張光輝，王 茜，田言亮，嚴(yán)明疆，王金哲

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050061)

區(qū)域地下水演化研究具有時(shí)代性，與經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)地下水依賴程度和影響狀況密切相關(guān)。20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)北方地區(qū)生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水對(duì)地下水供給的依賴程度不斷提高，同時(shí)，人類活動(dòng)對(duì)地下水及其環(huán)境影響不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)地下水研究理論方法不斷遭遇新問(wèn)題的挑戰(zhàn)，許多問(wèn)題難以應(yīng)用傳統(tǒng)地下水理論方法解答，制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，包括地下水的數(shù)量、質(zhì)量和動(dòng)力場(chǎng)演化與更新周期性等問(wèn)題［1-6］。這些問(wèn)題的及時(shí)解決，有力地促進(jìn)了我國(guó)北方經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，豐富和發(fā)展了我國(guó)區(qū)域地下水演化理論體系。

1 區(qū)域地下水演化研究起源與時(shí)代特征

在20世紀(jì)80年代以前，我國(guó)地下水開發(fā)利用主要是滿足城市供水需求和部分地區(qū)農(nóng)田灌溉用水。當(dāng)時(shí)地下水研究側(cè)重解決因地下水位埋深淺而造成廣泛土地鹽漬化問(wèn)題和局部地區(qū)農(nóng)田供水水文地質(zhì)條件調(diào)查，在我國(guó)北方地區(qū)尚未出現(xiàn)區(qū)域性地下水超采等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，地下水評(píng)價(jià)理論是移植前蘇聯(lián)的“四大儲(chǔ)量”理論。例如在我國(guó)首次開展的區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)——“六五”期間國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“華北地區(qū)水資源評(píng)價(jià)和開發(fā)利用研究”中，重點(diǎn)研究了華北區(qū)域地下水資源的“動(dòng)儲(chǔ)量”、“調(diào)節(jié)儲(chǔ)量”、“靜儲(chǔ)量”和“開采儲(chǔ)量”，產(chǎn)生了3個(gè)計(jì)算重復(fù)量，即山區(qū)與平原之間地下水資源的重復(fù)量、地下水與地表水之間重復(fù)量和井灌回歸的重復(fù)量，這是評(píng)價(jià)理論方法的局限性問(wèn)題。

首次完成我國(guó)區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)之后，發(fā)現(xiàn)許多地下水資源問(wèn)題仍然無(wú)法解釋清楚。于是，“七五”期間開展了國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“華北地區(qū)及山西能源基地水資源研究”，突破了地下水與地表水分割、分別由不同部門進(jìn)行研究的做法，首次將地下水與大氣降水、地表水和包氣帶水作為統(tǒng)一的體系進(jìn)行研究，簡(jiǎn)稱“四水”轉(zhuǎn)化研究，并在我國(guó)東北地區(qū)的沈陽(yáng)，華北的石家莊、南宮和商丘，西北的昌吉等地區(qū)，建立了“四水”轉(zhuǎn)化研究的大型均衡試驗(yàn)基地;同時(shí)，從國(guó)外引入零通量面(ZFP)等無(wú)參數(shù)方法和水勢(shì)理論［7］，開始應(yīng)用水勢(shì)理論研究地下水與降水、地表水或包氣帶水之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律。但是，這一時(shí)期仍然是側(cè)重局域問(wèn)題研究，區(qū)域尺度地下水演化基礎(chǔ)研究仍然十分薄弱。

“八五”期間，國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目開始關(guān)注流域尺度水資源研究。在黃河流域水資源評(píng)價(jià)項(xiàng)目中，提出了“自然-社會(huì)”雙重因素對(duì)區(qū)域水資源形成與演變影響問(wèn)題，以及基于宏觀經(jīng)濟(jì)的區(qū)域水資源優(yōu)化配置理論方法，引入了水循環(huán)理念。但是，仍然沒有脫離地下水儲(chǔ)量理論局限性的束縛，欠缺人類活動(dòng)影響下水循環(huán)演化過(guò)程與機(jī)理研究。

