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1、美国地质调查局地下水科学的跨学科研究机遇 美W.E. Sanford, J.S. Caine等魏国强 译；冯翠娥、田 芳 校译一、前言在地下水水文学和地质学研究领域中，美国地质调查局（USGS）一直享有非常高的声望，提供了前沿的科学知识与先进的技术手段，并长期处于该领域的领导地位。本报告介绍了USGS地下水科学研究机遇中的六个跨学科主题，为USGS继续保持这种科学领导地位搭建了一个框架。这些主题是基于美国国家研究理事会（2000）的提议而确立的，提议包含在名为“区域和国家尺度上的地下水调查系统”的报告中，并指出跨学科主题的研究将受益于美国各方面的综合能力。认识地下水与含水层地质特征之间的关系、
2、地下水和地表水资源与陆地和水生生物群落之间的关系越来越重要，这为整个美国综合利用专业知识（包括生物学、地理学、地质学和水文地质学等）创造了一个相当大的机遇。美国国家研究理事会（2000）也强调指出美国区域和国家尺度上的地下水资源评价应将工作重点放在能够促进地下水资源实现可持续利用方面。我们需要足够可用的地下水来维持我们的生活、经济和水生生态系统，因此需要一个全面的计划来解决地下水资源的可持续利用问题。尽管社会对高质量、客观的地下水科学的需求在不断增加，但目前用于USGS区域地下水计划的资金大约只占20到25年前可利用资金的40%。本报告提出了一系列非常灵活的研究主题，在目前预算受到限制的情况下
3、，能够使USGS集中有限的财政资源发展地下水科学领域中的技术手段和方法，以提供高质量、客观的科学信息。二、地下水研究机遇科学家一般关注现在、过去以及过程，而社会更想知道未来。由市民、市政规划机构或者政府管理机构提出的地下水问题几乎都始于“如果，将会怎么样？”。“如果”往往包含一种令人担忧的状况，比如过度抽水、长期气候变化与多年干旱之间的关系、城市化的影响以及地表污染等。USGS必须要基于对现在、过去以及过程的认识给出科学预测，满足社会需求。美国很多地区的地下水资源受到人类活动的严重影响。例如，在美国的西南部，大量抽水导致地面沉降和水资源短缺。在沿海地区和某些内陆地区，抽水导致咸水入侵淡水含水层
4、。在全国范围内，即使水资源非常丰富的地区，也因水不足以满足每个人的需求，而使地下水受到人们的竞相使用。化粪池、垃圾填埋、农药、化学和放射性废物的处理以及其它土地利用活动将化学物质释放到地下水中，潜在地限制了地下水的饮用，污染了河流、湖泊和湿地中的生态系统。而且在干旱时，为满足供水需求，经常要用地下水来补充地表水，这样就减少了未来地下水的可利用量。本报告介绍的地下水科学研究机遇中的六个跨学科主题的开展，将极大提高我们预测维持人类使用并支持水生生态系统的地下水可利用量的能力。这些主题可简单归结如下：j 通过开发三维（3D）制图和可视化工具，并应用新的地球物理方法，提高对地下水系统地质结构的认识；k
5、 提高对松散含水层、基岩裂隙含水层和岩溶含水层非均质性的刻画；l 提高补给评价，重点是跨地区的补给；m 提高评价地下水和地表水关系（包括从地下水系统的流入与流出）的能力；n 提高对地下水与水生生态系统关系的认识；o 改进地下水流动和运移的计算机模型，重点是发展并应用新的反演方法和不确定性分析。前两个主题侧重于水资源、制图、地质和地球物理特征的综合研究。接下来的三个主题强调突出了量化地下水与生物圈的相互关系以及将生物学与水资源研究结合起来的重要性。第六个主题则起到了一种重要的纽带作用，连接着基于其它主题获得的认识所建立的方法与提高预测能力的最终目标。本报告所讨论的这六个地下水研究主题并没有涵盖U
6、SGS地下水科学的所有方面，而只是将重点放在了重要的长期性的跨学科研究任务上，以促进学科进步，提供必要的信息来支持国家地下水资源的可持续利用。USGS在地下水研究中发挥着重要作用，是唯一负有地表水文和地下水文评价使命的联邦机构。评价国家的地下水资源，需要（1）研究跨州和跨国界的全部的含水层系统；（2）使用全国统一的数据收集方法；（3）使用并改进现有的监测设施；（4）进行基础研究，认识国家珍贵的地下水资源。USGS为州政府和地方机构管理水资源提供科学的信息。此外，USGS支持美国内政部土地管理局、美国鱼类和野生动物管理局、美国国家公园管理局、美国森林管理局和国防部管理各自所辖的土地，以及内政部管
