地球科学进展

地球科学进展, 2019, 34(2): 210-223 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.02.0210

干旱、半干旱区地下水可持续性研究评述

王思佳1,2,3, 刘鹄,1,2,*,*, 赵文智1,2, 李中恺1,2,3

1. 中国科学院西北生态环境资源研究院，中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站, 甘肃 兰州 730000

2. 中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室, 甘肃 兰州 730000

3. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049

Groundwater Sustainability in Arid and Semi-arid Environments: A Review2

Wang Sijia1,2,3, Liu Hu,1,2,*,*, Zhao Wenzhi1,2, Li Zhongkai1,2,3

1. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Linze Inland River Basin Research Station, Chinese Ecosystem Research Network, Lanzhou 730000, China

2. Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basin, Lanzhou 730000, China

3. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

收稿日期: 2018-09-03   修回日期: 2018-12-02   网络出版日期: 2019-03-22

基金资助: 中国科学院战略性先导科技专项(A类)“中亚—西亚地区荒漠化过程与驱动机制”(编号：XDA2003010102)；国家自然科学基金重点项目“荒漠绿洲非饱和带土壤水分运移及对地下水补给作用”(编号:41630861)资助.

Received: 2018-09-03   Revised: 2018-12-02   Online: 2019-03-22

作者简介 About authors

WangSijia(1996-),female,YunchengCity,ShanxiProvince,Masterstudent.Researchareasincludeecohydrologyandhydropedologyinwater-limitedenvironments.E-mail：wsj.xxing@foxmail.com

LiuHu(1980-),male,LanzhouCity,GansuProvince,Associateprofessor.Researchareasincludeecohydrologyandhydropedologyinwater-limitedenvironments.E-mail:lhayz@lzb.ac.cn

摘要

地下水是全球水文循环的重要组成部分，可持续利用地下水关系到区域生态安全与粮食安全，在干旱、半干旱区尤其如此。梳理了近30年来国内外关于干旱、半干旱环境地下水可持续性研究的重要成果，从地下水可持续性的概念、评价指标、影响因素、可持续管理和研究前沿等方面系统总结了干旱、半干旱区地下水可持续性研究进展，指出全球范围内干旱、半干旱区地下水在水量和水质方面都已表现出不同程度的不可持续特征，但已有的研究多关注地下水的数量特征而忽视了地下水质量，因此可能低估了地下水可持续性下降的严重性。未来研究中除了要进一步完善地下水可持续性理论框架、关注地下水资源在自然和社会间的平衡关系、明确人类干扰与气候变化对地下水可持续性的影响规律、加强地下水可持续性尤其是在跨界流域中的管理外，还要重视地下水可持续性分析模型开发、评估方法体系建设、地下水系统实时监测以及法律层面的可持续性管理研究。

关键词： 地下水可持续性 ; 生态安全 ; 粮食安全 ; 气候变化 ; 人类活动

Abstract

Groundwater is an important part of the global hydrological cycle. Sustainable utilization of groundwater is related to regional ecological security and food security, especially in arid and semi-arid environments. This paper reviewed the important achievements of the research on groundwater sustainability in arid and semi-arid environments during the past 30 years, and summarized the research progress in groundwater sustainability of arid and semi-arid environments from the conception evolution of groundwater sustainability, evaluation methods, influencing factors, sustainable management, and research frontiers. Our analysis suggests that groundwater in water limited environments around the world has shown unsustainable characteristics both in terms of quantity and quality. However, the existing research focuses more on the quantitative characteristics than the quality characteristics of groundwater, and thus the seriousness of the decline in groundwater sustainability is potentially underestimated. It is pointed out that more research efforts need to be done in the future in balancing the groundwater resources for human and nature, clarifying the impacts of human disturbance and climate change on groundwater sustainability, and strengthening groundwater sustainability through transboundary watershed management. We argued that the difficulty remains how to quantify the sustainable yield of a groundwater basin, and how to assess the groundwater sustainability. Further investigations are required in improving the theoretical framework of groundwater sustainability, modeling the impacts of the various alternative groundwater development scenarios, developing more flexible and efficient indicator frameworks for sustainability evaluation of groundwater system, and deploying more sophisticated groundwater monitoring network for real-time data acquisition. Finally, awareness should also be raised towards ground water sustainability both at the legal level and in the sphere of political action.

Keywords： Groundwater sustainability ; Ecological security ; Food security ; Climate change ; Human activities.

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本文引用格式

王思佳, 刘鹄, 赵文智, 李中恺. 干旱、半干旱区地下水可持续性研究评述. 地球科学进展[J], 2019, 34(2): 210-223 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.02.0210

Wang Sijia, Liu Hu, Zhao Wenzhi, Li Zhongkai. Groundwater Sustainability in Arid and Semi-arid Environments: A Review2. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(2): 210-223 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.02.0210

