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0 引言
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地下水是水资源的重要组成，在经济社会可持续发展中具有重要作用。据估算，全球地下水储存量可达 800×104~1000×104 km3，占地球液态淡水储存总量的 98%~99%（Margat and Van Der Gun， 2013）。目前，地下水占全球水资源开采量的 33% 左右（Famiglietti，2014），占全球农业灌溉用水量的 20% 以上，是全球近一半人口的主要饮用水源 （Taylor et al.，2010）。中国地质调查局于2021年首次估算出全国地下水储存量为 5.21×104 km3（李文鹏，2022），约是湖泊、水库蓄水量的90倍。2021年中国地下水开采量为 853.8×108 m3，占水资源开采量的 14.5%（中华人民共和国水利部，2022①）。随着地下水开采规模不断扩大，在产生巨大经济效益的同时，也产生了一系列生态环境问题，如含水层疏干与地下水位持续下降、依赖地下水的生态系统退化、地面沉降、海水入侵等（Lall et al.，2020； Zheng and Guo，2022）。这些问题从以前的局部地区逐步扩展到流域地区及更大尺度的区域，成为世界关注的区域性问题和全球性问题（Foster et al.， 2013）。
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地下水是全球水系统的重要组成，在地球系统稳定运行与功能服务中具有重要作用。与大气循环、大洋循环等不同，地下水因局限在含水层所分布的地下空间而不存在全球性循环。但是，由于地下水储存着全球绝大部分液体淡水，参与和调控着区域尺度、大陆尺度和全球尺度的水循环过程，对于维持地表径流、涵养湿地、供给生态流量、补给海洋淡水、保持陆地-大气水分平衡等具有不可替代的作用。通过参与和调控全球水循环，地下水影响着全球气候、生态等其他地球系统过程（Vӧrӧsmarty et al.，2013）。地下水还参与和调控了岩石圈中所发生的各种地质过程，如构造与断层作用、成矿作用、地热热流迁移等（Tóth，1999； Keranen and Weingarten，2018）。随着经济全球化深入推进，一些大量消耗地下水的产品或服务通过进出口贸易在全球流动，以“虚拟水”形式对全球水循环、土地利用、生态系统等产生影响（Ma et al.，2020）。认识到地下水在地球系统中不可或缺的作用，大陆尺度和全球尺度地下水作用成为目前地球系统科学研究的重要方向。
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地球系统模式是定量描述地球系统的大气圈、水圈、生物圈、人类圈、岩石圈等各圈层相互作用的物理和化学过程的数学模型，是开展地球系统过程机理研究、模拟和预测地球系统变化的重要工具。在全球变化研究驱动下，地球系统模式在大气过程、海洋过程、冰雪过程、陆面过程等地球系统过程方面取得了长足进步（赵宗慈等，2018），在气候变化预测中发挥了重要作用。由于地下水在地球系统和全球变化中所起的重要作用，越来越多学者认识到有必要将地下水过程耦合到地球系统模式中 （Bonan and Doney，2018）。由于地下水系统极其复杂，并且缺乏可靠的全球地下水实测数据，目前所建立的地球系统模式中，要么缺少地下水过程部分，要么对地下水过程进行了过度简化，难以客观反映地下水与地球系统其他部分的相互作用（Fan et al.，2019）。正是意识到这一短板的存在，越来越多水文地质学家开始与地球系统科学、水文科学、大气科学等领域学者合作，共同推进全球尺度地下水过程建模研究。
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本文在分析地下水在地球系统中作用的基础上，以大陆尺度和全球尺度为重点，梳理近年来研究所揭示的地下水对地球系统各圈层过程的影响，论述地球系统模式地下水过程建模进展，以期为全球地下水资源管理与地球系统治理提供科学依据。
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1 地下水在地球系统中的作用
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地球系统是由大气圈、水圈、生物圈、人类圈、岩石圈等组成的复杂系统。由于水循环在维持生物圈完整性、调控气候变化、调节碳与养分循环等地球系统过程中具有的核心作用，包括地下水过程在内的全球水循环对于地球系统运行与功能提供具有重要影响。
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1.1 地下水与地球系统各组成部分的联系
