摸清华北平原地下水演变脉络――访国家“973”计划项目首席科学家石建省
11月25日，国家“973”计划项目《华北平原地下水演变机制与调控》启动仪式在石家庄市举行。为实现华北平原水资源和谐利用，发展大型平原（盆地）地下水系统科学理论，我国首次将地下水科学研究列入国家“973”计划。该项目的立项具有怎样的典型意义？将解决哪些关键科学问题？采取哪些技术手段？日前，记者针对这些问题采访了项目首席科学家、中国地质科学院水文地 质环境地质研究所所长石建省研究员。
华北平原地区地下水变化和地质环境变异研究是国际水文地质界关注的热点
记者：华北平原是国际水文地质界关注的热点地区，正面临着严重的水资源危机，在这一地区设立“973”计划项目有着怎样的意义？
石建省：华北平原地区75%以上的用水需求靠地下水支撑。由于长期不合理的开发利用，导致地下水资源衰减、地质环境恶化。过去50年中，这一地区地下水总储量减少约1300亿立方米，同时还引起地面沉降等诸多问题。目前，华北平原浅层地下水漏斗超过2万平方公里，深层地下水漏斗超过7万平方公里，已成为世界上最大的地下水漏斗。地下水环境问题，已成为制约这一地区经济社会发展的最大瓶颈。
华北平原是我国乃至世界沉积盆地地下水系统的典型代表。地质条件复杂、人类活动强度之大、地下水变化和地质环境变异的剧烈程度堪称“世界之最”，是国际水文地质界关注的热点地区。
多年来，中国地质科学院水环所连续对华北平原地下水及其环境问题开展了大量研究工作，已建成华北平原地下水资源与环境问题数据库；在区域水循环、水文地球化学、同位素水文地质、黄土与全球变化、地下水微生态学等方面具有突出优势。针对国际水文地质界关注的热点，水环所联合中科院的地质与地球物理研究所、地理科学与资源研究所和研究生院，地大（武汉）、地大（北京）、南京大学和中国地质环境监测院等8家单位国内重要的水文地质科研单位向国家申请立项。
本项研究得到“973”计划的支持，虽然主要针对华北平原，但在世界范围内都具有典型意义，对提高我国地下水科学与工程领域的创新能力意义重大，项目的突破将有可能使我国在区域地下水演变研究领域居于世界领先水平。
我国对人类活动干扰下区域地下水系统演化机理等问题还缺乏系统认识
记者：请您介绍一下我国在水循环领域的研究情况。
石建省：近年来，国家“973”计划着眼于陆地水循环系统的演化，先后启动了两个水循环方向的项目――黄河流域水资源演化与可再生性维持机理和海河流域水循环演变规律与水资源高效利用，对人工水循环进行了详细阐述和刻画。但这些项目对地下水系统的刻画侧重于资源量和更新能力，对于含水层系统结构变化和地质环境问题及地灾形成机理等问题的研究尚显薄弱。
国土资源部也先后开展了地下水循环演化的专门研究，包括区域地下水演化过程及其与相临层圈的相互作用、西北典型内流盆地水循环与地下水形成演化模式、我国北方水循环区域特征及其对全球变化的响应研究等，虽然初步建立了西北地区和华北平原地下水生态环境指标体系，但也没有彻底查清由于地下水系统结构变化引起的地下水资源数量和质量的变化情况。
总体来说，我国在地下水循环演化研究方面与国际研究处于同步水平，在可持续利用与安全调控基本理论方法研究方面，与国外还有一定的差距。
记者：那么，华北地区地下水研究的程度如何呢？
石建省：华北平原一直是我国地下水研究程度最高的地区。上世纪80年代以前，先后开展了河北平原地下水资源评价及合理开发利用勘查、黄淮海平原水文地质综合评价等工作。科技部在“六五”、“七五”、“八五”的国家科技攻关重点项目中，连续对华北平原水资源进行了专项研究。20世纪90年代，国家自然科学基金委员会支持了华北平原节水农业应用基础研究和地下水环境演化等项目。2000年以来，中国地质调查局连续在华北平原开展地下水可持续开发利用前景、调查评价 及地面沉降调查与监测等工作。
经过近60年的研究，华北地区先后获得一系列研究成果：基本查明水文地质条件；对浅层淡水资源进行了综合评价，查明咸水分布规律及成因；进一步查清地下水开采、地下水位分布以及环境演化现状，探讨了区域地下水循环演化规律，评价了地下水资源及其开发利用潜力，以及地下水调蓄能力和生态与环境功能。
记者：目前，华北平原地下水研究亟待解决哪些问题？
石建省：尽管华北平原地下水研究已经有了相当的基础，但是一系列地下水危机及地质环境问题还没得到很好解决，如，区域地下水系统如何响应区域水循环的变化，高强度开发地下水导致含水层系统结构发生变异的机理与趋势如何，如何协调地下水资源与环境及经济发展之间的关系，如何结合南水北调工程的实施，进行含水层涵养与地下水调控等，都是目前亟待解决的问题。
项目设置六个课题，拟解决两个关键科学问题
记者：本项目拟解决哪些关键科学问题？
石建省：项目将在5年时间里，分6个课题进行研究，拟解决两个关键科学问题：一是地下水系统结构变异与地下水资源演变机制，二是地下水资源开发―环境变化―经济发展协调机制。