上述三期(15年)國(guó)家級(jí)科技攻關(guān)研究之后，華北地區(qū)地下水資源緊缺和超采問(wèn)題仍然突出，為此大家都在反思問(wèn)題根源所在。1994年中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院院士張宗祜先生在國(guó)內(nèi)首先提出開展“大陸水圈水循環(huán)演化研究”建議，并得到原地質(zhì)礦產(chǎn)部和中國(guó)科學(xué)院地學(xué)部的大力支持。同年，中國(guó)科學(xué)院地學(xué)部將“大陸水圈循環(huán)演化研究”列入《21世紀(jì)發(fā)展綱要》中，從戰(zhàn)略角度確立了“大陸水循環(huán)演化”在我國(guó)地學(xué)研究中的地位。原地質(zhì)礦產(chǎn)部啟動(dòng)了以張宗祜院士為首席科學(xué)家、張光輝為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的部級(jí)重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“區(qū)域地下水演化過(guò)程及其與相鄰層圈相互作用研究”(1996—2000年)。2001年，張宗祜、張光輝等系統(tǒng)闡述了“大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化及環(huán)境意義”［8-9］。

“十五”期間，國(guó)土資源部繼續(xù)支持張宗祜院士的“大陸水循環(huán)演化”研究，開展了以張光輝為首席科學(xué)家負(fù)責(zé)的部級(jí)重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“西北典型內(nèi)流盆地水循環(huán)規(guī)律與地下水形成演化模式”的研究(2001—2005年)。2006—2010年期間，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)的項(xiàng)目“海河流域二元水循環(huán)模式與水資源演變機(jī)理”，在氣候變化和人類活動(dòng)影響下流域尺度水循環(huán)、區(qū)域地下水功能屬性、不同層圈之間水分通量模式演變及其動(dòng)力學(xué)特征與機(jī)制研究方面，取得重大突破，深入闡明了華北地區(qū)潮白河流域、永定河流域、大清河流域、子牙河流域和漳衛(wèi)河流域地下水演化過(guò)程與機(jī)制，首次揭示了氣候變化和人類活動(dòng)影響下地下水循環(huán)的自然特征演變?yōu)椤白匀?人工”二元模式特征。2014年，《區(qū)域地下水演化與評(píng)價(jià)理論方法》［10］由科學(xué)出版社正式出版，它詳盡闡述了非飽和水運(yùn)移與水勢(shì)理論、區(qū)域地下水演化與水循環(huán)理論和地下水異變機(jī)制與可持續(xù)性評(píng)價(jià)理論。在這一期間，國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目開始重視生態(tài)脆弱區(qū)的“資源水-邊緣水-生態(tài)水-災(zāi)害水”及其與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境之間相互關(guān)系的研究，出現(xiàn)了水資源承載能力的觀點(diǎn)。

2 北方區(qū)域地下水演化研究主要進(jìn)展

2．1 張宗祜院士主導(dǎo)的研究進(jìn)展

1992年，張宗祜院士等提出開展“人類活動(dòng)影響下華北平原地下水環(huán)境的演化與發(fā)展”課題研究，1995年詳盡闡述了“開展中國(guó)大陸水圈演化研究，保護(hù)人類生存環(huán)境”的科學(xué)思想［11］，并在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)主辦的“21世紀(jì)水問(wèn)題論壇”上深入闡明了“大陸水循環(huán)演化研究”的科學(xué)內(nèi)涵、對(duì)我國(guó)相關(guān)學(xué)科發(fā)展的重大意義和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大作用。

在張宗祜院士主持完成的國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“人類活動(dòng)影響下華北平原地下水環(huán)境的演化與發(fā)展”中，取得一系列開拓性研究成果，對(duì)后續(xù)我國(guó)地下水演化研究發(fā)揮了重大指引作用。該項(xiàng)目提出:①青藏高原的隆升和晚更新世以來(lái)，海平面變化對(duì)華北平原地下水動(dòng)力場(chǎng)和水文地球化學(xué)場(chǎng)演化產(chǎn)生了重要作用，包括對(duì)區(qū)域地下水補(bǔ)給、更新、徑流和排泄過(guò)程及模式的影響［8，12］;②不同時(shí)間尺度的氣候周期性變化是華北平原地下水承載力變化的主要驅(qū)動(dòng)力，它與人類活動(dòng)影響彼此嵌套，導(dǎo)致地下水補(bǔ)給、更新和承載能力變化表現(xiàn)出多變性、不確定性和階段性特征［13-14］;③對(duì)于華北平原地下水可持續(xù)性的認(rèn)識(shí)和把握，需要從全球變化的視野出發(fā)，立足大陸尺度水循環(huán)演化規(guī)律，認(rèn)識(shí)到氣候、構(gòu)造和人類活動(dòng)是區(qū)域地下水演化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，它們彼此疊加，并且在不同時(shí)空中其影響強(qiáng)度處于不斷變化之中［15-17］;④為了從整體上認(rèn)識(shí)華北平原地下水系統(tǒng)演化的地質(zhì)歷史背景，構(gòu)建了大陸尺度的氣候-地質(zhì)環(huán)境-陸地水系統(tǒng)演化斷面，東西長(zhǎng)3500km，南北寬600 km，高差近5000 m，時(shí)間跨度2萬(wàn)a，包括大陸水圈演化的氣候、地質(zhì)環(huán)境和陸地水系統(tǒng)在動(dòng)量、能量和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中的內(nèi)在聯(lián)系［8］。

