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超额抽水

超额抽水（英语：Overdrafting）指的是种抽取地下水的速率超过地下含水层的补给数量，让其无法达到动态平衡的过程。地下水是地球上最大的淡水来源之一。地下水枯竭，可比拟为从银行帐户提取的钱超过存入后的结果。地下水枯竭的主要原因就是超额抽水所造成。

过度开采地下水含水层会产生水资源顶峰（英语：Peak water）曲线。[1]

对于抽取地下水，有两种值得考虑的做法：安全产量和可持续产量。安全产量指的是在一段时间内，在不超过长期补给率或是不会影响含水层完整性的情况下而可抽取的数量。[2][3]而可持续产量是把补给率和地表水的影响列入考虑，做持续及无限期的抽取，而不会对水文产生负面影响的取水量。[4][5]

含水层有两种：封闭含水层和非封闭含水层。封闭含水层由称为难透水层（acquitard）的地层所包覆，通常难以穿过而从中抽水。非封闭含水层，因为没难透水层的阻隔，可自由从中抽取。从非封闭含水层中抽水，就像借用水一样：必须以适当的速度将水补充，而补给有透过人工或是自然的方式。[6]

补给不足会导致水资源枯竭，把含水层对人类的用处降低。水资源枯竭还会对含水层周围的环境产生影响，例如土壤压缩和地层下陷、当地气候变化、土壤化学变化以及其他的环境恶化。

参见：过度开发 § 水资源

机制

 
地下含水层图示，包括有封闭含水层、地下水流动时间、一个泉（右方溪流的源头），以及一口井。井下方地下水位（英语：water table）底部有个地层凹陷锥（英语：cone of depression）。

当从含水层中抽水时，会在钻井周围形成一个地层凹陷锥（英语：cone of depression）。抽水持续进行中，这个凹陷锥体的半径会随之扩大。抽取过多的水会导致负面影响，例如地下水位（英语：water table）因之下降、地层下陷和丧失流入溪流的地表水。在极端情况下，自然补给的水源开始直接从溪流和河流中汲取，而把溪河的水位降低。这会对野生动物，以及把水用于其他目的的人类产生影响。[6]

对含水层的自然补给是透过地表水的渗滤而发生。也可对含水层施以人工补给，例如将污水处理而得的再生水直接注入含水层（参见加利福尼亚州奥兰治县水区（英语：Orange County Water District）#Groundwater Replenishment System）。[7]奥兰治县水区收集废水，将其处理到适当的标准之后，以系统化方式将水泵入地下含水层。

由于各个地下水盆地的补给速度并不相同，具体取决于降水量、地面植被覆盖和土壤保护措施，因此可安全抽取的地下水量在世界各区域，甚至是各省/州之间的差异均很大。一些含水层需要很长时间才能完成补给，因此超额抽水会导致地下供水枯竭。含水饱和的岩石可支撑更多重量，但失去过多的水分，就会发生沉降，而导致含水层的容量降低。[8]

淡水数量的变化同时会受到干扰地下水补给的自然和人类活动（连同因而发生的气候变化）所影响。导致地下水枯竭的主要人为活动之一是灌溉。全球大约40%的灌溉水来源自地下水，而灌溉是导致全美国地下水储量流失的主要原因。[9]

世界各国抽取地下水灌溉面积排名

参见：灌溉对环境的影响（英语：Environmental impact of irrigation）
各国抽取地下水灌溉面积排名。[10]
国家 百万公顷（2.6百万英亩）
以地下水灌溉
印度（英语：Irrigation in India） 26.5
美国 10.8
中国 8.8
巴基斯坦（英语：Water resources management in Pakistan） 4.9
伊朗（英语：Irrigation in Iran） 3.6
孟加拉国 2.6
墨西哥（英语：Irrigation in Mexico） 1.7
沙乌地阿拉伯（英语：Irrigation in Saudi Arabia） 1.5
义大利 0.9
土耳其 0.7
叙利亚（英语：Water resources management in Syria） 0.6
巴西（英语：Irrigation in Brazil） 0.5

以上是根据每个国家采用地下水灌溉的农业用地面积所做的排名。这个问题在美国变得越来越重要（尤其是在加利福尼亚州），但在世界各地也是个持续存在的问题，例如1987年发生在印度旁遮普邦的案例 - 当地发生严重干旱，而又逢地下水枯竭，让当地政府须严肃考虑是否要对水稻种植成长予以限制的问题。[11]

