地下水论文发表

李伶

科学探测：一条黄河在羌塘裂谷逃遁

近年来，河海大学、西湖大学、美国加州大学、瑞士联邦理工大学采用新一代的全球陆面同化系统、全球大气再分析资料和多源遥感数据对西藏羌塘流域的水量平衡过程进行了集合模拟，对关键水文变量进行了多模式交叉检验和地面观测验证。研究结果表明：

① 青藏高原内流区羌塘盆地存在水量不平衡现象， 每年丢失的水量约为540亿方，达到一条黄河的年流量 。

② 水量渗漏区主要分布在羌塘盆地南部近南-北走向的裂谷地带。

③ 裂谷带下方的拉伸断裂可能是地下水从羌塘盆地逃逸出高原的通道。

该研究对于深入理解青藏高原流域水循环过程具有重要科学价值。

他们的论文 《 Missing water from the Qiangtang Basin on the Tibetan Plateau 》 （青藏高原羌塘盆地的水失踪了）发表于2021年7月出版的地学领域顶级期刋 《Geology》 （地质学），河海大学陈建生与西湖大学李凌为共同通讯作者，河海大学雍斌为一作，美国加州大学伯克利分校王其允、河海大学陈嘉琪、瑞士联邦理工大学安德烈·巴里与河海大学王涛为共同作者。

果如所望：羌塘裂谷连通断裂带

链接河海大学陈建生教授的“地下水深循环理论”，即可更为清晰地看出上述四校研究成果的科学价值。

21世纪初，源自祁连山的黑河断流，而在黑河下游早已干涸的居延海南岸却有自流井溢出，当地牧民称该井为骆驼泉。陈建生以同位素检测手段证明，骆驼泉非本地降水，泉水与500千米之外青藏高原北缘祁连山区的冰川融水具有相同的“基因”。进一步的研究发现，巴丹吉林沙漠湖泊水与骆驼泉水的“基因”也相同。这说明额济纳旗的地下水与巴丹吉林沙漠的湖泊水来自同一故乡。

其后，陈建生等通过同位素、水化学分析与水量平衡分析研究发现， 外流区雅鲁藏布江上游渗漏的水量也达到了300亿方 ，黄河源头鄂陵湖与扎陵湖渗漏的水量达到20亿方， 西藏高原每年的总渗漏量可达1000亿方 。研究还发现，河西走廊、阿拉善、塔克拉玛干沙漠、鄂尔多斯、内蒙高原、华北平原、长白山等玄武岩地区以及新生代岩浆活动带的地下水接受外源水补给，这些地区的地下水与青藏高原丢失的水具有相同“基因”，表明这些地区的地下水的补给源来自于西藏高原，属于玄武岩地下水类型。

在青藏高原有了更为惊人的发现：

青藏高原岩石圈存在着高导低速层，整体高原的密度很低，重力异常，岩石圈中存在储水与导水的孔洞结构。岩石圈中的这些高导低速结构就是潜藏于世界屋脊下神奇而巨大的“地下水塔”。这座“地下水塔”的水源竟是青藏高原地面的渗漏水。又经一番探讨，发现了这些地下水运行和泄出规律，上升到理性认知，这就诞生了他所独创的“地下水深循环理论”，简称“深循环理论”。

近七年来，陈建生“深循环理论”指导沙漠取水，分别在阿拉善右旗、杭锦旗以及二连浩特玄武岩地区打井取水，解决了这些干旱区居民的饮用水问题。这些成功范例有力地证实了地下输水通道是客观存在的。

尽管陈建生对源自西藏的深循环水的循环体系做了大量的调查研究和科学探讨，但仍有一大难题困扰心头：

近似南北走向的藏南裂谷群与西藏“地下水塔”系何关系？这些裂谷群与西藏高导低速结构是否构成水力联系？倘若二者相通，这些裂谷群加上高导低速结构岂不成了藏水北调的天然通道？

