2022年世界水日的主題是地下水。當(dāng)雨水落下，一部分雨水沿著地面流向小溪、河流、湖泊；另一部分雨水滋潤大地，這些水一部分被植物利用，一些蒸發(fā)返回大氣，另一部分則滲入地下巖石和沙礫的孔隙，形成了含水層。我們的地球是一顆藍(lán)色星球。不過，雖然它的三分之二被水覆蓋，可供使用的淡水資源卻不到1%。地球上約69%的淡水以冰的形式被鎖在極地冰蓋、大陸冰蓋和冰川中，不易被獲取和使用；地下水約占全世界淡水總量的30%，是可獲取淡水的最大組成。

人類利用地下水的歷史悠久

人類利用地下水的歷史非常悠久。早在公元前約一千年，波斯地區(qū)就出現(xiàn)了名為“卡納特(Qanat)”的地下水取水、輸配和儲存設(shè)施。這一古老的水利系統(tǒng)由縱橫交錯的地下水渠網(wǎng)絡(luò)組成，通過重力將水從地勢較高的含水層引導(dǎo)輸送到地勢較低的地表，為當(dāng)?shù)靥峁┛煽康乃从糜诠喔壬a(chǎn)和生活飲用?？{特系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)被使用了幾個世紀(jì)，特別是在中東、北非、中亞和西亞。僅在伊朗估計(jì)就有五萬個卡納特井，其中近四分之三仍在使用，在阿曼則有三千多個活躍的卡納特，地下水經(jīng)由卡納特滋潤了這些干旱的地區(qū)。中國新疆也有這種包含人孔開鑿的豎井、具有一定縱坡的暗渠、地面輸水的明渠以及儲水用的澇壩的地下水水利設(shè)施，被稱為坎兒井。井渠百折千回構(gòu)成了一座地下長城，地下水在其中流淌，灌溉造就了沙漠的綠洲。

過度開采的危機(jī)

地下水滋養(yǎng)著地球上的生命。但是隨著人口增長和城市化加速，用水量不斷攀升，地下水系統(tǒng)正變得越來越脆弱。印度是世界上最大的地下水消費(fèi)國，全國60%的農(nóng)業(yè)灌溉用水來自于地下水。但密歇根大學(xué)的研究顯示，印度大部分地區(qū)的地下含水層正在迅速枯竭，如果該趨勢不能得到及時糾正和扭轉(zhuǎn)，印度全國范圍內(nèi)冬季作物種植面積可能會下降20%，在受影響最嚴(yán)重的地區(qū)甚至?xí)p產(chǎn)68%，將嚴(yán)重威脅糧食安全。

過度開采除了會使水量逐漸枯竭，還可能引發(fā)水質(zhì)污染、海水/咸水入侵、地面沉降等危害。在正常年份，地下水提供了美國加州近40%的用水，在干旱年份，這一比例可高達(dá)60%。美國地質(zhì)調(diào)查局與加州水資源管理委員會對加中央山谷地區(qū)過去三十年的地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析。他們發(fā)現(xiàn)，在干旱期間大量抽取地下水的地區(qū)，公共飲用水井中硝酸鹽污染物濃度升高的情況會更為普遍。中央山谷有很多農(nóng)耕土地，硝酸鹽污染物大多來自于高氮化肥的使用。如果在干旱期間從水井中過度抽水，容易將受污染的淺層地下水推至公共飲用水取水的深度，加速地下水水質(zhì)的退化。

地下水與地表水之間存在密切的水力聯(lián)系，地下水系統(tǒng)的衰退可能引發(fā)蝴蝶效應(yīng)，對地表水系統(tǒng)造成影響。來自密歇根州立大學(xué)的研究人員在對海鷗湖開展藻華方面的研究，他們創(chuàng)建了水動力模型，把收集到的湖泊深度、水溫、溶解氧、營養(yǎng)物質(zhì)、浮游植物等方面的數(shù)據(jù)輸入到模型中，但模型推算出的深層湖水溫度總是與實(shí)際測量到的水溫不符。研究小組后來意識到他們的模型中可能缺失了地下水這一指標(biāo)。由于受到地形、地貌、氣象、水文、開采活動等因素影響，地下水與地表水之間存在補(bǔ)給或排泄關(guān)系，而海鷗湖的一個特殊之處就在于它的補(bǔ)給來源之一是地下水。地下水的注入可以在夏季冷卻湖泊深處的溫度，從而抑制藻華的形成。當(dāng)?shù)叵滤萁邿o法正常補(bǔ)給湖泊時，內(nèi)陸湖泊的深水可能會變暖，這會在一些深度觸發(fā)藻類的生長，使藻華爆發(fā)更頻繁；而一些其他深度，溫度變化可能會加速氧氣消耗，對冷水魚類的生存造成有影響。這種情況下，監(jiān)測地下水水位的變化可以用來預(yù)警有害藻華事件。

