变化环境下的地下水动态响应研究进展

赵 芳, 2， 田质胜2， 冯一鸣， 姜 欣3， 沈 红4， 刘玉玉

(1. 济南大学 水利与环境学院， 山东 济南 250022； 2. 山东省水利勘测设计院， 山东 济南 250014； 3. 山东省水利科学研究院 山东省水资源与水环境重点实验室， 山东 济南 250014； 4. 清华大学 土木水利学院， 北京 100084)

近年来， 随着全球经济的增长， 对水资源的需求不断在增加， 人类对地下水的开采利用规模越来越大， 地下水危机凸显。 Mekonnen等[1]研究表明， 全球40亿人正面临严重的水资源短缺问题。 美国国家航空与航天局(NASA)发布的卫星图像显示， 世界上最大的地下蓄水层正在以惊人的速度下降。

Döll等[2]研究发现，全球地下水在2000—2009年期间以每年113 km3的速率枯竭，与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。过度利用地下水资源有可能造成极严重的后果，如地面塌陷、林地破坏、局地生态环境恶化等[3-4]。同时，极端降水、全球变暖、高温干旱等自然因子在系统内部驱动着地下水的变化，地下水的开采、水利工程的修建等人类活动也使地下水作出动态响应。本文中基于Web of Science数据库，按主题“groundwater response or groundwater influence”进行检索，自1980—2019年共检索到16 491篇文献。检索发现：地下水响应或影响的相关文献研究，自1980年1篇增加至2000年41篇；从2000年以来迅速增加，至2019年已达到1 802篇。同时，研究者关于自然因素和人为因素对地下水影响的研究所占比例相当。

如今，众多学者越来越重视地下水受影响后动态响应的研究，已经逐步成为水文、环境、生态等领域的研究重点，因此，针对复杂变化的环境和有限的地下水资源面临的枯竭以及污染问题，分析它们之间的动态机制和作用关系，探索有效的技术方法，研究地下水水位、水量、水质以及水温的变化，对未来制定水资源管理和保护相关政策，合理开发利用水资源有重要意义。

1 影响因子驱动分析

气候变化影响地表径流的变化， 从而可能引起地下水补排关系改变。 20世纪中期以来， 受到全球变暖趋势的强力驱动， 强降雨及异常高温等极端天气频率增大， 加上人类不合理开采利用水资源， 对地下水系统产生了诸多影响， 例如， 地下水位波动、 地下水储量变化、 地下水水环境以及地下水温变动等一系列水文环境响应， 已引起世界各国的关注。 影响区域地下水变动的主要驱动因子是地下水补给量与开采量， 而气候变化和人类活动是导致主要驱动因子变化的根本原因[5]。 下面主要从气候和人类活动2个方面对地下水的影响进行分析。

1.1 气候

1.1.1 降水

大气降水入渗是地下水补给的一个重要来源，降水对地下水影响的研究成果比较多。极端降水(或暴雨洪水)是降水的一种特殊情况，对地下水的作用也相对复杂。徐华山等[6]利用河岸带地下水理化指标变化，研究了地下水与洪水之间的响应关系。张光辉等[7]以海河南系平原为例，开展了暴雨洪水对地下水超采缓解特征与资源增量的研究。Liu等[8]针对三江平原进行了2013年特大洪水对浅层地下水补给量的估算。徐则民等[9]总结探讨了山区流域高盖度斜坡对极端降雨事件的地下水响应规律。极端降水对地下水系统的影响主要体现在地下水位上升、地下水储量补充、区域水文地质的改变等方面。不可忽视的是，极端降水的增加也容易使大量物质随径流入渗进入地下，导致地下水污染风险变大，因此，如何对极端降水进行合理利用、补充至地下并使地下水免受污染，是未来研究的一个重点内容。

1.1.2 高温、干旱

全球高温、干旱发生的频率正在不断增加，我国呈现的是由北方向西南地区蔓延的发展趋势[10]。气温升高导致蒸发量增大，部分地区特别是农业灌区，仅靠地表水资源不能满足干旱年和连续干旱年的供水要求，促使人类过度开采地下水资源，使得地下水被抽取的速度快于补给的速度，致使水位下降，产生地下水降落漏斗、地面塌陷等现象。多项研究表明，气象干旱对地下水位下降起到正反馈作用[11]。

