

3.1按埋藏深度分类

根据目前研究，青藏高原的地下水类型按埋藏深度可分为浅层地下水和深层地下水。浅层地下水又可分为冻土层上水、冻土层中水、冻土层下水。其中，冻土层中水和冻土层下水可再细分为冻土层内水、冻土层间水、融区通道水、与多年冻土下限直接接触的水、与多年冻土下限不接触的水[4]。其中与多年冻土下限不接触的水就是标准的冻土层地下水。

深层地下水在青藏高原有两种，一种是准深层，即深埋于基岩类冻土层下的水，这类地下水的埋深大致在12～70 m之间，其水质的溶解性总固体成份较高，因而水质较差；另一种是深层地下水，这类地下水埋深在400～1000 m或更深，有学者指出这类地下水参与内蒙古高原和华北平原的地下水大循环，从这些学者提供的证据即水体中所含同位素和放射性元素的成份(氚、氦)看，这又逆向映证了深层地下水的一种来源是岩层岩浆化和岩石结晶产生的水，同时也辅证了地下核燃烧核聚变之说成立的可能，这种可能是与青藏高原深层地下水参与深循环的假设互相依存的。

3.2按用途分类

按地下水的用途，青藏高原地下水可以分为水质较好适合生活用水的浅层水及一部分深层水、水质较差的深层水、埋藏较深并且和天然气水合物混存的地下水。这样的分类是在青藏高原铁路修建、工程建设、油气田勘探、居民点勘察地下生活用水等基础上展开的[8，9,13]。适用于生活用水的地下水一般具有溶解性总固体成份低、埋藏浅、循环周期短的特点；不适合生活用水的深层水具有溶解性总固体成份高、埋藏深、循环周期长的特点。参与深循环的埋藏深的地下水是否适合生活用水值得商榷。而含天然气水合物的地下水，主要分布在羌塘盆地，其埋深在70～1 000 m之间，这种地下水还会与泉水结合出露地表。具有现实意义的是，这种地下水有指示油气田的作用[11]。

3.3按地下水形成的主导因素分类

按地下水形成的主导因素划分，青藏高原的地下水可分为两大类，一类是受冰雪融水和大气降水形成的外源型地下水，这是目前普遍可利用、易勘察的地下水；另一类是受新构造运动及构造体系控制的地下水，这类地下水自成体系，构成了一个独特的地下水文网，是今后研究的前沿领域[16,18]。外源型地下水受自然条件影响大，与自然环境的相关性密切，目前其水文水动力特征方面的研究已经日趋完善和成熟，在此基础上应该加强研究水利化、数字化、可视化的管理、应用及保护平台；而另一类深层地下水，由于自然条件和技术条件的制约，其各项研究均处于起步阶段，研究的方法仅限于假说、推理和试点钻探取样，目前青藏高原地下水研究深度没有超过1 000 m。

4青藏高原地下水研究新动向

4.1宏观层面研究

陈建生等从青藏高原的地下水参与深循环研究为切入点，把青藏高原地下水与周边的内蒙古高原、黄土高原、华北平原等区域的地下水联系起来[5，6]，此等研究不仅在一些有力证据的支持下有一石激浪的效果，而且是符合哲学普遍联系的规律，这一点李四光先生在他的地质理论及中国勘探石油经验中早有提及[19～21]。

同时还有从宏观层面展开研究的。刘建刚认为[15]，地下水幔源氦同位素特征和巴丹吉林沙漠湖泊中钙华幔源碳特征是青藏高原地下水通过深循环方式补给巴丹吉林沙漠的理论依据。胡海涛从新构造运动及构造体系的高度出发[16]，认为青藏高原地下水及地下水文网是受新构造运动体系控制的。

4.2交叉领域研究

虞震东等假设地下存在核燃烧核聚变，通过寻找有力证据，在放射性元素和同位素证明假设可能的情况下，无意的旁证了青藏高原地下水的另一个来源——地层内生水[3]，同时也通过核燃烧释放强制冷的氡气体为地下水异常变冷结冰提供了一种解释。

而程国栋则从水利和经济学角度提出了青藏高原地下水利用的“虚拟水”解决方案。虚拟水方案是直面青藏高原极端脆弱的生态环境，但也不回避青藏高原经济建设用水量的日趋飙升，对青藏高原的水资源作出的统筹计划。“虚拟水”的计算[22]同生态足迹一样，是尝试采用账户的方式解决水资源在社会经济系统中的迁移转换。但虚拟水的配套实施平台滞后，突出滞后的是技术和水资源信息平台。

