探寻地下水层

看不见的地下水

撒哈拉沙漠东部地下深处的努比亚砂岩地下水层，目前正处于困境之中。早在2000多年前，它就是世界上最大最古老的地下储水层之一，为利比亚、埃及、乍得和苏丹等国提供水资源。但现在，它即将枯竭。在埃及，人们不断地抽取地下水，以供应日益膨大却远离尼罗河的沙漠城市；在利比亚，世界第奇迹――人造大运河，正利用其地下管渠系统将利比亚仅有的另一个水源――咸地中海的水不断地抽走。

撒哈拉沙漠中的绿洲干枯了，游牧牲畜和野生动物的水源发生了短缺。但是，没有谁来对这一情况负责：古老的地下水系统太复杂了，人们既说不清楚哪个地方是主要的用水之地，也说不清楚地下水什么时候会被用完。没有哪个国家会相信其他国家能够提出一个公平的判断，人们无法就地下水保护措施达成共识。这种不信任和各行其是，又使情况变得更加糟糕。

世界上绝大多数的饮用水都隐藏在地下，其状况人们知之甚少。随着全球人口增长和气候剧变，我们不能奢望还能发现更多的地下水。地下水正散失到海洋，而且正以一个空前的速度被消耗，同时也正不可避免地被污染。接下来地下水会怎么样？更加难以说清。也许，过不了多久，水资源短缺就会导致世界范围的干旱，届时第一次真正的水源战争将会爆发！那么，如何才能阻止这种悲剧的发生？毫无疑问，我们的当务之急是摸清地下水的分布情况，即知道哪里有地下水。

常规的地图难以让我们寻找到不可见和移动的地下水源。根据联合国环境计划署的最新判断，地下水占世界可获得淡水的97%。然而，水文学家大都致力于研究地表水，从未下功夫去绘制脚下的地下水的地图。很多人以为，地下水很容易开发，并且储量巨大。比如，单是在南美的瓜拉尼，地下水储量就达4万立方千米，远远超过了北美的五大湖的储水量。但是，地下水并非储存在一个巨大的、固定的地下湖里，相反，它们通常只是缓慢地穿过复杂的可渗透岩层、砂层或其他一些地质层。地下水也不像地面的湖泊，干涸后很快又会涨满。地下水的储藏复杂得多，不仅取决于容水量，而且还取决于被雨水或融雪积满的速度。

不过，现在有了新的希望：借助新的物理学和工程学方法，科学家正在绘制第一张地下水全球地图。

采用新方法：用同位素进行地下水分析

随着世界人口的增加，水的需求量也在增加，但这并不是人们越来越关注地下水的唯一原因。气候变化也在重新分配全球水资源。随着全球变暖，各地的降雨量发生变化，湿润的地方变得越发潮湿，干燥的地方变得越发干旱。2011年，非洲东部和美国得克萨斯州就发生了严重干旱。较少的降雨量，意味着没有足够的新水补充到正在被极速耗尽的地下水层中。许多地图都标出了地下水层的位置，但并没有提及蓄水量、水位变化的速度以及是否可以安全饮用。干裂的地表下，地下水资源还是未知数。

为了计算出地球脆弱的地下水系统究竟还有多少水资源可以利用，我们需要弄清楚两个问题：一是这些地下水已经存在多久，二是它们的补充需要多长时间。

为了得到这些数据，传统的方法是费时费力地钻孔取样，进行研究。这就需要在地上钻出许多小洞，以便监测地下水流的速度和方向，再整合这些数据来建立一个地下水层的模型。

然而，对于有些地下水层，比如文章开头提到的努比亚砂岩地下水层，这种方法却行不通。一是花费太大，许多钻洞的位置都在遥远的沙漠；更最重要的是，如此集中的研究需要各国政府的支持，但各国政府对地下钻洞研究始终持怀疑态度，因此建立与努比亚砂岩地下水层有关的四个国家的地下钻洞网络很难进行。

不过，新的转机出现了，它来自国际原子能机构。该组织用同位素来进行水源分析，其同位素水文事业部负责人阿加瓦尔用同位素监测地表水已经有几十年了。2006年，阿加瓦尔等专家与联合国发展计划署等机构合作启动项目，以创建一个地下水的综合地图。如果采用同位素检测方法，仅需从已有水洞中取少量水样进行分析就可以揭示整个地下水层的状况。这种方法既便宜又简单。

研究小组首先需要计算地下水的年龄。对此，研究人员选用碳14来进行研究。就像研究古代的文物，水也可以通过这种放射性元素来计算年龄。地表水吸收了大气中的二氧化碳等气体，带上与大气相同的同位素原子碳14的印记。随后，地表水进入地下水层中，也使地下水带上了这个独特的印记。随着时间的推移，进入地下水的碳14会经历放射性衰变，只要弄清水样中剩余的碳14的量就可以揭示地下水的年龄。