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地下水与大气水、地表水、土壤水、冰川水等相互转化、相互联系，共同构成了完整的全球水系统 （图1）。与其他储存形式的水比较，地下水具有独特的特征：一是储存量巨大，全球绝大部分液态淡水是以地下水形式储存的，最新估算显示全球地表之下 10 km 深度内储存的地下水达 4390×104 km3 （Ferguson et al.，2021）；二是流动缓慢，地下水更新周期在深部可达万年尺度以上（董艳辉等，2022），是全球水循环中最为缓慢的部分；三是分布广泛，与湖泊、河流等地表水体比较，地下水在陆地大部分地区有赋存，特别是在缺水的干旱地区也有分布 （吴爱民等，2016）。在时间调节上，地下水通过含水层的缓冲作用，将快速变化的地表水文过程与缓慢变化的地下水文过程连接在一起，为河流、湖泊等地表水体提供缓慢而稳定的水流交换，特别是在干旱时期保障稳定的基流补给。在空间调节上，浅层地下水受局部地形起伏控制，对小尺度（几百米~几千米）范围内的水文过程施加影响；深层地下水受区域含水层分布控制，对大陆尺度（几百千米~几千千米）范围内的水文过程施加影响（Wӧrman et al.，2007）。在不同时间尺度、空间尺度地下水作用下，连接陆地、海洋与大气的全球水循环处在不断变化的动态平衡之中。
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地下水通过大陆尺度、全球尺度水循环对大气圈、生物圈、岩石圈中的地球系统过程发生相互作用和相互影响（图1）。地下水位波动通过影响土壤湿度和地表潜热通量，使大气边界层高度发生变化，影响陆地蒸散时空分布，从而对区域和大陆气候产生影响（Condon and Maxwell，2019）；反过来，气候变化通过影响大气降水、陆地蒸散等，对区域地下水补给和地下水位产生影响（李雪等，2018）。对于河流、湖泊及其相邻的水生、浅流和河岸生态系统，湿地和泉水生态系统，河口和近岸海洋生态系统等，地下水为这些生态系统维持和生态服务提供了重要的支撑作用，生态学家称之为依赖地下水生态系统（GDE）（Kløve et al.，2011）。地下水作为岩石圈的重要组成，其分布与运移既受地质介质和地质构造的控制，又参与和影响了溶质运移、热流迁移、断层位移等地质过程。
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图1 地下水与地球系统其他部分的相互联系与作用
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1.2 地下水与人类圈的联系
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地下水为人类经济社会发展提供了不可或缺的资源与服务。主要包括：供给服务，为农业、工业、生活等提供了重要的供水水源；调控服务，在含水层缓冲和自净作用下，地下水调控着淡水资源的数量、质量和时空分布；支撑服务，依赖地下水生态系统为人类提供相应的生态服务，松散地层中地下水具有重要的撑托作用，防止地面沉降、地裂缝等灾害发生；媒介作用，在开采地热过程中用作传输地热能的媒介、在CO2地质储存中用作捕获、迁移和溶解的介质等（United Nations，2022）。
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人类活动已经成为驱动全球水系统变化的主要力量（Falkenmark et al.，2019）。根据作用途径与方式，人类活动对全球尺度地下水过程影响包括 3 个方面：一是修建水库、调水工程、地下水井等大量的水利工程，改变了自然地表水和地下水过程，全球有 59% 的大江大河流域受到了大坝建设活动影响，影响范围占流域总面积的 88%（Nilsson et al.， 2005）；二是在大规模工业化、城市化与农业开发活动驱动下全球土地利用与覆被发生重大变化，改变了区域尺度、大陆尺度和全球尺度地下水补给、径流与排泄过程；三是随着全球贸易不断扩大，大量地下水以“虚拟水贸易”的形式从生产国流向消费国，对不同区域与全球水循环产生了影响。
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在人类活动驱动下，包含地下水在内的全球水系统发生了显著变化。全球地下水开采量自 20 世纪60年代的312 km3 增至2017年的959 km3，增长了 3 倍多（Wada et al.，2010）。地下水开采量的快速增加导致部分地区地下水储存量减少，含水层疏干。Konikow（2011）估算，全球主要含水层疏干速率自 20 世纪 50 年代的 33.2 km3 /a 增至 2001—2008 年的 145.3 km3 /a。从地球系统来看，当全球水资源开发超过某一临界点时，可能会引起地球系统发生不可逆变化，以至于威胁地球系统稳定运行。为了将水资源开发活动控制在安全运行空间，Rockström et al.（2009）提出了水行星边界方法，Gleeson et al. （2020）将水行星边界细化为大气水、土壤水、地表水、地下水和冰川水子边界，从全球角度提出了地下水开发活动的边界。
