全球尺度地下水作用与地球系统模式地下水过程建模进展.pdf
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1、第 14 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.14 No.8August,2023矿 产 勘 查MINERAL EXPLORATION全球尺度地下水作用与地球系统模式地下水过程建模进展杨建锋,左力艳,张翠光,姚晓峰(中国地质调查局发展研究中心,北京100037)摘 要 地下水是水资源的重要组成部分,对于经济社会可持续发展具有重要的支撑作用。受含水层分布空间局限,地下水流不存在全球性循环,但是随着地下水开发利用和虚拟水贸易规模扩大,所带来的地下水位持续下降、依赖地下水生态系统退化、含水层疏干等问题已经超出流域尺度,成为世界所关注的区域性、全球性问题。近年研究表明,地下水在调控全球气候变化、
2、维持生物圈完整性、调节海洋水盐均衡、影响地球关键带与深部地层各种地质过程等大陆与全球尺度地球系统过程中发挥着不可替代的作用。全球尺度地下水作用研究已成为地球系统科学和全球变化研究的重要方向和前沿领域。地球系统模式地下水过程建模研究取得了很大进展,建立了多个全球水文地质模型、地下水观测监测网和地下水流模型。但是由于涉及水文地质、陆地水文、地表过程、大气过程等多个方面,全球地下水过程建模仍存在着很大挑战,需要不同领域的学者组成学术共同体,共同推进全球地下水过程建模并与地球系统模式进行耦合。根据中国地球系统模式建设需要,应加快国家尺度地下水过程建模研究,包括建立近地表全国水文地质模型;推进地下水过程
3、模型与陆面过程模型实现无缝耦合;积极参与国际地下水观测监测网建设和地下水过程模型比较研究。关键词 地下水;全球尺度;地球系统模式;地下水过程中图分类号:P641 文献标志码:A 文章编号:1674-7801(2023)08-1473-11Progress on groundwater s role in the earth system and groundwater modeling for earth system modelsYANG Jianfeng,ZUO Liyan,ZHANG Cuiguang,YAO Xiaofeng(Development Research Center of
4、 China Geological Survey,Beijing 100037,China)Abstract:Groundwater is one of the most important natural resources in the world,and plays a critical role in promoting the sustainable development of global economy.Bound by the spatial distribution of aquifers,no global doi:10.20008/j.kckc.202308015收稿日
5、期 2023-06-19;修回日期 2023-07-05基金项目 本文受中国地质调查局地质调查项目(DD20221928)资助。第一作者简介 杨建锋,男,1971年生,博士,研究员,从事水文地质环境地质调查战略研究;E-mail:。引用格式 杨建锋,左力艳,张翠光,姚晓峰.2023.全球尺度地下水作用与地球系统模式地下水过程建模进展 J.矿产勘查,14(8):1473-1483.Yang Jianfeng,Zuo Liyan,Zhang Cuiguang,Yao Xiaofeng.2023.Progress on groundwater s role in the earth system a
6、nd groundwater modeling for earth system models J.Mineral Exploration,14(8):1473-1483.14732023 年矿产勘查groundwater circulation exists.Due to the rapid expansion of groundwater withdrawal and virtual water trade,the impact of groundwater depletion,the degradation of groundwater-dependent ecosystems,and
7、continuously lowering of water tables has been beyond catchment scale and regional scale,and has become continental and global.Recent studies showed that groundwater plays a vital role in modulating global climate change,sustaining biosphere integrity,regulating sea water and salt balance,affecting
8、the various geological processes in the earth s critical zone and deep crust.The role of groundwater in the earth system and interactions with other parts of the earth system were investigated for earth system science and global change science.Substantial progresses have been made in global groundwa
