气候变化对地下水资源影响研究综述.docx

1、气候变化对地下水资源影响研究综述【摘 要】综述了国内外关于地下水资源量减少及其引发的经济社会问题、气候变化对地下水资源的影响、区域地下水资源对全球气候变化的响应、农区气候变化对地下水资源的影响等方面的研究进展，指出气候变化对地下水资源的影响是一个十分值得关注的研究方向。【关键词】气候变化 地下水资源 影响一、引言气候变化是全球变化研究的核心问题。科学研究证实， 近百年来地球气候正表现出显著变暖的主要特征。这种变化，已经并将继续给全球自然生态和人类生存与发展带来巨大挑战。近 20a 来，气候变化的研究方向从认识气候系统基本规律的纯基础研究发展到与人类社会可持续发展密切相关的一系列生态环境实际问题

2、的研究1。气候变化问题的核心是气温和降水量的变化。气温持续上升已经成为可证实的变化。IPCC 先后在 1990、1995 和 2001 年公布的三次评估报告中指出，观测事实表明，20 世纪全球地表温度升高了大约 0.6。2007 年发布的 IPCC 第四次评估报告则指出，未来 100a，全球地表温度可能会升高 1.6 到 6.4 摄氏度。大气环流模式（GCMs）模拟的降水量的变化却存在相当的不确定性，但不管未来降水量是减少还是微量增加，由于温度升高导致的蒸发力加大或蒸发降水差的加大，以及高温干旱一并出现，都将加剧我国已经很严重的干旱，从而对农业的可持续发展造成极大的影响。以华北地区为例，大量研

3、究表明，近 50a 来，华北地区气候表现出“暖而干”的变化趋势。研究指出，上世纪 50 年代以来华北地区降水呈减少趋势，而蒸发量呈增加趋势。因此，当气候变暖时，作为重要粮食生产基地的华北平原将是我国突出的农业脆弱地区，最容易受到严重的干旱威胁。二、地下水资源的重要性1. 地下水资源的重要性地下水是世界上重要的淡水资源，在人类生命活动的历史中起着举足轻重的支撑作用。全国以地下水灌溉的耕地面积约 1.68 亿亩，占总灌溉面积的 24%。地下水是世界上许多国家或地区重要的或唯一的饮用水源。世界上超过15 亿的人口以地下水为饮用水源，在美国，地下水提供了1/2 以上人口的饮用水源。我国有约 1/3 人

4、口饮用地下水。对于地表水相对缺乏的我国北方来说，地下水的开发利用处于重要战略地位。对华北 27 个城市的统计资料显示，在782 万 m3 的日用水量中，地下水提供了 686 万 m3，占87%，有的城市则完全依靠地下水。19972001 年，地下水资源供水量占华北地区年均供水量的 59.6% 2。统计资料表明，华北地区平均地下水资源量由 19561979 年间的625.5108m3 减少到 19942001 年间的 564.3108m3，下降 9.7%。2. 地下水资源量减少引发的经济社会问题由于社会经济发展和气候变化造成的水资源严重不足， 人们不得不大量开采利用有限的地下水资源。地下水的超采

5、，造成地下水位持续下降，包气带厚度增加，使地表产水量减少，地下水补给量下降，地下水水位进一步下降， 形成恶性循环，产生了一系列日益严重社会和生态环境问题。过度抽取地下水，造成地下水“漏斗”现象，大面积的地下水位不断下降。据统计，全国已经出现了 56 个地下水区域下降漏斗，总面积大于 8.2 万 km2，其中华北平原情况最为严重。如北京近郊区已形成 1600km2 的地下水漏斗区，而且北京东部、天津、冀（县）枣（强）衡（水）沧（州）、德州地下漏斗已连成一片3。近年来，地下水水 位持续下降引起的地面沉降、地裂缝和地面塌陷时有报道。在沿海地区，地下水的下降破坏了淡水与海水的平衡关系， 还会引起海水入