7、辖的印第安人保留地内的土地管理。本报告所阐述的几个主题（如关于岩溶含水层和地下水对生物资源影响的主题）也是内政部其它机构特别关注的问题。报告中阐述的研究机遇引起了大学的学者、其它机构和私人机构的兴趣。因此，在这些主题研究中，我们看到了很多潜在的参与者。（一）三维制图地质和地球物理1、问题三维空间中的岩性分布和地质结构是地下水流动和溶质运移的主要控制因素。但是，这些物理特征通常非常复杂，难于刻画，更难于实现可视化。这些特征也与第二个主题中含水层的非均质性有着密切的联系。因此，要想充分认识地下水流动系统，就必须深刻认识地质结构，并将其融合到水文地质分析和地下水流动模型中。随着对地下水资源水质与水量
8、预测更准确的要求不断增加，有必要对地质结构做更准确的刻画。地质制图是现代三维地质模型的基础。这些模型集合了丰富的地质、地球物理、地球化学和水文地质信息，是一种刻画自然系统的先进技术手段。用于过程模拟的现代三维地质模型的一个重要特征是在整个模型区域中体现出了几何性质和物理性质的不确定性，并具备产生多情境或多实现的能力。地质制图与野外草绘，寄主岩石和断层物质的渗透性，原位钻孔和区域地球物理数据，矿化和热液蚀变的岩石制图，横截面的创建，裂隙网络数据的收集、分析和模拟都被用于三维地质结构建模。在不同的地质背景下和不同的尺度内（从地方到区域问题），调查研究岩性和结构特征对含水层的影响及其包含的不确定性。
9、地球化学、环境示踪剂和地下水年龄数据也与上述信息结合，共同来建立地下水研究的数值模型和预测模型。上述很多数据都利用了先进的地理信息系统（GIS）进行有效的综合和研究，使大量用户能够查询跨学科数据，制作新的、特定主题的地球科学图件。地球物理方法在提高局部和区域尺度上的地下地质结构和岩性非均质性的认识中起着非常关键的作用。该方法提供了水平向和垂直向上的信息、水文地质和水质信息，可帮助提高对井间条件的认识，外推钻井之外其它地方的信息，或者为大区域绘图提供了一个视角。拓展地面方法和航空方法的新应用，更好地理解物理性质和水力性质之间的关系，对于外推大范围地区第三维上的信息以及直接将这种信息导入地下水模型
10、是非常重要的。2、现状建立一个实用的三维地质模型要依赖于强大的计算机硬件、先进的软件和地球科学软件（用于将不同的数据融合到一个统一的三维空间结构中）的应用。现代计算机系统能够运行很多复杂的模拟软件，而且在速度和存储能力上提高很快。先进的软件能够整合、处理和可视化三维地质图与模型。石油业与GIS产业的大力推动将使这些软件得到不断的发展，并能完全满足水资源研究的需要。建立三维地质模型的方法和软件目前正处于开发的早期阶段，尽管已从石油业借鉴了不少有用的知识，但三维水文地质模型的研发人员仍然面临着一些不同的挑战，还需做更多的工作。三维模拟的挑战之一就是扩大地球物理方法在水文地质调查中的应用范围。现在很
11、多地球物理方法都可经过设计而具备特殊用途。利用这些地球物理方法可以刻画岩性特征（如岩石类型和颗粒大小）、确定水文地质单元的边界、确定断层的位置、估计裂隙密度、绘制热液蚀变或者地热图、检测盐分的变化。有些地球物理方法，如钻井或者地面与海洋浅探测地球物理方法，已经在地下水研究中得到了较好的应用。其它一些方法，如航空地球物理方法，是地下水研究中的新方法，它们的应用潜力还有待进一步开发。钻井和地面浅探测地球物理方法最适合用于详细研究，而航空方法为有效经济地获取大区域以及人迹罕至地区的信息提供了新的机遇。这类信息对于建立区域三维地质和地下水流动模型是非常重要的。3、研究机遇需要进一步研究如何将三维地质模
12、拟融合到水文模型中。所需方法包括：（1）利用定量化和随机方法推断地下的地质和水文地质信息；（2）利用多种数据（水井、测井曲线、地表地质图、重力测量、航空磁测、岩土工程钻孔数据和取样）建立冲积盆地的三维地质模型；（3）定义并刻画整个岩石基体中连续存在的几何与属性的不确定性。常规的地质制图研究也需要新的地质制图思想和方法，以获取水文模型所需的重要数据。理想状况下，这些思想和方法将直接利用水文数据和信息作为三维地质制图的约束条件。需要确定水力性质（渗透系数、储水系数或水文变化）与地球物理响应的关系，并定量结合这种地球物理信息，再将其解译并应用到水文模型中。地球物理方法的应用所带来的研究机遇，是不断改