9、ter modeling for earth system models.Several global hydrogeologic models were established,some continental and global in situ observation networks were maintained and remote sensing for global groundwater developed rapidly,and several groundwater flow models at the continental to global scale have b
10、een developed.Because groundwater modeling is related to many trans-disciplinary fields including hydrogeology,hydrology,land surface processes,atmosphere,etc.,there exist many challenges in global groundwater modeling.A global groundwater platform community is needed to include researchers from dif
11、ferent disciplines,with the aim to promoting global groundwater modeling and coupling with earth system models.In order to meet the needs of earth system modeling in China,this paper suggests to accelerate national groundwater modeling,including establishing national hydrogeologic models,coupling gr
12、oundwater models with the models of land processes,and promoting international collaboration to advance global groundwater modeling.Keywords:groundwater;global scale;earth system models;groundwater processes0引言地下水是水资源的重要组成,在经济社会可持续发展中具有重要作用。据估算,全球地下水储存量可达 8001041000104 km3,占地球液态淡水储存 总 量 的 98%99%(Mar
13、gat and Van Der Gun,2013)。目前,地下水占全球水资源开采量的 33%左右(Famiglietti,2014),占全球农业灌溉用水量的20%以上,是全球近一半人口的主要饮用水源(Taylor et al.,2010)。中国地质调查局于2021年首次估算出全国地下水储存量为5.21104 km3(李文鹏,2022),约是湖泊、水库蓄水量的90倍。2021年中国地下水开采量为853.8108 m3,占水资源开采量的 14.5%(中华人民共和国水利部,2022)。随着地下水开采规模不断扩大,在产生巨大经济效益的同时,也产生了一系列生态环境问题,如含水层疏干与地下水位持续下降、依
14、赖地下水的生态系统退化、地面沉降、海水入侵等(Lall et al.,2020;Zheng and Guo,2022)。这些问题从以前的局部地区逐步扩展到流域地区及更大尺度的区域,成为世界关注的区域性问题和全球性问题(Foster et al.,2013)。地下水是全球水系统的重要组成,在地球系统稳定运行与功能服务中具有重要作用。与大气循环、大洋循环等不同,地下水因局限在含水层所分布的地下空间而不存在全球性循环。但是,由于地下水储存着全球绝大部分液体淡水,参与和调控着区域尺度、大陆尺度和全球尺度的水循环过程,对于维持地表径流、涵养湿地、供给生态流量、补给海洋淡水、保持陆地-大气水分平衡等具有不
15、可替代的作用。通过参与和调控全球水循环,地下水影响着全球气候、生态等其他地球系统过程(Vrsmarty et al.,2013)。地下水还参与和调控了岩石圈中所发生的各种地质过程,如构造与断层作用、成矿作用、地 热 热 流 迁 移 等(Tth,1999;Keranen and Weingarten,2018)。随着经济全球化深入推进,一些大量消耗地下水的产品或服务通过进出口贸易在全球流动,以“虚拟水”形式对全球水循环、土地利用、生态系统等产生影响(Ma et al.,2020)。认识到地下水在地球系统中不可或缺的作用,大陆尺度和全球尺度地下水作用成为目前地球系统科学研究的重要方向。地球系统模式
16、是定量描述地球系统的大气圈、水圈、生物圈、人类圈、岩石圈等各圈层相互作用的物理和化学过程的数学模型,是开展地球系统过程机理研究、模拟和预测地球系统变化的重要工具。在全球变化研究驱动下,地球系统模式在大气过程、海洋过程、冰雪过程、陆面过程等地球系统过程1474第 14 卷 第 8 期杨建锋等:全球尺度地下水作用与地球系统模式地下水过程建模进展方面取得了长足进步(赵宗慈等,2018),在气候变化预测中发挥了重要作用。由于地下水在地球系统和全球变化中所起的重要作用,越来越多学者认识到有必要将地下水过程耦合到地球系统模式中(Bonan and Doney,2018)。由于地下水系统极其复杂,并且缺乏可
17、靠的全球地下水实测数据,目前所建立的地球系统模式中,要么缺少地下水过程部分,要么对地下水过程进行了过度简化,难以客观反映地下水与地球系统其他部分的相互作用(Fan et al.,2019)。正是意识到这一短板的存在,越来越多水文地质学家开始与地球系统科学、水文科学、大气科学等领域学者合作,共同推进全球尺度地下水过程建模研究。本文在分析地下水在地球系统中作用的基础上,以大陆尺度和全球尺度为重点,梳理近年来研究所揭示的地下水对地球系统各圈层过程的影响,论述地球系统模式地下水过程建模进展,以期为全球地下水资源管理与地球系统治理提供科学依据。1地下水在地球系统中的作用地球系统是由大气圈、水圈、生物圈、