可持續(xù)的地下水管理

為了防止過度使用，即頻繁抽取地下水的速度超過了地下水更替補(bǔ)給的速度，美國加州在2014年通過了《可持續(xù)地下水管理法》，它要求水司、政府部門、企業(yè)、農(nóng)民等當(dāng)?shù)氐睦嫦嚓P(guān)者成立地下水可持續(xù)發(fā)展小組(GSA)，共同制定管理計(jì)劃，到2042年消除重點(diǎn)區(qū)域的地下水透支，實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)利用。加州水資源部也參與到GSA的工作中，組建技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)為這種社區(qū)驅(qū)動的地下水管理模式提供專業(yè)指導(dǎo)和資源，并通過地下水可持續(xù)規(guī)劃的撥款計(jì)劃（GrandProgram）為開發(fā)和實(shí)施地下水可持續(xù)規(guī)劃的項(xiàng)目提供資金。2021年北加州SoquelCreek水管理區(qū)的“PureWaterSoquel”項(xiàng)目就獲得了撥款計(jì)劃的資助，該項(xiàng)目每年預(yù)計(jì)將對圣克魯茲污水廠4.9億加侖（約185萬立方米）的二級出水進(jìn)行深度處理，之后注入地下含水層，補(bǔ)給地下水，同時構(gòu)建防止海水入侵的屏障。參與這個項(xiàng)目設(shè)計(jì)建造的是著名工程咨詢公司博萊克·威奇（Black&Veatch），它也是加州另外一個類似的大型項(xiàng)目--橙縣GWRS（GroundwaterReplenishmentSystem）擴(kuò)建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方。GWRS是世界上最大的再生水用于生態(tài)補(bǔ)給的項(xiàng)目，終期擴(kuò)建預(yù)計(jì)2023年完成，屆時地下水補(bǔ)給能力將可達(dá)到1.3億加侖/天（約49萬立方米/天）。

有效的地下水治理和投資決策需要數(shù)據(jù)支撐。為了幫助非洲國家制定可持續(xù)的地下水管理策略，由英國地質(zhì)調(diào)查局牽頭，南非、法國、尼日利亞、美國等多國組成的國際研究團(tuán)隊(duì)將1970年到2019年間134個地下水補(bǔ)給研究的信息整合成了一個在線數(shù)據(jù)庫，利用地面探測大數(shù)據(jù)分析量化了非洲大陸的平均地下水補(bǔ)給率，提供了非洲地下水儲備可再生性的評估。分析顯示，大多數(shù)缺乏地下水儲存的非洲國家(如利比里亞、幾內(nèi)亞、布隆迪)降雨充足，地下水可以得到定期補(bǔ)給；而許多降雨量極少的北非國家通常被認(rèn)為缺水，但卻有大量的地下水資源。雖然在局部尺度上，由于土壤、土地覆蓋，以及降雨強(qiáng)度年際變化等因素補(bǔ)給狀況存在差異，但在在大陸尺度上，可根據(jù)長期平均降雨預(yù)測地下水補(bǔ)給水平。在非洲，每十年大約有2%的地下水會得到補(bǔ)給，即使在半干旱地區(qū)也能得到補(bǔ)充。該數(shù)據(jù)庫幫助管理者了解在哪里有可能可持續(xù)地開發(fā)到更多的地下水，哪些的地下水更易受干旱影響面臨枯竭需要監(jiān)測和修復(fù)，以便合理制定開采方案和投資計(jì)劃，更好地應(yīng)對用水需求增加和氣候變化，增強(qiáng)地下水供水的可行性和韌性。

