近日，河海大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院陳嘉琪教授團(tuán)隊(duì)，在深循環(huán)地下水導(dǎo)水通道成因及沙漠干旱區(qū)地下水補(bǔ)徑排關(guān)系中取得重要成果，研究成果以“Basalt and Dune: Critical Factors in Desert Water Resource Development”和“Floating on Groundwater: Insight of Multi-Source Remote Sensing for Qaidam Basin”為題論文分別發(fā)表在高水平國際期刊《ACS ES&T Water》和《Journal of Environmental Management》，其中ACS ES&T Water是美國化學(xué)會(huì)(ACS) 環(huán)境領(lǐng)域旗艦期刊 Environmental Science & Technology (ES&T)推出的家族新刊，聚焦于水的綜合科學(xué)研究及公正政策研究，有著廣泛的國際影響力。
深循環(huán)地下水概念是2004年河海大學(xué)陳建生教授在《Nature》上發(fā)表論文中首次提出，20年來，研究團(tuán)隊(duì)將星載合成孔徑雷達(dá)、水文遙感、同位素示蹤等技術(shù)綜合運(yùn)用于研究中，通過多學(xué)科交叉大數(shù)據(jù)模型，結(jié)合沙漠找水實(shí)踐，揭示了深循環(huán)地下水導(dǎo)水通道的成因，提出并完善了地下水深循環(huán)理論，取得的一系列重要研究成果，先后再在《Geology》、《Geophysical Research Letters》、《Journal of Hydrology》國際知名期刊發(fā)表系列研究論文。
沙漠曾被認(rèn)為是“死亡之?！?，但是通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沙漠中普遍存在湖泊、泉水、綠洲與濕地。沙漠的形成不但與干旱的氣候有關(guān)，而且還與火山活動(dòng)相關(guān)。火山停息后，深循環(huán)地下水通過火山口上涌形成火山湖，上涌的地下水將風(fēng)積沙粘滯堆積，形成了沙漠景觀。深循環(huán)地下水不但維持了沙漠景觀還為當(dāng)?shù)厝嗣駧砹素S富的地下水資源。在世界大型沙漠中都存在豐富的地下水，圖1。例如，在撒哈拉沙漠發(fā)現(xiàn)了巨厚的含水層，地下水甘甜清澈，達(dá)到了直接飲用標(biāo)準(zhǔn)。地下水已經(jīng)成為埃及、利比亞、乍得、蘇丹等撒哈拉沙漠國家最重要的水資源。
圖1 全球大型沙漠、新生代玄武巖、沙漠地下水氧與鍶同位素分布圖
研究發(fā)現(xiàn)，在地幔巖石圈中存在著熔巖管道型導(dǎo)水通道——玄武質(zhì)巖漿在冷卻成巖過程中出現(xiàn)的收縮縫。高原及高海拔地區(qū)河流與湖泊的滲漏水通過導(dǎo)水通道快速傳輸?shù)降秃０蔚貐^(qū)（如沙漠，自流盆地等），可實(shí)現(xiàn)跨流域的補(bǔ)給。深循環(huán)與淺循環(huán)構(gòu)成了完整的地下水循環(huán)系統(tǒng)。深循環(huán)導(dǎo)水通道的形成與火山噴發(fā)有關(guān)。例如，印度板塊與亞歐大陸板塊碰撞不但造就了青藏高原隆升，而且還引起了巖漿活動(dòng)，在青藏高原及周邊地區(qū)發(fā)生火山噴發(fā)。火山噴發(fā)停息后，殘留在巖石圈下部的巖漿流在圍巖的降溫作用下冷卻成巖。在巖漿巖中出現(xiàn)的冷卻收縮縫，逐漸演變成為深循環(huán)導(dǎo)水通道（圖2）。深循環(huán)地下水是水資源的重要組成部分，與上地殼的孔隙、裂隙、巖溶水之間存在補(bǔ)給與排泄關(guān)系，構(gòu)成了跨越流域的水循環(huán)系統(tǒng)。
圖2 地幔巖漿巖冷卻形成的收縮縫演變成為導(dǎo)水通道示意圖
羌塘盆地的滲漏水達(dá)到了一條黃河的年流量，滲漏水分別通過北、東、南三條路徑向外傳輸，塔里木盆地、柴達(dá)木盆地、巴丹吉林沙漠、張掖盆地、鄂爾多斯盆地、二連浩特盆地、呼倫湖流域和長白山山區(qū)等自流區(qū)屬于西藏高原滲漏水的排泄區(qū)。根據(jù)地下水深循環(huán)理論，研究團(tuán)隊(duì)為阿拉善右旗、二連浩特、杭錦旗沿河三鎮(zhèn)、塔里木盆地36團(tuán)等干旱半干旱區(qū)找到了優(yōu)質(zhì)的水源地。此外，該項(xiàng)研究還幫助地方政府在漣水、松原、鄂爾多斯、阿拉善等地找到了優(yōu)質(zhì)的礦泉水，其中漣水被相關(guān)部門授予“中國礦泉水之鄉(xiāng)”稱號。研究顯示，江蘇省“三溝一河”白酒都是采用優(yōu)質(zhì)的深循環(huán)地下水釀制而成。 研究團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)水文的流域水量平衡理論，提出跨流域地下水補(bǔ)給機(jī)制，是空天信息大數(shù)據(jù)賦能水文新質(zhì)生產(chǎn)力的重要范例。
論文的通訊作者均為陳嘉琪教授，兩篇論文的第一作者分別為博士生王王、博士生劉祥梅，論文合作者還包括河海大學(xué)深循環(huán)研究中心陳建生教授、詹瀘成副教授、王濤副教授以及博士生張一彤等。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（518056012）和國家自然科學(xué)基金委（61771183）等項(xiàng)目支持。
相關(guān)論文信息
Wang Wang, Chen Jiaqi*, Chen Jiansheng, Zhan Lucheng, Wang Tao, Zhang Yitong & Huang Dewen. Basalt and Dune: Critical Factors in Desert Water Resource Development. ACS ES&T Water (2024). https://doi.org:10.1021/acsestwater.4c00001
Liu Xiangmei, Chen Jiaqi*, Zhang Qiwen, Zhang Xi, Wei Ersa, Wang Nuoya, Wang, Qingwei, Wang Jiahan & Chen Jiansheng. Floating on Groundwater: Insight of Multi-Source Remote Sensing for Qaidam Basin. Journal of Environmental. Management 365 (2024). https://doi.org:10.1016/j.jenvman.2024.121513
