全球地下水资源开发利用特点及主要环境问题概述

马宝强，王 潇，汤 超，马建源

（甘肃省生态环境科学设计研究院，甘肃 兰州 730020）

地下水是全球最大的可用淡水资源[1]，是水资源的重要组成部分。与地表水相比，地下水具有水质优、分布广、不易污染等诸多优点，在保障人类用水安全方面发挥着不可替代的作用；特别是在占全球陆地面积15%的干旱半干旱地区，地下水更是可靠的水资源。全球用水量35%来自地下水，其中农业、生活和工业用水量最大，有力保障了世界粮食安全和超20亿人口的生活饮水需求[2]。在干旱、洪水等极端气候变化更频繁和更强烈的背景下，由于地下水资源的稳定性和可调节性，其价值越来越凸显，对于保障现代全球供水和粮食安全尤为重要。此外，地下水在维系生态系统和谐、保障河流基流和防止海水入侵，以及地面沉降等方面发挥着重要的环境价值功能。

然而，地下水作为一种隐形资源，它的资源环境功能和环境污染问题被长期忽视和低估，人类活动已经对地下水造成了严重影响，导致印度西北、美国中部和我国华北平原等地区含水层面临严重的水资源枯竭问题[3]。地下水一旦发生人为破坏或污染，修复治理难度非常大，不仅修复时间长，而且成本高，甚至无法完全修复。为保护地下水，让更多人关注地下水资源环境，2022年世界水日的主题定为“珍惜地下水，珍视隐藏的资源”（Groundwater:Making the Invisible Visible）。未来随着全球人口增长和经济社会发展以及气候变化，人类对淡水的需求会越来越大，淡水供应也会趋于紧张。因此，本文从全球尺度宏观分析地下水资源特点及其环境问题，让更多人能够认识地下水，重视地下水，保护地下水，进而让地下水资源更好地支撑人类社会与生态系统的健康稳定和可持续发展。

1 全球地下水资源及其开发利用现状

地下水分布非常广泛，储量丰富，是全球最大的可用淡水资源，占全球可用淡水资源的96%，其储存量远远大于湖泊及河流中的淡水总量，体积是全球淡水湖泊和河流的100倍[4]。全球地表2000 m以浅地下水资源量约2260万km3，其中10万～500万km3为现代地下水（0～50 a）。如果将现代地下水全部开采出来，可以平均覆盖地球陆地表面3 m厚度[5]。全球大型区域含水层主要包括美国加利福尼亚中央峡谷含水层、高平原含水层，南美洲瓜拉尼含水层、北非撒哈拉西北部含水层及其东部努比亚砂岩含水层，印支平原含水层，以及我国华北平原含水层和澳大利亚大自流盆地含水层等[1]。

全球很多国家都在大规模开采地下水，开采量约为1000km3/a，其中支持农业灌溉、生活用水和工业用水的分别为67%、22%和11%（图1）[6]。从用水量来看，农业灌溉、生活用水和工业用水地下水用水量分别占其总用水量的43%、37%和24%[7-8]。全球地下水开采量最大的国家主要是印度、中国、美国、巴基斯坦和伊朗等15个国家[9]（图1），其中，印度地下水开采量最大，为251 km3/a。地下水开采主要用以支持农业灌溉，用水量最大的是小麦和水稻，主要分布在美国、墨西哥、中东、北非、印度、巴基斯坦和中国等国家或地区[3]。与印度、中国和美国等国家开采地下水主要用于农田灌溉不同，印度尼西亚、俄罗斯和泰国等国家[9]，地下水开采主要用以保障生活用水，占地下水总开采量的60%～93%；特别是北欧国家丹麦的生活用水、农业用水和工业用水等用水绝大部分来自地下水[10]。中国地下水资源量占全国水资源总量的1/3，供水量接近全国供水总量的20%，在保障华北和西北等北方缺水地区城市及农村供水安全方面发挥着独特作用。

图1 全球地下水年开采量最大的15个国家[9]和地下水利用结构[6]

2 全球地下水资源环境问题

2.1 全球地下水超采问题

地下水超采是人类过度开发利用地下水资源引起的全球性环境问题，其原因主要在于地下水资源的开采量远大于地下水资源的补给量，造成地下含水层无法通过自然降水等外界水源的补给得到及时补充恢复或更新。在自然条件下，除中深层地下水以外，大部分地区浅层地下水水位较浅，在水量充沛情况下，地下水还会以泉水等形式自然排出于地表。由于地下水资源的隐蔽性和复杂性，地下含水层对人类超采活动的响应具有一定的滞后性，人类短暂的开采活动并不会立刻造成含水层地下水储存量的快速缩减，但是长期的地下水超采活动必然会导致地下水水位持续降低和地下水储量逐渐耗损直至枯竭。地下含水层一旦枯竭，除非规模化的人工补给，否则其水量自然恢复的周期非常漫长。

