【技术交流】 现代地下水在大量抽水的含水层系统中可达到更深的深度

现代地下水在大量抽水的含水层系统中可达到更深的深度

摘要

深层地下水是饮用水的重要来源，在较浅的地下水受到地表污染物的污染时，深地下水可能更可取。地表污染物在“现代”地下水中中常见，这些地下水由自20世纪50年代以来降水组成。一些地方的研究表明，地下水抽取可以向下抽取现代地下水，并可能污染深层含水层，但这种抽水引起的大陆尺度下涌的普遍程度尚不清楚。在这里，我们分析了数千个美国地下水氚测量结果，以表明现代地下水往往在重抽水蓄水层系统中达到更深的深度。这些发现意味着，地下水抽取可以将流动的地表污染物吸入比没有抽水时更深的深度。我们的结论是，密集的地下水抽取可以将最近充满燃料的地下水更深地吸入含水层系统，从而可能危及深层地下水的质量。

研究背景

地下水资源为数十亿人提供饮用水，然而，地下水供应容易受到地表污染物的污染，这些污染物可能伴随着降水，渗透到陆地表面并渗透到地下水位。地表污染物在由相对较新的降水组成的地下水中常见，被称为“现代地下水”——定义为由比1953年更近降水组成的地下水。由于地表污染物在现代地下水中常见，因此了解控制现代地下水深度的过程对于评估浅井和深井的水质风险非常重要。

一些地方和区域的研究表明，地下水抽取可以加快向下的流速，使地下水在还很“年轻”的时候就能够到达深海，被认为是“现代的”。这种泵送引起的下涌也有可能将浅层污染物吸入市政当局和农村社区使用的深井中。然而，人们对这种抽水引起的现代地下水下涌的普遍性仍然知之甚少，因为没有一项全大陆的研究测试现代地下水是否在地下水抽取率较高的地方到达更深的深度。我们通过缩小美国地质调查局提供的地下水抽取数据，估计了每个研究含水层系统边界内的地下水抽取率，并通过等级回归测试地下水取水量与现代地下水变得稀缺的深度之间的空间对应关系。

研究结果

（1）浅层常见的现代地下水

我们确定了n = 74个含水层系统，井水充足3H数据，用于量化大多数（60%，70%或80%；图1a-c）地下水样本含有最少现代地下水的深度。在我们的研究含水层中，大多数地下水样本含有最小现代地下水的中位数深度范围为38至75米（中位数范围来自我们对“最”的三种不同的定量定义：60%，70%，或80%）。

在墨西哥湾沿岸区域含水层系统（休斯顿-加尔维斯顿和拉斐特分区域）和北部大平原含水层系统（威利斯顿盆地和粉河盆地子区域，图1）的部分地区，现代地下水稀缺的深度相对较浅（小于50米）。相比之下，在长岛、洛杉矶盆地、加利福尼亚中央山谷（圣华金和图莱里子区域）以及亚利桑那州（例如圣佩德罗盆地）和加利福尼亚州（例如科切拉山谷）的冲积盆地，现代地下水稀缺的深度相对较深（大于100米）。

现代地下水往往在浅层最常见，这一观察结果对井水质量有重要影响，因为地表污染物在现代地下水中常见。至关重要的是，从水质风险的角度来看，我们注意到大多数美国饮用水井都在现代地下水最常见的相对较浅的深度穿孔；55%的家庭水井浅于50米，84%的水井浅于100米。然而，我们强调，大多数饮用水井是生活供水井，而不是公共供水井，后者往往比前者更深。我们的发现是，大多数家庭水井都在相对较浅的深度穿孔——其中3H数据表明，现代地下水是最常见的——这意味着许多家庭水井抽取的水以现代地下水为主，现代地下水不成比例地可能含有地表污染物。

将生活水井钻探到更深的深度可能会降低某些地区发生井水污染事件的可能性。然而，钻探更深的井以避免浅层污染的含水层可能是一个权宜之计。然而，在大陆尺度上泵送引起的下涌的普遍程度尚不清楚。因此，我们计算了地下水取水量与现代地下水稀缺深度之间的相关性。

