近期，南方科技大学郑春苗团队在 Sustainable Horizons 发表研究文章，构建了中国首个全国尺度的地下水流数值模型。
文章以水文地质概念模型为基础，设定并优化入渗补给、水力渗透系数等关键参数，采用地下水观测数据对模型进行校准和验证，系统模拟了中国地下水资源自1945年到2020年的变化规律，对中国地下水危机进行了机理分析，预测了其对全球可持续发展的影响，并为中国地下水资源管理和保护战略的制定提供了有力的工具支持。
本文的合作作者为北京大学倪晋仁院士、 中国地质大学（武汉）王焰新院士、斯坦福大学 Steven M. Gorelick 院士和德克萨斯大学奥斯汀分校 Bridget R. Scanlon 院士等。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.horiz.2022.100042
- 研究背景 -
在过去的几十年里，中国地下水储量迅速减少。尽管在局部区域尺度开展了相关地下水压采和保护措施，但对地下水的管理和保护是滞后的，这导致了空间范围的河流干涸、地面沉降、盐水入侵和湿地流失问题等广泛问题。
为了协助管理宝贵的地下水资源，研究构建了中国第一个全国尺度的地下水流数值模型，全面概述了中国地下水系统变化规律。
- 研究亮点 -
◇ A national-scale model of China is developed to assess the groundwater depletion.
◇ Total depletion averages around 16.7 km3/yr (equivalent to 30% of Yellow River's annual flow).
◇ Model confirms the dichotomy between northern and southern China groundwater resources.
◇ Depletion traces the Chinese economic development with implications for global sustainability.
- 研究方法 -
本模型以可靠的水文地质概念模型为基础，对降雨入渗补给和水力渗透系数等关键参数进行初始化并使用PEST程序进行优化，考虑了实际的水文地质因素来确定模型的边界条件和补给情况。由此得到的地下水三维模型，具有 10km x 10km 的水平分辨率和五个离散垂直层（地表以下1700m）（图1）。
Fig. 1. 中国水文地质图，以及地下水数值模型的边界条件及模型网格剖分示意图
- 结果与讨论 -
根据国家年鉴2005-2016年间测量的10,660个水位数据集（图2a），作者对本模型进行了校准。随后，通过引入青藏高原湖泊水位数据集（图2c）、黑河流域水位数据（图2d）、华北平原非承压含水层以及河北衡水井田的平均地下水位数据 (图2e)，对模型进行了验证。
结果显示，模拟水位与观察到的水位一致，且充分再现了历史时期地下水的水量收支情况。通过该模型，我们可以追溯中国经济发展的不同阶段地下水储量减少的情况。中国当前地下水总径流量约为891.4km3/yr。
Fig. 2. 用于模型校准及验证的数据集
如图3所示，从1945年到2020年，北方省份的地下水平均枯竭量约为16.7km3/yr（相当于黄河年流量的30%），而华南地区则没有大量地下水枯竭。地下水枯竭现状与观察到的黄河流域基流大幅减少的情况（-23%）相一致，而长江基流变化可忽略不计。
Fig. 3. 模型计算的2020年地下水位埋深（上），以及1945-2020年的地下水储量平均年减少量（下、北方与南方）
本研究的模拟结果证实了中国北方含水层地下水枯竭的严重性，同时也指出中国南方地下水储量的下降可以忽略不计的现状。
当前水文地质环境的可持续性是未来社会经济预测的关键变量，可以通过地下水位和地下水抽取深度动态的相互特征来概念化（图4）。从长远来看，中国的地下水需求可能会随着人口变化和中国国内生产总值 (GDP) 的增长而波动；由于长期干旱，含水层补给量可能会减少。
Fig. 4. 中国地下水危机对全球可持续发展可能造成的负面影响，包括粮食价格的提升、供应链的减缓、国际投资的下降等
- 总结与展望 -
近年来，虽然我们对干旱和地下水系统的了解有所增加，但政策的推出和实际的实施情况并不相符。
预计到 2030 年，全面投入运营的南水北调工程可部分缓解了地下水枯竭的危机，然而，华北平原以外的整个盆地和河谷的水位下降速度有限。在这些地区，昂贵的调水工程可能因地貌障碍或缺乏可引水的地表水体而无法实施。谨慎管理地下水资源是避免可能因长期干旱而加剧的潜在水危机的重中之重。
本研究的地下水模型提供了一个系统工具来支持地下水资源管理战略的制定和模拟社会、经济和气候情景的长期分析，以最大限度地减少未来地面沉降、湿地流失、盐水入侵和河流干涸的发生，并有助于缓和中国不断增长的经济可能在全球范围内传播的未来水危机的影响。地下水资源管理是避免未来潜在水危机及其连锁反应的重要手段，有助于中国及其他地区的可持续发展。
- 致谢 -
本研究得到国家自然科学基金委的支持（基金号：41861124003，41890852）。
东方理工高等研究院研究副教授 Michele Lancia 为第一作者，东方理工高等研究院/南方科技大学讲席教授郑春苗为通讯作者。除了上述提到的合作者，本文共同作者还包括姚莹莹（西安交通大学）、Charles Andrews（美国 S.S. Papadopulos & Associates）、王晓丽（南方科技大学/香港大学）和匡星星（南方科技大学）。
作者简介
Michele Lancia is currently Research Associate Professor at the EIT Institute for Advanced Study in Ningbo, China. Previously, he was Research Assistant Professor at Southern University of Science and Technology (SUSTech) in Shenzhen, China. His expertise relates to the hydrogeological characterization via numerical analysis and conceptual models at both local and regional scale; hydraulic conductivity assessment in complex geological settings; enhancement of the water management practice in urban areas via the exploitation of the urban aquifers; microplastic dynamics in groundwater. He holds a BS and a MS in Earth Sciences at Sapienza, University of Rome (Italy), and a Ph.D. in Civil and Mechanical Engineering at University of Cassino and Southern Lazio (Italy).
Chunmiao Zheng is Chair Professor and Director of Shenzhen Institute of Sustainable Development at Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China. He is also Chair Professor and Vice President of the EIT Institute for Advanced Study in Ningbo, China. Previously, he was Chair Professor and Director of the Institute of Water Sciences at Peking University, and the George Lindahl III Endowed Professor at the University of Alabama. His research interests include subsurface contaminant transport and remediation, ecohydrological processes, and groundwater sustainability. He has received numerous awards and honors, including, Birdsall-Dreiss Distinguished Lectureship and O.E. Meinzer Award from the Geological Society of America, and John Hem Award and M. King Hubbert Award from the National Ground Water Association. He is a fellow of American Geophysical Union and Geological Society of America. He holds a BS in hydrogeology from Chengdu University of Technology and a Ph.D. in geoscience with a minor in environmental engineering from the University of Wisconsin-Madison.
引用格式：Lancia, M., Yao, Y., Andrews, C. B., Wang, X., Kuang, X., Ni, J., Gorelick, S. M., Scanlon, B. R., Wang, Y., Zheng, C. 2022. The China groundwater crisis: A mechanistic analysis with implications for global sustainability, Sustainable Horizons 4, 100042.
期刊官网（英文）：https://journals.elsevier.com/sustainable-horizons
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