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全球贸易使得很多产品的生产区与消费区在空间上相隔很远，耗水产品的全球贸易造成了水流在全球的虚拟流动。Dalin et al.（2017，2019）对全球粮食贸易所引起的地下水虚拟流动进行了估算，表明 2000—2010 年全球粮食生产消耗地下水量从194.7 km3 增至 241.4 km3，粮食贸易造成的虚拟地下水出口量从 17.7 km3 增至 25.6 km3，全球虚拟地下水贸易量增长了 44%；虚拟地下水出口国主要包括巴基斯坦、美国和印度，进口国主要包括中国、伊朗、墨西哥和美国。
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2 人类活动作用下地下水过程对地球系统各圈层过程的影响
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在人类活动作用下，地下水过程对大陆尺度、全球尺度的大气过程、生物过程、海洋过程等产生了越来越大的影响。近年来的研究不断揭示地下水过程对地球系统各圈层的影响，为定量化地下水过程的全球作用奠定了基础。
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2.1 地下水过程对大气圈过程的影响
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在气候变化与人类活动作用下，地下水位、地下水储存量和补给、排泄量发生变化，导致土壤湿度和地表能量平衡发生变化，从而对区域、全球大气与气候过程产生影响。基于地下水位比率 （WTR），Cuthbert et al.（2019）将地下水与大气圈相互作用划分为两大类型：WTR>1，大气-地下水双向作用，表明地下水位主要受地形起伏控制，大气以降水形式补给地下水，地下水通过蒸散作用进入大气；WTR<1，大气-地下水单向作用，表明地下水位受区域含水层分布控制，大气以降水和土壤入渗形式单向补给地下水（图2）。评价表明，WTR>1的大气-地下水双向作用区域占全球陆域面积的46%左右，多分布在气候湿润、地形平缓的地区，这些地区陆地-大气能量交换受到浅层地下水的影响。地下水位波动会影响地表蒸散速率，Anyah et al.（2008） 研究发现在美国西部干旱地区，地下水位上升会导致地表蒸散速率增大；Campoy et al.（2013）发现地下水位波动对局域和大陆尺度土壤水分和地表蒸散、大气降水都有影响，地下水位上升时土壤水分和地表蒸散都会增加。Ozdogan et al.（2010）利用模型模拟发现在美国大陆地区利用地下水进行农田灌溉使得陆面蒸散量增加 4%，并使得高平原地区降水量增加15%~30%。
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气候变化通过改变陆地水平衡直接对地下水产生影响，并通过改变人类水资源开发活动而间接对地下水产生影响。随着气候变暖，全球降水与蒸发发生了明显变化，极端天气事件频率增加，影响了地下水补给和存储。例如，1995—2000年澳大利亚发生持续数年的千禧年干旱，导致莫瑞达令盆地地下水储存量在 2000—2007 年减少 100±35 km3 （Leblanc et al.，2009）。海洋-大气系统的长周期振荡对地下水有明显的影响。Rust et al.（2019）利用模型对北大西洋振荡与英国地下水模拟发现，周期性北大西洋振荡所引起的地下水储存量变化约占地下水储存量变化的40%。
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研究表明，地下水疏干也是大气 CO2的来源之一。大气降水在入渗补给地下水过程中，随着土壤 CO2浓度大幅增加，地下水中所溶解的CO2含量也显著增加。在地下水排泄至地表水体或人工开采过程中，所溶解的 CO2也就被释放到大气中。Wood and Hyndman（2017）估算：美国每年地下水净疏干量为 25 km3，每年因地下水疏干排放到大气中的 CO2为 170×104 t，在 23 个碳排放部门中超过三分之一的部门。以此推算，目前全球地下水净疏干量估计可达 189 km3，由此所释放的 CO2在 1350×104 t 左右（Wada，2016）。
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图2 地球关键带与大气-地下水作用关系示意图
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2.2 地下水过程对生物圈过程的影响