图1 美国含水层系统现代地下水稀缺深度的空间模式

注：黄蓝色阴影表示深度，低于该深度，60%（a），70%（b）或80%（c）的样品含有最少的现代地下水（此处定义为含有少于25%现代地下水的水样）。a 在n=74个研究的含水层系统中，>60%的样品含有最小的现代地下水的中位数深度（地下水充足）。在n = 68个研究的含水层系统中，超过70%的样品含有最小的现代地下水的中位数深度为60 m。

（2）地下水抽取率高的更深的现代水

我们发现，每年的地下水取水量与现代地下水稀缺的深度之间存在显著的正相关关系（Spearman P值<0.01）（图2a）。斯皮尔曼秩相关系数（ρ）的范围从ρ = 0.39到ρ = 0.42（在P值<0.01时均具有统计学意义；ρ值范围由三个相关系数得出，每个系数基于60%，70%或80%的样品含有<25%现代地下水的深度）。我们的发现表明，现代地下水往往在被大量抽取的含水层系统中达到更深的深度。

图2 在每年地下水抽取量高的地方，现代地下水稀缺的深度往往更深

注：a 估计每年地下水取水量之间的关系以及现代地下水稀缺的深度。每个点代表一个含水层系统。每年的地下水取水量按含水层面积进行标准化，因此，单位（毫米/年）可以解释为2015年期间所有抽取的地下水，如果水均匀分布在研究区域内，则表示为饱和层（关于研究区域边界，见b）。图a中所示数据的斯皮尔曼秩相关系数（ρ）为ρ= 0.42（斯皮尔曼 P 值 <0.001）。对应于每个着色点的y轴值是深度，低于该深度，>70%的样品具有最小（<25%）的现代地下水；垂直误差线延伸到>60%的样本具有最小（<25%）的深度（较浅的深度-即图中显示的灰色误差条的顶部）和>80%的样本具有最小（<25%）的深度（更深的深度 - 即图中显示的灰色误差条的底部；参见图左上角的图例）。我们只绘制了代表含水层系统的n = 68个点，我们有足够的数据来确定>70%的样品具有最小（<25%）现代地下水的深度。点按限制条件下的估计深度进行颜色编码（参见b中的图例）。b 我们研究的每个含水层系统的密闭条件的估计深度。地图上的每个面表示一个研究区域。浅蓝色代表密闭条件的较浅深度；深蓝色阴影表示密闭条件的更深深度。

密闭条件的深度是根据多达三个数据来源估算的：（一） 美国地质调查局界定的油井条件（即美国地质调查局界定为利用非侧限条件与密闭条件的井）；（二） 根据地方尺度报告得出的水文地质剖面的数字化和评估；（三） 地方尺度报告中有关密闭条件普遍程度的引文。浅层低渗透地质构造可能会限制现代地下水稀缺的深度，并影响抽水对地下水时代垂直变异性的影响。我们通过分析（i）美国地质调查局定义为攻丝封闭含水层的井比例的垂直变化，（ii）从局部尺度研究得出的水文地质剖面，以及（iii）来自局部尺度研究的密闭条件的陈述（图2b）来估计每个n个研究区域的密闭条件的深度。我们表明，现代地下水稀缺的深度在以较厚的非封闭区为特征的含水层系统中往往更深（即对密闭条件具有相对较高（即深）的含水层）。

因此，如果以厚非封闭带为特征的含水层系统中地下水抽取量往往较高，则每年的地下水抽取量与现代地下水稀缺深度（图2a）之间可能产生显著的正相关关系。为了解释地下水取水量与密闭条件深度之间的潜在相互关系，我们完成了每个解释变量的秩变换的多元回归。由此产生的偏回归系数（β）——描述地下水取水量与现代地下水稀缺深度之间的统计关系——仍然是正的和显著的（β值范围为0.29至0.34；均在Spearman P值<0.05时显著）。这一分析表明，我们发现，现代地下水往往在被大量抽取的含水层系统中达到更深的深度，即使在我们研究的含水层之间的密闭条件的深度差异之后也是如此。