6、侵，使水质恶化，不仅影响人畜饮用，而 且导致农业减产。另外，地下水的超采部分实际上通过大 气和地表径流到达海洋，最终还会引起海平面的上升4。三、地下水受气候变化影响的研究地下水的形成与演化受大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种物理、化学作用的制约，同时它又积极参与着上述各圈层间物质循环与能量交换，是地质和环境过程中最活跃的因子。研究指出，地下水是水文循环的产物，水文循环与气候之间通过一系列反馈过程相互制约，降水的变化将影响径流出现的时间及干旱频率和强度，温度的变化将影响蒸发、土壤湿度和入渗条件，所有这些作用都将在地下水的形成和演化过程中留下深刻的烙印。地下水与气候、环境之间的这种辩证关系，决定了

7、地下水在气候变化研究中应当也必然占据不可替代的重要地位。1. 气候变化对地下水水位的影响气候变化会直接或间接地导致地下水水位变化。在雨期，地下水系统不断得到大气降雨的补给，而出现地下水水位的上升；在旱季，蒸发会引起地下水水位的下降。大量的地下水动态研究表明，地下水水位变化在较大时间尺度上与太阳黑子活动存在很好的相关性，这可能也是由于太阳活动变化导致气候变化所引起的。Chen 等通过对加拿大 Manitoba 南部碳酸盐含水层中地下水水位与气候变化的相关性研究，揭示了该含水层年均地下水水位与月平均降雨和气温存在很好的对应关系。Jorgensen 通过研究阿拉伯联合酋长国 AlAin 地区过去 4

8、500a 以来地下水水位与气候变化的关系，发现自青铜器以来地下水水位的持续降低与大气中 CO2 浓度的增加有很好的对应关系。王焰新等通过对神头泉流量与气候变化关系的研究表明，泉流量也可很好地指示短时间尺度的气候变化。山西岩溶泉流量在近 50a 来的衰减总趋势对同期的全球变暖及干旱化过程具有深刻的指示意义，泉流量变化有效地记载了全球气候的规律性变化。2. 气候变化对地下水资源补给的影响研究指出，气候参数的任何变化都可能会影响地下水系统的补给条件，从而影响地下水的可持续利用。加拿大草原过去 4050a 均气温升高、降水减少的趋势使人们开始担心该地区地下水的可否持续利用。杨文峰等研究表明， 陕西省大

9、部分地区地下水补给主要来源于大气降水，近年来地下水呈大幅下降的趋势，这与降水的变化趋势是一致的；全省年平均降水量每减少 10%，地下水资源相应减少10%15%；其中，黄河流域年平均降水量每减少 10%，地下水资源相应减少 10%20%，长江流域年平均降水量每减少10%，地下水资源相应减少 10%27%。邓慧平等研究表明， 莱州湾地区 19601976 年、19771993 年和 19801989 年的降水距平百分率分别为 12%、-12%和-18%，同期该区地下水资源量距平百分率分别为 10%、-15%和-25%，地下水资源量与降水量表现出很好的一致性。四、区域地下水资源对全球气候变化响应的研

10、究区域地下水资源对全球气候变化的响应问题已经引起广泛关注。Chen 等基于简化的水流和水均衡模型，给出了一个把气候参数与地下水水位相联系的经验模型。该模型在加拿大马尼托巴南部上部灰岩含水层得到成功应用。Loiciga 等模拟了美国最大的地下水系统之一，德克萨斯州 Edwards BFZ 岩溶含水层在 2CO2 气候条件以及地下水开采量增加 25%条件下，极度缺水、接近平均补给和超出平均补给三种情景的泉流量的变化，结论是在 2CO2 气候条件下，除非对开采活动加以精心的控制，该地区水资源将受到严重威胁。Brouyre 等在比利时 Geer 盆地建立了一个包含地下水流动的综合水文模型，用于评价气候

11、变化对地下水的影响。张世法研究表明，在 2CO2 的气候情景下， 海河流域地下水资源量将由当前的 275108m3 下降到253108m3。研究指出，由于地下水水位的持续下降，华北地区只有在降水量增加 20%的情况下，地下水位才有可能得以回升。五、农区气候变化对地下水资源影响的研究在农区，地下水资源受到气候变化（自然）及其带来的农业需水量增加（人文）双重因素的影响。因此农区气候变化对地下水资源影响的研究更加复杂。气候变化对土壤水影响研究的一些结果指出，尽管一些地区的降水量有所增加，但由于气温升高，蒸散量增加等原因，夏季土壤水分的有效性下降。土壤水分的减少对灌溉有重大影响， 特别是对干旱和半干旱