1 引 言

地下水是全球水文循环的重要组分，其淡水储量占全球可利用淡水总量（不包括冰川）的98%[1,2]。自然界中，地下水不仅是多种生态系统的稳定水源，在维系生态系统功能、保障物种生存条件、防止海水入侵等方面意义重大[2,3]，更是全球粮食安全维护[4,5]、饮用水安全和经济发展保障的核心资源[4,6]。过去近50年来，全球尺度的干旱、半干旱区因地表水资源相对匮乏而过度依赖地下水，再加上大规模开发，已经使地下水资源的可持续性受到了严重威胁[7,8]：在数量上，由于人口增加、灌溉规模扩大以及城市化进程加速，干旱、半干旱区地下水资源面临着耗竭的风险[6]，地下水补排关系改变、气候变化影响[9]、地下水开采能力的提高成为地下水危机加速的潜在原因；在质量上，除地下水自身可能溶解有毒物质外，工业污水、生活废水的排放以及大面积的化肥、农药使用等都会造成地下水污染并限制其可利用程度。地下水数量上的短缺和质量上的恶化可能导致地下水依赖型生态系统(Groundwater Dependent Ecosystems，GDEs)退化并危及区域生态安全，降低社会对地下水的可获得性、提高地下水获取成本，并最终影响全球干旱、半干旱区粮食安全和饮用水安全[1,3,5,10]。此外，地下水位持续下降还可能带来地面沉降、海水入侵等灾害[11,12]，可持续利用地下水是缓解干旱、半干旱区地下水环境恶化的必然途径[13]。

全球干旱、半干旱区主要分布在南北纬15°~35°，并向内陆和极地延伸至南北纬55°的地区[14]，我国境内的干旱、半干旱区包括全部的西北地区以及华北地区北部、东北地区西部的部分地区。自1999年Alley等[15]提出地下水可持续性(Groundwater sustainability)的概念以来，干旱、半干旱区的地下水可持续性问题就逐渐开始成为人们关注的热点；2014年，美国加利福尼亚州出台地下水可持续性管理法案(Sustainable Groundwater Management Act，SGMA)，标志着对干旱、半干旱区地下水可持续性的考量已经从科学层面上升到管理层面，以流域为单元的地下水可持续性评价和管理正在成为新的研究趋势[16,17]。本文从地下水可持续性的概念与评估方法、干旱/半干旱区的可持续性现状、地下水可持续性影响因素、管理方法与策略、研究前沿等方面系统综述了国内外近30年的相关研究进展，期望通过梳理国内外干旱、半干旱区地下水可持续性研究的典型案例与重要成果，为我国水分限制型环境(Water-limited environments)地下水可持续管理研究提供参考。

2 地下水可持续性概念及评估方法

2.1 概念发展与演变

地下水可持续性的概念由Alley等[15]于1999年提出，但可持续利用地下水的思想早在1910年代[18]就已出现，其发展大致经历了2个阶段：①工程层面的可持续开采量(Sustainable yield)[12,19,20,21]，相似的表达有安全开采量(Safe yield)[18,22,23,24,25,26,27,28,29]、最佳开采量(Optimal yield)[30]、可持续开采量(Sustainable pumping)[31]和地下水袭夺量(Groundwater capture)[32]等；②从系统科学角度考虑地下水的可持续性[3,4,15,33]，Alley等[15]将其定义为地下水系统能够被长期开发利用而不会造成严重的环境、经济后果或社会影响的能力，强调地下水要同时达到质量良好和数量充足的状态等。安全开采量的概念由Lee[18]提出，是指地下水抽取后对含水层不造成不可逆影响的最大开采量，Meinzer[22]将其简化为含水层中适合人类使用并可永久抽取的最大开采量；Conkling[24]、Todd[25]、Domenico[26]和Freeze等[27]增加了对水质的考虑，将其定义为不引发地下水质恶化或地面沉降等不良后果的临界开采量；Yihdego等[30]认为安全开采量没有固定的阈值，确定其数量时不仅要考虑地下水系统特征，还要考虑当地经济、政策条件，因此存在一种适用于当地管理水平的最佳开采量。基于含水层的动态平衡，Kalf等[20]、Gleeson等[21]和Devlin等[31]提出了可持续开采量的概念，定义可平衡流域地下水补排关系且能避免地下水位持续下降的开采量为可持续开采量。事实上，采水后含水层可能会同时出现排水量减少和补给量增加的情况，两者之和为地下水袭夺量[32]，Theis[23]认为开采量大于最大袭夺量时，地下水位会持续下降并最终枯竭，反之则会出现开采量与袭夺量之间的平衡，因此可持续开采量由地下水系统自然补给量和袭夺量共同决定[32]。

2004年Alley等[19]回顾了从地下水安全开采量[18]到地下水可持续性概念的发展历程[19]；Sophocleous[33]指出地下水可持续性的概念中应包含对GDEs的考虑。系统科学意义上的地下水可持续性概念始于Alley等[15]，早期的定义中只强调地下水数量，1946年后开始考虑其质量[24]，最新的研究中通常数量和质量并重[3,4,33]，可见地下水可持续性是指地下水系统能够为生态系统和人类社会持续提供足够数量和良好质量的水资源的能力。

2.2 评价指标

2.2.1 数量评价

在数量方面，地下水可持续性可通过地下水干旱程度(Groundwater drought)和地下水资源压力(Groundwater stress)等指数评估[7,8]，也可基于地下水储量[34,35] (Groundwater storage)或地下水位变化[36,37,38,39]等数据进行测度。

（1）地下水干旱程度是指地下水补排关系改变或储存量减少造成的地下水资源短缺程度，通常可利用基于地球重力场反演与气候实验卫星(Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE)数据的地下水干旱指数(GRACE-Groundwater Drought Index，GGDI)估算[7,8]：