果如所望，本文开头所述的四所名校的科研成果给出了明晰的答案：羌塘盆地渗漏水是从盆地下的裂谷带逃逸出青藏高原的， 年流量540亿立方米，相当于一条黄河 。

陈建生通过 氚与氟利昂（CFC） 测出了深循环地下水的循环周期，青藏高原的渗漏水流到鄂尔多斯约20年，流到华北平原约30年，流到长白山、五大连池、三江平原约40年。根据地下水快速流动的特征可知， 深循环地下水的导水性能类似于管道流 ，符合玄武岩地下水的导水特征。这就说明，藏南裂谷带中存在深循环导水通道，导水通道是由熔岩隧道与管道构成，这些 相互独立的导水管道上游与西藏高原的裂谷相连通 ，下游与北方干旱区、渤海、黄海等地区的火山口相连通，上下游之间已经构成了稳定的水力联系，这就为藏水北调提供了天然输水渠道。

地下河调水 好处多多

据遥感卫星的科学探测，现已发现， 藏南地区裂谷带共有6条 。他们南北走向，自东向西排列如下：

一是桑日—错那裂谷带。

二是谷露—当雄一羊八井一亚东裂谷带。

三是申礼—谢通门一定结裂谷带。

四是当惹雍错—古错裂谷带。

五是夏冈江—杰萨错裂谷带。

六是仑木错—帕龙错和阿鲁错一错那错一阿果错裂谷带。

在这些裂谷带中，尤以谷露—亚东裂谷带规模最大，长达600千米，并且向南穿越了雅鲁藏布江。

根据这样的天然地利，陈建生提出了藏水北调的“地下河调水”设想，我在《西藏之水救中国-地下水篇》第28章中进行了详细论述。这一方案与目前网上热议的两种调水方案优劣比较如下：

一是“天河调水”：设想利用卫星设备将南方丰水区的积雨云诱至黄河流域上空，再以人工降雨，可为旱区调水50亿立方米。耗费2500亿元。这种“天河调水”方案既缺少相应的理论支撑，又没有能使云水落地的关键技术，故而备受诟病。

二是地面调水的“红旗河”工程：取水雅江中游，全程6188千米，调水700亿立方米，耗资4万亿，功成后年维护费用4000亿元，费用太高，难以承受。

“地下河调水”设想，借用裂谷中分布的导水管道进行调水，调水量估计可以达到数百亿，而工程建设费用极低。它的可贵处在于利用天然的地下输水渠道，水源取自于雅江上游以及通过裂谷渗漏到渤海等海底的这部分河水，通过水利工程将这些河流改道，输入到与西北、华北、内蒙古等干旱区相关的裂谷中，通过深部的熔岩隧道与管道实施调水。这一方案除省钱省力，还有如下好处：流量稳定，不受旱涝影响；千年尺度上不受地质灾害影响；免受污染，不受人类活动影响；没有蒸发损失；不占用土地，不用修渠、架桥、挖隧洞；不破坏生态环境；由于“地下河调水”直接补充地下水，有利于恢复干旱区的地下水位。在干旱区形成了地下水库，具有更灵活的水资源调节作用。

如何操作才能梦想成真

藏水北调的“地下河调水”方案该如何操作？陈建生教授说：

导水通道实质上是火山喷发停息后，岩石圈中的岩浆流在冷却成岩过程中形成的收缩缝，这些收缩缝最终演变成为输水通道。大型的收缩缝直径可达到数米，被称为熔岩隧道，小规模的收缩缝形成了管道。由于这种地下水出现在新生代火山喷发地区，所以被称为新生代玄武岩地下水。我们目前需要做的研究工作：通过地球化学、地球物理、同位素、天然示踪与人工示踪等方法，搞清楚藏南裂谷“进水口”所对应的“出水口”位置。如果出水口是需水旱区，则将就近藏水更多地引入该“进水口”。比如说，亚东-谷露裂谷口的对应点是缺水的华北平原，只需要将雅鲁藏布江或潜流渤海的西藏水分流一部分到该裂谷，即可实现调水华北的目的。对于管道流而言，上游的水压一旦增高，下游的排泄量马上增加，几乎没有时间差。因为塔克拉玛干、准格尔盆地、阿拉善、内蒙高原、华北、东北等地区都出现过新生代玄武岩喷发，都存在西藏到这些地区的导水通道。

