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地下水与环境变化研究
王焰新，马 腾，郭清海，马 瑞 （中国地质大学环境学院，武汉） 20世纪以来，全球环境急剧变化，人类面临着人口、环境污染、气候变暖、生态环境退化、生物物种灭绝、土地荒漠化以及淡水资源短缺等一系列全球性环境问题。以地球系统科学理论为指导、以环境变化为研究内容的全球变化已成为当今国际地学界最为活跃的研究领域。国际上相继出台了国际地圈生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、全球环境变迁人文因素计划(IHDP)、生物多样性计划（DIVERSITAS）等多项国际计划，旨在深入探索不同时间尺度的环境演变，揭示环境变化的原因，识别环境的自然演变过程与人类活动的影响机理，准确评价环境变化的影响，预测本世纪以及更远将来的环境状况。 尽管人类对于地球上水的起源的认识还不完全，但地球系统之外的太阳与月球对地下水的影响却是肯定的。已有的观测研究表明，地下水水位随太阳黑子活动和月球绕地球的周期性运转而呈周期性变化。地下水因地球系统内外因素的变化而变化。使其具有了环境变化的“印记”，反过来，地下水的变化也会直接、间接地影响环境变化。 一、地下水对环境变化的指示作用
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。而地下水流动与水-岩相互作用的时间尺度性使地下水成为一种探测天然与人类成因环境变化的理想介质。 不同时间尺度的气候周期性变化，导致了地下水形成过程具有相应的周期性特征。在漫长的地下水形成地质历史过程中，它经历了万年尺度、千年尺度、百年尺度的多雨期与少雨期，或高温期与低温期，彼此交替出现，形成区域地下水主要补给期与非主要补给期相间分布。因此，地下水或含水层被人们誉为“陆地古气候变化档案”。地下水的“古气候档案”功能的发现使地下水成为继冰心、黄土、大洋沉积物、孢粉、树木年轮等之后的又一新的气候变化信息载体，同时也极大地革新了水文地质研究视角，即不再仅仅将地下水视为流体，而同时将其作为信息储存库进行研究。 地下水年龄的确定取决于对含水层性质掌握的程度，因此，准确了解含水层的性质是地下水作为气候档案的前提。Mazor定义了两种基本的含水层类型：（1）积极含水层，即具有明显的补给区和排泄区，含水层中的水流受地下水流速和降雨入渗速度控制；（2）被动含水层，即曾经存在过补给区，无明显的排泄区，含水层中的水迁移滞缓。位于排泄基准之上的承压含水层是典型的积极含水层，而位于局部排泄基准之下的、大陆沉降盆地中被掩埋的含水层是典型的被动含水层。在地下水测年方面，被动含水层较积极含水层有较大的优势，这是因为被动含水层地下水的年龄信号受干扰的因素较少。 古气候信息常被“转译”为地下水中各种可测量的“示踪剂”。Edmunds认为地下水系统的3种变化，即测压水位的变化、天然化学基线的变化及人类对地下水水质的影响，对50～100a时间尺度上出现的各种作用是敏感的。而更大时间尺度的水文地球环境变化则与全球气候变化有关。为此，他推荐了几种指示地下水系统中各种物理、化学作用和人类活动等的原生与次生指示剂。近年来，随着该研究的逐渐深入，大量地应用和发展了地球化学与同位素方法，利用地下水重建过去环境变化已成为可能。 1、物理指示剂 地下水水位变化是地下水系统对外界影响的一种响应。严格地讲，对地下水系统的任何微弱的“扰动”，均会导致地下水水位的变化，只是“敏感性”不同的地下水系统所发生的水位变化幅度大小不同而已。 太阳与月球对地球总引力可对地球表面固体产生固体潮，这主要是由于地球表层固体物质受引力作用使其密度产生变化，相应固体中空隙的体积变化导致其中的地下水水位产生变化而出现人类看不见的“液体潮”。与海洋水的潮汐相比，太阳和月球引起的地下水水位变化，也有日周期性和月周期性。此外，地震、火山喷发、滑坡等地质灾害的发生也会导致地下水水位变化“异常”。 气候变化会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南部一碳酸盐岩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等利用考古学的方法研究了阿拉伯联合酋长国Al Ain地区井深与地下水水位的关系，发现二者有很好的相关性，在此基础上，他们研究了过去4500年以来地下水水位与气候变化的关系，发现自青铜器以来的地下水水位持续降低与大气中CO2浓度的增加有很好的对应关系。 泉流量同地下水水位一样，其变化是地下水系统对外界影响做出的一种响应。通过对我国北方岩溶大泉——神头泉流量与气候变化研究表明，泉流量亦可很好地指示短时间尺度的气候变化。 地下水水位、泉流量等是气候变化的有效指示剂，可以很好地指示短时间尺度的气候变化。但它们与气候变量间存在一定的时间滞后，有效识别滞后时间是地下水诸如地下水水位等物理指示剂用作指示气候变化要解决的关键问题之一。此同时，古地下水位与泉流量系列的建立则可能是它们指示古气候变化难以逾越的障碍，而Jorgensen等所推荐的考古学方法为解决这一难题提供了可能。 2、化学指示剂 大气降水中稳定同位素组成揭示了诸多环境参数（如水蒸气源、空气温度、降水量、季节与高程等）间的密切关系。气候与降雨的年平均稳定同位素含量间的关系为研究古气候状态提供了重要参考。地下水中同位素与元素组成受其接受补给时气候条件的影响，可以用作气候变化的指示剂，水分子的稳定同位素组成可以提供如下气候变化信息：（1）如果可以从同位素组成信息中找到蒸散作用的影响，则可获取云气凝结温度；（2）如果识别出氘过剩，则可识别出水蒸气源及古风向。 由于稳定同位素受多种因素的影响，其对古气候变化信息的解释常具有一定的不确定性。但相对于其他古气候代理，稳定同位素的优势在于，稳定同位素比值的影响因素较少或是已知的。