美国

在美国，估计有800立方公里的地下水在20世纪内受到耗用。[9]城市和其他高度集中用水地区的发展对地下水资源产生压力。城市开发导致地表水和地下水之间减少相互作用（地表和地下之间的混合（互流（英语：interflow））变少），结果是地下水位因此枯竭。[12]

地下水补给率也受到地球温度升高的影响，地表蒸发和植物的蒸散作用随之升高，土壤含水量因而下降。[13]地下水储存受到人类行为如过度抽水而造成地下水位枯竭，以及气候变化的影响，地球水圈受到重塑，依赖地下水的生态系统也受到影响。[14]

地下含水层加速衰退

根据服务于美国地质调查局 (USGS) 水文学家Leonard F. Konikow[15]在2013年发表的的一份报告，美国在整个20世纪于大平原奥加拉拉蓄水层的消耗水量，仅在2001年至2008年期间抽取的就占有32%。[15]在美国，含水层水源的最大用户包括有农业灌溉、石油业和煤炭开采。[16]根据Konikow的说法，“美国地下水的累积耗用量在1940年代后期开始加速，并以几乎稳定的线性速度持续到世纪之末。地下水耗竭除会产生广泛已知的环境结果外，还会对供应的可持续性，以及满足国家用水需求产生不利的影响。[15]

USGS对美国66个主要含水层采水的另一项研究报告显示，抽取水的三大用途分别是灌溉 (68%)、公共供水 (19%) 和“工业自用”(4%)。其馀的8%则用于“生活自用、水产养殖、畜牧业、采矿业和供火力发电厂用途”。[17]

环境影响

超额抽水所产生的环境问题包括：

  • 地层下陷：由于缺乏水的支撑而导致的土地塌陷。有关地层下陷的首个有记录的案例在1940年代出现。地层下陷可小到局部性，也可大到整个地区。下陷的结果会造成基础设施和生态系统都受破坏。
  • 地下水位降低，让水更难流入溪流和河流
  • 地表水对含水层的补给减少，溪流和湖泊的水量也因而减少
  • 对依赖溪流和湖泊获取食物、水和栖息地的动物产生影响
  • 导致空气污染和水污染。
  • 由于地下水位降低，消费者的水价成本增加 - 需要更多的能源从更深的所在抽水，而增加营运成本，费用会转嫁给消费者
  • 缺水导致作物产量（英语：crop yield）减少（美国有60%的灌溉依赖地下水，这是种重大的风险）
  • 地球的水循环受到干扰

对气候的影响

含水层的水位降低（因超额抽水的缘故），以及抽取古地下水会导致海平面上升。 [18]由于大气中的水分含量增加会增加降水的机率，更有可能发生恶劣天气事件。大气中的水分会吸收热量，阻止其逸入太空，大气因此更为暖化，而加速水气蒸发。水气不是导致全球暖化的主要因素，但会透过与其他温室气体的作用而放大暖化的作用。[19]

社会经济效应

有些国家为满足不断增长的水需求而对含水层过度抽取，其中包括三大粮食生产国：中国、印度和美国。这三个国家，连同其他几个地下水位正在下降的国家的人口已超过世界人口的一半以上。[20]

水是生物和经济增长所必要，超额抽取会减少其供应量。根据李比希最低量定律，人口增长会因而受到阻碍。地下水位的下降会导致必须钻掘更深的井，使用更多的能源，而造成更高的成本。此外，越往深处抽水，水质就有越差的可能，而增加过滤的成本。盐和其他矿物质的含量增加会导致水质下降，是超额抽取的另一个后果。[21]

可能解决方案

为地下水做人为补给是种可行选择。但可用于补充的合适水量有限。[22]

在无法靠补给以解决问题的地区，也可采减少用水的策略（例如种植耗水量较少的作物）。[22][23]