13、进和发展专门用于解决地下水问题的地球物理数据的获取与解译方法。数学算法、可视化以及仪器的发展能够改进地球物理方法，从而满足地下水研究的需要。调查水文地质性质变化的地球物理响应必须要做的工作包括确定物理性质和水文地质之间的关系、观测水文地质性质变化的地球物理响应，同时不断扩大观测尺度（从地方到区域）。寻找地球物理响应与渗透系数之间的关系就要认识哪些变量会同时影响两者，想办法确定只影响其中一方的因素。通过观察地球物理响应随时间的变化，发现储水量变化所造成的影响或者追踪水质随时间的变化（研究沿海含水层的咸水入侵）。模拟能力的重大提高，如三维地震和其它地球物理数据与常规水力参数解译的耦合，将促进未来的
14、地下水建模。已证实，三维地震和随机模拟是模拟油气藏沉积相结构的两种非常重要的技术。近10年来，石油公司已经利用三维地震技术有效刻画了油气藏沉积相的三维几何形状。这项工作需要收集大量数据，对典型的油藏进行一次简单调查，费用就可能达到几百万美元。水文地质学家刚刚证实这些技术在解决环境和地下水问题中也有着很大的应用潜力。已在沉积物类型差异很大的冰川带和冲积扇分布区成功应用了这类技术。同时还可实现与井间地震成像技术的联合应用。对信号和模型模拟结果解译的认识不断增加的同时，我们也在开发能应用在比油藏更浅、更局部系统的技术。水文地质学家逐渐意识到想成功模拟一个含水层系统，就应当注意渗透性在恰当范围内的取值
15、和渗透带几何形状的准确定义。基于声学原理的三维地震技术正用于帮助定义沉积带，这些沉积带与水力性质有某种程度上的关联。（二）刻画含水层的非均质性1、问题尽管认识含水层的非均质性很重要，但因目前刻画不足，仍没有得到充分认识。含水层的非均质性因岩性不同而异，因此有必要利用不同的方法提高我们刻画岩性的能力。美国所用地下水的一半左右都来自于松散至半松散的砂砾石沉积物。有些地方只使用基岩裂隙含水层中的地下水。此外，目前依靠地表水和浅层地下水以及松散含水层供水的很多团体都在评价基岩含水层的供水潜力，以增加现有的供水量。要评价地下水系统的可持续性以及污染脆弱性，就必须认识地下水运移的空间分布特征。这种分布特征
16、因含水层的非均质性而一般具有很大的空间变异性。含水层的非均质性是由寄主岩石或者沉积物复杂的地质历史造成的。喀斯特地貌有很大的非均质性，且很容易受地面污染物的污染。本报告的第一个主题讨论了刻画地质是刻画非均质性的一种手段。地下水系统中的渗透系数是地下水运动和污染物运移的控制因素。利用含水层的水力性质可以预测水位变化，但是在污染物运移研究中，就不足以确定污染物的迁移路径和运移时间。2、现状目前，我们刻画松散沉积物的水力性质及其分布的能力能够满足供水预测的目的。但是，为了预测污染物的迁移，就需要更详细的沉积物性质的三维分布信息。野外研究表明，可以描绘出相对均质沉积物中污染羽的范围和运动，且预测也具有
17、一定可信度，但很难预测非均质沉积物中的污染羽。碎屑沉积物含水层的非均质性主要是由成岩变质作用决定的。认识沉积环境和沉积过程可以更好地刻画这类含水层。通常分区或分岩相来刻画含水层的非均质性。岩相在很大程度上是由沉积环境决定的。岩相分布的变化可能非常大。目前已尝试利用这类地质信息在地下水模型中进行水力性质分区。地质统计学方法也被用于参数分区，这些参数区与所研究的沉积单元有相似的统计学性质。基岩裂隙含水层的非均质性是由裂隙的分布、开度和连通性共同决定的。这些参数在一定程度上，可通过岩石的构造历史和目前的应力场来确定。此外，与大部分松散含水层相比，基岩裂隙含水层渗透系数和储水性质的变化更大。钻孔调查（
18、如地球物理测井、水力试验和示踪剂试验）已成为刻画钻孔附近基岩裂隙含水层特征的一种非常有效的手段。喀斯特地貌的非均质性是由沿裂隙网络（最终会发展成为洞穴）分布的溶蚀通道决定的。因此，为了描绘流动路径，认识导水裂隙、单个洞穴以及其它溶蚀通道的位置就很重要。鉴于此，喀斯特地貌的野外研究已从定量模拟转到野外示踪。量化这类岩性的特征非常困难，不仅仅是因为它具有极大的非均质性，也因为涉及到的溶蚀通道在类型和范围上的变化都很大。将地球物理方法、示踪试验和专门的模拟方法综合起来应用能够获得最理想的结果。3、研究机遇提高沉积含水层的刻画能力需要更好地认识沉积环境和沉积过程。目前用于刻画碎屑沉积物含水层非均质性的
