青藏高原地下水的來源、分類、研究動向及發展趨勢

郭鳳清，曾輝，叢沛桐

(1.山西農業大學 城鄉建設學院，山西 太谷 030801； 2.北京大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；

3.華南農業大學 水利與土木工程學院，廣東 廣州 510642)

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青藏高原地下水的來源、分類、研究動向及發展趨勢

郭鳳清1，曾輝2，叢沛桐3

(1.山西農業大學 城鄉建設學院，山西 太谷 030801； 2.北京大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；

3.華南農業大學 水利與土木工程學院，廣東 廣州 510642)

摘要：以青藏高原地下水的來源、分類、研究動向為基礎，對青藏高原地下水利用方面的研究新趨勢進行綜述：(1)青藏高原地下水因補給來源不同分為兩類，即外界補給的冰雪融水和大氣降水、地球內部生成的地層內生水；(2)青藏高原地下水類型按照不同的劃分指標有不同的分類，按照地下水埋藏深度分為淺層地下水和深層地下水，按照地下水用途分為水質較好適合生活用水的飲用水和水質較差的不可飲用水，按地下水形成的主導因素分為外源型地下水和受新構造運動及構造體系控制的地下水；(3)青藏高原地下水研究的新動向主要集中在宏觀層面的青藏高原地下水參與深循環研究、交叉學科層面的放射性元素/同位素研究和水利經濟學層面研究。針對青藏高原地下水利用方面狀況，指出了青藏高原地下水研究的發展趨勢，即構建青藏高原地下水信息平臺，開展以地下概念水庫為基礎，用虛擬水的手段平衡青藏高原及其源頭河流中下游的水資源研究，以期為虛擬水的實施提供技術支撐平臺。在青藏高原需水量增長和高原源頭河流中下游地區日益缺水的形勢下，可為科學利用地下水，以及開展青藏高原地下水研究提供一種嶄新的視角。

關鍵詞：青藏高原地下水；地下概念水庫；虛擬水；發展趨勢

青藏高原的凍土退化隨著全球氣候變暖顯著及人類活動增加而日趨嚴重，青藏高原凍土區水文循環也隨之發生了改變，進而影響了青藏高原地下水。青藏高原地下水的變化對該地區及中國水資源的管理提出了嚴峻的考驗。研究青藏高原地下水，一方面具有緩解該區旱季的缺水狀況和探明該區地下水資源分布規律的現實意義；另一方面，規劃和管理好該區的地下水資源，對改善該區的生產生活條件、改善生態環境、促進區域經濟社會可持續發展具有十分重要的意義。同時，研究世界上海拔最高高原的地下水，本身對于研究者和學術界來說具有挑戰意義。

近幾十年來，運用野外考察、實驗室研究分析、數值模擬及假說推演等科學手段對青藏高原地下水進行“擦邊”研究的文獻數量已逾百篇。這些文獻從環境、氣候、工程地質、防災減災、管理學等領域的實際面臨問題出發進行分析闡述，解決和提出了一些有關青藏高原地下水方面的重大科學問題。本文重點對青藏高原地下水的來源、類型和研究的新動向作了對比梳理；在做出青藏高原地下水利用方面總結的同時指出了青藏高原地下水研究的新趨勢，提出青藏高原地下概念水庫的設想，以期為虛擬水的實施提供技術支撐平臺。在青藏高原需水量增長和高原源頭河流中下游地區日益缺水的形勢下，為科學的利用地下水，本文為開展青藏高原地下水研究提供了一種嶄新的視角，即以地下概念水庫為基礎，用虛擬水的手段平衡青藏高原及其源頭河流中下游的水資源。