地下水超采主要发生在亚洲、美洲、欧洲和中东等地区。美国、墨西哥、沙特阿拉伯、巴基斯坦、印度和中国等国家由于地下水超采引起水资源量的衰减较为严重[11]，其中，印度地下水资源衰减最为明显。超采地下水不仅会引起地面沉降，而且会破坏生态环境，导致河流断流、湿地缩减、植被死亡和土地荒漠化等生态环境问题。Konikow L F[12]估计1900—2008年全球地下水衰减总量为（4500±1224）km3；其中，1950年以来，地下水衰减量显著增加，最大衰减量出现在2000—2008年，衰减量约为145 km3/a（图2）。Döll P等[13]结合地下水观测井水文模型和GRACE重力卫星评估，认为在2000—2009年，全球地下水平均衰减量为113 km3/a，相比于1960—2000年至少增加了1倍。其中，印度、美国、伊朗、沙特阿拉伯和中国是该时期地下水超采和衰减量最大的国家，而且利比亚、埃及和以色列，以及阿拉伯半岛等在该时期开采的地下水至少有30%是不可更新的。进入21世纪以来，全球地下水用水量显著增加，特别是第一个10年，地下水衰减量超过100 km3/a。GRACE重力卫星监测显示，地下水超采已经导致全球37个最大含水层中的21个正在枯竭[14]。美国俄亥俄州大迈阿密河流域和加利福尼亚州圣华金河谷含水层的研究表明，如果人类活动对地下水的干预减少20%，就可能使含水层由枯竭转为自流状态[15]，因此通过合理调控，就可以减轻人类活动对地下水的负面影响。

图2 全球主要国家和地区地下水衰减量变化情况[12]

印度作为全球地下水利用量最大的国家，地下水超采问题尤其突出，全国约有29%的地下水处于半临界、临界或超采状态[16]。地下水超采不仅会造成水位埋深的持续增大，而且会导致地下水补给量减少。Rodell M等[17]研究认为，2002—2008年印度拉贾斯坦邦等地区地下水超采十分严重，衰减量为109 km3，是印度最大水库的两倍，若不及时采取治理措施，可能会导致该地区1.14亿居民面临粮食产量减少和饮用水短缺。美国高平原含水层和加利福尼亚州中央峡谷含水层是美国地下水超采最严重的区域，地下水衰减量占全美国的50%；特别是在堪萨斯州和得克萨斯州的部分地区，地下水开采量已经超过了补给量的10倍[18]。更值得注意的是，尽管非洲撒哈拉沙漠东部的努比亚砂岩含水层中的地下水是百万年前补给的老水，自然降水补给率基本为零，地下水更新能力非常弱，但是仍然被大量开采用于农田灌溉，造成埃及部分地区地下水水位下降了60 m[19]。过度开采这种更新缓慢的古老地下水，在短期不会带来问题，但在长时间尺度内会造成严重的经济、社会和环境问题。此外，从北非到中东再到南亚地区，钻探2 km以上才能获取地下水已经成为普遍现象[20]。中国自20世纪60年代规模化开采地下水资源以来，地下水水位明显下降，形成了世界上最大的地下水水位降落漏斗区——华北平原。从全球而言，地下水超采还会导致全球水井整体面临枯竭的风险。Jasechko S等[21]最新研究全球3900万眼水井的数据，分析发现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，会导致水井成为干井，这将会造成严重的经济损失和水资源危机。

2.2 全球地下水环境问题

2.2.1 地下水超采威胁生态系统健康

地下水与生态系统关系密切，河流、湖泊、湿地、植被等生态系统的健康稳定均与地下水的补给、径流和排泄存在着直接或间接的关系，形成了独特的地下水依赖型生态系统。在自然条件下，地下水向河流、湿地等地表水体补给，并会以泉水形式向外流出，进而支撑河流、湿地、泉水等沿岸带植被的健康生长。但是在人工超采条件下，会造成地下水水位持续下降，形成降落漏斗，导致地下水向河流、湖泊等地表水体的补给减少，同时使得河流、湖泊等对地下水形成反向补给，最终导致河流、湖泊水量减少，甚至因此出现断流或干涸，威胁生态环境系统的健康，引起生态环境系统的退化（图3）。

图3 地下水超采与生态环境系统相互影响关系示意图[22]