我们的泛美统计分析与加州中央山谷的本地规模研究一致。地下水抽取将年轻和浅层的地下水更深地吸入含水层系统。我们的研究结果表明，泵送引起的并不是加州中央山谷独有的，很可能发生在其他大量抽水的美国含水层系统中。虽然我们发现现代地下水在大量抽水的含水层系统中往往达到更深的深度（图2a），但我们强调相关性的中等强度和无法解释的方差比例高（见图2a中点的实质性散射）。我们还强调，我们分析的地下水抽取数据高度不确定。此外，提供这些数据的限制了其在当地的重要性，并使地理空间分析复杂化。美国地下水抽取数据还有很大的改进空间，如果有更好的地下水取水数据，这些数据将能够更好地评估地下水取水量与现代地下水深度之间的统计关系。

（3）现代深层地下水的可能解释

虽然我们的氚数据集无法确定将现代地下水输送到地下水抽取率高的更深处的具体机制，但有许多潜在的机制可能有助于解释我们的主要发现——现代地下水倾向于到达大量抽水的含水层系统中的更深深度（图3）。

图3 可能影响现代地下水垂直分布的一些过程的示意图

注：人工地下水补给（示意图左侧）可以增加向下垂直水力梯度的大小，并可能将现代地下水推向更深的深度。

人工补给可以来自城市水域（例如图森盆地），与管理含水层补给项目相关的扩散盆地（例如，上圣安娜盆地），灌溉水量过多（如圣华金盆地），或泄漏的地表水输送基础设施，如运河（例如，犹他湖谷）。地下水井的建设及其通过泵送的使用（示意图的右侧）可能有助于现代水进入更深的井。例如，具有长穿孔间隔的深井可能同时抽取浅水（不成比例的现代）和深（不成比例的前现代）地下水（例如，图莱里盆地）。此外，从井中抽水会改变垂直的水力梯度，有可能将浅层现代地下水吸引到更深的深度（例如盐湖谷）。现代地下水可能通过天然孔隙空间向下移动到含水层系统的更深处（例如，水生地的不连续性；或通过由建造的水井本身创建的管道（例如，北部高原）。

为了更好地了解限制单位限制现代地下水到达深度的潜力，我们检查了n = 1831地下水样本中现代地下水的普遍性，其中该井已被美国地质调查局定义为利用封闭含水层（井元数据字段aqfr_type_cd指定“密闭单含水层”或“密闭多个含水层”）。我们发现，从封闭含水层（n = 592）中穿孔的井中收集的地下水样本中约有三分之一含有超过5%的现代水，这突出表明现代水可以进入封闭含水层中筛选的井。我们研究的含水层在抽水井深度、井完整性、土地利用活动和受管理的含水层补给实践方面的差异，可能有助于观察到现代地下水在我们的研究区域变得稀缺的深度的变异性。确定可能迅速将浅层地下水输送到深海的当地相关机制，对于制定保护深层地下水质量的战略非常重要。

研究结论

我们研究的含水层在抽水井深度、井完整性、土地利用活动和受管理的含水层补给实践方面的差异，可能有助于观察到现代地下水在我们的研究区域变得稀缺的深度的变异性。确定可能迅速将浅层地下水输送到深海的当地相关机制，对于制定保护深层地下水质量的战略非常重要。在现代地下水受到污染的地方，抽水引起的这些地下水的下涌可能威胁到深层地下水的质量。然而，我们强调，许多污染物的流动速度比地下水本身慢得多，例如，由于通过吸附延迟。深层地下水是全球重要的供水，在地下水储存量和质量下降和恶化的地方，预计其价值将会增长。我们证明，现代地下水往往在大量抽水的含水层系统中达到更深的深度，这表明抽水可以重新排列地下水流道并影响深层地下水质量。

期刊：Nature

中文题目：现代地下水在大量抽水的含水层系统中可达到更深的深度

英文题目：Modern groundwater reaches deeper depths in heavily pumped aquifer systems

作者：Melissa Thaw, Merhawi GebreEgziabher, Jobel Y. Villafañe-Pagán , Scott Jasechko

文献来源：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32954-1#Sec2

以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。

文章来源：早晚地理