GGDI=GSDt-X¯GSDSGSD，

式中：GSDt (Groundwater Storage Deviation)是在GRACE数据提取的地下水储量变化信号(Groundwater Storage Anomaly，GWA)中剔除月气候波动得到的地下水储量变化时间序列；X¯GSD和SGSD分别为GSDt的平均值和标准差。GGDI可进一步与可持续性指数(Sustainability Index，SI)结合评估较大尺度的地下水可持续性，其中SI为地下水系统可靠性(Reliability，REL)、恢复力(Resilience，RES)和脆弱性(Vulnerability，VUL)的函数：

SI=REL×RES×1-VUL。

另外，也可利用标准地下水位指数[40](Standardized Groundwater Index，SGI)表达地下水的干旱程度，SGI是在逐月地下水位数据的基础上进行非参数正态计分变换(Non-parametric normal scores transform)获得。

（2）地下水资源压力是利用地下水造成的潜在资源压力[41]，Gleeson等[42]提出用地下水足迹(Groundwater footprint)与含水层总面积的商作为地下水资源压力指数(Groundwater-resource Stress Index，GSI)，当GSI>1时，地下水资源存在压力，反之则不存在压力。此外，基于GRACE数据的地下水总压力指数(Total Groundwater Stress，TGS)[43]、可再生地下水压力指数(Renewable Groundwater Stress，RGS)[41]也是常用的表达形式。其中，TGS可根据地下水储量变换的百分比Vp%来计算：

TGSp%=Vp%∆GWtrend，

式中：∆GWtrend是地下水储量净变化，TGSp%为消耗含水层总储量的p%需要的时间。RGS通常定义为地下水使用量与平均补给量的比值[41]，如：

RGS=QstatR0=∆GWtrendR0，

式中：Qstat和∆GWtrend分别是利用统计方法和GRACE数据计算的地下水使用量，R0是地下水的平均年补给量。

（3）地下水储量体现了含水层长期的收支平衡关系[34,36]，可在GRACE数据基础上结合Budyko模型[35]和MODFLOW (Modular Three-Dimensional Finite-Difference Ground-Water Flow Model)等方法直接估算，也可利用干涉雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)[44]通过地面沉降数据反演间接估算。

基于GRACE数据的方法虽然能够实现数据匮乏地区（如荒漠和偏远山区等）的地下水储量评价，但因其时空分辨率低，开展地下水动态评价存在明显的局限性；因此，在地下水监测设施较完善的地区，可直接利用地下水观测数据和经典方法评价，如地下水超采区评价方法[45]和地下水功能区划方法[46]。

（4）基于地下水位变化的方法中需要同时考虑地下水位变化趋势和体现其变异特征的地下水位波动幅度[36,37]。水位波动法[36](Water Table Fluctuation Method，WTF)和双水位波动法(Double Water Table Fluctuation Method，DWTF)[37]都是利用地下水位波动数据获得地下水在数量上变化趋势的方法，其中WTF方法利用含水层面积(Geographical area)、给水度(Specific yield)和地下水位上升量的乘积计算地下水补给量，适用于含水层观测井中地下水位可高频、精确获取的情况；DWTF是WTF方法的改进，通过分别估算旱季（无天然补给）和雨季（天然补给）的地下水位变化获得更准确的地下水储量变化信息。通过Mann-Kendall非参数检验[47]、Sen斜率估计[38]和Mann-Kendall突变点识别法[38]等趋势分析方法，可进一步区分地下水位与地下水储量变化为自然波动还是存在显著变异[39]。

2.2.2 质量评价

在质量方面，地下水的可持续性可通过地下水脆弱性[48](Groundwater vulnerability)评估，也可基于地下水质指数[49](Groundwater Quality Index，GQI)或地下水质可持续性指标(Groundwater Quality Sustainability Indicators，GQSI)测度[50]。

（1）地下水脆弱性可能是含水层的自身属性，也可能由外界扰动(污染或社会因素)造成[48]。地下水可持续性评价中通常忽略前者，所以地下水脆弱性又可简单表述为污染物进入含水层并运移至某个特定位置的趋势或可能性[48]，脆弱性越高则可持续性越低。地下水脆弱性常用DRASTIC (Depth to water table,Recharge,Aquifer,Soil type, Topography,Impact of zone vadose, Hydraulic conductivity)[48,51,52]、DRSTI (Depth to water table, Recharge, Soil type, Topography, Impact of zone vadose)[52]、GOD (Groundwater occurrence, Overall aquifer class and Depth of water table)[51,52]和SI[51]等指数表达。其中，DRASTIC指数是通过对地下水埋深、净补给量、含水层介质、渗透系数等因子加权计算获得，数值越小则地下水脆弱性越小、可持续性越好，由于计算方法简单、结果可靠，该指数适用于较大尺度上的地下水脆弱性评价。DRSTI指数是对DRASTIC指数的简化，不考虑含水层介质和渗透系数因素，可用于地下水脆弱性的简单估算。SI指数在DRSTI指数的基础上增加了对土地利用类型的考虑，用于体现硝酸盐和杀虫剂导致的垂向污染。GOD指数则是由含水层类型、非饱和带岩性和地下水埋深参数等权重赋值相乘得到，该指数只考虑非饱和带污染物的垂向迁移，忽略饱和含水层中污染物的侧向运移，由于涉及的参数较少且容易率定，得到的结果相对准确。

（2）GQI是对地下水中7类主要水化学参数(Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、TDS和NO3-)的加权平均[49]，加权过程中区分常规离子和污染组分，加权获得的GQI能反映地下水污染程度以及污染物季节变化造成的综合影响，通过叠加GQI分布图和地下水质季节变异分布图即可获得地下水可持续性的空间信息，高污染程度、强季节变化区地下水可持续性通常较低，反之则可持续性较高。