近年来，一些学者关于全球气候的研究有了新的成果，得出了新的结论。Gramling[12]指出，全球平均气温一直在持续上升。高温对地下水的水温产生了影响，由于潜水含水层埋深较浅，受温度变化较大，因此高温条件下浅层地下水的温度会升高。Menberg等[13]分析表明，德国地下水温度随全球变暖而产生细微上升。林学钰等[14]通过研究指出，水温的变化与气温的变化接近一致，也说明高温与地下水水温为正相关关系。Fischer等[15]研究发现，气候变暖可能会导致极端天气；Wasko等[16]研究成果表明，气温变高可能使澳大利亚洪灾发生风险增大；而Yang等[17]研究人员发现，全球变暖将给中国北方带来更多的雨水。由此可以看出，气温升高可以影响到降水或洪水的发生，这又间接影响着地下水资源的分布。

1.2 人类活动

从几千年或更长尺度的气候史来看，很久以前更加干旱少雨的异常气候都没有导致类似现在的地下水危机，这也说明人类活动在环境效应方面起着重要作用[11]。

1.2.1 开采地下水

随着经济的快速发展和人口的不断增长，工农业生产、居民生活用水需求量不断增大，水资源供需矛盾日益突出。地下水具有水量稳定、就地开采、见效快等优势，已经成为部分地区重要的开采水源[18]。费宇红等[19]和杨怀德等[20]通过关联度和相关分析，得出人类开采地下水是影响地下水水位下降的绝对主导性因子。Wada等[21]研究表明，全球不可再生淡水消耗量在1960—2010年期间增加了50%，主要原因是农业大国的灌溉超采。大型水源地长期过度开采地下水会改变地下水的水化学场，引起地下水污染物迁移、水质变差等[22]。刘君等[23]研究表明，我国北方区域大规模开采地下水，增大了地下水的污染风险和污染程度。如何合理开发利用地下水资源，是地下水资源保护与恢复的主要内容之一。

1.2.2 土地开发利用

人类的土地开发利用活动，会对地下水产生一定的影响。程立平等[24]研究了长武黄土塬区的土地利用，发现土地利用率提高，地下水补给量减少，地下水水位下降。Taylor等[25]通过研究发现，位于美国(Minneapolis-St.Paul)明尼阿波利斯 -圣保罗纬度的土地利用率较高的发达市区的地下水温度比同纬度土地利用率较低的地区的高。

为了扩大空间，世界沿海地区通过围填海来解决日益严峻的“土地赤字”问题，主要包括盐田开发、水产养殖、临港产业集群、近岸油田开采以及滨海旅游等[26]。受这些人类活动的影响，海陆水交换平衡被打破，地下水补给、径流和排泄条件都被改变，导致地下水系统变化，造成海水入侵、地下水咸化以及盐渍化等问题。许士国等[27]着重分析了填海造陆对地下水盐环境的影响，并提出一些对策措施。Liu等[28]研究了莱州湾地区围填海工程，对近岸地下水水流和水质的影响。围填海活动改变了地表水、土壤及地下水系统之间的水力联系，改变了地下水环境，而地下水量 -水盐运移机理已成为目前研究的一个难点[29]。

1.2.3 水利工程

随着水资源以及水环境健康问题的出现，河湖水系连通工程、河湖湿地生态修复工程等成为新形势下的治水方略[30-31]。水利工程对地下水的影响也比较复杂：一方面，水系连通工程可以有效补偿地下水，改善水生生境和生物的生存空间，修复连通区域及其周边的生态环境。如崔广柏等[32]以常熟城区为例进行研究，对水系连通改善区域水质和水环境进行了评估。另一方面，连通工程也会使地下水循环发生改变，影响土壤水盐的水平和垂直运动，导致土壤盐渍化，特别是调水区和输水沿线，可能会引发一系列的水污染和水环境问题。夏继红等[33]经过对水系连通性的研究指出，过高的水系连通性会使污染物的污染范围扩大，产生局部的生态环境恶化等生态及环境问题。如何合理地实施河湖水系连通工程，使工程发挥优良的生态效应，是未来研究发展中必不可少的重点内容。

2 研究方法和技术

随着气候变化和人类活动的影响，地下水动态响应趋于复杂化，研究方法和技术也不断增多，主要有统计分析、实验(或试验)验证、同位素技术、温度示踪、模型模拟等，涵盖地下水与诸要素的相关关系、 地下水资源估算、 地下水补给量推求、 地表水 -地下水转化、 地下水水化学运移等。