19、方法相对比较简单，因此需要加大这方面的研究力度以认识颗粒大小的空间分布、颗粒的分选度、沉积相的排列以及成岩作用如何影响渗透系数的分布。需要研究断裂带和其它结构（如褶皱）如何控制地下水流动系统。对断层及其几何特征、水力性质的变化、流动系统的边界条件知之甚少。预测断层的水力性质很难。认识断层对水力性质影响的方法包括（1）推断从地表到地下的结构，（2）从三维尺度上描绘断层的几何特征，（3）描绘断层的渗透性分布，（4）描绘目前影响断层水力性质的地质过程，如应力场、热和成岩作用。需要利用从多种刻画方法得到的综合信息建立一种关于含水层非均质性及其如何控制地下水流动和污染物运移的概念性认识。概念方法和野外技
20、术很难用于非均质性很强的裂隙岩石，而多应用于均质松散含水层。在裂隙岩石中，历史的和目前的区域和局部应力场控制着地质结构和裂隙的分布；裂隙是流体运动的优先通道。节理、岩层层面和断层通常都被称为裂隙，在岩石内部不均匀分布，因此做像松散多孔介质一样的假设（如均质各向异性）是不恰当的。此外，因为单个裂隙特征的空间变化很大，裂隙的连通性也会非常复杂，所以裂隙岩石水力性质的空间变化不是平稳的。因裂隙岩石的非均质性很强，所以没有哪一项技术或者解译方法能够准确绘制出裂隙岩石水力性质的空间分布。结晶岩和一些渗透性低的裂隙沉积岩的孔隙度和储水系数较低，这就意味着基岩含水层中的水量不一定能保证持续供水。要获得足够多
21、的水量，就需要从大量基岩中抽水或者从与基岩邻近的具有较高孔隙度的地层中抽水，比如基岩上面覆盖的松散沉积物（这类沉积物在山区和高地很少出现）。因此，基岩裂隙含水层的可持续供水能力主要是受地表地质和地形以及基岩中高渗透性裂隙的控制。识别控制地表地质和基岩含水层关系的因素对水资源管理是非常重要的。在一个井场范围内，要识别基岩含水层的潜在供水能力，寻找导水系数足够大的裂隙建造生产井。但是，单井产量在很大程度上依赖于高渗透性裂隙的表面积以及从地层中普遍存在的低渗透性裂隙中抽水的能力。必须要在不同的地质背景下，在更大的尺度上调查地下水流动的地质控制因素。要使基岩水力性质的推断方法具有一定的可信度，就需要在
22、更大尺度上，联合应用地质、地球物理、地球化学和水文方法。目前已经提出了几种理论成果，即基岩含水层的渗透系数随尺度的增大而增大；但是，利用野外证据却获得了相反的结论。对存在于岩石原生孔隙中和裂隙表面的污染物的数量进行更加深入的认识，可能会得出更合理的地下水修复方法，而不必进行地下水抽水。非均质性很强的含水层中常含有地下水相对停滞带。这些停滞带会影响化学物质的运移，因为从积极流动带到停滞带，化学物质会发生扩散。这是一种类似于裂隙与非裂隙岩体之间的物质扩散运移这个过程常被称为基质扩散（matrix diffusion）。当裂隙岩石作为一种废物隔离地点时，基质扩散发挥着积极的作用。恰恰相反的是，在地下
23、水修复中，基质扩散被认为是起着负面作用，因为要从原生孔隙中去除污染物会受到扩散率的限制；因此，要使污染物的浓度降到可接受的水平可能会花上几个世纪的时间。还需建立用于刻画和预测喀斯特地貌中地下水流动与污染物运移的更全面的定量方法。尽管示踪试验在确定潜在流动路径方面很有效，但是这种方法受到不同水文条件的限制。现在有一种很有希望的模拟方法，该方法将确定性流动和运移模型直接用在洞穴或者裂隙网络上，在模型中，这些裂隙网络被处理成一种特殊的边界条件。地下河的管道流和岩体中的多孔介质流也可以利用地下水和地表水耦合模型来描述。地球物理科学提供了有效的工具，如地面渗透雷达用于野外绘图，检测导水洞穴、裂隙和裂隙网
24、络的位置。不同野外和/或模拟技术的结合也是可能的。例如，示踪试验可与电导率测量相结合，或者用示踪剂的穿透曲线识别污染物运移模型中的参数。还需进行的工作是继续认识岩溶特征，刻画不同特征对含水层中地下水流的影响程度。刻画岩溶含水层仍然是我们面临的最困难的挑战之一。发展多种技术，搞清楚每种技术在什么条件下的应用效果最好，才有可能使含水层非均质性的刻画能力得到最大的提高。（三）量化地下水流动系统的补给1、问题对美国很多团体而言，地下水资源的可持续性是一个非常重要的问题。降雨和地表水是地下水的天然补给。在稳定条件下，一个含水层系统的补给量与排泄量平衡，补给量决定着水和其它相关污染物能以多大速率穿过这个系
25、统。因此，确定补给量对于确定地下水的可利用量和运移速率非常有用。补给的两个关键因素是补给的时间和空间分布。量化这些因素，就可以估计系统的总补给量。在干旱的美国西部地区，很难量化补给的时空分布。补给也是蒸发的函数，可用于确定蒸发临界值。过去，主要通过监测地下水位来表征补给的变化，为了未来进行更全面的刻画，我们需要开发出能够量测地下水系统补给通量的方法。2、现状利用气候和水文均衡方法来评价补给，在均衡法中，降雨、径流、蒸发蒸腾、土壤水和地下水储存量的变化都是测量得到的，补给作为残余项，通过计算得到。由于测量项的误差累积到了补给项中，因此这种方法是不准确的。基于水在多孔介质中的运动机理而建立的补给测