参见

参考文献

  1. ^ Meena Palaniappan & Peter H. Gleick. The World's Water 2008-2009, Ch 1.. 太平洋技术学院（英语：Pacific Institute）. 2008 [2009-01-31]. （原始内容存档于2020-11-29）. 
  2. ^ Safe Yield. Water Education Foundation. [2022-12-19]. （原始内容存档于2023-06-07） （英语）. 
  3. ^ Safe yield. solareis.anl.gov. [2022-12-19]. （原始内容存档于2022-12-19）. 
  4. ^ Perennial/safe/sustainable yield. solareis.anl.gov. [2022-12-19]. （原始内容存档于2022-12-19）. 
  5. ^ SUSTAINABLE YIELD OF GROUNDWATER. Victor M. Ponce. May 2007 [2023-03-26]. （原始内容存档于2023-03-26）. 
  6. ^ 6.0 6.1 Lassiter, Allison. Sustainable Water Challenges and Solutions from California. University of California. July 2015. ISBN 9780520285354. 
  7. ^ Orange County Water District. [2023-08-18]. （原始内容存档于2019-12-23）. 
  8. ^ Land subsidence. The USGS Water Science School. United States Geological Survey. 2015-08-20 [2013-04-06]. （原始内容存档于2013-11-10）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Condon, Laura E.; Maxwell, Reed M. Simulating the sensitivity of evapotranspiration and streamflow to large-scale groundwater depletion. Science Advances. June 2019, 5 (6): eaav4574. Bibcode:2019SciA....5.4574C. ISSN 2375-2548. PMC 6584623  . PMID 31223647. doi:10.1126/sciadv.aav4574 （英语）. 
  10. ^ Black, Maggie. The Atlas of Water. Berkeley and Los Angeles, California: University of California Press. 2009: 62. ISBN 9780520259348. 
  11. ^ Dhawan, B. D. Ground Water Depletion in Punjab. Economic and Political Weekly. 1993, 28 (44): 2397–2401. JSTOR 4400350. 
  12. ^ Sophocleous, Marios. Interactions between groundwater and surface water: the state of the science. Hydrogeology Journal. February 2002, 10 (1): 52–67. Bibcode:2002HydJ...10...52S. ISSN 1431-2174. S2CID 2891081. doi:10.1007/s10040-001-0170-8 （英语）. 
  13. ^ Green, Timothy R.; Taniguchi, Makoto; Kooi, Henk; Gurdak, Jason J.; Allen, Diana M.; Hiscock, Kevin M.; Treidel, Holger; Aureli, Alice. Beneath the surface of global change: Impacts of climate change on groundwater. Journal of Hydrology. August 2011, 405 (3–4): 532–560 [2023-08-18]. Bibcode:2011JHyd..405..532G. S2CID 18098122. doi:10.1016/j.jhydrol.2011.05.002. （原始内容存档于2022-12-20） （英语）. 
  14. ^ Orellana, Felipe; Verma, Parikshit; Loheide, Steven P.; Daly, Edoardo. Monitoring and modeling water-vegetation interactions in groundwater-dependent ecosystems: GROUNDWATER-DEPENDENT ECOSYSTEMS. Reviews of Geophysics. September 2012, 50 (3). doi:10.1029/2011RG000383   （英语）. 
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 Konikow, Leonard F. Groundwater Depletion in the United States (1900–2008) (PDF) (报告). Scientific Investigations Report. Reston, Virginia: U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey: 63. [2023-08-18]. （原始内容存档 (PDF)于2013-06-15）.  |number=被忽略 (帮助)
  16. ^ Zabarenko, Deborah. Drop in U.S. underground water levels has accelerated: USGS. Washington, DC: Reuters. 2013-05-20 [2023-08-18]. （原始内容存档于2023-03-26）. 
  17. ^ Maupin, Molly A. & Barber, Nancy L. Estimated Withdrawals from Principal Aquifers in the United States, 2000. United States Geological Survey. July 2005 [2023-08-18]. Circular 1279. （原始内容存档于2023-03-20）. 
  18. ^ Rising sea levels attributed to global groundwater extraction. University of Utrecht. [2011-02-08]. （原始内容存档于2011-05-11）. 
  19. ^ Alan Buis. Steamy Relationships: How Atmospheric Water Vapor Amplifies Earth's Greenhouse Effect. NASA. 2022-02-08 [2023-03-26]. （原始内容存档于2023-03-31）. 
  20. ^ Flynn, Dave. Sustainable Development and Water Resource Scarcity. Archives of Business Research. September 2014, 2 (5): 12–28 [2023-03-26]. doi:10.14738/abr.25.438. （原始内容存档于2023-03-26）. 
  21. ^ Tara Moran, Janny Choy, and Carolina Sanchez. The Hidden Costs of Groundwater Overdraft. Water in the West. [2023-03-26]. （原始内容存档于2023-06-16）. 
  22. ^ 22.0 22.1 Lassiter, Allison. Sustainable Water. Oakland California: University of California Press. 2015: 186. 
  23. ^ Morison, J.I.L; Baker, N.R. Improving water use in crop production. Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2007-07-25 [2023-03-26]. doi:10.1098/rstb.2007.2175. （原始内容存档于2023-03-26）. 

外部链接

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