2.1 典型统计分析

统计相关分析法是一种通用的方法， 可以直观地反映地下水与其他要素的相关关系， 表现在明晰地下水位埋深变动、 地下水资源量与开采量、 降水量以及径流量等的相互关系上。 王电龙等[34]采用相关回归分析法研究发现， 随着人类开采影响增大，单位人类开采影响强度所引起的地下水位和漏斗面积的变化幅度愈大。 危润初等[35]采用双向回归突变分析方法， 同时结合标准化降水指数(SPI)分析黑龙江建三江地区地下水水位下降趋势的突变与灌溉面积的响应关系。 Lehr等[36]利用主成分分析法探寻河流生态修复前后河流与地下水两者之间的水力联系。 同时， 结合其他数学方法， 可分析区域地下水资源变化趋势。 例如， 刘志国等[37]利用灰色系统预测河北省地下水资源开采趋势； 杜尚海等[38]应用模糊数学和多维联合分布概率计算滹沱河地下水库的补给水量。 这些研究内容和方法为地下水资源合理利用与配置提供了依据。

2.2 室内、室外实验(或试验)

国内外相关文献中通过人工设计不同的实验(或试验)来模拟验证不同变化情景下(例如降水强度、地下水开采强度以及水文地质条件等)的地下水响应规律。Wise等[39]采用抽水 -地下水位响应试验来判断沼泽湿地与地下水之间的联系；林学钰等[40]通过室内实验模拟研究得出人工回灌水量与地下水水质之间的关系；张增勤等[41]利用引水 -大水淹没 -积水入渗试验方法，对滹沱河河道的石家庄段进行了1.8×107m3水量的雨洪补给地下水的研究。由此可见，室内外实验(或试验)为不同条件下的地下水响应研究，提供了可靠性数据。

2.3 水化学同位素技术与温度示踪法

水化学同位素技术主要用于地表水与地下水的关系及两者间转化模式、 地下水补给来源以及地下水更新能力的研究。 王希义等[42]利用稳定同位素技术， 研究了塔里木河下游地表水对地下水的转化率。 Rautio等[43]应用同位素技术研究了芬兰Pyhajarvi流域的湖泊水和地下水的交换作用， 采用水量平衡及同位素质量平衡法估算了地下水对湖泊的贡献量。 Trauth等[44]利用水化学和同位素方法对河流和河岸地下水之间的相互作用进行了探索， 发现增加河水与河岸带地下水渗透可以促进脱氮作用， 对硝酸盐的去除具有重要的意义。 袁瑞强等[45]借助氚同位素， 结合数学物理模型估算了白洋淀流域非承压地下水的更新速率。 贺国平等[46]利用氮、 氧同位素特征， 结合水化学方法对永定河冲洪积扇地下水中硝酸盐的来源进行了识别。 利用水化学同位素可以定量描述地下水水化学的运移， 为地下水污染的防控提供科学依据。

温度示踪法主要应用于表征地下水的水化学运移、 地表水与地下水的相互转化， 计算地下水流速以及研究工程中地下水渗漏情况。 马瑞等[47]和李英玉等[48]利用温度示踪法， 研究了地表水与地下水的作用机制。 Tristram等[49]借助2种温度示踪技术， 研究了冰岛南部冰川前冰期的地下水交换格局。 由此可见， 示踪技术在地下水研究中的运用已经愈来愈广泛。

2.4 计算机水文模拟模型

水文模拟模型具有高效、便捷、精度高等优点，已成为研究模拟地下水文过程响应的最有效工具之一。Keilholz等[50]和卢小慧等[51]利用MIKE SHE软件，分别对塔里木河中游土地利用与气候变化作用下的地下水响应、丹麦Skjern流域上降雨入渗补给地下水水文响应的滞后效应进行了研究。Diem等[52]利用有限元地下水数值模型(FEFLOW)和参数优化模型(PEST)对河流与地下水之间的交互作用进行了模拟和研究。田世英等[53]利用三维有限差分地下水流数值模拟(MODFLOW)模型，模拟漫滩洪水补给泾渭滨河湿地地下水。由此可见，计算机水文模型在国内外已有较好的发展，也逐步成为未来水文研究中的主要方法和技术。

