大氣所揭示全球地下水開採利用的水文氣候效應

人類地下水開採利用會影響土壤濕度從而改變陸-氣之間的水分能量通量交換，進而影響生態水文過程和氣候系統。在地下水超採區域，陸地水儲量迅速減少導致水資源不可持續利用，並且可能產生氣候反饋。定量地評估人類地下水開採利用的水文氣候響應，不但能加深人們對於人類活動干擾下的水文循環過程的認識，也有助於以可持續發展為目標有效地管理水資源。

近日，中國科學院大氣物理研究所研究員謝正輝和博士生曾毓金等將地下水開採利用方案耦合至地球系統模式CESM1.2中，並利用耦合模式進行了一系列數值試驗，在全球尺度上研究了人類地下水開採利用對水文過程和氣候系統的影響。耦合模式的框架見圖1。該模式在以往的研究中也曾用於研究中國西北乾旱區黑河流域上人類取水用水和地下水側向流動對陸面生態水文過程的影響。

研究結果顯示，地下水開採會導致深層土壤變干，但地下水灌溉會導致表層土壤變濕。長期的地下水超采導致美國中部、中國華北、印度北部和巴基斯坦地區的地下水水位有顯著的下降趨勢。地下水開採利用同樣會對氣候產生影響，在中國華北和印度北部，大量的灌溉產生降溫效應。在中國華北，灌溉增加地表蒸散發，並通過陸氣相互作用增加降水；而在印度北部地區，由於灌溉的降溫效應，導致海陸熱力差異減小，印度季風減弱，因此降水反而減少。研究還發現，在地下水超采嚴重的地區，陸地水資源面臨嚴峻的虧損，因此為了水資源的可持續利用，有必要在經濟發展的同時合理地開發利用水資源。

此項研究已經發表在《氣候雜誌》（Journal of Climate）上。

相關論文：

1. Zeng, Y., Xie, Z., and Zou, J. (2017), Hydrologic and Climatic Responses to Global Anthropogenic Groundwater Extraction. J. Climate, 30, 71–90, doi: 10.1175/JCLI-D-16-0209.1.

2. Zeng, Y., Xie, Z., Yu, Y., Liu, S., Wang, L., Zou, J., Qin, P., and Jia, B. (2016), Effects of anthropogenic water regulation and groundwater lateral flow on land processes, J. Adv. Model. Earth Syst., 8, 1106–1131, doi:10.1002/2016MS000646.

3. Zeng, Y., Xie, Z., Yu, Y., Liu, S., Wang, L., Jia, B., Qin, P., and Chen, Y. (2016), Ecohydrological effects of stream–aquifer water interaction: a case study of the Heihe River basin, northwestern China, Hydrol. Earth Syst. Sci., 20, 2333-2352, doi:10.5194/hess-20-2333-2016.

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圖1. 耦合模型框架示意圖

圖2. 美國中部、中國華北、印度北部和巴基斯坦地區的地下水被嚴重抽取

圖3. 地下水超采導致水位下降產生乾旱