一般地，水分子稳定同位素组成与补给其的大气降雨的同位素组成有关，这样引起大气降雨同位素组成变化的气候将被反映在地下水同位素组成上。其实，指示末次冰期到全新世的气候变化的地下水稳定同位素组成在许多含水层的不同年龄的地下水中已被识别出。冰期降雨中重同位素含量亏损是一个很常见的现象，并不只出现于中高纬度地区。同位素含量的亏损指示了补给时的温度较低!较低的温度导致了空气饱和度的改变，进而使降雨量增加。换句话说，过去或当前循环系统中空气饱和度的变化使温度降低，进而增加了大气的湿度，这意味着水量丰沛和水文网的极大发展。 放射性同位素可作为测年工具。尽管在对它们的解释方面还存在很多局限，但水相碳中 其他潜在的放射性同位素（4He,39Ar,81Kr,226Ra,234U/238U,36Cl和87Sr/86Sr）除指示地下水的滞留时间外,可更有效地指示地球化学过程（例如，盐源、海水入侵）和其他过程（如水岩反应动力学）。 惰性气体示踪剂同样可以反映地下水补给的有关条件。惰性气体的含量反映了水进入承压含水层时的地下平均温度，例如，起源于含水层基质或地壳散射的He，惰性气体与当天的温度状态及降雨的同位素有关。由放射性碳和稳定同位素得出的最后冰期的补给温度比现在低。这样，我们可以用补给温度重建当时全球温度的分布。这些气候变化信息与含水层所在的区域气候有关。含水系统中保存的同位素信息同时受地质条件和水动力弥散影响。 3、岩溶地下水系统沉积物对环境变化的指示作用 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互作用的产物，可有效地高分辨率地指示古气候变化。岩溶地下水系统沉积物是一种很有发展前景的古气候代用指标。随着研究的进一步深入，其指示的气候分辨率可能会达到季。 二、环境变化对地下水的影响
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，全球平均地面温度已升高了0.3～0 气候变化不仅影响着地下水的补给与循环交替，同时也通过大气降雨化学组成和地表温度的变化来影响水-岩相互作用，进而使地下水水质发生变化。Torbert等强调，大气中CO2浓度增高对于农业生态系统中地下水水质的影响，是全球气候变化研究的空白领域。大气中CO2浓度增高会导致植物生长条件和C/N比的改变，从而影响土壤中C和N的循环，进而影响淋滤进入地下水中的硝酸盐的浓度，Bouraoui等研究了用于评价气候变化对地下水影响的可产生CO2倍增情况下的“局部气候发生器”；Allen等研究了加拿大British Columbia含水层对气候变化的敏感性。 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，开展气候变化对地下水资源的影响研究，对于水资源的可持续利用有着重要的意义。Chen等指出，气候参数的任何变化都可能会影响到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40～50年年均气温升高、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。为此，他们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2×CO2气候条件以及地下水开采量增加20%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2×CO2气候条件下，该地区水资源将受到严重威胁，除非对开采活动加以精心的控制；Brouyere等在比利时Gree盆地建立了一个包含地下水流动的综合水文模型，用于评价气候变化对地下水的影响。 综上所述，气候变化对地下水的影响是一个值得关注的研究方向，但目前的研究方法还欠完善，评价对象还主要局限于水量，预测精度较低，大量细致的研究工作尚需进一步展开。 三、地下水对环境的反作用
作为全球物质循环与能量交换的积极参与者的地下水，在受环境变化影响的同时，它也会影响环境。例如，张宗祜等的研究表明，超量开采地下水同样意味着额外的CO2释放。根据水中平均的总碳含量估算求得每采1亿m3地下水,其蒸发消耗CO2的结果约相当于燃烧9000吨煤所排放的CO2。此外，岩溶区水岩相互作用所导致的碳酸盐溶解与沉淀对全球的碳循环具有重要的影响。 在水循环中，地下水系统的作用在于使“脉冲式”的降雨在地下变成连续水流，并作长时间的驻留，而水-岩相互作用又使其具有了维持近地表生物所需的物质与能量，因此，地下水是维持生态环境平衡至关重要的因素。当前全球性地下水水位的降低对环境的影响可能是一个不容忽视的因素。为此，一些研究者提出了“生态水位”的概念，即维持区域生态系统稳定所需的地下水水位区间，高于这个水位区间的上限临界值，地表土壤会发生盐渍化，低于这个水位区间的下限临界值，会造成河流断流、植被死亡、湖泊干涸、耕地撂荒、土壤沙漠化等。 四、结 论
地下水的“古气候档案”功能的发现使地下水成为继冰心、黄土、大洋沉积物、孢粉、树木年轮等之后的又一新的气候变化信息载体，它极大地革新了水文地质研究视角，即不再仅仅将地下水视为流体，而可将其作为信息储存库进行研究。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环境变化的有效、甚至是高精度的信息载体。 气候变化对地下水的影响是一个值得关注的研究方向，但目前的研究多局限于不同气候变化情况下的地下水水量的变化，研究方法和预测精度尚有待于进一步提高和完善。 作为全球物质循环与能量交换的积极参与者的地下水，在受环境变化影响的同时，它也会影响环境。当前全球性地下水水位的降低对环境的影响可能是一个不容忽视的因素。 摘编自《地学前缘》 2005年 第十二卷 特刊 |
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