出露的地下水

肖睿译 王铭晗审

地下水的流动影响着水文、环境以及地质过程。由于生活在地面上的人类面临着缺水问题,所以对有着巨大储量的地下淡水资源需要进行研究关注。

从加利福尼亚严峻的多年干旱,到厄尔尼诺引起的降雨,再到冰川消融,水循环问题已经受到公众瞩目。2016 年被伦敦地质学会称为第一个水年(the Year of Water),本期《Nature Geoscience》将报道地球上“最黑”(darkest)
水资源:地下水资源。地下水是埋藏于大陆下面的巨量淡水,作为本期刊物的一个热点在网上进行了讨论;地下水不仅是水循环的重要组成部分,而且它的流动还会影响地球系统其他部分的运转。

所有的生命群体都依赖于地下水这一淡水资源。然而,正如Ying Fan 在第93页的新闻与观点(New & Views)栏目所述,我们对地下水的总量以及它在我们脚下如何流动知之甚少。全球地下水的估算模型也还依赖于40 年前的估算体积。作为一个必要的更新,Gleeson 等(第161 页)绘制了全球规模的地下水储藏图,并估算出在陆壳最上面的2 千米深度内含有2260 万立方千米的地下水,相当于覆盖全球所有陆地表面、深度为180 米的湖泊所含水量。因此,地下水的体积远远超过地球上储存的其他淡水总量之和。

与那些汇入河流并迅速流走的水不同,进入地下的水其流动路径可以很多。因此,含水层中包含了多种不同年龄的地下水。年轻的地下水来自于当地近期的降水,且受控于局部气候条件,而古老的地下水补给时间很早,常常源于别处,并有可能反映了更大尺度(时间与空间)的气候条件。这种最触手可及且很容易补给的地下水却是一种有限的资源:Gleeson 等发现全球地下水储量中只有不足6% 是在最近50 年时间内补充的。

最年轻的地下水不仅是最容易更新的地下水资源,而且对气候及土地利用变化最敏感,极易受到污染。河流受到地下水补给,最年轻的地下水及其所携带的污染物不同程度地影响了河流水质。具体而言,Jasechko 等(第126 页)指出全球河流有三分之一的流量来源于地下水,这些地下水由不到几个月的降雨所补给,它们仅占全球地下水储量的不足0.1%。这凸现了世界上极少量的地下水对地表水文循环和环境的巨大影响,以及更好地了解生物地球化学进程对年轻地下水影响的必要性。
图1 美国国家航空航天局(NASA)重力恢复与气候试验(GRACE)卫星
图1 美国国家航空航天局(NASA)重力恢复与气候试验(GRACE)卫星
在对便于地下水的储量变化进行遥感监测图的中部为美国加州旱灾区(从左至右:2002 年6 月、2008 年6 月和2014 年6 月)。

尽管干旱有可能始于缺少降雨,但气象干旱会扩散并转变为水文干旱,这可能使地下水位降到正常值以下。正如Van Loon 等在第89 页的评论中指出,自然气候变化和人类活动都会影响干旱,其反馈机制十分复杂。人为抽取地下水可起到进一步加剧旱情的作用。例如,印度的农业区在过去十年中的气象干旱年份加速开采地下水,以弥补土壤中水分的不足,结果导致了严重的地下水枯竭(第98 页)。尤其麻烦但并不令人吃惊的是,Gleeson 及其合作者指出:在用水量很高的干旱地区,却几乎没有年轻的地下水。相反,人们在不可持续地开采较老的地下水,而这些地下水仅有一小部分能得到补充。

地球上储藏的地下水不仅能补给河流,解决干渴,满足人类社会的农业需求,而且在其循环过程中影响着固体地球。例如,地下水的流动――补给区温度低,排水区温度高――使得热量在周围岩石中重新分配,这可能使地下水盆地下方的岩石圈发生冷却,温度下降最多可达10℃,从而也会影响在这些深度的与温度有关的变质作用和构造运动。

尽管取得了一些进展,但我们对地下水可用蓄水层及其与地球系统其他部分相互作用的理解,还是远远不及我们所未知的内容。许多研究侧重于在地表可见的水,而这仅仅是地球水文系统的冰山一角。现在是时候了,我们应更全面地调查那些在地表以下循环的数百万立方千米的地下水,我们的星球及其居民都依赖它而生存。

 译自:Editorial. Groundwater exposed. Nature Geoscience, 2016, (9): 85.

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