| 标题 | 变化环境下地下水循环和水环境演变研究综述 |
| 范文 | 王喜峰 贾仰文 陈冲 牛存稳 摘要：随着全球变化和人类活动的加剧，水资源和水环境发生着深刻的演变。地下水是水循环的重要环节，同时地下水在多数地区发挥着主要水源的作用，其深刻演变可能影响区域水安全，对其研究有着深刻意义。本文梳理了国内外关于变化环境的内涵、变化环境对地下水资源和水环境影响的研究进展，分析了现有研究的不足，提出未来研究的重点方向是以大尺度水循环机制研究为基础的综合模拟研究。 关键词：变化环境；地下水资源；地下水环境；综述；进展 中图分类号：P343.6；P334.92 文献标志码：A 文章编号：16721683（2014）06001804 地下水是水循环重要组成部分，地下水的蒸发、补给、排泄、越流、横向流动等使得地下水资源不断得到更新。降水落到地面，一部分形成地表径流，通过地表水体入海或再次回归到大气中；另一部分通过包气带渗入地下，形成地下水径流，又通过蒸发、地下水开发、补给地表水等形式离开地下。 自19世纪以来，工业化排出大量“温室气体”使全球地表平均温度升高，降水、蒸发等气候要素也发生变化，进而影响地下水污染物运移的动力条件。同时，人类活动（包括土地利用方式的改变、大量取用地表水和地下水等）也在强烈地改变流域水循环的各个环节。可见变化环境下流域水循环演变是全球气候变化和强烈人类活动共同作用的结果，具有“自然人工”二元驱动力的模式，是一种“二元”水循环过程[1]。变化的环境直接或间接作用于地下水循环机制，不但影响地下水资源情势，而且改变污染物作用于水体的机制，使得水环境情势发生变化。鉴于地下水的重要性，分析人类活动和气候变化对地下水资源和水环境的影响，是未来制定地下水资源和水环境政策的重要依据，对于应对未来水危机有着重要的意义。 1 变化环境的内涵 过去20多年来，对由自然和人为因素引起的地球系统功能的全球尺度变化研究不断深化。水循环和生物地球化学循环等的变化是全球变化的一部分，同时水循环和生物地球化学循环也受到来自大尺度的地球环境的影响。一般来说，变化环境下驱动水循环演变的因子可以分为自然环境影响和人类活动两大类[2]；自然环境影响因子主要包括：气候变化[1]，太阳黑子活动[3]，自然变化[4]等；人类活动包括农业活动[5]、工业化和城市化[6]等导致的下垫面变化和覆被变化，以及水利工程和取用水[7]等导致的水循环变化。一般将气候变化和人类活动统称为变化环境[8]。水循环伴生过程是水循环的一系列伴随过程，如水生态和水环境过程等[9]。 2 相关研究进展 2.1 变化环境下水循环及伴生过程演变研究进展 在对水循环的研究中，水文模型是一个重要且有用的工具。随着水文相关研究的不断深入，水文模型得到不断发展，从降雨径流“黑箱”模型（以Sherman单位线法为代表[9]）发展到概念集总式“灰箱”模型（以美国Stanford模型[8]，日本TANK[10]模型），再发展到基于物理机制的分布式“白箱”模型（以SHE模型为代表[11]）。 基于物理机制和偏微分方程的分布式水文模型可以计算、模拟和分析具有时空变异性的各水循环要素，为变化环境下水循环演变分析和其伴生过程模拟及分析提供了强大平台支持[12]。例如，Ktie等[13]将区域气候模式与水文模型耦合用于研究河川径流对气候变化的响应；Tome等[14]将简单的降水—潜在蒸发关系与生态水文模型结合，辨别出气候变化和人类活动对河川径流的不同影响；Barnett等[15]将“指纹算法”与气候水文模型相结合，在美国中西部地区的水资源演变归因分析中进行应用，得出该地区水资源演变的60%为气候变化驱动；Scibek等[16]利用区域气候模式、分布式水文模型和地下水模型，分析了气候变化下的地下水和地表水相互作用；Huang[17]应用分布式生态水文动力学SWIM模型模拟了大尺度流域对土地利用变化的响应，而且在水循环模拟的基础上又模拟了地下水氮负荷和氮浓度，得出优化的农业土地利用和管理是减少氮负荷和改善流域水质的必要条件；Ocampo 等[18]在澳大利亚西部的Susannah Brook以农业活动为主的流域，在调查水文过程与生物地球化学过程关系的基础上，分析了坡度以及高地与河岸地区浅层地下水对氮循环的影响，并在此基础上建立了耦合水文过程与生物地球化学过程的“统一智能模型”。 2.2 变化环境对地下水循环的影响 费宇红[19]通过对京津以南的河北平原近50年来地下水循环进行研究，认为浅层地下水和深层地下水的严重超采改变了地下水流的方向，从自西向东的自然状态转变为向各地地下水位漏斗中心汇流的状态。张文华对石羊河流域地下水的动态影响因素进行了主成分回归分析，认为人类活动对地下水动态的影响在67%左右，气候变化对地下水动态影响在37%左右。张冠儒[20]采用动态建模与正交试验相结合的方法对宝鸡峡灌区的地下水位进行研究，认为灌溉量和蒸发量是影响地下水位动态的主要影响因素；韩业珍[21]在同一地区采用灰色关联度方法研究了地下水位动态变化，认为黄土台塬区和渭河阶地区地下水动态的影响因素从大到小依次为蒸发、降水、地表水灌溉、地下水开采。