Gleeson等[54]将各国收集到的地下水数据与全球水文模型相结合，提出一种新方法测量世界各地相对含水层供给的地下水使用量的地下水足迹法，可清楚地监测地下水枯竭的状况。张凯等[55]采用地下水足迹法，对华北平原农业地下水资源的消耗进行了分析。地下水足迹法为国内外研究地下水利用量和水储量提供了一种有效的途径，随着该方法的不断发展完善，可为未来地下水研究提供一种新的思路。

2.5 综合方法

综合研究地下水动态响应机制，反演陆地水储量还可利用重力恢复和气候实验(GRACE)卫星，以及全球定位系统(GPS)、 遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等3S技术手段。孙才志等[56]利用ArcGIS软件，对下辽河平原地下水脆弱性进行了相关分析。Döll等[2]结合利用GRACE卫星和WaterGAP软件模拟地下水净化、地表水地下水补给情况等，来探索地下水枯竭的现象。许朋琨等[57]和李爱华等[58]基于GRACE卫星时变重力场，研究了青藏高原、雅鲁藏布江流域和黄河中游地区水储量变化。Rahmati等[59]基于GIS数据和有关模型方法，对研究地区进行了地下水位测绘。

高分辨率对地观测卫星(简称高分卫星)遥感是目前水资源研究领域的新兴技术，该技术使我国高分辨率数据的自给率大幅提高，主要用于大面积水环境监测、确定地下水系统边界、与地下水数值模拟进行耦合，进而分析地下水相关问题等。目前，将高分卫星遥感技术与模型相结合在我国已逐渐应用于各个领域，如程乾等[60]利用高分一号卫星数据建立了有关模型对杭州湾河口跨海大桥水域悬浮泥沙浓度进行反演，但在与地下水数值模拟进行耦合以应用于地下水方面的研究尚少。高分卫星也为地下水资源领域研究提供了数据保证，如Wan等[61]利用高分一号卫星得出青藏高原湖泊数量和大小的2005年子数据集，以便进一步研究地下水与地表水水分交换运移作用。由此可以看出，提高高分卫星数据的精确度并充分应用于地下水数值模拟中，更精确地进行地表水水文过程与地下水动力过程的耦合模拟也是未来发展的一个前沿和热点。地下水响应研究方法的比较见表1。

表1 地下水响应研究方法

3 结语

未来气候变化会导致全球水资源重新分配，可能进一步加剧全球淡水资源的安全供应问题。气候变化和人类活动的共同作用改变了地下水系统的原有状态，使其水位、水量、水质以及水温等发生改变。国内外研究人员对地下水进行了一系列的研究并取得了丰硕的研究成果，然而，在变化环境对地下水影响的不确定性分析、各种胁迫效应的应对措施、研究技术等方面尚存在不足。综合以上各方面考虑，建议在以后地下水的研究中加强以下几部分的工作：

1)变化环境和人类活动对地下水各方面影响的不确定性研究以及归因定量分析。由于环境变化与人类活动具有动态性和复杂性，使得地下水变化具有不确定性，而且两者之间又有着不同程度的密切关系，在研究中无法有效分离两者对地下水的影响，影响了变化环境对地下水响应评价的准确性，因此，如何增强对这些不确定性因素的定量化，采用何种手段可将两者对地下水影响程度进行精确的定量描述，准确地量化各自影响的贡献比是未来研究的热点和难点。

2)完善应对和缓解各种因子对地下水系统胁迫效应的措施，有效保护利用地下水资源。如针对地下水水位持续下降、水量减少以及地下水水质污染等问题，一些地区采用修建地下水库、水系连通、植被缓冲带和湿地生态修复等措施。同时，新的地下水管理方法，如从地下水功能属性出发构建地下水功能区划体系并制定相应管理指标，虚拟水战略等可以科学地调度地下水资源，因此，应当不断更新地下水保护理念，完善保护措施，减小变化环境和人类活动引起的负效应。

3)推进和发展地下水研究技术，深入研究变化环境模型和地下水模型的双向耦合技术，提高两者之间尺度的转化和精度。新兴的高分卫星遥感等技术为研究提供了更广泛的数据，但在解译精度和耦合嵌入等方面尚未完全成熟。如何将3S技术与地下水数值模拟等进行更好地耦合，以分析地下水问题是未来发展的一大热点。此外，联合理论分析、实验验证和各种技术，从宏观到微观进行地下水水储量变化、水质迁移转化、地表水与地下水资源联合优化配置的研究，分析变化环境下地下水的动态响应已成为未来研究的主要趋势。