（3）GQSI是由Belousova等[50]在压力—状态—响应框架(Pressure-State-Response，PSR)基础上提出的。GQSI是地下水损害指数(Indexes of damage)、污染指数/化学指数(Indexes of pollution/ Chemical indexes)、水文地球化学指数(Hydrogeochemical indexes)、污染物动态迁移指数(Dynamic indexes)和地下水环境相互作用指数(Indexes of interaction)的函数，其中地下水环境相互作用指数包括表示地下水与含水层相互作用的地下水脆弱性指数(Vulnerability indexes)以及地下水与外界环境相互作用的地下水保护性指数(Protectability indexes)，GQSI与分带指数(Zonality index)结合可实现不同环境的地下水质可持续性评估。

2.2.3 综合评价

同时考虑数量和质量的可持续性评价称为综合评价，常用的指标有：含水层可持续性指数(Aquifer Sustainability Index，ASI)[53]、地下水可持续性结构化指数(Groundwater Sustainability Infrastructure Index，GSII)[54]以及地下水资源可持续性评价指标体系(Groundwater Resources Sustainability Indicators，GWSIs)[55]。

（1）ASI是由Senent-Aparicio等[53]针对数据稀少的半干旱环境地下水系统提出，该指数基于PSR框架并整合了水文地质(Hydrogeology，H)、环境(Environment，E)、生活(Life，L)和政策(Policies，P) 4个方面的赋值估算地下水可持续性，0≤ASI<0.5，表明可持续性低；0.5≤ASI＜0.8是中等可持续；0.8≤ASI≤1代表高度可持续：

ASI=H+E+L+P4。

ASI指数反映了地下水开采导致含水层变形的可恢复程度对地下水可持续性评价的重要性。

（2）GSII由Pandey等[54]提出，其包括地下水监测、知识传播、监督干预、公众参与和机构责任5个方面共16个指标，通过等权重衡量地下水的数量和质量特征，因此该指数偏重于社会因素和地下水管理：

GSII=∑i=1nwiXi∑i=1nwi，

式中：Xi是第i个指标赋值，wi是第i个指标的权重。

（3）GWSIs是由联合国教科文组织(United Nations Educational,Scientific and Cultural Organization,UNESCO)等在驱动力—压力—状态—影响—响应框架(Drive-Pressure-State-Impact-Response，DPSIR)基础上提出的指标体系，考虑了人均可再生地下水资源、地下水总抽水量/补给量、地下水总抽水量/可开采量、地下水/饮用水总使用量等比例关系，以及地下水脆弱性、地下水质量、地下水处理以和农业人口对地下水的依赖程度等内容，是目前较为系统和完善的综合评价体系，已在西班牙[55,56]、南非[55]、印度[57,58]、巴西[55]和芬兰[55]等国家和地区广泛应用。

GSII和GWSIs的优点是能全面反映地下水可持续性状况，但涉及参数过多不适用于监测数据匮乏的干旱、半干旱环境。此外，通过地下水年龄估算地下水的更新能力[55,59,60]也能够间接反映地下水的数量和质量特征，在估计地下水补给量、分析地下水溶质迁移规律以及约束地下水模型参数等方面有潜在应用价值[61]。

3 地下水可持续性现状

3.1 全球范围干旱/半干旱区地下水可持续性

目前，关于地下水可持续性的研究已覆盖全球干旱、半干旱区主要地下水系统。整体上看，从水量角度开展的评价仍是地下水可持续性研究的主体(图1)，数据表明：除个别地区外[49,57,58,63,64]，全球多数干旱、半干旱区含水层不可持续特征均非常明显，如欧洲南部[36,56]、非洲北部[41,51,52,59,65]和南部[32,66]、阿拉伯半岛[41]、印度半岛西北部[1,10,35,41,48,67]、北美洲中部西部[7,10,44,68,69]、中亚地区[39,70,71]以及澳大利亚西南部[10]等。Thomas等[8]利用GRACE数据计算了全球主要含水层的SI并得到相似的结论(图1)。Chen等[10]研究发现中东地区和印度西北部是世界上地下水储量耗竭最严重的地区；Richey等[41,43]利用TGS和RGS指数估算了全球主要含水层储量的消耗程度和恢复能力，认为美国加利福尼亚州中央谷地和中国塔里木盆地的地下水消耗最严重，恢复能力最弱。可见，全球干旱、半干旱环境的地下水系统多数已呈现不同程度的不可持续性，甚至很多地区的地下水生态破坏已无法恢复。由于干旱区多关注地下水数量，对其质量的关注程度较低，评价结果多为数量上的不可持续性，质量方面的研究结果相对较少，因此已有的评估结果可能低估了地下水可持续性下降的严重性。

图1

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图1   全球干旱/半干旱区[62]地下水可持续性

Fig.1   Groundwater sustainability in arid and semi-arid regions[62] of the world

↑代表评价结果为可持续，↓代表评价结果为不可持续；全球干旱/半干旱区主要含水层的可持续性指数SI（据参考文献[8]修改）越小越不可持续；P：降水量；PET：潜在蒸发量

↑means sustainable, ↓means unsustainable; The Sustainability Index (SI) of major aquifers in arid and semi-arid regions of the world（modified after reference[8]）；The smaller the value of SI, the less sustainable;P:Precipitation; PET: Potential Evapotransporation