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地下水过程对地球关键带的形成与演化具有深刻的影响，调控着大陆尺度生态系统分布（图2）。从大范围空间尺度来看，作为活跃的生态因子，地下水构成了一种环境梯度，对区域尺度、大陆尺度生态系统施加作用：地下水为干旱地区或干旱季节植物生长提供了重要的水分来源；地下水埋深在一定程度上控制着植物根系生长深度，地下水埋深越大，植物扎根深度越深；地下水影响着植物群落发育与分布的生境，地下水可获得性是衡量生态系统生态位的重要指标；地下水是陆地排水的下边界，控制着全球湿地的空间分布（Fan，2015）。地下水埋深决定了地下水对地表生态系统作用的强弱。 Fan et al.（2013）基于全球16. 04万眼地下水井观测数据，采用模型绘制了全球地下水埋深分布图，结果表明：浅层地下水影响了全球 22%~32% 的陆地面积，包括15%接受地下水补给的地表水生态系统和 7%~17% 植物根系接受地下水毛细上升补给的生态系统。Eamus et al.（2015）根据地下水的生态作用将依赖地下水生态系统划分为3类：以细菌、菌类、轮虫等为主赋存于土壤与地下水中的生态系统；泉水、河流、湖泊、湿地等有地下水出露的生态系统；植物根区有地下水补给的生态系统。Doody et al.（2017）绘制了澳大利亚依赖地下水生态系统分布图，表明澳大利亚34%的陆地生态系统不同程度依赖地下水补给。
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地下水开发利用会影响依赖地下水生态系统的水平衡与生态服务供给。抽取地下水可减少地下水对河流、湖泊及其生态系统的水分补给，甚至使地表水倒补地下水，从而影响环境水流。为了维持生态系统所需的环境水流，Gleeson and Richter （2018）建议应控制地下水开采量，将地下水对地表水体的自然基流补给减少控制在 10% 以内。降低地下水位，不仅将减少潜水湿生植物的蒸腾蒸发量和生产率，而且将改变土壤水化学环境，对适应湿度高、缺氧的土壤环境的物种生存形成威胁 （Bierkens and Wada，2019）。
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2.3 地下水过程与海洋过程的影响
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海岸地区地下水向海洋排泄，持续从陆地向海洋输送淡水和溶解物质，对于全球海洋水分与盐分均衡具有重要影响。Taniguchi et al.（2002）归纳了不同区域海岸地下水排泄量和不同学者全球海岸地下水排泄量估算结果，发现地下水海洋排泄量差异很大，低的占河流入海量的 0. 01%，高的占 10%，之间相差 4 个数量级。Sawyer et al.（2016）采用水均衡方法估算美国大陆向海洋排泄地下水量 15 km3 /a，小于陆地径流的 1%。 Luijendijk et al. （2020）采用地下水数值模型估算全球地下水向海洋排泄量 224 km3 /a，仅是河流入海量的 0.6%；每年向海洋输送无机碳 1.3×108 t、无机氮 4.5×108 kg、硅 240×108 kg、锶 0.57×108 kg，分别为河流输送量的1.9 %、2.4%、1.4% 和 2. 0%。这些结果表明，地下水对海洋的淡水输送与碳、氮、二氧化硅等化学物质输送远远小于河流的输送量。尽管如此， Luijendijk et al.（2020）认为地下水排泄对海岸与近海生态系统发挥着重要作用，全球有 26% 的河口、 17% 的盐沼和 14% 的珊瑚礁生态系统，地下水补给量超过河流补给量的25%。
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地下水大规模开采对全球海平面和海岸带产生了不可忽视的影响。大规模抽取深层地下水，特别是没有补给的古地下水，使得陆地水储存量减少，增加了由陆地进入海洋的水量，从而引起海平面上升。Wada et al.（2016）采用模型估算表明，全球地下水净疏干量有80%进入了海洋，致使全球海平面上升由 1900 年的 0. 02 mm/a 增至 2000 年的 0.27 mm/a。Konikow（2011）采用水平衡方法估算出 2000—2008 年全球地下水净疏干量平均为 145 km3 /yr，致使全球海平面上升 0.40 mm/a，占同期海平面上升量的 13%。在海岸带地区，地下水大量开采导致地下水位持续下降，引起海水入侵，使得地下水发生咸化。Ferguson and Gleeson（2012）通过对比发现，地下水开发对沿海地区含水层的影响要比对海平面变化的影响更为显著，更值得管理部门重视。
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2.4 地下水过程对岩石圈过程的影响
