供稿： 黨委宣傳部 | 編輯：劉葉 | 初審：梁莉莉 | 終審：祁萌 日期：2024年03月01日
3月1日，校長劉俊國教授作為通訊作者在【Science】同期發表兩篇重磅學術論文。【Science】期刊專註於報道全球具有重大原創性的科學成果，是世界範圍最具影響力和最權威的頂級科學期刊之一。兩篇論文題目分別為【Anthropogenic climate change has influenced global river flow seasonality】和【The changing nature of groundwater in the global water cycle】。這是我校建校以來首次在【Science】上發表高水平學術論文，是我校科研工作的重大突破，有力彰顯了我校的國際學術影響力，對學校聚力打造科研高地、持續提升科技創新能力以及加快推進水利工程學科「雙一流」建立具有重大支撐作用。現報道第二篇：
校長劉俊國教授與南方科技大學匡星星副教授、鄭春苗講席教授等團隊合作在【Science】上發表以「地下水在全球水迴圈中的關鍵作用與變化（The changing nature of groundwater in the global water cycle）」為題的綜述論文。文章概述了近幾十年來氣候變遷和其他人類活動等因素造成的全球水迴圈中地下水動態變化，回顧了這些因素對地下水的補給、排泄、徑流、儲存和分布變化的影響機制，評估了地下水變化對海平面上升的貢獻及海平面上升引發的沿海地區內澇風險，展望了實作全球地下水資源永續利用的未來挑戰與應對策略。
圖1 全球水迴圈及其組分。圖中展示了文獻中給出的全球各類水體水儲量(×1000 km3)和全球水迴圈組分流量(×1000 km3/yr，括弧內)。向上的箭頭表示海洋蒸發和陸地蒸散。陸地水平衡沒有包括南極在內。
地下水是最大的可利用淡水資源，是全球水迴圈的活躍組成部份，維持著河川徑流、湖泊、濕地、作物和森林等生態系的健康發展。作為主要的淡水來源，地下水為數十億人提供飲用水，滿足了全球40%的灌溉需求。氣候變遷和其他人類活動正以前所未有的速度改變著全球水迴圈，地下水在全球水迴圈中的作用變得更加活躍和復雜，全面了解分析地下水的變化及其影響因素是為人類和生態系維持永續的地下淡水資源的基礎。
論文在綜述大量文獻的基礎上，從氣候變遷影響地下水的補給、冰川退縮導致地下水對河川徑流的貢獻增加、多年凍土退化使地下水流增強三個主要方面，討論了氣候變遷引起的全球水迴圈中地下水的變化:（1）現在全球平均地下水補給量至少為12,000至17,000 km3/yr。在氣候變暖的影響下，地下水補給在全球不同區域有增加或減少的趨勢。地下水補給預測的不確定性主要來自於未來降雨強度的不確定性及全球水文模型中水文過程和地下水的設定概化；（2）全球預估結果表明，2100年的冰川量將比2015年減少約20%至50%，未來持續的氣候變暖會進一步減少冰川融水對河流的貢獻，一些河流補給源可能會逐漸轉向融雪和地下水；石冰川、倒石錐、冰磧和高山草甸等高寒山區含水層中儲存的大量地下水對於維持河流徑流和穩定流域流量具有重要作用；（3）陸地表面有1400萬至1600萬平方公裏的多年凍土；隨著未來幾十年全球暖化的持續，預計多年凍土將繼續退化，進一步引起地下水儲量增加，增加地下水迴圈深度，地下水向河流的排泄量增大。
圖2 全球地下水補給量、開采量、儲量變化和水位下降。(A) PCR-GLOBWB模擬的1960-2010年間全球地下水年平均補給量空間分布。(B) WaterGAP 2.2d模擬的1980-2016年間地下水年平均凈開采量。負值表示地表水灌溉導致的地下水儲量增加，正值表示人類地下水利用導致的地下水儲量減少。(C) WaterGAP 2.2d模擬的1980-2016年間地下水儲量變化速率。(D) PCR-GLOBWB 2模擬的1990-2014年間全球主要含水層地下水位的下降趨勢。
論文認為，地下水開采、非常規油氣開采、地熱能開發利用、地下水回補、人工造林、填海和城市化以及國際食品貿易等人類活動正在重塑區域地下水流場，使地下水動態特征復混成。過度開采地下水持續導致地下水儲量大量減少，在未來不同的氣候變遷情景下，地下水的需求量和開采量預計會上升。到2050年，全球地下水開采量估計為1250±118km3/年，地下水儲量減少量為300±50 km3/年。地下水回補是適應氣候和土地利用變化，實作水資源永續管理的重要手段，隨著其技術發展，地下水回補量將超過全球地下水開采量的10%。
圖3 不同型別的地下水開采和補給示意圖。(A)潛水含水層、(B)承壓含水層和(C）深層承壓含水層中的地下水開采。(D) 頁巖氣開采中水平井及水力致裂。(E-F) 不同的地熱系統：(E) 雙井迴圈系統；(F) 增強型地熱系統。(G-H) 地下水回補示意圖：(G) 含水層儲存與恢復；(H) 下滲池。(I) 人工造林前後的地下水位變化。
論文進一步量化了地下水對海平面上升的貢獻，探討了海平面上升引起的沿海地區內澇問題。論文指出，地下水開采將長期儲存的地下淡水轉移到地表活躍的水迴圈中，大部份地下水最終返回海洋並導致海平面上升。到2100年，全球平均海平面將上升0.5至1.4 m，地下水儲量減少對海平面上升的貢獻將在未來增加；到2050年，地下水儲量減少對海平面上升的貢獻為0.82±0.13 mm/年, 累計貢獻百分比為~10%至~27%。地下水儲量減少和海平面上升可能導致海水入侵淡水含水層，此外海平面上升會導致沿海潛水含水層的地下水位上升，進而導致地下水排泄到地表水網路，誘發沿海低窪地區洪水內澇災害。
面對氣候變遷和人類活動對地下水資源帶來的威脅與日益增大的地下水供需之間的矛盾，論文提出，應從區域和全球兩方面考慮地下水資源，將地下水和地表水作為一種水資源來統一管理，確保糧食和水安全以及維持生態系的健康，且在法律、條例和政策中納入地下水永續發展逐漸成為國際共識；森林和濕地保護、海水淡化、廢水迴圈利用、地下水回補、引水工程和綠色基礎設施發展等各種管理策略已經被用於加強地下水的恢復能力，成為應對全球日益嚴重的地下水儲量減少問題的關鍵。
該論文的共同通訊作者為華北水利水電大學校長、河南省水圈與流域水安全重點實驗室主任劉俊國教授與南方科技大學講席教授、寧波東方理工大學講席教授鄭春苗，第一作者為南方科技大學副教授匡星星。合作作者包括美國德克薩斯大學奧斯丁分校Bridget R.Scanlon；香港大學焦赳赳、羅新；美國加州大學聖塔芭芭拉分校Scott Jasechko；寧波東方理工大學Michele Lancia；德國艾爾弗雷德•韋格納研究所-亥姆霍茨極地和海洋研究中心Boris K. Biskaborn；沙烏地阿拉伯阿蔔杜拉國王科技大學Yoshihide Wada；南方科技大學李海龍、曾振中、郭芷琳、鄒一光；西安交通大學姚瑩瑩；加拿大維多利亞大學Tom Gleeson；美國德克薩斯大學奧斯丁分校Jean-Philippe Nicot。
論文連結： https://doi.org/10.1126/science.adf0630
