全球35.5%的人口居住在干旱区，覆盖了41.3%的陆地面积。地下水是干旱区的主要淡水水源，也是维系生态系统健康发展的重要基础，可靠评估地下水状态及其补给对于干旱区水资源可持续供给及生态系统平衡举足轻重。碳-14、氯-36、氪-81等同位素能够反映地下水年龄，因此常用来评估地下水驻留时间并计算地下水补给速率，但是其基本假设条件是地下水流动系统处于动态平衡状态且地下水年龄的分布由当前地下水流动过程控制。
已有的水文地球化学和同位素证据表明，全球的一些干旱区在一万年以前的晚更新世和早全新世时期气候相对潮湿，但是自早全新世以来气候逐渐干燥，降雨微不足道，难以形成有效的地下水补给（表1）。更新世-全新世气候转变扰动了水文循环，导致地下水补给速率快速下降，因此会驱动地下水流动系统向新的动态平衡转变。一般认为，地下水流动过程对水文扰动的响应一般以较快的压力波传播的形式发生，然而地下水溶质的迁移过程主要受到达西流速的控制，对水文扰动的响应较慢。因此，我们猜测虽然地下水流动系统对万年尺度的气候转变响应较快，但是地下水年龄分布对气候转变的响应却会非常滞后，可能仍然保留着晚更新世时期的分布特征。认识地下水流动过程和年龄分布对这一地质年代尺度水文扰动的响应规律，对于我们利用年龄同位素评估地下水补给速率具有重要意义。
表1.全球部分干旱区更新世-全新世气候转变前后地下水补给变化的文献总结
围绕以上背景，南京大学地球科学与工程学院谢月清教授开展了一系列数值实验，系统地分析了地下水补给急速下降对含水层地下水水流过程和年龄分布的潜在影响，阐明了更新世-全新世气候转变能够引起干旱区一些含水层地下水流动模式和地下水流动速度的变化，变化的快慢受到了含水层水力参数的影响。与此相比，含水层中地下水年龄的分布特征却具有较强的滞后性，年龄同位素会随着地下水流向下游迁移，迁移快慢也受到了一些含水层水力参数的影响，但是研究结果显示地下水年龄分布规律仍然保留着晚更新世时期的特征，与我们开始的猜测吻合（图1）。由此，该理论工作提出了“groundwater age persistence”的概念，指出了一些干旱区的地下水年龄分布可能更多地反映了古气候条件下的地下水补给。该工作同时倡议开展更多跨领域的合作、获取多种类的年龄同位素数据以及采集更加精细的地下水年龄分层数据，以便更加准确地理解地下水水流和年龄的状态特征，从而更加可靠地评估地下水补给速率。这一工作虽然研究了万年尺度的更新世-全新世气候转变对地下水的影响，但是地下水水流和溶质迁移过程对水文扰动的响应差异具有普遍性，因此这一工作对于分析海平面变化、海侵-海退循环、大规模森林砍伐、植树造林等全球或区域水文扰动过程对地下水的影响也具有非常重要的借鉴意义。
图1.不同厚度含水层的地下水流动过程与年龄分布特征在早全新世（1 yr）和当前（10,000 yr）的对比。A和B为厚度100米的含水层模拟结果，C和D为厚度10,000米的含水层模拟结果（极端情况）。左列显示地下水流场，右列显示地下水年龄分布。图中结果显示地下水补给下降后，流场变化较明显，但是年龄分布规律却没有太大变化（A和B对比、C和D对比）。
相关研究成果于2022年3月以“Groundwater age persistence in topography-driven groundwater flow over paleohydrogeologic time scales”为题发表于《Geology》。论文第一和通讯作者均为南京大学谢月清教授，此研究得到了国家自然科学基金、南京大学登峰人才支持计划B层次和江苏特聘教授项目的联合资助和支持。
论文链接：https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/doi/10.1130/G49842.1/612790/Groundwater-age-persistence-in-topography-driven