5结论和研究趋势

5.1结论

青藏高原的地下水研究目前是很多专家学者的“副业”，许多研究成果是其它研究领域的附带内容，比如冻土、地质地震、环境科学、工程、生态等领域是主要涉及青藏高原地下水研究的学科，如何引导和重视青藏高原的地下水研究是学术界应该关注的问题；青藏高原地下水研究由于受自然条件和技术条件限制，对其全面深入的勘探极具挑战；青藏高原的地下水温度及其理化性质与高原气候及生态变化密切相关，应注重以地下水为主的相关研究；在条件允许的情况下，应尽快展开青藏高原1 000 m以下深层地下水的实验研究。

5.2研究趋势

5.2.1构建青藏高原地下水信息平台

至今对青藏高原地下水的研究，各方面的研究都缺乏一个资源共享、数据连通的平台。无论是地下水的平面分布，地下水的水质差异，地下水的补、径、排特点，地下水的同位素含量、放射性元素含量，还是地下水的循环状况，都处于无序和数据封闭状态。特别是像程国栋先生提出的“虚拟水”，这是实现青藏高原水资源安全的战略措施，但它缺乏支撑的技术和信息平台。因此，构建青藏高原地下水信息平台是今后研究的一个重要趋势。

5.2.2开展青藏高原“地下概念水库”研究

青藏高原“地下概念水库”思想，主要内容就是假定青藏高原地下水是具有实体水库特征的地下水库。“地下概念水库”是水资源在工程学意义上的定位。“地下概念水库”需通过技术手段检测和测定，如运用探地雷达、同位素/放射性元素测定的技术方法，收集青藏高原尽可能多的地下水的信息特征，基于地理信息系统(GIS)平台，建立数字化的水体模型和数据库。

5.2.3开展“虚拟水”视角下的青藏高原地下水研究

“虚拟水”是水资源分配在经济学和管理学意义上的定位。运用可综合考虑用户端与供给端，可用于流域及城市区域，以解决水资源需求分析、水权及排污权的分配等诸多水务管理问题的WEAP(Water Evaluation and Planning System) 模型[23～25]，开展“虚拟水”统筹规划，使青藏高原地下水资源的研究和利用实现数字化、可控化[26]，进一步把青藏高原地下水从神秘的研究对象转变为资源化、水利化的普通自然水体[27～32]。

5.2.4开展“地下概念水库-虚拟水”相耦合的青藏高原地下水研究

“地下概念水库-虚拟水”相耦合的青藏高原地下水研究思路，可概化为图1结构图。

从“地下概念水库”到“虚拟水”是青藏高原地下水资源探明“家底”到合理利用的必由之路，只有利用冻土、地质、水文、资源环境、地球物理等学科的理论和技术搭建起“地下概念水库”的数据库，才能给“虚拟水”的分配方案提供技术支持；同时，辅以虚拟水的经济学、管理学手段才能使青藏高原地下水利用达到“物尽其材”的效果。

图1　“地下概念水库-虚拟水”视角下青藏高原地下水研究流程图Fig.1　Basic chart of research ideas about “underground conceptual reservoir-virtual water” on the Qinghai-Tibet Plateau

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(编辑：梁文俊)

Sources, classifications, new research development and tendency of the groundwater on the Qinghai-Tibet plateau

Guo Fengqing1, Zeng Hui2, Cong Peitong3

(1．CollegeofUrbanandRuralConstruction,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China; 2．SchoolofShenzhenGraduate,PekingUniversity,Shenzhen518055，China; 3．CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642，China)

Abstract:Based on the groundwater sources, classifications and new research development, our work mainly reviewed the research trends of the groundwater on the Qinghai-Tibet Plateau. (1) The groundwater of the Qinghai-Tibet plateau comes from the external ice and snow melt water and atmospheric precipitation, the internal formation water generated within the earth. (2)There are different types of classifications of the groundwater on the Qinghai-Tibet Plateau according to the different indicators. (3) The new research development of the groundwater on the Qinghai-Tibet Plateau mainly focuses on the macro level of deep groundwater circulation on the Qinghai-Tibet Plateau, the interdisciplinary level of radioactive elements/isotope and water conservancy and economics. On the basis of the use condition of the groundwater of the Qinghai-Tibet Plateau, the research trends are proposed, for example, the groundwater information platform of the Qinghai-Tibet Plateau is built, the underground conceptual reservoirs are developed, and the virtual water of the Tibetan plateau is balanced, which will provide technical support for the implementation of the virtual water platform. Our work could offer a newer perspective to study on the groundwater of Qinghai-Tibet Plateau.

Key words:The groundwater of Qinghai-Tibet Plateau; Underground conceptual reservoir; Virtual water; Development tendency

中图分类号：P9

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)03-0160-06

基金项目：国家973重大科技计划项目(2013CB956303)；中国博士后科学基金项目(2013M540815)；山西农业大学人才引进项目(2014YJ07)

作者简介：郭凤清(1974-)，女(汉)，山西盂县人，讲师，博士后，研究方向：水文生态学

收稿日期：2015-11-21修回日期：2015-12-21