3月1日，華北水利水電大學校長劉俊國教授作為通訊作者在《Science》同期發(fā)表兩篇重磅學術(shù)論文�！禨cience》期刊專注于報道全球具有重大原創(chuàng)性的科學成果，是世界范圍最具影響力和最權(quán)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》。這是該校建校以來首次在《Science》上發(fā)表高水平學術(shù)論文，是學�？蒲泄ぷ鞯闹卮笸黄疲�有力彰顯了學校的國際學術(shù)影響力，對學校聚力打造科研高地、持續(xù)提升科技創(chuàng)新能力以及加快推進水利工程學科“雙一流”創(chuàng)建具有重大支撐作用。

Anthropogenic climate change has influenced global river flow seasonality

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi9501

華北水利水電大學校長劉俊國教授與南方科技大學博士生王泓、利茲大學教授Joseph Holden等在《Science》上發(fā)表以“人為氣候影響了全球河川徑流季節(jié)性（Anthropogenic climate change has influenced global river flow seasonality）”為題的研究論文。研究結(jié)合全球水文站點觀測、徑流重建和全球水文模型，綜合運用最優(yōu)指紋檢驗和基于斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)的兩種氣候變化檢測和歸因方法，對全球河川徑流季節(jié)性變化進行分析，發(fā)現(xiàn)人為氣候變化導致了北半球高緯度地區(qū)的河川徑流季節(jié)性減弱。

河川徑流季節(jié)性描述了徑流年內(nèi)周期性變化，對洪澇和干旱的發(fā)生起著重要作用。同時，不同季節(jié)的河川徑流為淡水生物提供了重要的棲息場所。然而，人類活動正在全球范圍內(nèi)影響河流生態(tài)，人類活動既能通過修建水庫等水利工程直接對河川徑流進行調(diào)控，也能通過改變土地利用或通過改變氣溫、降水、土壤水分和融雪狀況而間接影響徑流。

該研究以1965-2014年間全球10,120個水文站點的月河川徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以分配熵作為分析河川徑流季節(jié)性的方法，評估了全球河川徑流季節(jié)性的空間分布格局、歷史演變趨勢及其驅(qū)動機制。研究發(fā)現(xiàn)，約21%的水文站點（2134個）的河川徑流季節(jié)性發(fā)生了顯著變化，河川徑流的季節(jié)性在北半球高緯度地區(qū)（50°N以上）明顯減弱。具有顯著季節(jié)性變化趨勢的站點數(shù)量與具有顯著年變化趨勢的站點數(shù)量相當，但約三分之二的站點年徑流并沒有發(fā)生顯著變化，說明全球徑流季節(jié)性變化主要表現(xiàn)為徑流的年內(nèi)再分配。

圖1：以分配熵表示的河川徑流季節(jié)性趨勢 (1965-2014)

該研究通過對北半球高緯度地區(qū)河川徑流的季節(jié)性進行氣候變化檢測和歸因分析，得出人為氣候變化導致了河川徑流的季節(jié)性減弱。研究進一步分析表明，全球變暖是導致該地區(qū)河川徑流季節(jié)性變化的主要因素，降水對其影響不顯著。升溫導致早期融雪增加、冰川面積減少、永久凍土消失、降雪比例減少以及河流冰凍期縮短，可能是引發(fā)河川徑流季節(jié)性變化的主要機制。如果氣溫繼續(xù)上升，河川徑流季節(jié)性可能會持續(xù)減弱，對河流生態(tài)系統(tǒng)健康將造成潛在的影響。氣候變化背景下開展洪澇災(zāi)害防控及進行漸進式生態(tài)修復將成為更嚴峻的挑戰(zhàn)。

圖2：1965-2014年北半球高緯度地區(qū)(50°N以上)分配熵趨勢的比較與歸因分析

該研究得到了中國國家自然科學基金(42361144001)、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA20060402)、河南省水圈與流域水安全重點實驗室等項目資助。劉俊國教授的博士生王泓為論文第一作者，劉俊國教授為論文通訊作者。據(jù)悉，該文也是王泓同學博士期間投稿的第一篇文章。合作作者包括利茲大學教授Joseph Holden與Megan Klaar等，合作單位包括南方科技大學、英國利茲大學、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學。