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地下水作为一种重要地质营力，参与了地球关键带和深部地层中风化、岩溶、成矿、变质、地震等各种地质过程。地下水埋深与地下水位波动决定了地球关键带风化层深度与风化程度，影响了地球关键带全球空间分布、土壤生物物理化学特征与生态服务供给（Xu and Liu，2017）。在地球关键带之下的深部地层中，地下水以复杂、缓慢的长路径方式运移和循环，水-岩之间发生着复杂的物理-化学作用（沈照理等，2012）。文冬光等（2022）认为在构造活动强烈区，深部地下水循环有利于岩浆形成与热物质上涌，促进地壳与地幔之间物质、能量交换； 深部地下水常含有丰富的锂资源，在深部水文地质作用下可富集成矿。目前，关于深部地下水循环过程、水-岩相互作用、成矿机理、成热机理等地下水与岩石圈地质过程相互作用，囿于缺乏调查与监测数据，研究尚不够深入。
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3 地球系统模式中地下水过程建模
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将地下水过程耦合到地球系统模式中是近年地球系统科学研究的重要方向之一。构建全球尺度地下水过程模型，大体上包括4个步骤：一是建立全球水文地质模型，地下水储存和运移于不同规模和深度的含水层中，应基于基础地质调查和水文地质调查成果，构建地下水所赋存和运移的地质框架模型；二是建立覆盖全球的地下水观测监测网，获取可靠的地下水动态数据，为地下水过程模型提供输入数据和校正数据；三是建立全球地下水流模型，基于水文地质模型与地下水动态数据，选用合适的地下水流动方程，形成定量描述地下水流动的数值模型；四是将所建立的地下水过程模型耦合到全球水文模型和地球系统模式中（图3）。很多国家或地区先后建立了覆盖面积大小不一的区域水文地质模型、地下水监测网和地下水流模型（Wada， 2016），同时还存在大面积的空白区，建设全球地下水过程模型存在着很大的困难和挑战。有鉴于此， Condon et al.（2021）呼吁建立全球性学术共同体 ——全球地下水平台，集中各国力量共同推进全球地下水过程模型建设。
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图3 全球地下水过程模型建模及与地球系统模式耦合示意图
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3.1 全球水文地质模型
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最早系统开展全球水文地质信息集成的努力是由德国联邦地球科学与自然资源研究所（BGR）和联合国教科文组织（UNESCO）领导的世界水文地质编图与评估计划（WHYMAP）。经过 8 年多努力， WHYMAP于2008年形成了1∶2500万全球地下水资源图，将全球地下水含水层划分为3大类：大型地下水盆地；复杂水文地质结构含水层；局部和浅层含水层（Richts et al.，2011）。之后又于 2017 年形成了世界岩溶含水层图，表明了全球碳酸盐岩、蒸发岩地表出露与隐伏分布区（Chen et al.，2017）。在相关国家地调机构推动下，欧洲、亚洲等大陆尺度的水文地质图先后得以编制和出版。BGR 牵头欧洲各国地调机构自 1960 年开始经过 50 余年努力，形成了 1∶150 万欧洲水文地质图，覆盖整个欧洲大陆和部分近东地区（王尧等，2016）。董华等（2011） 基于亚洲各国地下水与地质资料，编制了 1∶800 万亚洲水文地质图和亚洲地下水资源图，将地下水分为 4 大类型：松散岩类孔隙水、碳酸岩盐岩溶水、碎屑岩类裂隙孔隙水和其他岩类裂隙水。
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水文地质参数是定量表征含水介质水动力特征的重要指标，是建立全球水文地质模型的重要内容。 Dürr et al.（2005）与 Hartmann and Moosdorf （2012）分别编制了全球地表岩性分布图，可以用来估算水力传导系数（渗透系数）、孔隙度等，但是该岩性分布图仅能反映地表地质体的岩性。De Graaf et al.（2015）基于沉积盆地和含水层分布，估算了全球主要含水层厚度分布，为估算含水层导水系数提供了基础数据。还有一些学者对全球主要含水层的渗透率、孔隙度、导水系数、储水系数等参数进行了估算。Gleeson et al.（2011）于2011年基于岩性分布估算了地表以下100 m之内区域渗透率并绘制了全球渗透率分布图；2014年基于高分辨率全球岩性分布图按照 100 km2 的单元格估算了近地表渗透率和孔隙度，并形成了全球渗透率分布图 GLHYMPS1. 0（Gleeson et al.，2014）。在此基础上， Huscroft et al.（2018）根据全球松散沉积物分布分别估算了浅部松散层渗透率和深部固结层渗透率，形成了全球双层渗透率分布图GLHYMPS 2. 0。
