地下水,真的可以永续利用?
来源: 作者: 更新日期:2007-03-08 11:31:00 点击:5751

  最近十余年来,对于全球可供开发利用的地下水资源量以及维持其数量和质量的难易程度,人们一直争论不休。日前,国际地质科学联合会主席张宏仁在接受记者采访时表示,人们应该重新认识地下水资源,并充分估计到利用这一宝贵资源所面临的风险。

  地下水并不复杂,只是一般人看不见,造成了复杂的假象。在全球水资源日趋紧张、地表水资源总账较清楚的情况下,人们往往把希望寄托在看不清、摸不着的地下水资源上面。但是,利用这一宝贵资源所面临的风险并未被人们充分认识到。

  在谈到认识地下水资源时,国际地质科学联合会主席张宏仁强调,人们应该回到事物本身,彻底阐明地下水资源与地表水资源的关系,揭开地下水资源神秘的面纱。

  评价淡水资源可持续性的标准:储量还是流量?

  淡水的可持续供应对于人类社会的可持续发展而言是不可缺少的,淡水资源缺乏在今天已引起全世界的广泛关注。

  但是,科学地评价淡水资源的可持续性应该采纳什么标准呢?张宏仁谈到了两个重要概念:储量和流量。他说,一般而言,储量这一概念适用于不可再生资源,其计量单位为体积或重量,其相应的利用方式通常叫做“开采”,资源则相应地用于可再生资源,其计量单位为流量,其利用方式可称为“开发”。当然,概念只是方便说明事物的权宜之计,并非绝对。因为只有再生速度大于等于消费速度,可再生资源才能够最好地保证可持续发展的需要。而不可再生资源存储量,如果注意保证很长时期的需要而且未来有可能找到替代资源,也可以当做可再生资源适用。

  那么,水是可再生的,还是不可再生的?张宏仁认为,永的问题有其特殊性,因为没有可以替代水的资、源,任何对于淡水资源可持续发展有意义的评价都应基于其“流量”而非“储量”。

  张宏仁说,评价水资源的持续性最重要的有三项标准:数量、质量、生态。在讨论水资源的数量问题时,可以从逻辑上把淡水资源分为两大类。一类是地表和地下水体中存储的水,包括河流、湖泊、冰川和地下蓄水层。另一类是这些水体中流动的水。这两类水虽然出现在同一水体中,但两者从概念上来说是截然不同的。他进一步解释说,水体可以同时扮演两种角色。一方面,它们可以作为存储水的容器,另一方面,它们又是传输水的导体。不同水体中存储的水,是在漫长地质历史时期积聚而成的,属于不可再生的淡水资源,而水体中流动的那部分水主要来自大气降水,属于可再生淡水资源。

  这两种淡水资源哪个更重要?张宏仁说,人们在这一问题上往往出现两种错误的理解。一个极端是把淡水的存储量曲解为地球上全部的淡水资源。这导致人们高估淡水存储量的作用,并把寻找更多的地下水库视为解决人类社会需水问题的主要途径。另一极端是,只强调地表河流中流动的水,却忽视或忘记了地下含水层及时调节水资源的作用。

  而这两种错误的理解都涉及对地下水存储量的认识问题,这就需要人们重新认识地下水。

  地下水存储量究竟是可再生资源,还是不可再生资源?这是正确认识和合理利用地下水的关键

  在许多人看来,这似乎是一个不用讨论的问题,但是张宏仁说,恰恰在这个最基本也是最关键的问题上,人们的认识出了问题,才导致对地下水的认识出现了很多混乱。

  一位俄罗斯科学家作过统计,从地球上存储的水的分布情况看,世界上97.5%的水存储在海里,是咸水,只有2.5%是淡水,而淡水中的68.9%存在于两极冰盖和永久积雪层里,地下水占到了29.9%,在地表的河流、湖泊里的水只占0.3%

  这个统计被人们广泛引用。显然,人们看到了地下水存量巨大,河湖里存储的水微不足道,从而错误地把地下水存储量当做了淡水资源的主体。但是张宏仁指出,事实上,人们忽视了一个重要的前置条件,就是这些统计是从静态存储量的角度作出的。看似数量庞大的地下水存储量,却属于不可再生资源,而河流和湖泊由于存储水的功能较差,虽然其水资源的存量非常少,但是这部分水却是流动着的“活水”,而且最大程度地参与了大气水文循环,如果取水量不超过其补给量的话,它是取之不尽用之不竭,可持续利用的。尽管河湖在淡水静态存储量当中只占微不足道的0.3%,但是,为人们长期利用的淡水资源的主体是那部分流动的、可再生的淡水资源流量,它们绝大部分是通过河流输送的。

  为了说明巨量的地下水存储资源实际上是不可再生的,张宏仁打了一个有趣的比方。一个人可以有两种资产,一是从父辈那里继承而来的遗产,比如说有100万元,一是每个月的工资收入,假如只有5000元。人们往往会惊叹100万元的遗产数自很大,而轻视月工资5000元的收入。但是明白人都知道,遗产是不可再生的,用一点少一点,而月工资收入虽然少,却能够“细水长流”。

  但现在问题是,由于地下水的存量巨大,人们对地下水资源抱有很大的幻想,该如何看待地下水在解决人类用水问题上的地位和作用呢?张宏仁说,只有经过详细的分析才知道,这部分不可再生的淡水资源是靠不住的,因为它不能保证长期可持续利用的需要。当然,这需要通过具体的案例来说明。