3.2 我国境内干旱/半干旱区地下水可持续性

内陆河流域是我国干旱、半干旱区的主体，建国后由于人口增加、灌溉面积扩大，地下水系统长期超采并表现出明显的不可持续特征，如石羊河流域地下水位在1971—1980年、1980—1990年、1990—2000年和2000—2010年分别下降了1.13,2.04，2.95和5.27 m，总体上呈加速下降的态势，下游的民勤绿洲地下水埋深由1950年的1~5 m增大到2000年的12.8~18.8 m，最深达40 m，平均增加速率为 0.5 m/a[72]；黑河流域地下水位1980—1990年、1991—2000年和2000—2010年分别下降了0.55，1.43和1.4 m，其下游额济纳旗盆地地下水埋深在1940年代为0.5~1.0 m，1950年代开始下降，1970年代下降到1.57~2.52 m，1980年代为2.05~2.84 m，1990年代为3.20~4.07 m，总体呈下降趋势[73]；疏勒河流域地下水位1960—1980年、1980—1990年、1990—2000年和2000—2010年分别下降0.25，0.53，0.75和0.74 m，呈加速下降趋势[74]。类似的结果在新疆塔里木河、玛纳斯河、渭干河—库车河等流域均有报道[41,75]，地下水作为储备资源，在较长的时间尺度上对其大规模开发意味着区域水资源已达到不可持续或临界可持续的阶段[76]。由于西北干旱区地下水数量短缺问题突出，地下水可持续性相关的研究多为类似的数量评价(表1)，但也有少量从水质方面开展的研究，如Xiao等[77]分析塔里木河流域地下水质量特征，发现该区地下水盐分偏高，除北部子流域外其余地区地下水均不适于饮用和灌溉。

华北地区北部干旱、半干旱环境的地下水不可持续性在数量和质量方面都很突出(表1)，但因为面积比例相对较小，专门针对该地区开展的相关研究也少。数量方面，Liu等[82]的研究发现华北平原北部地下水长期消耗量大于补给量致使储量趋于枯竭；Chen等[63]和Huang等[81]的研究表明呼和浩特平原因地下水补给不足以及过度开采已造成严重的地下水位下降，其中人口和工业密度较高的呼和浩特市地下水可持续性已达到最低水平。质量方面，Wu等[83]针对华北平原的研究表明，该地区因地下水污染严重、可用性低，加剧了当地的缺水程度；夏军[85]的研究表明，华北地区北部连片分布的降落漏斗区造成污水倒灌，给该区人民的安全卫生用水带来严重威胁；陈江等[86]的研究认为，河套平原区黄河南岸和东北部地下水可持续性最差，中部北部地区可持续性较好，磴口县和乌拉特前旗大部分地区地下水可持续性差且荒漠化严重。东北地区西部半干旱区的地下水不可持续性主要体现在数量方面，Moiwo等[84]通过计算吉林省西部半干旱区的地下水储量发现，该区地下水储量已趋于耗竭。

另外，由于我国境内干旱区生态系统多数有依赖地下水的特征[87]，对地下水可持续性的研究更多是从生态学角度开展的生态地下水位[88]研究，如Zhao等[89]对干旱区地下水的合适水位、最佳水位、临界盐碱化深度和生态警告水位进行了总结；樊自立等[90]通过研究地下水、土壤水和植被的相互关系，确定塔里木河生态地下水位为2~4 m；陈亚宁等[91]推测塔里木河下游胡杨、柽柳的生态地下水位在4 m之内；贾利民等[92]则评述了干旱区生态地下水位的计算方法，认为气候变化、植物特性和土壤理化性质是地下水生态水位的影响因素。

表1   我国境内干旱/半干旱区的地下水可持续性

Table 1  Groundwater sustainability in arid and semi-arid regions in China

地区可持续性（↑可持续；↓不可持续）方法
东北地区西部吉林省西部[84]↓（数量）GRACE重力数据反演
西北地区塔里木盆地[41]↓（数量）

GRACE重力数据反演

RGS地下水总压力指数

塔里木河流域[77]↓（质量）

钠吸附率、钠百分比

地下水质指数

孔雀河上游[78]↓（数量和质量）同位素方法
敦煌盆地[79]↓（数量）MODFLOW模型
黑河流域[73]↓（数量）地统计方法
张掖盆地[80]↓（数量和质量）

MODFLOW模型

MT3DMS模型

民勤绿洲[72]↓（数量）数字地下水埋深模型
鄂尔多斯盆地[81]↓（数量）同位素方法
华北地区北部呼和浩特平原[63]↑（数量和质量）基于DPSIR框架的地下水评价指标
华北平原北部[82]↓（数量）MODFLOW模型
华北平原北部[83]↓（数量和质量）

MODFLOW模型

RT3D溶质运移模型

华北平原北部[60]↓（数量和质量）同位素方法

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4 地下水可持续性影响因素

气候变化和人类活动是影响地下水资源可持续性的主要因素，且以数量和质量上的负面影响为主[9,93]，相对而言，气候变化主要从数量上影响地下水可持续性，而人类活动不仅影响地下水数量也影响其质量。

4.1 气候变化

气候变化以复杂的方式影响着干旱、半干旱环境地下水的可持续性[9]，如在数量上改变地下水的补排关系，造成地下水储量变化；质量上影响咸水入侵，改变地下水中的生物化学反应和溶质迁移。相对于地表水，地下水流动缓慢且对全球变化的响应方面存在滞后，因此，针对地下水系统特别是气候变化对地下水可持续性的影响方面开展的研究相对较少，近10年来开始增加，但仍集中在地下水数量方面，且结论存在较大的不确定性[93]。