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3.2 全球地下水观测监测网
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采集和获取全球地下水动态数据是建立与校正全球地下水过程模型的基础。自 2004 年开始， UNESCO下设的国际地下水资源评估中心（IGRAC） 建立了全球地下水信息系统，收集和共享各国地下水井和地下水监测数据，目前主要覆盖美、欧、澳等国家和地区。很多国家建成了全国性地下水监测网。美国地质调查局（USGS）建立和运行了美国水文监测网络，包括8000个河流水文测量站、22180个地下水观测井（含 1416 个实时观测井）、250 个降水监测站等，其监测数据已超过 85 万个记录（杨建锋和张翠光，2013）。欧盟建成了覆盖各成员国的水监测网，包括 57300 个地表水监测站和 51400 个地下水监测站（王尧等，2016）。中国于 2018 年建成了国家地下水监测工程，包括 20402 个地下水监测站点，控制国土面积 350×104 km2。印度建成了近 23000个地下水监测点，其中 16500个浅井、6500个测压计观测井。目前，全球还有很多国家未能建立监测网，已建成的国家也有大片空白区。并且，已建成的地下水监测网观测数据有很多未向社会公开。越来越多国际组织和学者呼吁加强合作，推动地下水监测数据共享（Zipper et al.，2020）。
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卫星遥感技术为全球地下水储存量监测开辟了新途径。2002 年 GRACE 重力卫星发射升空，持续获取了全球时变重力场数据。基于重力场变化，科学家可以推断陆地水储存总量变化，在扣除地表水储存量变化的基础上估算地下水储存量变化（冯贵平等，2019）。但是，GRACE 由于空间分辨率较低，区域尺度地下水储存量估算结果可能与实际情况存在较大误差（郑秋月和陈石，2015）。利用遥感卫星观测数据还可以估算地下水补给量，很多遥感卫星数据可以提供包气带相关信息，可以用来估算地表蒸散量和地下水补给量。由于地表水温和地下水温往往存在较大差异，有遥感技术可以采集地表热流和温度数据，用以估算地下水排泄量。随着卫星遥感技术发展，可以获取越来越多大陆尺度、全球尺度地下水动态信息，从而解决地表实测数据存在的空间尺度问题。
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3.3 全球地下水流模型
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针对地球系统模式研发需要，近年来已开发了部分大陆尺度、全球尺度地下水流模型，将地下水过程纳入。Condon et al.（2021）将这些模型大致可划分为 4 类：稳定流模型、饱和非稳定流模型、准三维模型和饱和非饱和非稳定流模型。
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稳定流模型是基于地下水长期补给与排泄平衡的静态水流模型。这类模型可用于定量描述地下水埋深空间分布、地下水-地表水相互作用等地下水过程，比其他地下水流模型简单、计算快捷。 Fan et al.（2013）采用潜水 Dupuit-Forcheimer 公式建立了全球地下水流模型，计算获得了全球地下水埋深分布图，并耦合到陆面过程模型中。De Graaf et al.（2015）采用 MODFLOW 软件建立了全球地下水稳定流模型（空间分辨率为 6'），用来获得长期气候变化作用下处于平衡状态的自然地下水位。 Maxwell et al.（2015）采用水文模型 ParFlow 按照水平方向 1 km 的空间精度建立了美国地下水稳定流模型，与之前模型不同的是其采用的是 Richard 方程，并在垂向上划分为5层，以表征不同深度水文地质参数的变化。
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饱和非稳定流模型采用 Darcy定律来模拟地下水位之下的饱和地下水非稳定流，地表入渗补给和与地表水的水分交换作为模型的上边界条件。De Graaf et al.（2017）在建立全球潜水-承压水双层水文地质模型的基础上，采用 MODFLOW 软件建立了全球饱和非稳定流模型，评估因地下水大规模开采造成的全球含水层疏干。Reinecke et al.（2019）开发了全球饱和非稳定流模型G3M，空间精度为5'，将其耦合到全球水文模型WaterGap中，取代了之前简化的线性地下水流模型，大大提高了估算地下水地表水水分转换的精度。
