地下水与气候变化

在《自然气候变化》杂志上发表的一篇文章中，泰勒博士等人认为，作为世界上最大的分布式淡水储备，地下水在维持生态系统和使人类适应气候变率和变化方面发挥着核心作用。在气候变化下，地下水对全球水和粮食安全的战略重要性可能会加强，因为更加频繁和强烈的极端气候(干旱和洪水)增加了降水、土壤湿度和地表水的可变性。

地下水是一种几乎无处不在的优质淡水资源。这些特点促进了它的广泛发展，它可以根据需求进行规模化和本地化，从而避免了对大量基础设施的需求。在全球范围内，地下水占所有淡水取水量的三分之一，分别占家庭用水、农业用水和工业用水的36%、42%和27%。在许多环境中，在欧宝体育官方网站入口下载手机版少雨或无雨期间，天然地下水的排放维持了河流、湖泊和湿地的基流。

在气候变化下，地下水对全球水和粮食安全的战略重要性可能会加强，因为更加频繁和强烈的极端气候(干旱和洪水)增加了降水、土壤湿度和地表水的可变性。

气候对地下水系统的影响

气候变率和变化对地下水系统的影响既直接通过补给的补充，也间接通过地下水利用的变化。这些影响可以通过土地利用变化(LUC)等人类活动加以修正。

直接的影响。地下水的自然补充既来自雨水的扩散补充，也来自地表水(即短暂的溪流、湿地或湖泊)渗漏的集中补充，并高度依赖于当时的气候以及土地覆盖和地下地质。气候和土地覆盖在很大程度上决定了降水和蒸散发，而下面的土壤和地质(图1)决定了剩余的水(降水减去蒸散发)是否可以传输并储存在地下。模拟估计的全球弥散补给在13,000至15,000 km3年- 1之间，相当于世界可再生淡水资源的30%左右，或人均地下水补给为2,100至2,500 m3年- 1。这些估计数代表了潜在的补给通量，因为它们是基于水过剩而不是对含水层的测量贡献。此外，这些模拟的全球补给通量不包括集中补给，而在半干旱环境中，集中补给可能很大。欧宝体育官方网站入口下载手机版随着时间的推移，补给受到气候变率的强烈影响——包括极端气候(干旱和洪水)，这些极端气候通常与气候变率模式有关，例如多年时间尺度上的El Niño/南方涛动(ENSO)和更长的时间尺度上的太平洋年代际涛动、大西洋年代际涛动(AMO)等。在最近的澳大利亚千年干旱期间，默里-达令盆地的地下水储量从2000年到2007年大幅下降了约100±35 km3，这是对补给急剧减少的响应。在热带非洲，发现强降雨对井眼水文观测到的补给有不成比例的贡献。半干旱环境中的补给通常仅限于统计上的极端(强欧宝体育官方网站入口下载手机版)降雨，通常在短暂的地表水体下产生集中的补给。强降雨事件的补给也与浅层地下水供应的微生物污染和低收入和高收入国家腹泻病的暴发有关。 Wetter conditions do not, however, always produce more groundwater recharge. Incidences of greater (×2.5) winter precipitation in the southwest United States during ENSO years give rise to enhanced evapotranspiration from desert blooms that largely or entirely consume the water surplus. At high latitudes and elevations, global warming changes the spatial and temporal distribution of snow and ice. Warming results in less snow accumulation and earlier melting of snow, as well as in more winter precipitation in the form of rain and an increased frequency of rain-on-snow events. The aggregate impact of these effects on recharge is not well resolved, but preliminary evidence indicates that changes in snowmelt regimes tend to reduce the seasonal duration and magnitude of recharge. The effects of receding alpine glaciers on groundwater systems are also not well understood, yet the long-term loss of glacial storage is estimated to reduce similarly summer baseflow.

人类和间接气候影响。现代气候和地下水之间的联系因LUC而变得复杂，其中最普遍的包括雨养和灌溉农业的扩张。受管理的农业生态系统不像自然生态系统那样对降水变化作出反应。事实上，LUC对陆地水文的影响可能比气候变化更大。在20世纪下半叶西非萨赫勒地区数十年的干旱期间，地下水补给和储量上升而不是下降，这是由于从大草原到农田的LUC巧合增加了地表径流，通过土壤结皮和通过短暂池塘集中补给。在20世纪早期，从澳大利亚东南部和美国西南部的自然生态系统到雨养农田的LUC同样通过增加补给增加了地下水储量，但也通过动员非饱和土壤剖面中积累的盐度降低了地下水质量14。在这两个地区，农田下的补给速率比原生多年生植被增加了一到两个数量级37 - 39。人类还通过灌溉对陆地水系统产生了大规模影响。2000年，灌溉占全球淡水取水量的70%左右，占消费用水的90%左右。重力恢复与气候实验(GRACE)卫星数据和地面观测显示，地下水储水量下降了24至31立方公里，相当于美国最大的地表水库米德湖的储水量。因此，通过灌溉需求和来源的变化，气候对地下水的间接影响可能大于气候对补给的直接影响。

未来气候对地下水系统的影响。由于灌溉主导了当前地下水的使用和消耗，未来气候变率和变化对地下水的影响可能通过对灌溉用水需求的间接影响而最大。从一般环流模式(gcm)来看，气候变化对平均降水的影响仍然存在很大的不确定性，但在降水和极端温度的变化方面存在更大的共识，预计这些变化将随着全球水文系统的强化而增加。更长时间的干旱可能夹杂着更频繁和更强烈的降雨事件。除了补给和排放的变化外，气候的这些变化最初和主要是通过灌溉需求的变化影响地下水。一项关于气候变化对灌溉需求影响的全球分析表明，到2070年，1995年灌溉面积的三分之二将面临灌溉用水需求增加的问题。预计南欧灌溉需求的增加将使有限的地下水资源更加紧张。预计21世纪下半叶加州中央谷地将持续干旱，这可能会引发农业供应从以地表水为主向以地下水为主的转变。然而，在21世纪上半叶，与间歇性干旱相关的地下水开采增加与地表水流量减少可能会引起次要影响(例如，地面沉降)，严重限制这一未来适应战略。气候变化对地下水系统直接影响的预测是高度不确定的。不确定性的主要来源在于来自全球大气环流模型的气候预测，它通常将相同的排放情景转化为非常不同的气候情景，特别是对于降水。 Nevertheless, GCM projections of global precipitation for the twenty-first century broadly indicate a ‘rich get richer’ pattern in which regions of moisture convergence (or divergence) are expected to experience increased (or decreased) precipitation.

展望未来

地下水可以增强家庭、农业和工业用水在气候变率和变化面前的恢复力。地下水是许多地区唯一的常年淡水来源，对许多社区的水安全至关重要，其中最重要的是低收入国家的农村居民。地下水灌溉为应对极端气候提供了缓冲，因此对全球粮食安全至关重要。此外，它还通过减少作物歉收和提高产量来减轻低收入国家的贫困。在与气候变化相关的更频繁和更强烈的极端气候下，降水、土壤湿度和地表水的时间变化预计将增加，地下水的价值预计将在未来几十年增加。事实上，鉴于地下水资源对水文极端情况的抵御能力，地下水在紧急情况下维持饮用水供应方面可发挥战略作用。整合地下水和地表水的水资源综合管理方法可能大大降低人类对极端气候和变化的脆弱性，并促进全球水和粮食安全。地下水和地表水的联合使用，即在湿润期使用地表水灌溉和供水，在干旱期使用地下水，可能被证明是必要的。