（1）在数量上，气候变化影响降水、蒸散、径流等水循环组分[5]，降水是干旱区水资源的主要输入项，气候变化引发降水减少，可能导致干旱区地表水和地下水储量的同步减少，如Ouhamdouch等[94]发现气候变化导致摩洛哥西南部降水量和气温分别呈下降和上升趋势，造成地下水补给减少、地下水位持续下降并发生反复干旱事件；但部分地区却可能因为气候变化出现地下水储量增加的情况，如Scanlon等[95]发现美国西南部干旱区在厄尔尼诺现象频繁时期(1977—1998年)的地下水补给量高出拉尼娜现象主导期(1941—1957年)的3倍左右，在阿根廷干旱区也有类似现象发生。

（2）在质量上，全球变暖带来冰川融化、海平面上升，可能加剧沿海含水层的海水入侵风险[96]；Favreau等[97]模拟了气候变化对非洲西部Iullemmeden盆地地下水位的影响，结果表明1930—2000年该区域地下水位以0.4 m/a的速度上升，应增加抽水量以避免土壤盐碱化；Treidel等[93]在美国高平原区的研究表明：气候变化造成该地区用于饮用和灌溉的深层地下水中硝酸盐等污染物的浓度增加。

（3）气候变化在可预见的未来将持续影响地下水可持续性，如Taylor等[96]模拟未来气候变化对全球地下水补给的影响，发现在2050年之前地下水补给变化敏感区的地下水补给减少量不会超过当前补给量的10%，但该预测的主要数据来源于全球气候监测系统，缺少对降水和CO2情景的考虑，存在一定程度的不确定性。

4.2 人类活动

人类活动对地下水的影响本质上是为应对社会水资源需求和水环境变化而采取的一系列措施，包括负面和正面影响2个方面[93]，负面影响指人类为满足生产生活需要加速开发地下水资源，加剧地下水的数量短缺和质量恶化，威胁地下水可持续性[1,3,5,10,11]；正面影响即人类为适应气候和地下水环境变化对地下水系统进行可持续性管理，已有的文献中关于负面影响的研究居多。

（1）在数量上，人类活动近百年来持续加剧影响地下水系统[98]，Ashraf等[34]指出经济发展、土地利用/覆盖变化、温室气体排放和环境退化造成地下水的“人为干旱”，量化分析表明美国、伊朗境内的18个干旱、半干旱区含水层都因人类干扰出现地下水耗竭；Mack等[39]对阿富汗喀布尔盆地(Kabul Basin)的地下水位进行趋势性分析表明：人口增加消耗大量地下水，导致区域地下水位大幅下降；Wada等[98]的研究表明，人类用水激增导致欧洲南部、非洲北部、中东地区、伊朗、巴基斯坦、印度、中国东北部以及美国西部和中部的干旱、半干旱区地下水耗竭。

（2）在质量上，工业污水、生活废水的排放以及农村地区的化肥、杀虫剂、家畜粪便的淋溶下渗造成地下水污染，其中印度和中国作为人口大国污染尤为严重。Srinivas等[67]利用地下水质评价模型发现印度拉贾斯坦邦(Rajasthan)超过50%的地区因地下水质恶化不宜饮用和灌溉；Khan等[49]评价了印度南部半干旱区城市化过程中土地利用方式变更对地下水质的影响，发现建设用地和家禽养殖场的增加使局地地下水质迅速恶化；Wu等[83]研究发现中国华北平原因增施氮肥导致其地下水可用性低，造成严重的数量和质量威胁；Eissa等[65]在埃及西奈半岛的沿海干旱区模拟海水入侵，发现人类的过度抽水加剧海水入侵造成研究区地下水质的不断恶化[99]。

（3）未来人口、经济的增长将进一步影响地下水可持续性[98]，如Gibert等[100]的研究表明，2025年全球可再生水资源的人均使用量会下降到4 800 m3，农业用水和人类消费用水量将大幅增加，地下水将成为主要的淡水资源，并将加剧全球干旱区含水层的枯竭速率。减少农业用地、提高用水效率、寻求地下水替代资源可有效减缓地下水可持续性的下降趋势[5,100]。

5 地下水可持续性管理

可持续管理是缓解地下水危机的必然选择[13]，人类活动对地下水的影响受人口密度、环境政策和经济发展影响，如发达国家因人口较少且经济发达、环境政策先进，对地下水系统造成的负面影响则小于发展中国家。目前，地下水可持续性管理在发达国家和发展中国家都开始受到重视，但管理程度存在显著差异，发达国家和地区仍是地下水可持续管理的主体，如针对干旱、半干旱区的地下水问题（存在大面积干旱、半干旱区的发达国家主要是美国和澳大利亚），美国亚利桑那州早在1980年就发布了地下水管理法案(Arizona’s Groundwater Management Programs)[101]；2014年，加利福尼亚州出台了专门的地下水可持续性管理法案[16,17]，要求在2017年州内成立地下水可持续性管理部门(Groundwater Sustainability Agencies，GSAs)，各流域须制定并实现地下水可持续性计划(Groundwater Sustainability Plans，GSPs)[16,17]，目前多数发达国家都拥有专门的GSAs机构和流域GSPs。美国水资源协会(American Water Resources Association，AWRA)等机构认为地下水相对于地表水而言可见性(Visibility)较差导致在水资源管理中容易忽视地下水，因此发起地下水可见性倡议(Groundwater Visibility Initiative，GVI)以改善地下水的可持续性管理[102]。Jacobs等[101]研究了美国亚利桑那州中部公共政策背景下的地下水管理和替代资源管理方案，认为高质量的监测数据在地下水管理决策中至关重要；Langridge等[12]针对加利福尼亚州干旱区周期性干旱以及气候变化背景下可能发生的极端干旱事件，提出设置地下水干旱储备(Drought reserve)以防止地下水过度抽取导致严重后果。此外，澳大利亚先后编制完成了《澳大利亚国家改善地下水管理框架》和《澳大利亚地下水保护指南》，以实现其境内干旱、半干旱环境的地下水可持续管理[103]。