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准三维模型将地表之下的水流分为垂向运动的非饱和土壤水流和水平运动的饱和地下水流，分别建立模型并将这两个水流模型连接起来。美国国家大气研究中心所建立的地表过程模型 CLM3.5 中包含有非饱和土壤水流模型，地下水位只是作为模型的下边界。为了弥补CLM3.5过于简化地下水流问题，Lo and Famiglietti（2010）开发了潜水地下水流模型，并将其与土壤水流模型耦合在一起，模拟了地下水过程对陆地水文过程和地表过程的影响。 Barlage et al.（2015）将非承压地下水流模型耦合到北美气候模型中，探索地表植被冠层与地下水的相互作用。
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饱和非饱和非稳定流模型将非饱和土壤水流和饱和地下水流作为一个整体，采用三维Richard方程模拟地表之下水分运移过程。该模型采用 Richard方程统一描述土壤水和地下水水流运移，在机理上更为成熟，但是模型需要输入大量的水分运动参数，模型运行成本很高。目前尚未出现利用该种模型建立的全球地下水流模型，但有利用ParFlow 软件建立大陆尺度的地下水流模型，如 Maxwell et al.（2015）所建立的美国大陆三维地下水流模型。
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针对如何评价全球尺度模型中地下水过程模型的模拟效果，Gleeson et al.（2021）提出了 3 种策略：将模型运行结果与现有的地下水位实测数据进行比较；对已经建立的全球尺度地下水过程模型进行对比研究；将模型运行与专家判断进行对比研究。由于全球地下水过程模型涉及水文地质、陆地水文、地表过程、大气过程等各个方面，仅靠水文地质学家、水文学家难以完成，Gleeson et al.（2021）呼吁地球系统科学、大气科学、地质科学、水文科学等领域的专家组成学术共同体，共同推进全球地下水过程建模并与地球系统模式进行耦合。
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4 结论与建议
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（1）在人类活动作用下，地下水过程变化的影响已经超出流域尺度。尽管地下水流不存在全球性循环，但是随着地下水开发利用和虚拟水贸易规模的不断扩大，所带来的地下水位持续下降、依赖地下水生态系统退化、含水层疏干等问题已经超出流域尺度，对大陆尺度、全球尺度的地球系统过程产生了明显的影响，成为世界所关注的区域性、全球性问题。
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（2）近年来研究表明，地下水在调控全球气候变化、维持生物圈完整性、调节海洋水盐均衡、影响地球关键带与深部地层各种地质过程等大陆尺度、全球尺度的地球系统过程中发挥着不可替代的作用。全球尺度地下水作用研究已成为地球系统科学和全球变化研究的重要方向和前沿领域。
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（3）近年来地球系统模式地下水过程建模研究取得了很大进展，建立了多个全球水文地质模型、地下水观测监测网和地下水流模型。但是由于涉及水文地质、陆地水文、地表过程、大气过程等多个方面，全球地下水过程建模仍存在着很大挑战，需要不同领域的学者组成学术共同体，共同推进全球地下水过程建模并与地球系统模式进行耦合。
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中国于 2018 年启动了地球系统数值模拟装置 ——EarthLab 建设，所建立的地球系统模式主要包括大气、海洋、陆表层、气溶胶和大气化学等相关过程，尚未将包含地下水在内的陆地水循环过程考虑在内（周天军等，2020）。为了前瞻性地支撑中国下一代地球系统模式构建，建议中国应加快国家尺度和全球尺度地下水过程建模研究：
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（1）基于已完成的 1∶25万和 1∶5万水文地质调查，补充空白区实地调查，开展国家尺度的水文地质调查成果集成，建立包含潜水含水层和承压含水层在内的近地表全国水文地质模型。
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（2）加强地下水与陆面过程（水循环、生态过程等）的影响机理研究，推进地下水过程模型与陆面过程模型实现无缝耦合。
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（3）积极参与国际地下水观测监测网建设和地下水过程模型比较研究，加快中国在地下水过程与地球系统模式研究方面的步伐。
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注释
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① 中华人民共和国水利部.2022.2021年中国水资源公报[R].
