建模抽水将如何影响水生生态系统

地球上几乎有30％的淡水供应隐藏在地下水中。这些水域虽然几乎看不见，但对我们人类至关重要。地下水约占全球饮用水供应量的一半，用于种植世界上大多数灌溉作物。
地下水也是全球水循环中不可分割的齿轮。在许多地区，地下水的排放补充了溪流和河流，有助于维持水生生态系统。一项新的研究表明，其中许多生态系统现在正受到威胁。
弗莱堡大学水文环境系统研究人员Inge de Graaf及其同事在全球范围内模拟了当前的地下水开采率将如何影响地表溪流和河流以及与其相关的生态系统。
“我们预计到2050年，将有超过一半的抽取地下水的地区将无法维持健康的生态系统。”
de Graaf在最近的博客文章中写道：“目前抽取地下水的区域中，近20％的地区河流流量减少，使生态系统处于危险之中。” “我们预计到2050年，将有超过一半的抽取地下水的地区将无法维持健康的生态系统。”
已经处于危险之中的地区包括气候相对干燥的地区，例如美国的高平原地区，以及大量地下水用于灌溉的地方，例如印度次大陆的恒河上游和印度河盆地。但是，抽地下水还影响了其他地区的河流流量，包括美国东北部和阿根廷的部分地区。
从技术上讲，地下水是可再生资源，但是不可持续的地下水开采速度消耗的储藏量比雨，雪或地表水所能补充的速度要快。随着地下水位的下降，溪流，河流和依赖这些水域的水生生态系统可能遭受巨大的损失，有时甚至是不可逆转的损失。
建立全球地下水模型
现有的几种水文模型模拟了地下水的流动及其与地表水的相互作用。但是这些模型在单个集水区的水平上起作用。俄亥俄州立大学的水文地质学家奥德丽·索耶（Audrey Sawyer）表示：“这是我见过的第一项研究，它在与管理或规划相关的时间尺度上，在全球范围内模拟了地下水与地表水之间的相互作用。” “结果为确定需要更高分辨率模型和更多观测结果的区域提供了很好的路线图。”
为了建立全球规模的水文模型，de Graaf依靠现有模型来模拟地下水贡献的损失何时会导致水流降至维持水生生物所需的水平以下。其中包括由乌特勒支大学开发的PCRaster全球水平衡模型2（PCR-GLOBWEB 2），该模型可模拟大气，地表水和地下水水库之间的水分存储和交换，并解释了农业，畜牧业，家庭用水和工业用水的需求，以及美国地质调查局的模块化水文模型（MODFLOW），该模型可预测地下水状态以及地下水与地表水之间的相互作用。
作为该模型的输入，de Graaf使用了1960年至2010年的地下水需求量和抽取量的历史数据。2010年之后，她假设到2100年，地下水的使用量将基本保持不变，这仅是由于气候变化对灌溉需求的响应而增加。该模型还根据政府间气候变化专门委员会的“代表集中途径8.5”情景，说明了气候变化的不同情景，以模拟气候变化导致的降水变化。
确定何时流量达到关键水平
该模型采用了先前定义的标准，该标准旨在维持健康的生态系统，在一段时间内，地下水提取不应使溪流的自然每月流量降低10％以上。溪流自然会随着时间的流逝而起伏，但是，使用该标准，de Graaf计算出了一个值（低流量指数），该值代表维持至少不同自然溪流以维持不同溪流中的水生生物所需的地下水排放量。如果连续两年每年超过三个月的月流量低于低流量指数10％，则假定流量达到临界低水平。
但是，地下水水位和水流的影响不仅限于抽取地下水。例如，气候变化也可能影响到两者。为了区分仅由气候变化驱动的水流变化与由气候变化和地下水抽水引起的水流变化之间的差异，de Graaf于1965年至2099年进行了模拟，其中包括人类对地下水和地表水的使用，或者是排除人类活动的“自然运行”。排除了在两种情况下达到的流量极限，因为它们不能仅归因于地下水泵。
“只有地下水位的小幅下降才能引起这些关键的河流流量。”
利用该模型的结果，de Graaf估计，到2050年，全球大部分流域的水流量将受到影响，有时甚至在重大地下水流失之前。 de Graaf写道：“只有地下水位的小幅下降才可能导致这些关键的河流流量。” “此外，仅在数年或数十年后，地下水泵送的影响通常才变得明显。这意味着我们无法从当前地下水位下降的水平中检测出地下水泵对河流的未来影响。它的行为确实像是定时炸弹。”
de Graaf及其小组研究的结果于10月在《自然》杂志上发表。
Sawyer说，该模型的全球规模使其成为“识别流域和地区的理想起点，我们需要更多的地表水和地下水数据以及更高分辨率的模型。”她说，但是模型的规模还意味着“我们需要跟进与土地利用规划和生态系统过程的规模有关的观察结果和更精细的模型。”