1青藏高原地下水研究回顧

目前對青藏高原地下水進行研究的專家學者大多從綜合領域展開，并且對地下水的研究有些文獻只是作為一部分涉及。劉東生等從青藏高原的地質及冰期領域出發研究了地下冰與溫度變幅的關系，此研究的核心是圍繞青藏高原地下鉆探得到的300 m冰芯[1]；王紹令等利用氚同位素在水中的含量推斷青藏高原地下水的循環特征，埋藏越深的地下水同位素含量越低，說明水體循環越慢[2]；虞震東從地震角度說明了青藏高原地下水的來源之一和地下水冷熱異常的成因[3]；程國棟等從凍土角度研究了青藏高原地下水的補給、徑流、排泄及其理化性質[4]；陳建生利用同位素及鉆孔資料發現青藏高原存在大量深層地下水，并推斷這些地下水參與了內蒙古高原、華北平原的深層地下水大循環，這也是黃土高原風塵顆粒能持續沉積的原因[5，6]；畢煥軍結合青藏鐵路建設勘察的地下水資料，對多年凍土區地下水的開發利用前景進行了分析并提出地下水的開采參數[7]；趙林等依據青藏公路、青藏鐵路多年凍土區的鉆孔資料，分析研究得出青藏高原多年凍土平均厚度38.79 m，平均含水量17.19%，估算出青藏高原地下冰的總儲量為9 528 km3[8]；折書群等從礦區工程勘察水源的數據發現,藏東峽谷區巖溶地下水含水層厚度不大，地下水庫容不大，但地表水與地下水交替運動頻繁，地下水的補給充沛[9]；康小兵等依據阿里地區的地質背景和地質資料研究發現，阿里地區第四系地下水資源分布從南往北依次減少，到中北部大范圍地區為干旱區[10]；張志攀利用羌塘盆地各泉點資料分析得出，泉水主要來自大氣降水，但表現出受深部油氣藏影響的特征，可能與深部天然氣水合物相關，預示這樣的地下泉水—含Ⅱ型天然氣水合物的水有指示油氣田儲藏地的作用[11]；庫新勃等利用GIS平臺建模和地溫鉆孔資料回歸分析，得出青藏高原天然氣水合物集中在羌塘盆地西北部，儲量可觀[12]；吳青柏等根據凍土條件和天然氣水合物形成的熱力學條件,估算得到天然氣水合物最淺的頂層界埋深為74 m左右，最深的底層界埋深達上千米[13]；南卓銅利用遙感數據和擴展地面凍結數模型，通過模擬的方法得出青藏高原多年凍土下限深度由東南-西北向逐漸加深，分為小于30 m、30～50 m、大于50 m 3個級深，這是地下水埋深的上限[14]；劉建剛[15]從地下水幔源氦同位素特征、巴丹吉林沙漠湖泊中鈣華幔源碳特征方面驗證了巴丹吉林沙漠湖泊得到了青藏高原深層地下水的補給，這也是對陳建生之說的有力支持；胡海濤等[16]依據青南-藏北高原的水文普查及勘探數據，認為高原多年凍土區，儲藏著大量的地下水資源，且水量大，水質良好，可開發為大中型的供水水源，同時也得出結論，新構造運動及構造體系是青南-藏西高原地下水及水文網的控制因素和推力。

戴長雷等對中國近年基于試驗的寒區地下水研究做過綜述，主要內容包括：凍融過程中土壤水熱鹽遷移試驗；凍土水理性質試驗；在東北、西北、青藏高原等寒區開展的應用類試驗；相關試驗儀器、試驗方法的研究[17]。

目前對青藏高原地下水研究的單項綜述和青藏高原地下水來源、地下水深循環、地下水利用等方面研究的綜述欠缺，本文將從以上三方面對青藏高原地下水研究作一梳理和分析，并從地下概念水庫和虛擬水視角對青藏高原地下水利用做展望。

2青藏高原地下水的來源

青藏高原號稱“亞洲水塔”，是中國及亞洲大江大河的主要發源地，而這是與其高亢的海拔和豐富的水資源特點分不開的。青藏高原的地下水是其水資源的重要組成部分。由于高原自然條件的制約，地下水相比地面水資源略顯神秘。青藏高原地下水的來源比較復雜，但大致可以分為兩類，冰雪融水和大氣降水、地層內生水。