26、量方法已经用了几十年。这些方法可用于测量含水量或者地下介质的储水性质，但一般都是点上的测量，并不一定能反映出区域尺度的地下条件。可以用测渗计来追踪地下某一隔离空间内的水的总均衡。也可以利用钻探地球物理方法来测量某一垂直剖面上含水量随时间的变化，然后对获得的数据进行解译，可以确定向下的净水通量。分析浅井的水位可以评价降雨补给和地下水蒸发。最后，还可以利用离心机在很低的饱和度下，测量岩石或者土壤的非饱和渗透系数，如果已假定了单位水力梯度，就可以将这些值转换为补给率。在更大的区域尺度内，几十年来一直利用河流自记水位计来评价补给；地球物理技术如微重力计、电磁学和地面渗透雷达，只是在最近才得到应用。另一
27、种方法就是利用地下水模型来评价补给。当地下水测年数据可作为地下水流量的限制条件时，模型的补给评价就能得到改进。也可用降雨-径流流域模型来评价补给以及气候变化对补给的影响。目前正在研究如何将流域模型与饱和地下水流模型进行耦合，以此改进地下水补给率的评价，进一步认识气候变化对地下水补给时间和补给量的影响。天然和人工环境示踪剂在地下水测年、确定补给率方面非常有效，有时还可用于确定补给区。已证明，利用降雨和土壤中的氯化物质量平衡可有效确定一个地区的补给。天然放射性示踪剂14C可用于年龄在1,000年到50,000年的地下水测年，而放射性同位素36Cl可用于年龄在数千年到数十万年的地下水测年。因地面上的
28、核武器试验（如3H，3He，36Cl，14C和85Kr）和工业活动（化合物）而进入到大气中的人工环境示踪剂在小于50年的地下水测年中非常有效。3、研究机遇USGS需要利用气象学和农业学方面的研究成果，来促进地下水模型和其它水文软件对地下水的补给评价。利用遥感图像可以识别、描绘和量化地貌、土壤水和植被的变化。在评价陆地和大气之间的能量和水量交换方面，美国农业部和一些研究团体已经利用遥感做了大量的研究工作。地球资源卫星数据可用来识别和描绘地貌类型与植被类型。静止轨道环境卫星（GOES）数据可用来评价日射量和能通量。综合运用卫星遥感数据以及日射量、气温、风速和气压的原位测量来评价地表能量平衡中的各个
29、组成。需要进一步研究以更好地认识非饱和带中的各种物理和化学过程。地表和潜水位之间的非饱和带起着非常关键的作用，其中存在的入渗过程驱动污染物扩散到地下水系统中。要想针对不同来源的污染物（如化学物质溢出、地下储罐的渗漏、垃圾处理场的渗滤液以及农药）建立一种经济有效的污染修复方法，就必须认识非饱和带中发生的各种物理和化学过程。另一个受关注的环境问题是核废物处理设施中放射性元素的长期迁移。与松散岩石相比，裂隙岩石中的非饱和带具有更为复杂的流动路径，因此需要利用不同的概念模型进行污染物的迁移计算。在非饱和带流动模型中，建立更精确的流动和运移过程将是制定修复方案和防污政策的一个必备条件。不断提高的地下水测
30、年技术将会促进补给率的评价。量化补给的一个最有希望的技术就是将地下水测年数据应用到反演模拟中。目前，地下水测年仍存在一定的限制，所测得的地下水年龄要么小于50年，要么大约在1,000年至50,000年之间。放射性同位素39Ar和32Si的应用有可能会帮助填补地下水年龄在50年至1000年之间的这个空白，但是还需对这两种技术进行进一步研究，以提高对潜在天然来源的修正，减少分析用水的体积。在地下水测年中，有一些技术的测年上限可大于50,000年。还要对放射性同位素36Cl继续研究，重点是要量化它的天然来源和在大气沉积物中的长期变化。放射性同位素81Kr的半衰期是225,000年，对该元素的分析检测
31、还处于起步阶段。放射性同位素129I的半衰期是1,600万年；因此，它的检测最有可能提高深层水测年的准确度。需要用随机方法来研究岩土的空间变异性和由此导致的补给率的变化。补给通量是非常重要的量，不仅用于水资源规划中，也能帮助预测供水中的潜在非点源污染。例如，农业污染物在到达潜水位之前通过非饱和带，到达潜水位的时间与通过非饱和带的水的垂直通量直接相关。利用包括蒙特-卡罗（Monte-Carlo）方法在内的随机方法来模拟参数值的范围，模拟结果与化学浓度的范围有关。然后根据给定化学物质在特定时间污染给定地点所存在的不确定性或者可能性，量化预测浓度的范围。水和污染物在通过非饱和带时，存在通量的空间变化