上述研究成果立足于區(qū)域、流域、分區(qū)和亞區(qū)等不同單元之間水系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系與互動(dòng)，將大陸尺度水循環(huán)演化作為指導(dǎo)思想，貫穿了“人-地”和諧的發(fā)展觀，既突出了區(qū)域地下水系統(tǒng)的完整性和體系性，又充分體現(xiàn)流域系統(tǒng)內(nèi)的多層次結(jié)構(gòu)、分形特征和不同時(shí)空尺度水循環(huán)子系統(tǒng)間耦合與嵌套機(jī)制，首次實(shí)現(xiàn)了時(shí)空尺度的認(rèn)識(shí)跨越［1，18］。

2．2 北方區(qū)域地下水演化與可持續(xù)性研究進(jìn)展

張光輝等［19-20］提出，地下水可持續(xù)利用理念是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素變化而不斷發(fā)展與完善的，既要強(qiáng)調(diào)目前需求，又要考慮長(zhǎng)期需要，同時(shí)，還需要考慮社會(huì)和科技不斷進(jìn)步對(duì)水資源需求的影響，包括不同時(shí)期水資源的稀缺程度、綜合價(jià)值、利用成本和市場(chǎng)價(jià)格的變化，需確保地下水資源在國(guó)家和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期發(fā)揮應(yīng)有的作用，通過(guò)有序和合理利用地下水資源，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，長(zhǎng)期超采或全面禁采地下水都是不正確的。

2006年，張光輝等提出區(qū)域地下水功能及可持續(xù)性評(píng)價(jià)理論與方法，并于2009年出版《區(qū)域地下水功能可持續(xù)性評(píng)價(jià)理論與方法》［4］。該理論與方法及其關(guān)鍵技術(shù)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)華北、東北和西北地區(qū)地下水資源及其環(huán)境問(wèn)題地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中，并取得一系列學(xué)術(shù)成果。

2．3 內(nèi)陸干旱區(qū)流域尺度地下水演化研究進(jìn)展

長(zhǎng)期以來(lái)，西北地區(qū)水資源開發(fā)利用中未能充分考慮干旱地區(qū)水資源特點(diǎn)及水循環(huán)規(guī)律，對(duì)于流域水循環(huán)演化及其與大氣降水、冰雪融水、地表水和地下水之間轉(zhuǎn)化過(guò)程及機(jī)制等研究較薄弱［21-22］。然而，西北內(nèi)陸(盆地)平原區(qū)降雨稀少，下游區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，生態(tài)環(huán)境極度脆弱，人、水、土地與生態(tài)環(huán)境之間矛盾突出［23-26］。2000—2005年期間，通過(guò)國(guó)土資源部重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“西北典型內(nèi)陸盆地水循環(huán)規(guī)律與地下水形成演化模式”的研究，認(rèn)識(shí)到:①地質(zhì)構(gòu)造控制、多單元組成復(fù)雜的地下水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)存在復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過(guò)程與機(jī)制［27-29］;②平原區(qū)地下水補(bǔ)給量與山區(qū)降水和氣溫變化密切相關(guān)，主要來(lái)自降水和地表水直接入滲補(bǔ)給、洪水期出山口泛洪入滲補(bǔ)給和地質(zhì)歷史時(shí)期形成的補(bǔ)給;③自祁連山區(qū)至額濟(jì)納盆地，河水與地下水之間至少經(jīng)歷了3次相互轉(zhuǎn)化過(guò)程［30-33］;④自20世紀(jì)50年代至90年代人類活動(dòng)影響強(qiáng)度呈不斷增大趨勢(shì)，中游區(qū)人類活動(dòng)主導(dǎo)流域尺度水循環(huán)演化特征，上、中、下游區(qū)的人類活動(dòng)影響強(qiáng)度分別為 1%、87%和 12%［25，34-35］。