找到北方干旱区所对应的“进水口”后，在对应的裂谷上修建水坝，增加汇水量，并通过水利工程将排泄到海洋的裂谷口的河水改道，将这部分水送入干旱区对应的“进水口”。总的来说，“地下河调水”可分为三个步骤：1.科学立项，通过各种研究手段确定西藏渗漏水的“进水口”与排泄区“出水口”的对应关系。2.在搞清楚“进水口”与“出水口”对应关系的基础上，请相关部门进行调水方案的工程设计，并组织专家论证。3.根据专家论证的方案分步实施。

关于“地下河调水”的科学支撑以及操作步骤，我在华文出版社近期出版的《西藏之水救中国-地下水篇》以30万字和100多幅图片做了详细阐述，欢迎阅读，欢迎赐教。

【作家简介】李伶，1940年生于江苏句容县，1961年参军，2001年退休。原为第二炮兵(火箭军前身)政治部创作室主任，中国作家协会会员，三次荣立三等功。著有长篇小说《鸳鸯谷》，长篇纪实文学《杨虎城的密使》《青山垂虹》《狼烟》《惊世鼙鼓》《西安事变的序曲》《1933：影响中国 历史 走向的汉中密约》《开国将领的奇婚奇缘》，报告文学集《悲壮的女性》，电视剧《泽国晨钟》等。其前瞻性报告文学《西藏之水救中国》为地表水的开发和利用提供了崭新的思路和长远目标， 其姊妹篇《西藏之水救中国一地下水篇》被舆论界誉为“为缺水的中国提供了一条地下路径”。选题追求：我写人不知，人知我不写。

国外地下水系统研究始于20世纪40年代。1940年，M.K.Hubbert在他的经典文章 “地下水流动理论”中发表了河间地块流网图，指出在排泄区的地下水是自下而上作上升运动的，并尝试建立遵守物质守恒和热力学定律的地下水流动观点及可以实际应用的描述地下水流动的流动方程(Hub-bert，1940;张人权，2002)。1963年，Tóth提出了二维均质各向同性的理论地下水流动模型，将理论的盆地水流模型模拟的水流系统划分为不同的层次:局部水流系统、中间水流系统和区域水流系统，认为它们都有逐渐减弱和上升的水流分支，且存在内部系统滞流区(Tóth，1963;陈梦熊，马凤山，2002)。1966～1967年，Freeze和Witherspoon推而广之将地下水有限差分模型运用到具有复杂边界条件的非均质含水层系统中(Freeze，Witherspoon，1966，1967;张人权，2002)。1978年，Tóth运用电模拟模型再现了反映真实情况的类似水流方式(Tóth，1978)。Engelen等于1980年和1984年发展了Tóth的地下水流动系统理论，并将其全面应用于水文地质研究工作中(Engelen，Jones，1980;Engelen，1980，1984)。Engelen等认为，地下水系统是不同形式的能量输入、代谢和输出的有机体，并且有发生、发展和最终消亡的过程(Engelen，Jones，1986)。1982年美国R·C·希思按照地下水系统的5个特征将美国划分为14个区，这5个特征是:系统的组成要素及其组合关系;主要含水层含水空隙的性质;主要含水层的岩性;主要含水层的贮水与导水性;主要含水层的补排条件。1984年，法国卡斯塔尼在莫斯科举行的第二十七届国际地质大会的分组会的报告中认为，正确的水资源评价必须从水资源保护、防止水资源枯竭、控制地下水污染和保护生态系统平衡出发，对地下水系统进行定量描述;并且指出，每一个地下水系统都具有一定的时空特征及其水动力系统，以及固定的平衡形式和一定的水资源类型(陈梦熊，马凤山，2002)。Engelen在1986年“地下水流系统的发展”(Engelen，Jones，1986)及在1996年“水文系统分析”(Engelen，Kloosterman，1996)中对地下水系统和水文系统的概念、研究方法和应用做了系统的总结。经过Hubbert、Tóth、Engelen等人的理论和实际研究工作，地下水系统的理论和方法得到了广泛应用。

在我国，著名水文地质学家陈梦熊院士早在1984年就在系统收集整理国外有关文献的基础上，编印出版了《地下水系统理论研究论文选编》，向国内介绍国外关于“地下水系统”研究动向;随后，在其发表的《地下水资源与地下水系统研究》(陈梦熊，1987)、《地下水系统分析与概念模型》(陈梦熊，1994)、《中国水文地质环境地质问题研究》(陈梦熊，1998)和《中国地下水资源与环境》(陈梦熊，马凤山，2002)等论著中系统详细地阐述了地下水系统的理论、方法和应用，这促进了我国地下水系统理论的发展和应用。