研究结果显示，努比亚的地下水的水样中几乎没有检测到碳14。这意味着这些地下水的年龄已经非常古老了。之前的研究结果表明，努比亚地下水已有4万年的历史，而碳14检测结果认为，努比亚地下水的历史接近5万年。这一结论引起了人们的质疑，于是研究小组转向用另外一种很少见的同位素氪81（81Kr）。直到最近，科学家才掌握了如何捕获和计算氪的半衰期。采用同位素氪81，可以精确追溯200万年水的年龄。研究发现，之前碳14的研究并不准确，因为相当一部分努比亚地下水的年龄接近100万年！

只知道地下水的年龄还远远不够。为了获得一幅完整的地下水层地图，还需要知道究竟是哪部分水已经被新水替换了。

接下来，研究小组又采用组成水分子的两种同位素氘（2H）和氧（18O）来做这个实验。检测每滴水中这两种同位素的比率，能够为弄清该水资源最初所在位置的天气状况提供线索。在较凉爽的天气情况下，这两种重型同位素的比例降低。因此，样本中如果含有较低浓度的18O和2H，就表明最后一次充入新水时努比亚地下水层所在地区的天气是比较凉爽的。

不出科学家所料，样本中的18O和2H检测结果表明，在现代，这个地方的地下水并没有新水注入。地下水层仅包含那些在很久以前就进入地下的“化石水”。换句话说，这里的地下水层一直没有被更新，而且一天天减少，终将干涸。

这无疑是个糟糕的消息。然而，多亏同位素的研究，阿加瓦尔还能计算出这个地方的全部地下水还剩下多少――这些古老的“化石水”至少还可以用几个世纪。由于地下水流动很缓慢，所以一个国家的使用不会立即影响到另一个国家。阿加瓦尔等人认为：乍得人不必担心利比亚人偷用了他们的水。

新的研究途径：借助卫星跟踪

根据上述研究结果，依赖努比亚地下水层的几个国家最终达成共识：他们需要共同努力来保护地下水层。

然而，这些措施并不足以挽救利比亚正在干涸的沿湖绿洲。即使一个地方的地下水只供给一个国家，也很难说清楚究竟是谁用了水，用途是什么。要想计算出地下水的全部使用量，国家和企业应该既考虑其直接使用量，也要考虑其间接消耗量，但要做到这点非常困难。

对这个问题，美国的一个科学家团队已经找到了解决问题的方法――跟踪全球地下水的空间实时变化。这项工作要依赖美国宇航局的重力恢复和气候实验，该实验致力于测量地球万有引力的变化。

科学家借助两颗轨道相距220千米的卫星来做这项工作。当第一颗卫星移动到引力较强的点（有山或者有大量地下水的地方）时，它就会暂时更靠近地球而远离另一颗相随的卫星。通过测量两个卫星之间距离的变化，美国宇航局的科学家们绘制出一幅详细的地球万有引力的图谱。应用这项研究成果，科学家又向前推进了一步：地下水层的显著变化，是由干湿季节、长期干旱以及矿业和农业抽水导致的。将卫星所受的万有引力的数据和地下水层的显著变化联系起来，就开辟了一条新的研究途径。

绘制地下水地图，合理利用水资源

2011年，科学家公布了一个令人惊讶的研究结果：美国加州中央谷地下方的主要地下水层由于当地生菜种植业的极度消耗，很快将走向干涸。按照目前的消耗速度，这里的地下水将在2100年被耗尽。

这一发现发人深省：人们正在耗尽世界主要中纬度地区的每一个地下水层。例如在加州，农业是主要的罪魁祸首，它消耗了大量的地下水。但农业并非唯一的该为这一状况买单的产业。科学家根据他们绘制的地图认为，在澳大利亚的采矿地区，地下水也已严重耗竭。

重力恢复和气候实验只能监测那些大于15万平方千米区域的地下水层的变化，即便如此，将它所计算出的数据和同位素研究计算出的水的年龄相结合，就可以给出对地下水层总水量的一个粗略估计。如果对全球所有的地下水层都做这项工作，就会得到地下还有多少淡水以及它们流向哪里的第一手资料。这些信息能够帮助我们预测水源的短缺，也可能给一些国家足够的警示，以避免或减轻对地下水的影响。

基于对全球水资源的了解，我们已经收获了一些惊喜：虽然发现大的新的淡水资源已不再可能，但或许可以发现一些小的水源。例如在厄瓜多尔炎热的圣埃伦娜半岛，当地居民们只有三眼间歇供水的井，但在2009年进行地下水资源同位素调查之后，居民们挖了四眼可以24小时持续供水的井。在孟加拉共和国，当地的水中含有砷，致使几百万居民中毒，而借助于同位素研究，已经找到了一些可以安全饮用的地下水。虽然水地图本身并不能让沙漠中的绿洲再次装满水，但至少可以合理分配水，以保证每个人有足够的饮用水。

要防止水冲突，就要合理分配当地水资源，这就首先需要知道这些水的去向，知道谁在使用。当越来越多的国家都意识到这个问题，并开始追踪隐藏在自己国家的地下水时，这些研究方法将有助于他们把这项工作做得更好。