3 北方淺部地下水同位素分層特征研究進(jìn)展

由于我國(guó)北方地區(qū)的孔隙地下水含水層埋深差異較大，導(dǎo)致地下水補(bǔ)給與更新能力差異較大，地下水年齡從幾十年的“新水”至幾萬(wàn)年的“老水”差異懸殊，這些差異在地下水同位素中呈現(xiàn)分層標(biāo)識(shí)特征［36］。在我國(guó)北方地區(qū)，自西向東，主要分布有塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、柴達(dá)木盆地、銀川平原、鄂爾多斯盆地、山西太原盆地，以及華北平原、遼河平原和松嫩平原等，這些大型盆地或平原區(qū)主要含水層地下水中18O、2H(或D)、3H和14C含量的分布具有明顯分層現(xiàn)象［37-39］，淺層地下水中δD和δ18O值分別比深層地下水相應(yīng)值大4‰～16‰和1‰～2‰，淺層地下水中氚值明顯大于深層地下水。淺層地下水的δD平均值－78.98‰(準(zhǔn)噶爾盆地)～－64.17‰(河北平原)，δ18O平均值－10.75‰(準(zhǔn)噶爾盆地)～－8.77‰(河北平原)，14C年齡小于1萬(wàn)a。深層地下水氚含量很低或基本不含氚，δD平均值－95.43‰(準(zhǔn)噶爾盆地)～－76.13‰(河北平原)，δ18O平均值－126‰(準(zhǔn)噶爾盆地)～－10.71‰(河北平原)，14C年齡大于1萬(wàn)a，常見1.5萬(wàn)～3萬(wàn)a的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

上述特征，表征了不同埋深和不同水文地質(zhì)條件下的地下水具有不同循環(huán)與更新能力，與地下水埋藏狀況、當(dāng)?shù)亟邓秃铀妊a(bǔ)給條件、地下水補(bǔ)給路徑和開采程度等因素密切相關(guān)，與末次冰期以來(lái)古氣候變化相關(guān)［19，40］。隨遠(yuǎn)離海岸線和高程增加，大陸效應(yīng)和高程效應(yīng)的影響逐步減弱［41］。長(zhǎng)期大規(guī)模開采，能促進(jìn)深層水更新能力提高［1，19，42］。

4 區(qū)域地下水演化信息熵特征與災(zāi)變機(jī)制研究進(jìn)展

我國(guó)松散孔隙地下水參與的區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，不斷與外界進(jìn)行物質(zhì)交換實(shí)現(xiàn)水循環(huán)，水從高水勢(shì)向低水勢(shì)處自發(fā)地流動(dòng)，包括化學(xué)組分的聚積，由此，區(qū)域水循環(huán)過(guò)程演化是不可逆過(guò)程，無(wú)論是地表水或是地下水中的水質(zhì)點(diǎn)和化學(xué)組分只能沿水勢(shì)最大梯度指向不斷遷移，不會(huì)從下游沿水循環(huán)路徑逆向返回上游始發(fā)地［43］。區(qū)域水循環(huán)帶來(lái)水資源演化，包括地下水及其與相鄰圈層之間相互作用，總是處于非平衡狀態(tài)(演化過(guò)程)中，經(jīng)歷著較漫長(zhǎng)的漸變過(guò)程，其間存在突變或?yàn)?zāi)變事件(例如特枯或特豐水事件，為有序結(jié)構(gòu))，在時(shí)空尺度上具有多樣性，并彼此關(guān)聯(lián)或嵌套耦合。