The changing nature of groundwater in the global water cycle

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf0630

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(fā)表以“地下水在全球水循環(huán)中的關(guān)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化和其他人類活動等因素造成的全球水循環(huán)中地下水動態(tài)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(fā)的沿海地區(qū)內(nèi)澇風險，展望了實現(xiàn)全球地下水資源可持續(xù)利用的未來挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略。

圖1：全球水循環(huán)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 km⊃3;)和全球水循環(huán)組分流量(×1000 km⊃3;/yr，括號內(nèi))。向上的箭頭表示海洋蒸發(fā)和陸地蒸騰。陸地水平衡沒有包括南極在內(nèi)。

地下水是最大的可利用淡水資源，是全球水循環(huán)的活躍組成部分，維持著河川徑流、湖泊、濕地、作物和森林等生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。作為主要的淡水來源，地下水為數(shù)十億人提供飲用水，滿足了全球40%的灌溉需求。氣候變化和其他人類活動正以前所未有的速度改變著全球水循環(huán)，地下水在全球水循環(huán)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(tài)系統(tǒng)維持可持續(xù)的地下淡水資源的基礎(chǔ)。

論文在綜述大量文獻的基礎(chǔ)上，從氣候變化影響地下水的補給、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，討論了氣候變化引起的全球水循環(huán)中地下水的變化:（1）現(xiàn)在全球平均地下水補給量至少為12，000至17，000 km⊃3;/yr。在氣候變暖的影響下，地下水補給在全球不同區(qū)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于未來降水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(shè)置概化；（2）全球預估結(jié)果表明，2100年的冰川量將比2015年減少約20%至50%，未來持續(xù)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(zhuǎn)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(qū)含水層中儲存的大量地下水對于維持河流徑流和穩(wěn)定流域流量具有重要作用；（3）陸地表面有1400萬至1600萬平方公里的多年凍土；隨著未來幾十年全球變暖的持續(xù)，預計多年凍土將繼續(xù)退化，進一步引起地下水儲量增加，增加地下水循環(huán)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(guī)油氣開采、地熱能開發(fā)利用、地下水回補、人工造林、填海和城市化以及國際食品貿(mào)易等人類活動正在重塑區(qū)域地下水流場，使地下水動態(tài)特征復雜化。過度開采地下水持續(xù)導致地下水儲量大量減少，在未來不同的氣候變化情景下，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±118 km⊃3;/年，地下水儲量減少量為300±50 km⊃3;/年。地下水回補是適應(yīng)氣候和土地利用變化，實現(xiàn)水資源可持續(xù)管理的重要手段，隨著其技術(shù)發(fā)展，地下水回補量將超過全球地下水開采量的10%。

圖3：不同類型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(tǒng)：(E) 雙井循環(huán)系統(tǒng)；(F) 增強型地熱系統(tǒng)。(G-H) 地下水回補示意圖：(G) 含水層儲存與恢復；(H) 下滲池。(I) 人工造林前后的地下水位變化。

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(qū)內(nèi)澇問題。論文指出，地下水開采將長期儲存的地下淡水轉(zhuǎn)移到地表活躍的水循環(huán)中，大部分地下水最終返回海洋并導致海平面上升。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(wǎng)絡(luò)，誘發(fā)沿海低洼地區(qū)洪水內(nèi)澇災(zāi)害。

面對氣候變化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(yīng)從區(qū)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(tǒng)一管理，確保糧食和水安全以及維持生態(tài)系統(tǒng)的健康，且在法律、條例和政策中納入地下水可持續(xù)發(fā)展逐漸成為國際共識；森林和濕地保護、海水淡化、廢水循環(huán)利用、地下水回補、引水工程和綠色基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展等各種管理策略已經(jīng)被用于加強地下水的恢復能力，成為應(yīng)對全球日益嚴重的地下水儲量減少問題的關(guān)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。合作作者包括美國得克薩斯大學奧斯汀分校Bridget R. Scanlon；香港大學焦赳赳、羅新；美國加州大學圣巴巴拉分校Scott Jasechko；寧波東方理工大學Michele Lancia；德國阿爾弗雷德•韋格納研究所-亥姆霍茨極地和海洋研究中心Boris K. Biskaborn；沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學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；美國得克薩斯大學奧斯汀分校Jean-Philippe Nicot。

本文來源于華北水利水電大學，由“河南高教”整理編輯。