2.1冰雪融水和大氣降水

青藏高原豐富的冰雪融水和大氣降水為地下水提供了補給，青藏高原地下水的形成是和多年凍土密不可分的。多年凍土地下水分為凍土層上水、凍土層中水、凍土層下水?；鶐r類凍土層上水通過風化裂隙和構造裂隙接受大氣降水和冰雪融水的補給，多年凍土層構成相對穩定的隔水層，垂直入滲條件差。大氣降水、地表水和淺層地下水只有通過局部融區或斷裂破碎帶側向運移補給深層地下水。山區是地下水的主要補給區，盆地和谷地是地下水的主要徑流、排泄區。凍土層下水徑流較滯緩，基巖裂隙水循環較快，碎屑巖類的孔隙水補、徑、排條件差，而松散巖類孔隙水的補、徑、排條件較好[4]?？傊?，依靠冰雪融水和大氣降水為來源的青藏高原地下水具有埋藏淺、水質好、循環周期短的特點，但隨著凍土退化，青藏高原地下水呈徑流不穩定、埋藏加深、循環周期變長、水質惡化的趨勢。

2.2地層內生水

按照“地下存在核燃燒核聚變”之說，地下核燃燒在影響所及的范圍內，異常的高溫會把部分巖石燒成巖漿，而這個高溫燒灼巖石的過程會使巖石析出結晶從而產生地下水，這部分內生的地下水一部分直接在原地積累儲存，另一部分在承壓作用下會沿著巖層裂縫上升、積累形成較淺的地下水[3]，這種地下水具有水質差、循環慢的特點。在非理想狀態下，這種地下水含有地表水通過復雜途徑、漫長時間入滲后的成份。但按照陳建生的觀點，青藏高原的深層地下水是參與了內蒙古高原和華北平原的地下水循環的，那么水質差和循環慢的非理想狀態下地下水特點恰好和理想狀態下的地下水特點相反，即按照程國棟和虞震東深層地下水之說，其水體循環慢、水質差，而按照陳建生深層地下水參與循環說，其水體循環快、水質好。虞震東還指出，地下核燃燒核聚變會產生氡元素，因為它的沸點是-62 ℃,所以它產生時就是氣體，這種氡氣體會沿著巖石裂縫上升，所到之處，會使地下水強烈降溫結冰；同時若地質條件許可，在氡氣上升的相鄰或相近處,核燃燒產生的熱能會加熱承壓地下水，形成地熱溫泉，這樣同一區域就可能同時存在天然冰和溫泉。國內一些地方存在咫尺之內冰火兩重天的地質現象(如山西省寧武縣的萬年冰洞和溫泉同處一地)或可歸因于此。

3青藏高原地下水分類

3.1按埋藏深度分類

根據目前研究，青藏高原的地下水類型按埋藏深度可分為淺層地下水和深層地下水。淺層地下水又可分為凍土層上水、凍土層中水、凍土層下水。其中，凍土層中水和凍土層下水可再細分為凍土層內水、凍土層間水、融區通道水、與多年凍土下限直接接觸的水、與多年凍土下限不接觸的水[4]。其中與多年凍土下限不接觸的水就是標準的凍土層地下水。

深層地下水在青藏高原有兩種，一種是準深層，即深埋于基巖類凍土層下的水，這類地下水的埋深大致在12～70 m之間，其水質的溶解性總固體成份較高，因而水質較差；另一種是深層地下水，這類地下水埋深在400～1000 m或更深，有學者指出這類地下水參與內蒙古高原和華北平原的地下水大循環，從這些學者提供的證據即水體中所含同位素和放射性元素的成份(氚、氦)看，這又逆向映證了深層地下水的一種來源是巖層巖漿化和巖石結晶產生的水，同時也輔證了地下核燃燒核聚變之說成立的可能，這種可能是與青藏高原深層地下水參與深循環的假設互相依存的。

3.2按用途分類

按地下水的用途，青藏高原地下水可以分為水質較好適合生活用水的淺層水及一部分深層水、水質較差的深層水、埋藏較深并且和天然氣水合物混存的地下水。這樣的分類是在青藏高原鐵路修建、工程建設、油氣田勘探、居民點勘察地下生活用水等基礎上展開的[8，9,13]。適用于生活用水的地下水一般具有溶解性總固體成份低、埋藏淺、循環周期短的特點；不適合生活用水的深層水具有溶解性總固體成份高、埋藏深、循環周期長的特點。參與深循環的埋藏深的地下水是否適合生活用水值得商榷。而含天然氣水合物的地下水，主要分布在羌塘盆地，其埋深在70～1 000 m之間，這種地下水還會與泉水結合出露地表。具有現實意義的是，這種地下水有指示油氣田的作用[11]。