32、，正在发展中的流域模型与地下水流模型的耦合模型将会促进这方面的研究，从而为地下水中的农业污染物的随机分析奠定基础。另一种非常有潜力的模拟方法是GIS与基于非点源污染研究的土壤类型数据的联合应用。在未来几年内，将可能取得较大的进展，因为我们已开始将用于预测的随机方法与基于GIS的模型结合起来。需要利用数值模拟，对含水层长期的水力响应与不同化学性质的水混合所造成的地球化学影响开展试点研究。为了增加含水层系统的天然补给，水资源管理者和工程师已提出利用地下水或者地表水对含水层进行人工补给。这种方案的重点就是含水层的储存与回采（ASR），包括向渗透性好的含水层注水或者渗水，随后在需求增加时重新抽取这些水
33、量。但是，ASR的应用仍然存在很多技术难题。为满足南佛罗里达和Everglades湿地的用水需求，目前正在提议一个大型的ASR项目（美国国家研究理事会，2001）。如果这种ASR项目能够进行下去的话，那么每天将有超过17亿加仑的地表水，通过300多口井，被注入到渗透性较好的咸水含水层中。需要将全球气候模型对降雨和蒸发变化的预测融入地下水模型的补给计算中。地下水系统的补给量紧紧依赖于降雨和蒸发，而降雨和蒸发又依赖于气候。因此，气候的长期变化可能会影响到含水层系统的补给，并最终影响到长期的水管理规划。由于人口增长预计会增加全球的水资源压力，因此，预测中低纬度地区的降雨将大幅减少，而这里生活着世界大
34、部分的人口。可能会利用全球气候模型结合流域模型和地下水流动模型来预测降雨、蒸发和补给的变化。此外，由于降雨强度影响径流，因此气候模型和流域模型也可用来预测径流的变化，同时径流也影响了地下水的补给率。水资源管理者需要关于可用水资源的准确预报，以对人口增长和用水进行规划。假如认识了补给的空间变化，就可以建立起预测可用水资源变化趋势的模型，随着我们对潜在气候变化预测能力的提高，这种模型的预报能力也将随之提高。地下水研究也能帮助我们认识补给在过去气候变化下的变化，使我们能够更深刻地认识补给受气候变化的响应。（四）量化地下水和地表水间的关系1、问题在天然条件下，大部分的地表水都会排泄到地表水体河流、湖泊
35、或者海洋中。排泄的空间分布和规模对地表水体及其中的生态系统有很大的影响。有一个逐渐达成的共识就是必须要将地下水和地表水作为一个系统进行研究，因为其中任意一方发生变化都可能会影响到另一方。例如，化学污染物能从地下水迁移到地表水，也能从地表水迁移到地下水。在地下水和地表水的相互作用中，蒸发是一个主要的水均衡项，我们量化蒸发的能力会影响到量化这种相互作用的能力。2、现状过去的研究重点是认识有关地下水和地表水相互作用的原理，而最近的一些研究则尝试测量通量。识别地下水和地表水相互作用区的一个标准方法就是监测位于地表水附近的浅层观测井中的地下水位。地下水和地表水的水位差能够说明排泄或补给条件。但是，为了测
36、量通量，就需要沉积物在垂向上的渗透系数，但很难能准确测量到这个值。在一次直接测量通量的尝试过程中，用渗流仪收集一个淹没在水下并附在一个圆筒上的袋子（截获通过沉积物的排泄流）中的水量。尽管渗流仪还会继续用来测量地下水对地表水体的排泄量，但是这一技术存在一个弊端，就是需要进行多点测量以获得一个综合的代表值。最近发现在地表水和地下水相互作用的测量中，温度是一个很有用的特征。通过记录河水中的温度剖面，可以观测到地表水中瞬变的日温度信号（反映了空气的温度）在地下的传播过程。这个信号的形状和滞后时间是由向下的水通量决定的。氢和氧的天然同位素，通常能够指示不同水体之间的差别，可用于识别不同来源的水。但是，不
37、管是温度还是同位素技术，都不能量化这个通量。最近，利用年轻地下水的测年技术帮助量化来自于地表水的通量。已经进行了大量工作尝试评价或者测量蒸发蒸腾。主要的研究方法包括：室内方法、能量平衡法和涡动相关法。这些方法都应用在局部尺度上，对测量不同地点的不同植被覆盖类型的蒸发蒸腾是很有效的。3、研究机遇促进土壤、植被、大气模拟与水文模拟耦合技术的发展，对充分认识水文循环中的地下水是非常有用的。最近尝试将气候模型与水资源模型耦合起来。耦合这些模型需要合适的蒸发蒸腾率。各种测量通量以及识别排泄区的技术的发展，将促进地下水研究。我们将继续改进标准渗流仪，扩大其应用范围。磁力计与渗流仪的耦合研究有了一定的进展，