12、地区。张翼等关于黄淮海平原灌溉用水量对增温和降水变化响应的研究结果表明，增温幅度越大、降水减少越多，年径流量将越少，农业灌溉需水量将越大，从而将加快农业生产对地下水资源的耗竭。利用 SCCM 模式对气候变化对黄淮海平原土壤水分平衡各分量的影响的研究表明，由于温度升高，使作物蒸腾及生理需水量增加，夏玉米全生育期生长期缩短，作物需水量下降；这两方面的相互作用，使黄淮海平原夏玉米全生育期需水量在温度上升 1、2时分别增加 18%和 31%，夏玉米的农业用水量增加，年灌溉总量随着降水量的减少而急剧上升，当年降水量减少 20%时，温度上升 1和 2，年灌溉水量将分别上升 65.9%和 84.3%。在河南

13、，由于地下水开采量的 60%以上是用于农业灌溉，降水量多时开采量少，降水量少时开采量则多，因此，气候变化是影响地下水资源的主要的因素，全省中等干旱年份 和干旱年份，地下水资源量分别相当于多年平均值的 83% 和 35%。Arnell 研究了气候变化对以色列灌溉需水的影响， 结果表明，在 2CO2 条件下，苜蓿、玉米和冬小麦的净灌溉需水量将增 40%。缪启龙等研究指出，在降水不变条件下， 温度升高使不同作物都增加耗水量，每上升 0.5，小麦耗水每公顷增加 30.075.0m3、油菜耗水每公顷增加25.533.0m3、水稻耗水每公烦增加 60.067.5 m3，必将增大作物生产对地下水的依赖程度。

14、Peterson 等研究了美国西部地区流域后认为:假定未来气温上升 3，降水减少 10%，若按目前的灌溉标准和用水量，那么美国西部现有的可耕地面积将减少 30%。国内同类研究给出华北地区夏季土壤湿度可能减少。周爱国等研究指出，地下水水位下降不仅使土壤水分含量降低，还使其保持高水分的时间缩短，植被生存环境条件恶化，导致植被退化，进而又引起大气与地表界面的水热传输失稳，导致地表温差变大，土壤含水量进一步减少，降水入渗补给量减少，地下水资源量变小，地下水的开采力度进一步加大，使干旱化问题由纯气候问题演变为水资源短缺和气候干旱进一步快速发展的正反馈过程；因此，地下水系统的退化对北方气候干旱化产生了不可

15、忽视的环境效应。综合以上描述，给出农区气候变化对地下水资源的影响关系图（图 1）。六、小结因此，气候变化对地下水资源的影响是一个十分值得关注的研究方向。地下水作为重要的淡水资源，在当前全球淡水资源严重短缺的条件下，深入开展典型农区气候变 化对地下水资源影响的研究，可以为水资源管理和决策者 提供科学依据，对于水资源的可持续利用，对区域农业乃 至整个国民经济的可持续发展，均具有重要的理论和现实 意义。但目前这方面的专门研究较少，研究方法还较欠缺， 预测精度较低，大量细致的研究工作尚需进一步展开。参考文献：1 秦大河. 全球变化热门话题丛书序言. 北京: 气象出版社, 2003.2 董章杭, 李季, 孙丽梅. 集约化蔬菜种植区化肥施用对地下水硝酸盐污染影响的研究. 农业环境科学学报, 2006.3 王守荣, 朱川海, 程磊等. 全球水循环与水资源.北京: 气象出版社, 2003.4 丁永建, 秦大河, 叶柏生, 等. 陆地表层水贮量变化对海平面上升贡献的综合评估. 地球科学进展, 2001,16(1): 106-112.作者简介：董章杭 男 1977 山东泰安人 研究方向： 生态学与决策咨询研究。