发展中国家和地区的地下水可持续性管理程度仍然较低，但关注程度却在持续升温[5,17]，如中国政府先后出台了“华北平原地下水可持续利用调查评价”、“水资源保护规划”、“水资源三条红线”、“水污染防治行动计划”和“地下水保护行动计划”等管理条例[104,105]，严格控制地下水开采量并在西北地区得到了有效实施，如塔里木河流域地下水开采总量控制、地下水位/水质的动态监测等[106]；印度政府通过在干旱、半干旱区限制向农民提供地下水开采补贴、推广雨水收集等举措以缓解地下水危机[17]；Bekhit[107]针对埃及西奈半岛干旱区提出了区域地下水管理战略，以最大限度保证地下水的可持续利用、减少地下水位下降以及不利的环境影响；Nanekely等[6]针对伊拉克境内的干旱、半干旱区含水层提出了地下水管理框架以约束地下水资源开发，缓解水资源压力。考虑到地下水管理问题在地方、区域、国家和国际层面的长期性和复杂性，UNESCO推出了地下水治理计划[108](Groundwater Governance Project)，在全球推广地下水优化管理措施，强调通过宣传教育、补贴激励以及强制立法等措施实现地下水资源的可持续管理。事实上，长期地下水消耗背景下含水层系统在补给效果上存在空间局限性[47]，地下水的可持续管理规划需要考虑自身的补给特征，如补给速率较小的干旱区含水层(如美国高平原)实现可持续管理可能需要制定50~100年甚至更长远的目标[109],地下水管理不仅是管理地下水本身，更多是对含水层的管理。因此，地下水可持续管理方案的制定策略应该是一种从目标设定、方案实施、过程监测、效益评估到方案修订，能够不断迭代并持续更新的科学范式。

6 地下水可持续性研究前沿

6.1 地下水可持续理论的进一步完善

地下水可持续理论与研究范式虽然一直在更新完善，但在地下水开采、补给和循环方面仍存在明显的知识短板，如不能精确刻画自然过程与人类活动影响下的大气水文—地表水文—生态水文—地下水文过程耦合关系、缺少多尺度量化表达其复杂作用过程的机制模型等，这些知识短板严重限制了地下水可持续性研究的进一步深入[110]。近20年来虽然出现了一些相关的研究成果，如在局地尺度上发展了考虑地下水参与垂向水分交换的地下水—土壤—植物—大气连续体(Groundwater-Soil-Plant-Atmosphere Continuum, GSPAC)模型[111,112]、考虑地表水—地下水交互影响的地表水—地下水—土壤—植物—大气连续体模型(Surface water-Groundwater-Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SG-SPAC)等[113]；在区域尺度上发展了考虑空间异质性的分布/半分布式水分传输模型如各种陆面过程模型(Land Surface Models，LSM)[114]、试图关联大气—地表水—生态过程相互作用的气象模拟模型—水文模块(Weather Research and Forecasting-Hydro，WRF-Hydro)[115]以及区域四水转化(大气水—地表水—土壤水—地下水）模型[116]等，但多尺度和跨尺度的各种水文过程耦合研究仍然较少，因此将是未来地下水可持续理论进一步完善的重要方面。此外，目前的干旱区地下水可持续性理论框架中较少涉及地下水开发引起的水资源系统、生态系统、地质过程变化以及这些潜在变化过程间的交互作用[55]，因此也是未来地下水可持续理论升级和完善的重要方向。

6.2 地下水资源在自然和社会间的平衡

地下水资源在自然和社会之间、不同的用水单元之间存在复杂的联系、竞争和权衡，可持续的概念强调自然环境与社会福祉的维持，所以地下水资源的可持续管理本质上就是管理其在自然和社会之间的平衡关系[1,3,5,10,11]，科学地理解和管理这种关系不仅需要水文、气候、生态层面的认识，还需要从社会、经济、法律层面系统分析地下水问题的本质，因此成为地下水可持续性研究的难点和前沿问题[4]。Velis等[4]从粮食安全、饮用水保障以及极端气候应对等方面分析指出：应通过提高干旱、半干旱区地下水灌溉效率、关注地理上和经济上的边缘人口及其饮用水安全、合理利用地下水系统对异常水文气象事件的缓冲能力等，以应对未来气候变化和经济发展带来的压力，实现地下水资源在自然和社会间的动态平衡[98]。全球尺度的干旱、半干旱区是世界贫困人口的主要分布区和潜在增长区，也是受气候变化影响最显著、社会对灌溉农业依赖程度最高的地区，地下水资源的长期掠夺性开发严重影响干旱区生态系统特别是地下水依赖型生态系统的健康和稳定[87]。目前，地下水资源管理问题已经成为决策部门、国家和地区管理部门共同面对的重要社会任务，随着未来人口增加和城市化程度的提高，地下水资源在自然和社会间的平衡问题将成为干旱、半干旱区水资源管理中的关注热点[4]。