38、假如能成功耦合的话，就能在较长时间内进行连续通量的远程测量。用温度作为示踪剂的研究也取得了一定的进展。例如，利用廉价的温度感测器（固定在直径为1至2英寸的钻孔中）记录温度信号，这样就能以合理的成本实现整个位置上的测量。这项技术在干旱和半干旱地区（补给经常集中在常年或季节性河流）很有用，在更湿润地区的应用也显示出一定的可行性。随着相关技术资料的积累以及数据分析工具的开发，这项技术将可能得到更多的应用。例如，联合应用自动化的参数估计程序和一维运移模型来评价补给，已经取得了一定的成效。利用红外图像可有效识别和描绘地下水补给区。排泄到地表水体（如河流、湖泊、沼泽或海湾）的地下水的温度通常与地表水的温度
39、不同。排泄到山区河流和湖泊的地下水可以通过大型热图像进行监测，因为温暖的地下水与较凉的地表水之间存在温差。利用红外图像的色调差可以描绘分散的和集中的地下水排泄区的位置和范围。当更多传统的技术无法利用的时候，就可以利用红外图像解译地下水向地表水体的排泄区。当温度差异明显且地下水的排泄速度足够大时，红外图像就可用于监测地下水向沿海咸水体的排泄。但是，这项技术的应用也存在很多限制。红外图像必须要在能够使排泄的地下水和地表水之间的温差最大的气象条件下拍摄。热传感器只能感应到物体最上部的辐射能量，而且不能穿透植被。只有对裸露地表的图像才能建立起被检测的辐射通量与地表温度的相关关系。对于水体，热图像只记录
40、了大约水面上部1毫米的辐射通量。对蒸发的研究必须要从局部测量转移到获取区域平均值上。USGS利用遥感数据推断了内华达州的区域蒸发量（Laczniak等，1999）。在另一项研究中，利用从陆地资源卫星获得的修正后的土壤调节植被指数（MSAVI）与地下水蒸发建立起相关关系，据此开发一种能够评价区域地下水蒸发量的大小和分布的方法（Nichols，2000）。用某地典型的植被覆盖类型的蒸发蒸腾量乘以每种植被覆盖类型的面积，得到植被的蒸发蒸腾总量。在佛罗里达州，蒸发蒸腾的测量属于南佛罗里达州生态系统行动的一部分，用于建立蒸发蒸腾率与遥感数据各个离散波段的相关关系（Desmond等，1999）。需要将US
41、GS的研究与其它机构的大量研究结合起来，为利用遥感数据计算蒸发蒸腾率，建立一种综合方法。其它政府机构和学术团体中的学者已经利用遥感评价了陆地和大气之间的能量通量和水通量。有一项研究开发出了利用气象数据和卫星图像计算区域蒸发蒸腾量的方法（Sucksdorff和Ottle，1990）。在陆地与大气的界面上，土壤水和蒸发蒸腾与能量平衡中的地表辐射温度高度相关。可以综合运用红外图像、地表和大气性质的原位测量以及地表能量通量模拟，来评价土壤水和蒸发蒸腾。对利用遥感确定蒸发蒸腾量的优势和不足还需进行更细致的研究。研究结果已经表明蒸发蒸腾与进行光合作用的植被密度有直接的相关性，正如叶面积指数定义的那样。但是
42、，从利用卫星图像获得的标准化差值植被指数（NDVI）数据来看，叶面积指数并不是与所有的生态系统景观都有直接的相关性。USGS在佛罗里达州Everglades湿地的一项研究证明NDVI和蒸发蒸腾具有相反的关系（German，2000）。（五）认识地下水流动系统与水生生态系统之间的关系1、问题在水生生态系统（包括湿地、河流、湖泊和海滨地区）中，地下水是一个重要的水均衡项。地下水也决定着水质，对各种水生和半水生生物体居住环境的建立与维持发挥着重要作用。正如美国国家研究理事会（2000）在地下水系统报告中指出的那样，研究的目的是为了更好地认识地下水与地表水的关系，USGS已经在这方面进行了大量的研究工
43、作。但是，直到最近，有关地下水的研究还是主要集中在水文与地质方面。生态学家已逐渐认识到地下水是他们跨学科研究中一个不可或缺的部分，但是生态研究要融合地下水研究是一个非常具有挑战性的过程。生态学家一般不会去搞地下水研究，而水文学家通常也不会去搞生态研究。因此，在水生生态系统的研究中，从认识地质和相关的水文到它们支持的生物和生物地球化学系统，合作是至关重要的。2、现状1975年，著名河流生态学家H.B.N. Hynes向学术界提出了挑战，他将河流中的生物群落和生物活动与流域内的地表水物理过程（包括地表水与地下水的关系）关联起来。在随后的研究中，科学家们认识到，生物的分布与地下水向地表水的排泄以及地
