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地下水:寻隐者而知其显赫--写在2022世界水日

发布日期:2022-03-31 来源:IWA国际水协

2022年世界水日的主题是地下水。当雨水落下,一部分雨水沿着地面流向小溪、河流、湖泊;另一部分雨水滋润大地,这些水一部分被植物利用,一些蒸发返回大气,另一部分则渗入地下岩石和沙砾的孔隙,形成了含水层。我们的地球是一颗蓝色星球。不过,虽然它的三分之二被水覆盖,可供使用的淡水资源却不到1%。地球上约69%的淡水以冰的形式被锁在极地冰盖、大陆冰盖和冰川中,不易被获取和使用;地下水约占全世界淡水总量的30%,是可获取淡水的最大组成。


人类利用地下水的历史悠久

人类利用地下水的历史非常悠久。早在公元前约一千年,波斯地区就出现了名为“卡纳特(Qanat)”的地下水取水、输配和储存设施。这一古老的水利系统由纵横交错的地下水渠网络组成,通过重力将水从地势较高的含水层引导输送到地势较低的地表,为当地提供可靠的水源用于灌溉生产和生活饮用。卡纳特系统在世界范围内被使用了几个世纪,特别是在中东、北非、中亚和西亚。仅在伊朗估计就有五万个卡纳特井,其中近四分之三仍在使用,在阿曼则有三千多个活跃的卡纳特,地下水经由卡纳特滋润了这些干旱的地区。中国新疆也有这种包含人孔开凿的竖井、具有一定纵坡的暗渠、地面输水的明渠以及储水用的涝坝的地下水水利设施,被称为坎儿井。井渠百折千回构成了一座地下长城,地下水在其中流淌,灌溉造就了沙漠的绿洲。


过度开采的危机

地下水滋养着地球上的生命。但是随着人口增长和城市化加速,用水量不断攀升,地下水系统正变得越来越脆弱。印度是世界上最大的地下水消费国,全国60%的农业灌溉用水来自于地下水。但密歇根大学的研究显示,印度大部分地区的地下含水层正在迅速枯竭,如果该趋势不能得到及时纠正和扭转,印度全国范围内冬季作物种植面积可能会下降20%,在受影响最严重的地区甚至会减产68%,将严重威胁粮食安全。

过度开采除了会使水量逐渐枯竭,还可能引发水质污染、海水/咸水入侵、地面沉降等危害。在正常年份,地下水提供了美国加州近40%的用水,在干旱年份,这一比例可高达60%。美国地质调查局与加州水资源管理委员会对加中央山谷地区过去三十年的地下水数据进行了分析。他们发现,在干旱期间大量抽取地下水的地区,公共饮用水井中硝酸盐污染物浓度升高的情况会更为普遍。中央山谷有很多农耕土地,硝酸盐污染物大多来自于高氮化肥的使用。如果在干旱期间从水井中过度抽水,容易将受污染的浅层地下水推至公共饮用水取水的深度,加速地下水水质的退化。


地下水与地表水之间存在密切的水力联系,地下水系统的衰退可能引发蝴蝶效应,对地表水系统造成影响。来自密歇根州立大学的研究人员在对海鸥湖开展藻华方面的研究,他们创建了水动力模型,把收集到的湖泊深度、水温、溶解氧、营养物质、浮游植物等方面的数据输入到模型中,但模型推算出的深层湖水温度总是与实际测量到的水温不符。研究小组后来意识到他们的模型中可能缺失了地下水这一指标。由于受到地形、地貌、气象、水文、开采活动等因素影响,地下水与地表水之间存在补给或排泄关系,而海鸥湖的一个特殊之处就在于它的补给来源之一是地下水。地下水的注入可以在夏季冷却湖泊深处的温度,从而抑制藻华的形成。当地下水枯竭无法正常补给湖泊时,内陆湖泊的深水可能会变暖,这会在一些深度触发藻类的生长,使藻华爆发更频繁;而一些其他深度,温度变化可能会加速氧气消耗,对冷水鱼类的生存造成有影响。这种情况下,监测地下水水位的变化可以用来预警有害藻华事件。

可持续的地下水管理

为了防止过度使用,即频繁抽取地下水的速度超过了地下水更替补给的速度,美国加州在2014年通过了《可持续地下水管理法》,它要求水司、政府部门、企业、农民等当地的利益相关者成立地下水可持续发展小组(GSA),共同制定管理计划,到2042年消除重点区域的地下水透支,实现地下水的可持续利用。加州水资源部也参与到GSA的工作中,组建技术支持团队为这种社区驱动的地下水管理模式提供专业指导和资源,并通过地下水可持续规划的拨款计划(GrandProgram)为开发和实施地下水可持续规划的项目提供资金。2021年北加州SoquelCreek水管理区的“PureWaterSoquel”项目就获得了拨款计划的资助,该项目每年预计将对圣克鲁兹污水厂4.9亿加仑(约185万立方米)的二级出水进行深度处理,之后注入地下含水层,补给地下水,同时构建防止海水入侵的屏障。参与这个项目设计建造的是著名工程咨询公司博莱克·威奇(Black&Veatch),它也是加州另外一个类似的大型项目--橙县GWRSGroundwaterReplenishmentSystem)扩建项目的设计方。GWRS是世界上最大的再生水用于生态补给的项目,终期扩建预计2023年完成,届时地下水补给能力将可达到1.3亿加仑/天(约49万立方米/天)。