3.3按地下水形成的主導因素分類

按地下水形成的主導因素劃分，青藏高原的地下水可分為兩大類，一類是受冰雪融水和大氣降水形成的外源型地下水，這是目前普遍可利用、易勘察的地下水；另一類是受新構造運動及構造體系控制的地下水，這類地下水自成體系，構成了一個獨特的地下水文網，是今后研究的前沿領域[16,18]。外源型地下水受自然條件影響大，與自然環境的相關性密切，目前其水文水動力特征方面的研究已經日趨完善和成熟，在此基礎上應該加強研究水利化、數字化、可視化的管理、應用及保護平臺；而另一類深層地下水，由于自然條件和技術條件的制約，其各項研究均處于起步階段，研究的方法僅限于假說、推理和試點鉆探取樣，目前青藏高原地下水研究深度沒有超過1 000 m。

4青藏高原地下水研究新動向

4.1宏觀層面研究

陳建生等從青藏高原的地下水參與深循環研究為切入點，把青藏高原地下水與周邊的內蒙古高原、黃土高原、華北平原等區域的地下水聯系起來[5，6]，此等研究不僅在一些有力證據的支持下有一石激浪的效果，而且是符合哲學普遍聯系的規律，這一點李四光先生在他的地質理論及中國勘探石油經驗中早有提及[19～21]。

同時還有從宏觀層面展開研究的。劉建剛認為[15]，地下水幔源氦同位素特征和巴丹吉林沙漠湖泊中鈣華幔源碳特征是青藏高原地下水通過深循環方式補給巴丹吉林沙漠的理論依據。胡海濤從新構造運動及構造體系的高度出發[16]，認為青藏高原地下水及地下水文網是受新構造運動體系控制的。

4.2交叉領域研究

虞震東等假設地下存在核燃燒核聚變，通過尋找有力證據，在放射性元素和同位素證明假設可能的情況下，無意的旁證了青藏高原地下水的另一個來源——地層內生水[3]，同時也通過核燃燒釋放強制冷的氡氣體為地下水異常變冷結冰提供了一種解釋。

而程國棟則從水利和經濟學角度提出了青藏高原地下水利用的“虛擬水”解決方案。虛擬水方案是直面青藏高原極端脆弱的生態環境，但也不回避青藏高原經濟建設用水量的日趨飆升，對青藏高原的水資源作出的統籌計劃?！疤摂M水”的計算[22]同生態足跡一樣，是嘗試采用賬戶的方式解決水資源在社會經濟系統中的遷移轉換。但虛擬水的配套實施平臺滯后，突出滯后的是技術和水資源信息平臺。

5結論和研究趨勢

5.1結論

青藏高原的地下水研究目前是很多專家學者的“副業”，許多研究成果是其它研究領域的附帶內容，比如凍土、地質地震、環境科學、工程、生態等領域是主要涉及青藏高原地下水研究的學科，如何引導和重視青藏高原的地下水研究是學術界應該關注的問題；青藏高原地下水研究由于受自然條件和技術條件限制，對其全面深入的勘探極具挑戰；青藏高原的地下水溫度及其理化性質與高原氣候及生態變化密切相關，應注重以地下水為主的相關研究；在條件允許的情況下，應盡快展開青藏高原1 000 m以下深層地下水的實驗研究。

5.2研究趨勢

5.2.1構建青藏高原地下水信息平臺

至今對青藏高原地下水的研究，各方面的研究都缺乏一個資源共享、數據連通的平臺。無論是地下水的平面分布，地下水的水質差異，地下水的補、徑、排特點，地下水的同位素含量、放射性元素含量，還是地下水的循環狀況，都處于無序和數據封閉狀態。特別是像程國棟先生提出的“虛擬水”，這是實現青藏高原水資源安全的戰略措施，但它缺乏支撐的技術和信息平臺。因此，構建青藏高原地下水信息平臺是今后研究的一個重要趨勢。