水文地质学和许多自然科学相比较，是一门比较年轻的科学。尽管在人类社会早期就开始利用地下水，但是水文地质学却是在19世纪末，人类社会开始进入工业化社会后才逐渐发展起来的，直到20世纪的20～30年代才真正地成为一门独立的科学。

在人类社会进入工业社会之前，人们对地下水的认识仅局限于对地下水起源的推测和找水、凿井方法的经验总结。

远在公元前1000年以前，我们的祖先就已经知道水井的使用和保护方法。如《周易》中有“井洌，寒泉食。?之以石，则洁而不泥，汲之以器，则养而不穷，井之功大矣”，即以砖（或石）垒砌井壁则可使井水洁净，有节制地取水，则使井水不致干枯。

早在春秋时代，管子《地员》篇中就叙述了如何根据泥土颜色及植物种类来判断地下水的深浅和水质，以及根据岩石性质来判断有无地下水，如“庚泥（泥沙混合沉积物），不可得泉”、“炎壤（即红土），不可得泉”等等。

随着地下水开发经验的积累，明朝徐光启的《农政全书》中（1639年）对地下水开发的技术做了较为深入的科学归纳，如“凿井之处，山麓为上，蒙泉所出。凿井者，察泉水之有无，斟酌避就之”。判断地下水埋藏深浅的方法则是“井与江河地脉贯通，其水浅深，尺度必等，今问井应深几何?宜度天时旱潦，河水所关；酌量加深几何，而为之度，去江河远者不论”。由此可知，当时已经知道泉是地下水的天然露头，故凿井时一方面要考虑地貌形态，另一方面要根据泉的出露情况来选择水井位置。同时指出，在江河附近，地下水与河水有紧密联系，故可用河水水位推测地下水埋深。

而在有着古老文明历史的欧洲，产业革命前的自然科学家和一些哲学家对地下水的认识，则主要集中在自然界的水循环和地下水的起源方面。

公元前15世纪，罗马人Marcus Vitruvius（马尔古斯维查奥斯）第一个提出了水循环的概念，他认为：水通过融雪渗入到山区地下，并在低处出露成泉。到公元前4世纪，对地下水的认识有了很大的进步，如古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle）认为地下水产生于一个复杂的像海绵似的地下空隙系统中，且从空隙中排泄到泉水中，亚里士多德正确认识到某些洞穴水来源于雨水。

从纪元初到西欧文艺复兴时代之前的这一时期，国外学者对于水文地质学形成提出了以下一些比较有意义的观点。伊朗著名的哲学家和科学家Sheikh Abu Raihan（973～1048年）第一个对自流井的形成机理给予了正确解释。但真正论述自流井的文献，则是出现在1715年Autonio Vallisnieri（意大利Radua大学校长）有关意大利北部自流井的论文中，论文中附有最早的关于自流井的地质剖面。其次需指出的是中世纪杰出的乌兹别克斯坦学者阿布尔-拉依，阿拉-毕鲁尼（数学家、天文学家、物理学家，公元937～1048年）正确地指出静水压力对地下水运动所起的作用，并解决了一些实际的用水问题。还需要提出的是17世纪末叶一些关于地下水的科学试验。法国科学家Pievre Perrault（1608～1680年）所做的蒸发和毛细上升高度试验，证实了毛细上升的水在水位之上，不是一个自由体，它在砂层内的高度小于1 m。Edme Mariotte（1620～1684年）在巴黎观测站测量了雨水的入渗量，因此两人都认为泉水是由降雨渗入地下而补给的。Mariotte这一论点发表在他死后的1690年巴黎出版的书中。

水文地质学的真正形成，可以认为主要是在18世纪末期到20世纪初（20世纪20年代）这一段人类步入工业化社会的过程中。随着工、农业的迅速发展和城市扩大与人口的增加，需水量急增，使更多的开采矿床，与矿坑地下水进行斗争的问题也提到了日程上。因此工业化的过程促使科学家必须关注地下水的研究，水文地质学随之而诞生。