有效的地下水治理和投资决策需要数据支撑。为了帮助非洲国家制定可持续的地下水管理策略,由英国地质调查局牵头,南非、法国、尼日利亚、美国等多国组成的国际研究团队将1970年到2019年间134个地下水补给研究的信息整合成了一个在线数据库,利用地面探测大数据分析量化了非洲大陆的平均地下水补给率,提供了非洲地下水储备可再生性的评估。分析显示,大多数缺乏地下水储存的非洲国家(如利比里亚、几内亚、布隆迪)降雨充足,地下水可以得到定期补给;而许多降雨量极少的北非国家通常被认为缺水,但却有大量的地下水资源。虽然在局部尺度上,由于土壤、土地覆盖,以及降雨强度年际变化等因素补给状况存在差异,但在在大陆尺度上,可根据长期平均降雨预测地下水补给水平。在非洲,每十年大约有2%的地下水会得到补给,即使在半干旱地区也能得到补充。该数据库帮助管理者了解在哪里有可能可持续地开发到更多的地下水,哪些的地下水更易受干旱影响面临枯竭需要监测和修复,以便合理制定开采方案和投资计划,更好地应对用水需求增加和气候变化,增强地下水供水的可行性和韧性。


除了地面探测,卫星遥感也在地下水管理中发挥着强大作用。由美国国家航空航天局(NASA)与德国航空航天中心(DLR)合作开发的重力回溯及气候实验卫星(GravityRecoveryandClimateExperimentSatellite,简称GRACE20185NASA又发射了接续卫星GRACEFollow-On,简称GRACE-FO)就被广泛地用于地下水监测。GRACE-FO卫星能够探测到包括表层及深层洋流、地表及地下径流、地球内部质量变化、冰川(冰盖)与海洋间的物质交换等在内的重力场变化,每月都能测绘出高精度的全球重力场分布地图。通过分析地球质量和重力的细微变化,科学家可以推演地下水的变化情况。


堪萨斯大学的研究团队就利用GRACE卫星数据追踪了非洲13个主要含水层从2002年到2020年的年总储水量变化,展现了非洲大陆不同地区的地下水趋势和特点。


提到核技术,很多人会联想到军工领域,但实际上它在环境领域也有着广泛应用。同位素示踪是非动力核技术的重要应用形式。水体天然具有独特的同位素特征,它如同水的指纹,贯穿其存在的整个周期。应用同位素水文技术可以高效准确地获取地下水水龄、起源、径流、再生速率、水质状况(包括易受污染、海水入侵和气候变化影响程度)等方面的重要信息。国际原子能机构(IAEA)就曾与2012年在非洲北部萨赫勒地区13个国家的地下水管理部门开展了跨界合作。项目团队在利普塔科-古尔马-上沃尔特系统的硬岩/基底岩含水层中发现了新的地下水储备,并探明了塞内加尔河南侧马斯特里赫特含水层东部以及乍得湖流域南部边界等区域地下水的补给和流动模式。2019年,国际原子能机构又与纳米比亚农业水利部、德国地球科学与资源研究所共同调研了非洲南部国家纳米比亚的地下水资源状况,利用同位素水文技术监测纳米比亚地下水资源,评估气候变化的影响以及西南地区主要含水层蓄水量的变化。纳米比亚的水资源匮乏,为了缓解当地的用水需求,于1968年在首都温得和克建设了再生水直接用于饮用的项目。如今对地下水资源的探索和开发将进一步缓解这个国家的干渴。


丹麦的实践

丹麦目前的饮用水水源几乎全部来自于地下水,可以毫不夸张的说是地下水孕育了这个童话王国的现代发展。丹麦的净降雨量丰富,含水层以沙和石灰石为主要蓄水性良好,年平均地下水补给量能达到300毫米。为了能让地下水资源持续稳定地为国家供水,丹麦提倡将地下水的年开采量控制在当前补给量的30%以内,开采量不影响平均径流的10%。由于工业和农业生产,一些区域的地下水水质受到了氯化溶剂、杀虫剂、PFAS等污染物的破坏。丹麦坚决推行污染者付费原则,从源头打击污染地下水的行为。同时,水务公司与大学、研究机构、咨询公司、技术公司合作参与到被污染水体的治理工作中,例如利用生物炭和铁氢氧化物为原料合成高活性催化剂分解地下水污染羽流中的氯化溶剂污染物、开发工具区分地下水井中的农药是来自于点源还是扩散源。

今年911-15日在丹麦首都哥本哈根将举办第十二届IWA世界水大会(IWAWorldWaterCongress2022),届时将组织名为“fromwelltotap”的技术参观,带大家深入了解丹麦在地下水治理方面的经验。