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摘要
地下水是水资源的重要组成部分，对于经济社会可持续发展具有重要的支撑作用。受含水层分布空间局限，地下水流不存在全球性循环，但是随着地下水开发利用和虚拟水贸易规模扩大，所带来的地下水位持续下降、依赖地下水生态系统退化、含水层疏干等问题已经超出流域尺度，成为世界所关注的区域性、全球性问题。近年研究表明，地下水在调控全球气候变化、维持生物圈完整性、调节海洋水盐均衡、影响地球关键带与深部地层各种地质过程等大陆与全球尺度地球系统过程中发挥着不可替代的作用。全球尺度地下水作用研究已成为地球系统科学和全球变化研究的重要方向和前沿领域。地球系统模式地下水过程建模研究取得了很大进展，建立了多个全球水文地质模型、地下水观测监测网和地下水流模型。但是由于涉及水文地质、陆地水文、地表过程、大气过程等多个方面，全球地下水过程建模仍存在着很大挑战，需要不同领域的学者组成学术共同体，共同推进全球地下水过程建模并与地球系统模式进行耦合。根据中国地球系统模式建设需要，应加快国家尺度地下水过程建模研究，包括建立近地表全国水文地质模型；推进地下水过程模型与陆面过程模型实现无缝耦合；积极参与国际地下水观测监测网建设和地下水过程模型比较研究。
Abstract
Groundwater is one of the most important natural resources in the world， and plays a critical role in promoting the sustainable development of global economy. Bound by the spatial distribution of aquifers， no global groundwater circulation exists. Due to the rapid expansion of groundwater withdrawal and virtual water trade， the impact of groundwater depletion， the degradation of groundwater-dependent ecosystems， and continuously lowering of water tables has been beyond catchment scale and regional scale， and has become continental and global. Recent studies showed that groundwater plays a vital role in modulating global climate change， sustaining biosphere integrity， regulating sea water and salt balance， affecting the various geological processes in the earth’s critical zone and deep crust. The role of groundwater in the earth system and interactions with other parts of the earth system were investigated for earth system science and global change science. Substantial progresses have been made in global groundwater modeling for earth system models. Several global hydrogeologic models were established， some continental and global in situ observation networks were maintained and remote sensing for global groundwater developed rapidly， and several groundwater flow models at the continental to global scale have been developed. Because groundwater modeling is related to many trans-disciplinary fields including hydrogeology， hydrology， land surface processes， atmosphere， etc. ， there exist many challenges in global groundwater modeling. A global groundwater platform community is needed to include researchers from different disciplines， with the aim to promoting global groundwater modeling and coupling with earth system models. In order to meet the needs of earth system modeling in China， this paper suggests to accelerate national groundwater modeling， including establishing national hydrogeologic models， coupling groundwater models with the models of land processes， and promoting international collaboration to advance global groundwater modeling.
Keywords
groundwater ； global scale ； earth system models ； groundwater processes