林岚[22]对松嫩盆地降雨入渗补给量变化进行了研究，定量评价了气候变化和土地利用变化情景下降雨入渗补给的变化。可见在变化环境下，地下水循环发生了严重的变化，人类活动和气候变化在一些地区对地下水循环有着巨大的影响，并且同一因素在不同地区的影响程度呈现不一致的特征。 2.3 变化环境对地下水环境的影响 韩冬梅[23]认为忻州盆地第四系地下水渗流场的改变使得含水层地球化学作用发生改变造成一系列的地下水资源、水环境问题。郎贇超[24]在喀斯特地区研究了“三水”运输化学特征，发现包括三氮在内的一些具有人类活动影响的特征的物质是主要污染物，提示了人类活动对喀斯特地区地下水环境的重要影响。叶玉玲[25]对胶州湾周边地区地下水文以及地球化学特征进行了分析，认为地下水向胶州湾输送的营养盐以硝态氮为主，氨氮和磷的量较小，并且这些营养盐主要来自农业面源活动。章光新[26]等运用统计和相关性分析、离子比例系数和Piper三角图示法研究了气候变化和高强度人类活动下的松嫩平原地下水化学特征与演变规律，认为风化溶滤、蒸发浓缩、阳离子交换和人为混合等过程是影响地下水水质化学特征的主要机制。可以看出，气候变化和人类生产生活已成为地下水环境改变的主要原因，并且由于农业活动中大量营养元素的施用，已对地下水环境造成严重的影响，对该领域的研究对于缓解地下水环境危机有着重要意义。 近年来，国外研究多以地下水流模型和地下水溶质运移模型模拟变化环境以及管理控制情景下的地下水环境变化。Zhang等[27]通过建立地下水流模型（MODFLOW）和地下水溶质运移模型（MT3DMS），模拟了6种土地利用情景下的英国Sherwood沙地的地下水氮污染浓度，据估算，到2025年，由于森林面积增大，总氮污染负荷减少了35%，并且在最严格氮污染损失的情景下，地下水总氮浓度达到50 mg/L（合10 N mg/L左右），已高于欧洲饮用水标准。Gunter等[28]通过建立MODFLOW和MT3DMS模型研究了河道与地下水系统的水动力变化情景下的含水层的氮污染情况。Miroslav等[29]利用MT3DMS模型模拟了捷克Elbe河床底泥对地下水的污染，预测未来10～20年内该地区地下水质没有大的风险。 3 不足及难点 目前，我国对地下水循环和水环境的研究大多处在调查、实验和相关性分析阶段，难以准确地揭示变化环境下地下水循环和水环境的演变机制，而模型模拟研究还在探索之中，在区域上多集中在灌区为主的小区域，大尺度的地下水水循环（地下水资源）演变研究较缺乏。 大流域（区域）地下水流模型在补给量的确定上存在一定的难度。在变化环境影响下，各种补给量发生了复杂变化，对补给的精细计算超过当前的计算能力和研究水平，因此影响了大尺度流域（区域）地下水流模拟的精度。由于地下水污染物运移模型是根据地下水流模型补给量和浓度来估算地下水污染物负荷。因此确定补给量的困难也影响着大尺度地下水污染物运移模型的精度。 另外，地下水污染负荷研究尚待完善，主要是土壤水运动以及土壤水营养盐运移机制复杂多变。应用包气带和饱和带污染物运移耦合模拟虽然有尝试，但开发较难，并且不适合大流域。实验估算法在点尺度上较精确，但大尺度流域影响因素众多，布置大量实验点不太现实。物料平衡法较为简单，但是由于源汇项多并且复杂多变，影响因素众多，不确定性相对较大。 4 发展趋势与展望 （1）基于水循环模拟的地下水资源与水环境研究。地下水资源和水环境是水循环系统及其伴生过程的一个重要部分。水循环模拟，特别是“二元”水循环及其伴生过程模拟，是基于物理机制的过程模拟，其对于综合模拟水资源系统和水环境系统有着强大的支撑作用。应用水循环模拟平台，模拟变化环境对水循环影响，进而分析地下水资源和水环境的情势，将是重要的研究趋势。 第二，关于作用机理的研究。在基于水循环模拟的研究中，由于系统的复杂性和参数的不确定性和参数处理的粗略性，部分模拟结果失真。但是参数问题是表象，机理研究不足才是本质。虽然含水层污染物运移机制研究已取得很大进展，但是只是集中在小尺度范围，而难以应用到流域（区域）尺度中。因此，在对变化环境下地下水资源和水环境演变过程中，要在作用机制和参数处理上特别是大尺度机制上进行深入的研究。 第三，地下水综合模拟框架的开发。研究变化环境下地下水资源和水环境演变涉及到水循环及其伴生过程模拟的各个方面，其模型应用中需要用到其他模型的模拟结果，涉及到系统间的数据和参数交换。因此需要构建地下水综合模拟框架，涉及到对水循环及其伴生过程的各系统的作用机制和耦合机制的研究，也涉及到不同尺度模拟之间的数据交换研究。 参考文献（References）： [1] 贾仰文，高辉，牛存稳，等.气候变化对黄河源区径流过程的影响[J].水利学报，2008，39（1）：5258.（JIA Yangwen，GAO Hui，NIU Cunwen，et al.Impact of climate change on 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