项目重点开展以下四个方面的研究：
一是人类活动条件下区域地下水系统响应。重点研究近50年来区域水循环要素变化规律及其影响因素，阐明浅层和深层地下水动力场特征与演变过程，揭示地下咸水体移动及水化学场演变规律，揭示人类活动加剧条件下地下水资源量变化规律，建立人类活动条件下与区域水循环变化相联系的地下水系统演变模式。
二是含水层系统结构变异与地下水可利用资源变化机理。揭示地下水动力条件与水循环机理、含水层结构与特性及演化机理、地下水溶质迁移富集与地球化学作用机理和水―土复合作用、地面沉降和地灾发生机理；研究浅层含水层结构变化规律及地下水补排的非线性过程、包气带溶质运移与浅层地下水水质演变；分析浅层地下水补给方式、过程和强度的变化；揭示浅层地下水补给质与量的变异及其形成机理和时空演变特征；建立适于浅层含水层结构变化的地下水补给非线性模型，研究不同人类活动方式和强度对典型区域地下水流动和水岩相互作用的影响过程；研究地下水资源可利用量的组成、变化机理和趋势；阐明深层地下水可更新能力的变化过程与趋势等。
三是地下水―环境―社会经济耦合机制与评价体系。研究地下水开发与环境变化、经济发展的互动关系与耦合机制，建立研究区地下水资源承载力的评价体系和评价模式，建立地下水系统、经济社会系统、生态环境系统在其运动发展过程中的相互依存与相互制约的定量关系，为地下水危机识别和合理调控的研究奠定基础。
四是环境、经济约束下的地下水调控。研究地下水位、水质和地下水开采量的环境阈值，确定地下水系统危机临界识别指标体系；研究综合气候变化和南水北调实施等情形下地下水危机状况及供水安全的保证程度，搭建地下水资源调控平台，综合提出保证华北平原供水安全的地下水可持续开发利用模式和方案，形成地下水资源调控的技术方法与理论体系。
记者：项目将在哪些领域取得创新成果？
石建省：项目的总体目标是：发展人类活动条件下大型沉积盆地区域地下水演变理论；阐明地下水资源开发―环境变化―经济发展协调机制，构建地下水资源调控平台与可持续开发利用模式；提出科学利用地下水资源方案，为南水北调条件下“地下水复合漏斗”控制和修复提供科技支撑。
项目预期取得几方面重要突破，包括：地下水可利用资源与更新能力变化机理，地下水结构变化及其伴生的生态环境演变机理，地下水与生态环境、社会经济发展的耦合模型与地下水承载力，地下水危机临界识别指标体系与安全调控技术方法和理论体系等。
构建华北平原地下水资源基础数据库及合理利用调控平台
记者：项目将采取怎样的技术路线？
石建省：该项目由水环所主持，参与项目的9家科研单位，投入课题研究的国家重点实验室5个、省部级重点实验室6个、省部级研究示范中心3个和野外试验基地及观测台站（网络）4个，不仅拥有精良的实验平台和仪器设备，也积累了长系列的基础数据，组成了优势互补、强强联合的技术支撑体系。项目将抓住三个方面数据来源，建立四个多目标协调数学模型，构建华北平原地下水资源基础数据库及其合理利用调控平台。
三个数据来源包括：已有的华北平原地下水资源与环境调查数据库；野外原位观测、试验、实验得到的数据；模型输出的相关数据。四个多目标协调数学模型包括：地下水系统数值模型、典型区（天津或沧州）三维地下水流―地面沉降耦合模型、淡―海（咸）水两相界面运移模型、精细地下水模型（北京平原区和衡水地下水大面积开发区）。
记者：项目将采取的关键技术是什么？
石建省：项目将采用遥感技术，在大尺度空间和长时间序列上详细测量含水层系统结构变化造成的地面沉降。采用综合物探技术，分析地下咸水体的演变与地下咸水―淡水界面的移动情况。采用环境同位素及示踪剂技术，评价含水层对开采和水位下降的响应以及相关的水质恶化，分析深层承压地下水的可更新性变化。采用GIS技术，对原有的地下水资源与环境数据库进行充实、扩展。
项目还将采用多级分层自动监测技术，对不同层位相关数据实现自动采集、自动存储、自动传输。采用高压渗透固结仪与高倍扫描电镜技术，研究含水层和弱透水层压缩前后微结构变化，揭示地面沉降、黏性土压缩释水机理以及释水引起的盐分运移规律。采用超微量液体化学分析技术，分析常规方法难以测试的微量土壤水和弱透水层压出液，提高数据的获取精度。采用高性能数值模拟技术，模拟人类活动对地下水系统影响的各种作用过程，预测未来条件下地下水系统演变趋势，探索地下水调控的理论方法。(滕艳 李桂芬 李 凯)
人物简介：
石建省：长期从事区域环境地质与水文地质评价、黄土研究、脆弱带地质生态学、地学信息系统应用等领域研究。先后负责承担或参加30多项科研项目，包括国土资源大调查重大计划项目《全国地下水资源及其环境问题调查评价》、《全国地下水资源及其环境问题专题研究与综合研究》、《中国北方主要盆地地下水资源及其环境问题调查成果综合集成》、《河套平原地下水资源及其环境问题调查评价》等。作为主要贡献者，曾获省部级科技成果奖励二等奖3项、三等奖1项。公开发表学术论文和专著近30篇（部）。