18、人类圈、岩石圈等组成的复杂系统。由于水循环在维持生物圈完整性、调控气候变化、调节碳与养分循环等地球系统过程中具有的核心作用,包括地下水过程在内的全球水循环对于地球系统运行与功能提供具有重要影响。1.1地下水与地球系统各组成部分的联系地下水与大气水、地表水、土壤水、冰川水等相互转化、相互联系,共同构成了完整的全球水系统(图1)。与其他储存形式的水比较,地下水具有独特的特征:一是储存量巨大,全球绝大部分液态淡水是以地下水形式储存的,最新估算显示全球地表之下 10 km 深度内储存的地下水达 4390104 km3(Ferguson et al.,2021);二是流动缓慢,地下水更新周期在深部可达万
19、年尺度以上(董艳辉等,2022),是全球水循环中最为缓慢的部分;三是分布广泛,与湖泊、河流等地表水体比较,地下水在陆地大部分地区有赋存,特别是在缺水的干旱地区也有分布(吴爱民等,2016)。在时间调节上,地下水通过含水层的缓冲作用,将快速变化的地表水文过程与缓慢变化的地下水文过程连接在一起,为河流、湖泊等地表水体提供缓慢而稳定的水流交换,特别是在干旱时期保障稳定的基流补给。在空间调节上,浅层地下水受局部地形起伏控制,对小尺度(几百米几千米)范围内的水文过程施加影响;深层地下水受区域含水层分布控制,对大陆尺度(几百千米几千千米)范围内的水文过程施加影响(Wrman et al.,2007)。在不
20、同时间尺度、空间尺度地下水作用下,连接陆地、海洋与大气的全球水循环处在不断变化的动态平衡之中。地下水通过大陆尺度、全球尺度水循环对大气圈、生物圈、岩石圈中的地球系统过程发生相互作用和相互影响(图1)。地下水位波动通过影响土壤湿度和地表潜热通量,使大气边界层高度发生变化,影响陆地蒸散时空分布,从而对区域和大陆气候产生影响(Condon and Maxwell,2019);反过来,气候变化通过影响大气降水、陆地蒸散等,对区域地下水补给和地下水位产生影响(李雪等,2018)。对于河流、湖泊及其相邻的水生、浅流和河岸生态系统,湿地和泉水生态系统,河口和近岸海洋生态系统等,地下水为这些生态系统维持和生态
21、服务提供了重要的支撑作用,生态学家称之为依赖地下水生态系统(GDE)(Klve et al.,2011)。地下水作为岩石圈的重要组成,其分布与运移既受地质介质和地质构造的控制,又参与和影响了溶质运移、热流迁移、断层位移等地质过程。1.2地下水与人类圈的联系地下水为人类经济社会发展提供了不可或缺图1地下水与地球系统其他部分的相互联系与作用14752023 年矿产勘查的资源与服务。主要包括:供给服务,为农业、工业、生活等提供了重要的供水水源;调控服务,在含水层缓冲和自净作用下,地下水调控着淡水资源的数量、质量和时空分布;支撑服务,依赖地下水生态系统为人类提供相应的生态服务,松散地层中地下水具有重要
22、的撑托作用,防止地面沉降、地裂缝等灾害发生;媒介作用,在开采地热过程中用作传输地热能的媒介、在CO2地质储存中用作捕获、迁移和溶解的介质等(United Nations,2022)。人类活动已经成为驱动全球水系统变化的主要力量(Falkenmark et al.,2019)。根据作用途径与方式,人类活动对全球尺度地下水过程影响包括3个方面:一是修建水库、调水工程、地下水井等大量的水利工程,改变了自然地表水和地下水过程,全球有59%的大江大河流域受到了大坝建设活动影响,影响范围占流域总面积的 88%(Nilsson et al.,2005);二是在大规模工业化、城市化与农业开发活动驱动下全球土地
23、利用与覆被发生重大变化,改变了区域尺度、大陆尺度和全球尺度地下水补给、径流与排泄过程;三是随着全球贸易不断扩大,大量地下水以“虚拟水贸易”的形式从生产国流向消费国,对不同区域与全球水循环产生了影响。在人类活动驱动下,包含地下水在内的全球水系统发生了显著变化。全球地下水开采量自20世纪60年代的312 km3增至2017年的959 km3,增长了3倍多(Wada et al.,2010)。地下水开采量的快速增加导致部分地区地下水储存量减少,含水层疏干。Konikow(2011)估算,全球主要含水层疏干速率自20世纪50年代的33.2 km3/a增至20012008年的145.3 km3/a。从地
24、球系统来看,当全球水资源开发超过某一临界点时,可能会引起地球系统发生不可逆变化,以至于威胁地球系统稳定运行。为了将水资源开发活动控制在安全运行空间,Rockstrm et al.(2009)提出了水行星边界方法,Gleeson et al.(2020)将水行星边界细化为大气水、土壤水、地表水、地下水和冰川水子边界,从全球角度提出了地下水开发活动的边界。全球贸易使得很多产品的生产区与消费区在空间上相隔很远,耗水产品的全球贸易造成了水流在全球的虚拟流动。Dalin et al.(2017,2019)对全球粮食贸易所引起的地下水虚拟流动进行了估算,表明20002010年全球粮食生产消耗地下水量从19
25、4.7 km3增至 241.4 km3,粮食贸易造成的虚拟地下水出口量从17.7 km3增至25.6 km3,全球虚拟地下水贸易量增长了44%;虚拟地下水出口国主要包括巴基斯坦、美国和印度,进口国主要包括中国、伊朗、墨西哥和美国。2人类活动作用下地下水过程对地球系统各圈层过程的影响在人类活动作用下,地下水过程对大陆尺度、全球尺度的大气过程、生物过程、海洋过程等产生了越来越大的影响。近年来的研究不断揭示地下水过程对地球系统各圈层的影响,为定量化地下水过程的全球作用奠定了基础。2.1地下水过程对大气圈过程的影响在气候变化与人类活动作用下,地下水位、地下水储存量和补给、排泄量发生变化,导致土壤湿度和
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