关于地下水起源和地下水赋存的地质条件的研究，是水文地质学的基础理论。它是在许多学者对各种专门问题取得研究成果的基础上逐渐积累而成的。关于地下水起源的争论，实际上自18世纪许多欧洲科学家通过各种实验和水均衡计算后，地下水的降水入渗补给学说已为多数学者认同，除此之外人们也注意到了凝结、埋藏、初生论等地下水起源的学说。

关于地下水和地质条件的关系，是许多关注地下水的学者最早研究的问题。许多地质学家对专门性问题都有贡献，例如许多荷兰地质学家对沿海砂丘地区地下水的认识有过贡献；俄罗斯的地质学家对永冻层地区地下水的起源有深入的研究；日本地质学家和地球物理学家对热泉进行过研究；法国的A.Daubree很早就发表了关于地下水地质方面论文；地质学家H.T.Stearns在其有关夏威夷岛的地质专著中，深入论述了火山岩和地下水起源的关系；W.M.Davis和J.H.Bretz发表了很多关于石灰岩溶洞和地下水关系的论著；南非地质学家Dutoit发表了南非基岩区地下水的专著；美国地调所的O.C.Meinzer于1923年对美国地下水做了总结性描述，同时他明确地将水文地质学列为地球科学的一个新分支。

在水文地质学的形成过程中，在19世纪末叶以来俄罗斯学者的贡献也功不可没。19世纪末叶，俄国成立了地质委员会，A.N.卡尔宾斯基、H.A.索科洛夫等学者做了一系列的水文地质调查，奠定了区域水文地质学基础；1880～1890年索科洛夫等写出《俄南部自流井》的第一篇综合著作，尼基廷发表了《俄罗斯平原的潜水和自流井》专著；1914年莫斯科水利工程学院工程系成立了俄国第一个水文地质教研室；十月革命后的1920年在莫斯科矿业学院开设了俄国第一个水文地质专业；1925年A.H.谢米哈托夫发表了《苏联地下水》专著，该书标志着苏联水文地质学的正式形成。

地下水的运动理论则主要是由许多水力学家及供水工程专家开创的。在这方面贡献最大的首先是法国水力学家达西（Henry Darcy）。他根据所进行的实验，于1856年发现了水在砂土中渗透的层流运动定律，奠定了地下水在孔隙岩层中运动理论的基础。7年之后的1863年，法国另一个水力学家裘布依（Jubs Dupuit）在达西定律的基础上，提出了地下水流向水井的运动公式，从而奠定了地下水稳定流理论的基础。1876年德国Adolph Thiem 改进了裘布依公式，改进后的公式可以精确计算出当含水层中一口水井抽水时，在临近水井中产生的水位效应。1886年奥地利人Philip Forchheimer 在研究含水层中地下水运动时引进了等势线和流线的概念，他第一个应用拉普拉斯方程和映象方法于井流理论的计算中。1934年俄罗斯学者卡明斯基出版了第一部《地下水动力学》专著。1935年泰斯（C.V.Theis）在热传导理论的基础上建立了的非稳定井流公式，至此，标志着地下水动力学理论已基本形成。

地下水水质或者说水化学理论的建立相对较晚。尽管对矿水、矿泉水的研究早在人类利用地下水的初期即已开始，但主要局限于水的物理性质与医疗疗效的认识，真正的水化学和水文地球化学，是在19世纪后期才开始发展起来的。早期的水化学研究是由德国的B.M.Lersch于1864年以及加拿大的T.S.Munt于1865年进行的，Munt做了一些早期的地球化学解释。在北美，现代水文地球化学研究始于F.W.Clarke，他在1910～1925年之间出版了较系统的水化学研究专著，专著中包括了大量的水分析和地球化学解释。同一时期内俄罗斯学者格拉西莫夫于1920年出版了《俄国的矿水》的专著，1948年苏宁对油田水水化学进行过深入研究，并提出了地下水化学类型分类，而阿列金1953年出版的《水文化学原理》则是俄罗斯水文地球化学科学正式形成的标志。

我国的现代水文地质科学相对来说发展较晚，直到20世纪30年代，才有梁津、谢家荣、王钰、马振图等人于南京、河南安阳等地开展了零星的地下水调查，而水文地质学的真正发展则是在新中国成立之后。