5.2.2開展青藏高原“地下概念水庫”研究

青藏高原“地下概念水庫”思想，主要內容就是假定青藏高原地下水是具有實體水庫特征的地下水庫?！暗叵赂拍钏畮臁笔撬Y源在工程學意義上的定位?！暗叵赂拍钏畮臁毙柰ㄟ^技術手段檢測和測定，如運用探地雷達、同位素/放射性元素測定的技術方法，收集青藏高原盡可能多的地下水的信息特征，基于地理信息系統(GIS)平臺，建立數字化的水體模型和數據庫。

5.2.3開展“虛擬水”視角下的青藏高原地下水研究

“虛擬水”是水資源分配在經濟學和管理學意義上的定位。運用可綜合考慮用戶端與供給端，可用于流域及城市區域，以解決水資源需求分析、水權及排污權的分配等諸多水務管理問題的WEAP(Water Evaluation and Planning System) 模型[23～25]，開展“虛擬水”統籌規劃，使青藏高原地下水資源的研究和利用實現數字化、可控化[26]，進一步把青藏高原地下水從神秘的研究對象轉變為資源化、水利化的普通自然水體[27～32]。

5.2.4開展“地下概念水庫-虛擬水”相耦合的青藏高原地下水研究

“地下概念水庫-虛擬水”相耦合的青藏高原地下水研究思路，可概化為圖1結構圖。

從“地下概念水庫”到“虛擬水”是青藏高原地下水資源探明“家底”到合理利用的必由之路，只有利用凍土、地質、水文、資源環境、地球物理等學科的理論和技術搭建起“地下概念水庫”的數據庫，才能給“虛擬水”的分配方案提供技術支持；同時，輔以虛擬水的經濟學、管理學手段才能使青藏高原地下水利用達到“物盡其材”的效果。

圖1　“地下概念水庫-虛擬水”視角下青藏高原地下水研究流程圖Fig.1　Basic chart of research ideas about “underground conceptual reservoir-virtual water” on the Qinghai-Tibet Plateau

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(編輯：梁文俊)

Sources, classifications, new research development and tendency of the groundwater on the Qinghai-Tibet plateau

Guo Fengqing1, Zeng Hui2, Cong Peitong3

(1．CollegeofUrbanandRuralConstruction,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China; 2．SchoolofShenzhenGraduate,PekingUniversity,Shenzhen518055，China; 3．CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642，China)

Abstract:Based on the groundwater sources, classifications and new research development, our work mainly reviewed the research trends of the groundwater on the Qinghai-Tibet Plateau. (1) The groundwater of the Qinghai-Tibet plateau comes from the external ice and snow melt water and atmospheric precipitation, the internal formation water generated within the earth. (2)There are different types of classifications of the groundwater on the Qinghai-Tibet Plateau according to the different indicators. (3) The new research development of the groundwater on the Qinghai-Tibet Plateau mainly focuses on the macro level of deep groundwater circulation on the Qinghai-Tibet Plateau, the interdisciplinary level of radioactive elements/isotope and water conservancy and economics. On the basis of the use condition of the groundwater of the Qinghai-Tibet Plateau, the research trends are proposed, for example, the groundwater information platform of the Qinghai-Tibet Plateau is built, the underground conceptual reservoirs are developed, and the virtual water of the Tibetan plateau is balanced, which will provide technical support for the implementation of the virtual water platform. Our work could offer a newer perspective to study on the groundwater of Qinghai-Tibet Plateau.

Key words:The groundwater of Qinghai-Tibet Plateau; Underground conceptual reservoir; Virtual water; Development tendency

中圖分類號：P9

文獻標識碼：A

文章編號：1671-8151(2016)03-0160-06

基金項目：國家973重大科技計劃項目(2013CB956303)；中國博士后科學基金項目(2013M540815)；山西農業大學人才引進項目(2014YJ07)

作者簡介：郭鳳清(1974-)，女(漢)，山西盂縣人，講師，博士后，研究方向：水文生態學

收稿日期：2015-11-21修回日期：2015-12-21