6.3 量化区分气候变化与人类活动影响

气候系统的自然模式因人类活动(如温室气体排放、地下水灌溉)的加剧而发生改变，气候变化与人类活动对干旱、半干旱区地下水的影响同步发生且互为因果，如何区分二者的贡献率仍是当前的研究热点和难点[6]。2004年，UNESCO启动了人类和气候变化压力下的地下水资源评估项目GRAPHIC(Groundwater Resources Assessment under the Pressures of Humanity and Climate Change)[93]，旨在评估全球范围内地下水如何应对人类活动和气候变化的耦合压力，并强调地下水资源可能对气候变化和/或人类活动产生非线性响应。Wada等[98]采用0.1°×0.1°的全球网格空间分辨率以及日尺度时间分辨率数据精细量化气候变化和人类活动对地下水的影响，结果表明人类活动与气候变化对地下水的影响存在显著的区域差异，其中印度、巴基斯坦、中国、美国和中东的干旱、半干旱区人类活动对地下水的影响更明显。Chen等[117]从地下水质量的角度量化区分气候变化与人类活动对地下水重金属含量的影响，结果表明人类活动对地下水中铜和锰的含量有显著影响，对锌、铁、铅、镉含量无显著影响，但温度变化会显著影响地下水中铜和铅的水平，降水量的变化则显著影响铁、铜和锰的含量。可见，气候变化和人类活动对地下水可持续性的影响存在差异，量化识别二者的贡献，特别是在未来气候变化的背景下区分自然变异和人类活动引起的水文响应，对干旱、半干旱区地下水系统的可持续管理意义重大，但在方法和手段上仍存在挑战[93]。

6.4 跨界流域的地下水可持续性管理

分布在干旱、半干旱气候区的国家多数为欠发达国家，跨界（政治边界）流域的水资源竞争是目前国际用水冲突频繁发生的重要原因。地下水的可持续管理往往聚焦于国家水平，国际之间的用水关系管理却常被忽视，因此如何突破跨界流域在不同国家共享含水层系统的政治障碍，实现国家间水文数据、地图格式等信息同步，合作制定国际间的地下水管理政策是当前的研究热点[118]。以中亚干旱区为例，前苏联管理期间该地区有相对完整的水资源管理规划和总体布局体系，地下水可持续性较高，没有明显的生态环境问题；前苏联解体后，因为复杂的地缘政治关系，中亚地区缺乏有序的水资源跨界管理，国家间各自为政，最大限度开发本国资源寻求经济发展，形成了上游国家密集用水、下游国家无水可用的局面[118]。此外，干旱区的土壤质地多为粗质土壤，地下水和地表水的频繁交换是干旱、半干旱环境的主要水文特征[87]，国际用水矛盾的升级在加速地表水匮乏的同时造成地下水耗竭[119]，地处下游的咸海水体面积因此减少75%左右，加上气候变化，干涸的咸海湖底成为盐尘暴和沙尘暴的发源地，依赖地下水系统的植被大面积死亡，生态环境退化严重[5,17]。因此，中亚地区水资源危机的根源是跨界流域的管理危机，而不只是水资源的短缺现象，跨界流域水资源管理成为国际社会面对的重大难题[118]，其中地下水资源的跨界管理将更具挑战性，如何在上下游国家间建立用水利益补偿机制将是未来干旱、半干旱区地下水可持续管理的重要命题和挑战。

7 展 望

地下水可持续利用的关键和难点在于量化地下水的可持续开采量[80]，干旱、半干旱环境中降水对地下水补给很少，因此地下水可持续开采量有限。确定干旱、半干旱区地下水可持续开采量需要从水文循环和环境污染的角度综合分析，通过发展流域尺度的地下水可持续性评价模型，模拟不同管理措施和地下水开发情景下的潜在后果，实现地下水可开采量的量化评价。但如何在地下水位、生态系统健康和社会福祉之间建立简单可靠的函数关系、如何科学构建和选取评价指标体系、如何确定不同含水层系统地下水可持续性的主导影响因素，如何分析干旱、半干旱区地下水问题的本质，明确其可持续现状和潜力仍是未来研究中的重要挑战[55]。地下水开采在改变地下环境的同时会影响区域水循环系统，了解地下水系统在区域水文循环中的参与机制、深入完善地下水开采、补给和循环等基础理论研究、明确在全球变化和人类活动影响下的响应规律，是未来地下水可持续性研究的重要方面。高质量的地下水监测数据对地下水可持续性评价、地下水可持续管理策略的制定意义重大，通过加强地下水管理信息化建设、布设高分辨率的地下水观测网络、优化相关机构组织之间的数据对接、研发更直观的地下水数据分析与可视化工具以实现地下水资源的动态监测和实时预警是未来干旱、半干旱区的重要努力方向[101]。此外，科学的管理制度是实现地下水可持续的基本途径，设立地下水可持续管理的专门机构、完善地下水管理法规体系建设，在社会稳定、生态健康的前提下平衡地下水资源的使用等也是干旱、半干旱区地下水可持续性研究的重要内容。

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