44、表水向地下水的补给有关。与此同时，其它一些研究工作也为不断认识湖泊与地下水的关系奠定了基础。这些研究成果吸引了生态学家们的注意，特别是那些意识到需要认识水文特征及湖泊和地下水的作用以更好认识这些水体中的生物地球化学作用和生物群落的生态学家们。20年前，由生态学家们进行的湿地研究很少包括对水文过程（如与地下水的关系）的详细调查。此后10年中，为更好认识湿地生态系统，一些生态学家和水文学家开始展开合作。这些研究使我们获得了更多的关于湿地功能和作用方面的知识，为类似的跨学科研究如何展开树立了一个典范。水文学研究团体逐渐意识到地下水和地表水属于同一种资源。最近一份USGS的报告（Winter等，199
45、8）就这个论题为湿地和水生系统的研究者、一般公众和政府决策者提供了一种指导。这份报告指明了地下水和地表水在自然过程（比如水文循环、化学作用和地貌特征）和人类活动（如农业、城市和工业发展、排水、河谷和大气的变化等）中的关系。本报告中的每个主题都与水生生态系统和生物群落有着千丝万缕的联系。要确定水生生态系统的水源、水化学组成和生物体的最终响应，就必须认识水文循环中的地下水。而且，在很多环境中，生物作用都可以略微影响水文循环中的各个环节（例如，生物扰动导致补给增大）。因此，要充分认识水文，就需要认识生态。评价改造湿地、干旱区、地貌与单个湿地和水生环境等人类活动的影响，需要认识地下水在自然和改造环境中
46、的作用。从水位变化到污染物运移等一系列的因素都会极大地影响到湿地和水生生物群落。在与人类活动相关的生态研究中，所涉及的地下水水文学研究一般都是针对某一特定地点。相关实例包括研究湿地失水或者水井附近抽水所造成的影响；研究农业、工业和住宅区开发对含水层的污染；研究金属富集的矿物沉积带（具有很高的酸性和有毒金属物质）中的水岩相互作用；研究咸水入侵的切断与土地利用变化对地貌景观的影响。人类活动不仅能够减少或增加地下水和地表水的交换量，而且能够完全颠倒或者切断这种交换。在大部分的局部研究中，水文循环中地下水这一环节的特定性质都是非常独特的，而且水文的小尺度特征经常控制着生态效应。因此，对地下水流动做概括
47、性的描述不足以解释特定地点的生态条件。地下水水文学在生态学研究中的其它一些应用包括湿地修复、湿地重建和湿地“非生命”系统的分类，如水文地貌法（HGM）。其它一些研究则将重点放在各种用于认识地下水和水生生态系统的关系以及建模的方法上。尽管生态研究正逐步与地下水水文学研究相结合，研究对象也涵盖了湿地、河流、湖泊和沿海地区，但是这些研究一般都是局部的和特定的研究，研究结果也未与其它研究结果联系起来。3、研究机遇在地下水研究和生态研究一体化的过程中，USGS所面临的挑战是如何为不同学科的科学家们创造出合作的机会。需要确定须将地下水和生态学进行综合研究的特定环境。首先，要对很多水生生态系统的研究进行回顾
48、总结，把刻画地质结构（包括结构中的地下水和地表水）作为一种能够促进生物和生物地球化学系统认识的手段。接下来的工作就是要利用这些水生生态研究做出有用的产品，如模型和三维地图，尽可能地表达出生态系统的变量和过程。在没有可用数据的地方，各个领域的科学家们将建立概念模型，用于指导研究工作，填补我们认识当中的空白。在所有实际工作中，研究地下水与水生生态系统的关系都应当从空间和时间上同时入手，并且要随时调整以提高预测的准确性。为了预测人类活动对局部水生生态系统水均衡的影响，需要开展研究，以更好认识不同尺度下，各种水文组成的作用。最近的一些工作促进了我们对蒸发蒸腾的认识，但是还必须做更多的工作。此外，还需要
49、其它一些信息来认识地下水开采和人工补给对湿地、河流、湖泊和其它水生资源的影响。城市发展和地表大面积的硬化减少了地下水的补给，增加了暴雨径流和相关沉积物的运移。由此导致的水量重新分布影响了排泄区的水生生态系统。类似的，地表水文的改变（如大坝、调水和河流改道）也影响了补给、排泄和水生生态系统。但是，与水均衡有关的最大问题就是气候变化的潜在影响。例如，不同地区的降雨量可能会发生变化，因而会影响生态系统的补给和排泄。最新的历史资料表明：极端降雨事件的频率增加了。因此，在任何假定的降雨范围内，暴雨径流很有可能增加，地下水的补给可能减少，地下水的排泄也随之减少。上述情境改变了地表水文，从而产生了直接的生态效应，同时也会影响地下水文。温暖的气候会使蒸发强度增大，伴随着降雨量的减少，可以迅速地影响到依赖于地表水的湿地，包括那些补给地下水的湿地。但是，由地下水维持的湿地在短期内还不会受到太大影响，能够继续