1 摘要

含水層含有最大的未凍淡水儲量，使地下水對地球上的生命至關(guān)重要。令人驚訝的是，地下水在時空尺度上對地表變暖的反應(yīng)知之甚少。作者以擴(kuò)散熱輸運(yùn)為重點(diǎn)，在全球尺度上模擬當(dāng)前和預(yù)測的地下水溫度。研究表明，在中等排放路徑下，地下水位深處的地下水(不包括永久凍土區(qū))保守預(yù)測在2000年至2100年間平均升溫2.1攝氏度。然而，由于氣候變化和地下水位深度的空間變異，區(qū)域淺層地下水變暖模式存在很大差異。最低的比率預(yù)計(jì)在山區(qū)，如安第斯山脈或落基山脈。研究表明，地下水溫度的升高會影響河流熱狀態(tài)、地下水依賴生態(tài)系統(tǒng)、水生生物地球化學(xué)過程、地下水質(zhì)量和地?zé)釢摿?。結(jié)果表明，按照中等排放路徑，到2100年，預(yù)計(jì)將有7700萬至1.88億人生活在地下水溫度超過任何國家設(shè)定的最高飲用水溫度閾值的地區(qū)。

2 研究背景

地下水溫度升高的現(xiàn)實(shí)

地球的氣候系統(tǒng)在溫室氣體濃度增加的影響下，正在經(jīng)歷全面變暖。海洋吸收了大部分額外熱量，但陸地地下水也作為一個重要的熱匯。在穩(wěn)定的氣候條件下，季節(jié)性的溫度變化通常只能穿透地表下10至20米的深度，以下的溫度一般會隨著深度的增加而上升，符合地?zé)崽荻?。然而，由于近期的地表變暖，現(xiàn)有的鉆孔溫度-深度剖面經(jīng)常顯示出逆變現(xiàn)象，即溫度隨深度的增加而降低，這可以追溯到100米深。這種地表溫度變化對地下水溫度的影響在深鉆孔（例如>300米）的非穩(wěn)態(tài)溫度剖面上有所體現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)被用來評估陸地?zé)醿Υ婧凸烙?jì)過去的地表溫度變化。

地下水溫度升高的原因

地下水溫度的升高是一個多因素影響的結(jié)果。首先，地表溫度的升高直接影響了地下水的熱傳輸。隨著地表熱量的增加，熱量通過土壤和巖石層向下傳遞，導(dǎo)致地下水溫度上升。這種影響在地表附近尤為顯著，因?yàn)闊崃總鬟f主要通過這一區(qū)域發(fā)生。

其次，氣候變化對地下水溫度的影響不容忽視。全球氣候變暖導(dǎo)致降水模式和蒸發(fā)率的改變，進(jìn)而影響地下水的補(bǔ)給和流動。這些變化不僅改變了地下水的物理特性，還可能引起地下水化學(xué)成分的變化，影響水質(zhì)。

最后，水文地質(zhì)條件對地下水溫度變化具有調(diào)控作用。不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如巖石類型、土壤層厚度以及地下水流路徑，都會影響熱量在地下的傳遞效率和模式。例如，在多孔巖石中，熱量傳遞可能更為迅速，而在致密巖石中則相對緩慢。此外，地下水流動路徑的深淺和方向也會影響其與地表熱量交換的程度，進(jìn)而影響溫度變化的幅度和速度。

3 研究方法

作者開發(fā)了一個全球尺度的熱量傳輸模型，專注于模擬地下水溫度。這個模型基于熱量的擴(kuò)散傳輸原理，假設(shè)了局部熱平衡。模型使用了來自ERA-5數(shù)據(jù)集的地面表面溫度時間序列，以及CMIP6項(xiàng)目中的地面表面溫度預(yù)測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)分別用于分析當(dāng)前的地下水溫度和預(yù)測未來的地下水溫度變化。作者使用了一維熱擴(kuò)散方程的解析解，來模擬從地表到100米深度的地下溫度變化。這個方程考慮了地表溫度隨時間的階梯式變化。

為了確保模型的初始條件不受先前氣候變化的影響，作者將模型的起始時間設(shè)定在1880年，并假設(shè)了一個與地?zé)崽荻纫恢碌某跏紲囟?深度剖面。作者使用了土壤和巖石的熱導(dǎo)率和體積熱容來計(jì)算熱擴(kuò)散率。這些參數(shù)是基于不同的土壤類型和巖石類型，并考慮了水分飽和度的影響。為了評估模型的準(zhǔn)確性，作者將模型預(yù)測的地下水溫度與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。這些觀測數(shù)據(jù)包括多個地點(diǎn)的年度平均地下水溫度和鉆孔溫度-深度剖面。

作者使用了不同的共享社會經(jīng)濟(jì)路徑（SSP）情景來模擬未來地下水溫度的變化，并考慮了不同的排放路徑對未來地下水溫度的影響。研究結(jié)果通過一個交互式的Google Earth Engine應(yīng)用程序來展示，用戶可以通過該應(yīng)用程序查看不同深度和年份的平均地下水溫度。

4 研究結(jié)論與研究建議

作者強(qiáng)調(diào)了地下水溫度升高是一個全球性問題，需要全球性的解決方案。通過國際合作和科技創(chuàng)新，可以更好地應(yīng)對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)。研究預(yù)測，在中等排放情景下，2000年至2100年間地下水溫度平均上升了2.1°C。此外，研究還指出了區(qū)域性差異，如山區(qū)和凍土地區(qū)的溫度上升速率較低。

文章強(qiáng)調(diào)了地下水溫度升高對生態(tài)系統(tǒng)、水質(zhì)和人類健康的潛在影響。溫度的升高可能會導(dǎo)致地下水中某些有害物質(zhì)的溶解度增加，影響水質(zhì)安全，并可能改變地下水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性。文章討論了地下水溫度升高可能對社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響，特別是在農(nóng)業(yè)灌溉、飲用水供應(yīng)和地?zé)崮荛_發(fā)等方面。建議開展更多的跨學(xué)科研究，以評估這些影響并制定相應(yīng)的應(yīng)對措施。

文章提出了對未來研究方向的建議，包括加強(qiáng)地下水溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，提高對地下水溫度變化趨勢的認(rèn)識，以及深入研究地下水溫度變化對不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和水質(zhì)的具體影響。文章建議政策制定者和管理者應(yīng)考慮地下水溫度變化對水資源管理的影響，制定適應(yīng)氣候變化的水資源管理策略，如優(yōu)化地下水和地表水的使用比例，提高水資源利用效率。