除了地面探測，衛(wèi)星遙感也在地下水管理中發(fā)揮著強(qiáng)大作用。由美國國家航空航天局(NASA)與德國航空航天中心（DLR）合作開發(fā)的重力回溯及氣候?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星（GravityRecoveryandClimateExperimentSatellite，簡稱GRACE；2018年5月NASA又發(fā)射了接續(xù)衛(wèi)星GRACEFollow-On，簡稱GRACE-FO）就被廣泛地用于地下水監(jiān)測。GRACE-FO衛(wèi)星能夠探測到包括表層及深層洋流、地表及地下徑流、地球內(nèi)部質(zhì)量變化、冰川（冰蓋）與海洋間的物質(zhì)交換等在內(nèi)的重力場變化，每月都能測繪出高精度的全球重力場分布地圖。通過分析地球質(zhì)量和重力的細(xì)微變化，科學(xué)家可以推演地下水的變化情況。

堪薩斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)追蹤了非洲13個主要含水層從2002年到2020年的年總儲水量變化，展現(xiàn)了非洲大陸不同地區(qū)的地下水趨勢和特點(diǎn)。

提到核技術(shù)，很多人會聯(lián)想到軍工領(lǐng)域，但實(shí)際上它在環(huán)境領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。同位素示蹤是非動力核技術(shù)的重要應(yīng)用形式。水體天然具有獨(dú)特的同位素特征，它如同水的指紋，貫穿其存在的整個周期。應(yīng)用同位素水文技術(shù)可以高效準(zhǔn)確地獲取地下水水齡、起源、徑流、再生速率、水質(zhì)狀況（包括易受污染、海水入侵和氣候變化影響程度）等方面的重要信息。國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）就曾與2012年在非洲北部薩赫勒地區(qū)13個國家的地下水管理部門開展了跨界合作。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在利普塔科-古爾馬-上沃爾特系統(tǒng)的硬巖/基底巖含水層中發(fā)現(xiàn)了新的地下水儲備，并探明了塞內(nèi)加爾河南側(cè)馬斯特里赫特含水層?xùn)|部以及乍得湖流域南部邊界等區(qū)域地下水的補(bǔ)給和流動模式。2019年，國際原子能機(jī)構(gòu)又與納米比亞農(nóng)業(yè)水利部、德國地球科學(xué)與資源研究所共同調(diào)研了非洲南部國家納米比亞的地下水資源狀況，利用同位素水文技術(shù)監(jiān)測納米比亞地下水資源，評估氣候變化的影響以及西南地區(qū)主要含水層蓄水量的變化。納米比亞的水資源匱乏，為了緩解當(dāng)?shù)氐挠盟枨螅?968年在首都溫得和克建設(shè)了再生水直接用于飲用的項(xiàng)目。如今對地下水資源的探索和開發(fā)將進(jìn)一步緩解這個國家的干渴。

丹麥的實(shí)踐

丹麥目前的飲用水水源幾乎全部來自于地下水，可以毫不夸張的說是地下水孕育了這個童話王國的現(xiàn)代發(fā)展。丹麥的凈降雨量豐富，含水層以沙和石灰石為主要蓄水性良好，年平均地下水補(bǔ)給量能達(dá)到300毫米。為了能讓地下水資源持續(xù)穩(wěn)定地為國家供水，丹麥提倡將地下水的年開采量控制在當(dāng)前補(bǔ)給量的30%以內(nèi)，開采量不影響平均徑流的10%。由于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，一些區(qū)域的地下水水質(zhì)受到了氯化溶劑、殺蟲劑、PFAS等污染物的破壞。丹麥堅(jiān)決推行污染者付費(fèi)原則，從源頭打擊污染地下水的行為。同時，水務(wù)公司與大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、咨詢公司、技術(shù)公司合作參與到被污染水體的治理工作中，例如利用生物炭和鐵氫氧化物為原料合成高活性催化劑分解地下水污染羽流中的氯化溶劑污染物、開發(fā)工具區(qū)分地下水井中的農(nóng)藥是來自于點(diǎn)源還是擴(kuò)散源。

今年9月11-15日在丹麥?zhǔn)锥几绫竟鶎⑴e辦第十二屆IWA世界水大會（IWAWorldWaterCongress2022），屆時將組織名為“fromwelltotap”的技術(shù)參觀，帶大家深入了解丹麥在地下水治理方面的經(jīng)驗(yàn)。