在區(qū)域水循環(huán)演化過(guò)程中，突變或?yàn)?zāi)變之前，處于高熵態(tài)，突變或?yàn)?zāi)變過(guò)程處于低熵態(tài)，水循環(huán)演化過(guò)程就是一個(gè)熵減少的過(guò)程［44］?；?470—2009年期間華北平原降水量數(shù)據(jù)的研究［45］表明，區(qū)域水循環(huán)演化結(jié)構(gòu)熵的過(guò)程線與年降水量動(dòng)態(tài)分布過(guò)程線之間具有變化互動(dòng)特征。無(wú)論降水量偏大或偏小，其熵值都遠(yuǎn)離均線系統(tǒng)。熵值愈大，表明該水文要素愈靠近多年均值，愈趨于穩(wěn)定(平衡)態(tài);熵值愈小，表明該水文要素愈遠(yuǎn)離穩(wěn)定態(tài)，或遭遇了異常氣候事件(特大干旱或洪澇)明顯影響，水文要素的強(qiáng)弱變化結(jié)構(gòu)(過(guò)程)愈簡(jiǎn)單，確定性愈強(qiáng)。

5 區(qū)域地下水形成與水循環(huán)演化關(guān)系研究進(jìn)展

在區(qū)域地下水儲(chǔ)存資源形成與演變的地史進(jìn)程中，萬(wàn)年、千年、百年尺度或更小時(shí)間尺度的多雨期與干旱期，或高溫期與低溫期交替出現(xiàn)或疊加共現(xiàn)，致使地下水位、水量和水質(zhì)不斷變化［46］，這如同現(xiàn)今的四季變化，夏季多雨，秋冬少雨。在過(guò)去的1.2萬(wàn)a中，華北平原地下水凈補(bǔ)給量與降水量之間水分通量變化率為0.240 mm/a，與陸面蒸發(fā)量之間水分通量變化率為0.260 mm/a，與側(cè)向徑流量之間水分通量變化率為0.982 mm/a，與地表徑流量之間水分通量變化率為0.320 mm/a。全新世以來(lái)，華北平原地下水多年平均的年凈補(bǔ)給系數(shù)(凈補(bǔ)給量與年降水量之比)，介于0.21～0.27之間變化;區(qū)域地下水儲(chǔ)變量與陸面蒸發(fā)量之間的水分通量則隨年蒸發(fā)量的增大而增大(為負(fù)值)，其變化率隨年蒸發(fā)量的減小而增大，這主要受降水和地表徑流變化制約［1，12，47］。站在現(xiàn)今的角度，距今5000 ～4000 a 和距今8000～5600a期間是該平原區(qū)域地下水系統(tǒng)獲得凈補(bǔ)給量與陸面蒸發(fā)消耗最為穩(wěn)定的時(shí)期，兩個(gè)時(shí)段多年平均凈補(bǔ)給量分別為29.3 mm/a和35.2 mm/a，多年平均蒸發(fā)系數(shù)分別為0.78和0.76［12］。

6 未來(lái)研究方向

在未來(lái)我國(guó)北方區(qū)域地下水演化研究中，需要進(jìn)一步重視末次冰期以來(lái)流域尺度水循環(huán)演化過(guò)程、周期性及地下水主要補(bǔ)給期識(shí)別;重視流域尺度的上游源區(qū)水循環(huán)補(bǔ)給源、組成、模式和變化規(guī)律，以及現(xiàn)代流域水循環(huán)過(guò)程中河流-地下水系統(tǒng)之間水通量變化機(jī)制和水土資源優(yōu)化配置與生態(tài)環(huán)境保護(hù)模式研究;重視氣候變化和人類活動(dòng)二元耦合對(duì)區(qū)域地下水補(bǔ)給-更新能力及其地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變影響的時(shí)空特征、程度研究，尤其華北農(nóng)業(yè)區(qū)超采情勢(shì)下地下水演變與可持續(xù)保障能力問(wèn)題的基礎(chǔ)研究［10，47］。

［1］張光輝，費(fèi)宇紅，劉克巖，等．海河平原地下水演變與對(duì)策［M］．北京:科學(xué)出版社，2004．

［2］張兆吉，費(fèi)宇紅，趙宗壯，等．華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評(píng)價(jià)［M］．北京:地質(zhì)出版社，2009．

［3］張光輝，嚴(yán)明疆，楊麗芝，等．地下水可持續(xù)開采量與地下水功能評(píng)價(jià)的關(guān)系［J］．地質(zhì)通報(bào)，2008，27(6):875-881．(ZHANG Guanghui，YAN Mingjiang，YANG Lizhi，et al．Relationship between the groundwater sustainable yield and groundwater function assessments［J］．Geological Bulletin of China，2008，27(6):875-881．(in Chinese))

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