科学通报|全球河川径流超过一半来自地下水维持的基流|地表水|基流|径流|水文|河川|科学通|补给量|陆面

降雨及冰雪融水在重力作用下沿地表或地下流动的水流称为径流。通常，径流可以按水源划分为地表径流、壤中流、地下径流。地表径流是指在地面产生并在地面流动的径流；壤中流是指在土壤中流动的径流；地下径流是指水流入渗到地下含水层后通过地下水再汇入河川的径流。地表径流与壤中流一般汇流速度快，短时间就可以到达河道；而地下径流汇流速度较慢，有些河流在降水结束数月后地下径流依然在缓慢汇流，这也是河流在非雨季维持河道不断流的重要原因。因此，地下径流通常被称为“基流”，寓意“基本流量”。我国黄河源区基流占径流的比例约为65%，美国密西西比河流域约为50%，科罗拉多河上游约为56%。

由于地表水和地下水中的污染物浓度不一样，基流大小直接影响河流的污染物浓度。此外，基流在调节河流水温、为鱼类提供全年性栖息地等生态系统服务中有重要作用。准确评估河流的基流指数（基流与径流之比），对于理解地下水与地表水交互作用、模拟污染物运移、优化水资源配置、保障水安全与粮食安全等至关重要[1,2]。

基流的形成涉及到降水入渗、包气带水分运移、潜水层地下水向河道补给等过程，一般用水化学示踪方法来观测基流，然而水化学示踪方法费时费力，难以在全球大范围开展。水文模型、陆面模型、地球系统模式等机理模型通常简化地下水模拟，导致全球基流指数的估算存在较大争议：美国普林斯顿大学的研究认为全球基流指数为71%；全球陆面数据同化系统的Noah陆面模式计算的全球基流指数为86%；政府间气候变化专门委员会（The Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次评估报告认为全球基流指数不超过28%。

一项研究整合了全球约1.55万个小流域的水文资料，评估并约束第六次耦合模式比较计划（The sixth phase of the Coupled Model Intercomparison Project，CMIP6）中的50个地球系统模式，得到较为合理的全球基流指数[3]。该研究为地下水在径流形成中的重要作用提供了新的理解，强调了地球系统模式水文过程模拟能力的提升对于准确预测水资源变化的重要性。

研究发现，50个地球系统模式模拟的全球基流指数差异较大，基流指数从12%到94%不等（图1）。该研究构建了基于观测约束的基流指数估算方法，方法的核心是识别多个地球系统模式之间可观测变量X与不可观测变量Y之间的关系。本研究中，X代表1.55万个流域的平均基流指数，而Y则是全球基流指数。利用50个地球系统模式的模拟结果，可以绘制出50个(X, Y)点，随后通过最小二乘回归分析来确定地球系统模式模拟的X-Y关系。最终，将变量X的观测值（基于观测的1.55万个流域平均基流指数）代入以上的X-Y关系中，得到全球基流指数为59%。在三条有水化学示踪剂观测的河流（亚马逊河、密苏里河、科罗拉多河），验证了研究方法的可靠性。

地下水补给是指雨水或冰川积雪融水下渗到地下含水层的水量。除了少部分被蒸发消耗掉之外，大部分地下水补给最终会以基流的形式排入河流，因此基流大小代表了地下水补给量的下限。由于缺乏观测数据，以往对全球地下水补给量的估算主要依赖于全球水文模型，不同模型之间差异较大。例如，两个全球水文模型WaterGAP和PCR-GLOBWB模拟的地下水补给率（地下水补给量与降水量的比值）分别为15%和24%[4]。本研究得到的基流指数（59%）乘以全球径流系数（径流与降水的比值，ERA5-Land数据库为35%），可以得出地下水补给率的下限为21%。这表明IPCC第六次评估报告中的全球水循环通量图低估了地下水补给率（该报告中的地下水补给率为11%）[5]。地下水对蒸散发和径流的贡献可能远大于IPCC第六次评估报告的结果。本研究结果与最近一项基于观测数据的全球地下水补给量评估结论较为接近一致[6]。

基于观测数据和可解释的机器学习方法，发现土壤与基岩属性是基流指数空间分布差异的首要影响因素，可以解释基流指数空间差异的31%；而大部分地球系统模式认为降水量是首要影响因素。地球系统模式大多不能模拟土壤大孔隙流在渗透中的关键作用，许多地球系统模式对于水文地质条件的简化处理，也可能导致模拟与实际的水文要素存在偏差。未来可从以下方面改进地球系统模式的地下水模拟：增加土壤大孔隙快速水分下渗的过程表达、改善地下水与植被间的相互作用模拟、加强含水层导水系数的空间异质性表征。原文发表在Nature Geoscience[3]。

图1 1.55万个小流域基于观测计算和CMIP6地球系统模式模拟的基流指数。(a) 基于12种基流分割方法从日流量观测数据计算出的基流指数；(b) 50个CMIP6地球系统模式的多模型平均基流指数；(c) 基于观测和模拟基流指数的密度散点图；(d) 50个CMIP6地球系统模式模拟的基流指数纬度分布。该图据文献[3]修改

推荐阅读文献

1 Kuang X, Liu J, Scanlon B R, et al. The changing nature of groundwater in the global water cycle. Science, 2024, 383: eadf0630.

2 Xu N, Lu H, Li W, et al. Natural lakes dominate global water storage variability. Sci Bull, 2024, 69: 1016-1019

3 Xie J, Liu X, Jasechko S, et al. Majority of global river flow sustained by groundwater. Nature Geoscience, 2024, 17: 770–777.

4 Berghuijs W R, Luijendijk E, Moeck C, et al. Global recharge data set indicates strengthened groundwater connection to surface fluxes. Geophysical Research Letters, 2022, 49: e2022GL099010.

5 Masson-Delmotte V, Zhai P, Pirani S, et al. IPCC, 2021: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York: Cambridge University Press, 2021.

6 Berghuijs W R, Collenteur R A, Jasechko S, et al. Groundwater recharge is sensitive to changing long-term aridity. Nature Climate Change, 2024, 14: 357-363.