  世界上多个巨型地下水含水层中淡水存储量的开发利用实例表明,巨大的地下水存储量在淡水供应中的作用十分有限,不能解决人们长久持续利用的需求

  人们热衷于寻找中国的地下大水库,瞄准的目标就是澳大利亚的大自流盆地。但是没有多少人收集过大自流盆地的数据。根据张宏仁搜集到的澳大利亚科学家的研究结论,面积达170万平方公里的大自流盆地,地下水利用规模每年不能超过5亿立方米。而与之面积相当的新疆虽属我国最干旱的地区之一,一年的可再生淡水资源却达到800多亿立方米,澳大利亚大自流盆地能提供的淡水资源不到新疆的一个零头。

  世界上不乏巨型地下水储层利用的案例,但往往结论都是一样的,这些巨大的地下水库在淡水供应中的作用十分有限,并不能解决人们长久持续利用的需求。

  美国亚利桑那州盆山地区一系列近南北向的盆地中填充了大量碎屑沉积物,形成了巨大的地下库容。张宏仁说,这样的盆地,和我国北京、河北燕山、太行山前燕山运动所形成的断块盆地的情况有些相似。然而,前者充填物厚度之大,含水层、储水量之大却是我国任何沉积盆地难以比拟的。美国科学家估算,亚利桑那盆山地区地下水存储总量有1.1万亿立方米。据估计,从1915年到1980年间,共抽取地下水2270亿立方米,其中50%回渗到地下,实际消耗地下水存储总量约为1100亿立方米。然而,最后亚利桑那州政府得出结论,由于过量开采地下水造成了打井、抽水成本提高和水质恶化等问题,同时大幅度的水位下降还在8000平方公里范围内引起地面沉降,包括两个最大的城市菲尼克斯和图森。地面沉降有时引起地面发生地裂缝,地裂缝长度可达上千米,深度可达几百米,垂直错位有时可达1

  尽管亚利桑那州拥有巨大的地下水存储量,当地居民认识到靠过量开采地下水不是长久之计。1980年亚利桑那州通过了《地下水管理法》,其中规定的首要目标是到2025年实现地下水取水量与补给量之间的长周期平衡。为解决用水问题,当地不惜重金修建了科罗拉多河引水工程——中亚利桑那工程,渠道总长540公里,输水能力为每年22亿立方米,有14座泵站,总扬程达880。借助引水工程,当地还修建了几十个回灌设施,开展了人工补给地下水。同时压缩地下水取水量,扩大利用处理后的废水。

  先不说修建这样的工程以及配套设施本身要耗费多少资金,单单引水一项每年要用多少电!但美国人这样的实践结果,充分说明不能长期靠消耗地下水存储量解决供水问题。世界上最大的几个地下水储层都不能持久利用,显然,在中国寻找巨大地下水储层不应当是一个方向。只有在地广人稀的地区,如边防哨所、牧区等总需水量很小,地下水存储量足以保证百年以上需求的情况下才有意义。

  水资源问题的关键所在,不是找水,而是如何恰当评价水资源

  张宏仁强调,相对于不可再生的静态的地下水储量,可再生的淡水资源不是储量,而是一个流量的概念。要说明这一点,看一看大气水文循环系统就明白,淡水资源源自大气降水,在地表水体或地下蓄水层中流动,自然蒸发和人工抽取损耗了一部分,最终又流向大海。

  应用常规的水文动力学工具,依据质量守恒定律,张宏仁提出了一个淡水资源流管的概念。淡水资源评价在大多数情况下不必考虑水流动力学问题,那么,就可以在水文循环系统中不去过多考虑大气层中水的运移,而集中讨论大气降水到达地表以后,直到入海的这一段过程。想象一个淡水持续流动的管道,其中一个水分子紧随前一个水分子流动,由此可以建立一个淡水流管的模型。

  一旦把可再生的淡水资源看作是一股不间断的水流,在地表水体或地下蓄水层中流动,那么地下水与地表水本来就可以看做是统一流管的不同流段。为了正确评价水资源,首先的任务不是“找水”,而是弄清楚流管中包括的天然补给量、流动、损耗、排泄等等问题。

  据张宏仁介绍,联合国粮食与农业组织曾花费巨大精力在世界各国对地下水和地表水资源进行单独评价,但最终发现,“地下水资源”总是和“地表水资源”相互重叠,这部分重叠的水资源不是别的,就是河流的基流,从地下含水层渗流而来,追根溯源,这部分重叠的水资源来自大气降水补给。这充分说明地下水流与地表水流分享着同一个流管,而且地下水具有十分重要的调节作用。因此,与其说地下水与地表水联合供应淡水,不如说在同一个淡水资源流管里的地下水或地表水被用来供应淡水。

  张宏仁说,将地表水体与地下含水层看做同属一个水流管道,在水资源管理上可以给我们新的启示。大气降水在时空上分布很不均衡,而水资源管理的一项重要任务就是消除这种不均衡状况,这其中应该充分重视利用地下含水层对于淡水资源流“削峰填谷”的作用来调蓄和管理淡水资源。

  然而,目前十分矛盾的是,一方面人们惊呼地下水位下降,出现地面沉降、地裂缝等地质灾害,一方面又说地下水存量巨大,可以继续开采利用。张宏仁认为,解决这一矛盾就是要承认地下水的库存量是不能长期利用的。同时,要解决人们的用水问题,关键就是用好流动的水,同时要重视利用地下浅层含水层来调蓄淡水资源。

2007.2.27,地质勘查导报,3版)

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