针对地下水依赖型生态系统的保护与管理已经纳入澳大利亚、欧盟、南非和美国等多个国家或地区的水行政管理措施中[23]。然而，不合理的地下水开发利用已经造成地下水水位的剧烈下降和储量的严重亏损，特别是在农业集中灌溉区尤为严重。Jasechko S等[24]分析了美国420万眼水井的水位埋深，结果显示近64%的水井水位均低于附近的河流水面，这会导致全美大部分地表水水体渗漏补给地下水而面临消失的危险。中国地下水超采也对生态环境造成了严重影响。最新研究报道[25]地下水超采已经导致大量湿地和河流的消失。与地表水相比，地下水开采的环境效应具有明显滞后性，Graaf I E等[26]预估2050年全球将有42%～79%的流域会因地下水的广泛开采达到环境流量极限。由于全球很多地区地下水超采已经非常严重或已经超过了环境流量极限，因此地下水水位的微小变动就可以影响地表径流和达到环境流量极限。地下水超采还造成了泉水消失、植被退化，以及土地沙漠化等生态环境问题。曾以泉多著称的北京市已有千余眼泉水由于地下水过度开采而消失。当地下水水位持续下降超过3 m时，就会显著影响杨树的生长，致其死亡率达到88%[27]。中国西北最大内陆河塔里木河下游由于地下水超采导致依赖地下水生存的芦苇、骆驼刺、柽柳和胡杨等植被出现了大面积死亡和衰败。

2.2.2 地下水污染及劣质地下水威胁饮水安全

人类工农业活动产生的各种污染物会随着降水淋滤通过土壤带渗入地下水中，进而对地下水造成污染，影响饮用水安全。人类活动对地下水造成污染的主要污染物类型包括三氮、重金属和有机污染物，其中硝酸盐污染最为普遍。美国、加拿大、英国、德国、丹麦等国家均有地下水硝酸盐污染的相关报道。农业化肥的大面积过度施用是造成地下水硝酸盐污染的主要原因。长时间饮用高浓度的硝酸盐水会引起高铁血红蛋白症和癌症。此外，地下水中检出的细菌、病毒、杀虫剂、非水相液体（NAPLS）、新型有机污染物（CECS）和微塑料等特殊污染物与人类活动密切相关。人类活动也对深层古老地下水水质造成了影响，通过分析全球6455眼水井古老地下水的碳同位素及氚同位素数据，在古老地下水中检测到了氚同位素，表明人类活动已经影响到大部分古老地下水的水质[2]。人类活动超采地下水还会造成海水入侵，进而引起全球海岸带地下水水质咸化，威胁数百万人的饮水安全。美国、英国、法国、中国等几十个国家和地区已经发现了海水入侵问题[28]。当地下水中含有超过2%～3%的海水就会导致地下水不可饮用，而且修复被海水咸化的地下水难度非常大，需要几十年甚至数百年时间。相比其他含水介质，岩溶含水层更容易受到人类活动的污染，而岩溶含水层覆盖了全球陆地（无冰地区）面积的15%，支持了全球10%～25%人口的饮水需求，因此要特别重视人类活动可能造成的岩溶水污染问题。

除人类活动污染以外，全球还广泛分布着地质成因的原生劣质地下水，特别是在干旱半干旱地区，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个国家都有发现，饮用高砷地下水或皮肤暴露接触会导致乌脚病、皮肤癌、肾癌等疾病，全球估计有0.94～2.2亿人遭受高砷地下水的威胁，其中94%位于亚洲，主要分布在印度、孟加拉国、柬埔寨、中国、越南、缅甸等国家[30]；高氟地下水在全球影响超过2.6亿人的饮水安全和身体健康；高碘地下水的数据相对较少，2013年全球有10个国家被列为碘摄入过量的地区，这可能与饮用高碘地下水有关，中国华北平原、大同盆地和太原盆地均有高碘地下水的分布。

3 结语

（1）伴随全球气候变化，以及极端气候的频繁出现，人类未来对水资源的需求会变得愈演愈烈。地下水资源作为一种广泛分布并相对稳定的有限可再生水资源，可以很好地帮助人类应对极端气候条件下，以及广大干旱半干旱地区的缺水问题。然而，由于人类对地下水资源的过度开采，导致全球地下水水位持续下降，大部分含水层及水井面临枯竭，地下水开采深度不断增加，同时人类工农业活动对地下水水质造成了严重的污染。为确保地下水资源的可持续开发利用，必须加强政府和全社会对地下水超采，以及污染问题的严格管理和广泛关注。积极推进地下水相关政策法规的制定与完善，稳定增加专项资金投入，加大支持科学研究与推进相关保护项目实施，统筹推进地下水资源的可持续开发利用与水质保护。

（2）地下水既是水资源的重要组成部分，又是影响生态环境系统健康的活跃环境因子。不可持续的地下水开采活动，不仅破坏优质的地下水资源，而且会造成河流流量降低、湖泊与湿地面积缩减、植被退化、泉水断流等一系列生态环境问题。相比地下水资源的不可持续开发利用问题，地下水对生态环境的影响问题关注度更低，相关方面的研究更为缺乏，管理明显滞后。因此加强地下水生态环境保护，关系到河流、湖泊、湿地、植被、泉水等地下水依赖型生态系统的健康稳定，也关系到山水林田湖草沙生态系统的协同治理，对新时代背景下推进生态文明建设具有重要意义。