“氣侯變化真正影響人類生活和人類福祉是通過影響水循環而起作用的，所以我們必須來研究水循環。”
龐忠和 中科院地質與地球物理研究所研究員
很多小朋友小時候都喜歡玩打水漂。用個石子，在水塘上面打一下或者用石子在水井裡面“叮咚”一下，我們就可以投石問水。
這是小時候玩的事，不知不覺我跟水打交道已經40年左右了，所以這一輩子就成了一個打水漂的。
今天我跟大家分享打水漂的故事，把它說得比較神秘一點兒就是破解水循環的密碼。
本文轉載自微信公眾號“格致論道講壇”（ID: SELFtalks），原文首發於2021年1月13日，原標題為《在南水北調之前，北京人每喝4杯水就有3杯來自地下 | 龐忠和》，不代表瞭望智庫觀點。
什麼是水循環？
為什麼要說水循環？現在全世界最熱的話題就是氣侯變暖、全球變化。
說到全球變化就是氣溫升高一兩度。有人說，在家把空調調一下不就結了嘛？哪有那麼可怕。
其實，氣侯變化真正影響人類生活和人類福祉是通過影響水循環而起作用的，所以我們必須來研究水循環。
水循環變化以後，會發生很多很可怕的事情。比方說，最近澳大利亞的山火、長期的乾旱 。
新疆是世界上三個最乾旱的極端乾旱區之一，可是新疆現在時不時會發生洪水現象。
還有大家熟悉的南北極冰蓋的融化，北極熊已經快要失去它的家園了。
這些實際上都是在氣侯變化影響下，水循環發生了改變。
舉一個例子就是北京2012年7月21號特大暴雨造成了洪水災害，使得我們這個城市發生了特大的洪澇，造成了很多生命財產的損失。
它是怎麼發生的？我們需要回答這樣的問題。
水循環其實不是一個新的學問，它已經是人類很古老的一個學問，水的循環從大的格局上講是海面因為太陽的輻射導致蒸發，蒸發的水汽到了大氣中參與大氣的水循環。
水循環向內陸不斷地循環，不斷把水汽運移到大陸再以降雨的形式，在不同的地方落下來，在地面上形成徑流形成湖泊、河流，然後再滲入到地下含水層。
經過這些循環之後，千流歸大海，這是我們看到的地球表面的水循環過程。
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水循環的原子密碼
水循環過程看起來很簡單，實際上還是有很複雜的規律的。
這裡我們也看到了火山，火山噴發的時候會從地球深部帶出地球內部的水，這就是水循環的大的格局。
在分子層面上看，水就是兩個氫加上一個氧，但是從原子層面上來看，實際上氫原子和氧原子都是差別很大的。
把不同的氫原子和氧原子組合起來，氫有氫1、氫2、氫3、氧有氧16、氧17和氧18。
在原子層面上可以組合成十幾種不同的水，如果說重同位素比較多的水和輕同位素的水相比的話，質量差別是很大的。
一頭兒是大象，一頭兒是老鼠，利用這個差別可以來追蹤水循環，理解它的機理、掌握它的變化、預測它的未來。
這張圖就變成了原子的水循環，它的格局跟前面看到的是類似的，但是我們在雲上都標上了它的原子和同位素。
這個過程的特點是什麼？
質量比較大的同位素在降雨的過程中都會損失掉，留在雲團裡邊的都是一些質量比較小的同位素。
這樣就越來越輕，隨著它爬坡上山，最後到達喜馬拉雅山。
所以能夠登到山頂的都是小個兒子，即質量比較小的原子，不同地方下的雨的同位素是不一樣的。
利用這個可以來追蹤水循環。
這裡邊還有一部分就是放射性的同位素，水當中有一個氚就是氫原子。有氫1、氫2和氫3。
當從英文翻譯成中文的時候，有翻譯得比較漂亮的例子。
可口可樂算一個，還有一個翻得比較好的就是氕、氘、氚。
氣字下面放一撇、兩撇和三撇，氕氘氚就是氫1、氫2和氫3。
氫3是放射性同位素，像個時鐘一樣，它可以幫助我們跟蹤地下水，掌握它的年齡。
什麼叫年齡呢？
地下水從大氣到達地下時開始，直到採樣拿到它，所經過的時間就是它的年齡。
又有了循環過程，就解開了水循環的循環機理，這個就是要解的水循環密碼。
2
破解原子密碼的用處
兩個燒杯，一個燒杯裡面裝的是來自西藏拉薩的降水即自來水，另外一個是來自陝西西安市的自來水。
聞，聞不出來，喝也嘗不出來。
就好比是左邊是5100的水,右邊是農夫山泉這樣的水是嘗不出來的。
但是要是把它們的同位素分析一下就可以馬上告訴你，哪個水是5100，哪個水是低的平原上出來的水，就能夠把它區別開來了。
這個道理有什麼用處？
比方說我想識別一下葡萄酒，有人說這個就是產自正宗法國波爾多的葡萄酒，如果我懷疑這個葡萄酒是產自其他地方，比如說南美的智利或是北歐等地方生產的葡萄酒。
就可以用同位素比較、識別一下還可以破案。
我們聽說過這樣的例子，有一種信封炸彈，從製造這個炸彈的水的蛛絲馬跡中，追到了這個原子，把案子破了，所以做這個工作是很有用的。
怎麼做呢？
我們要先通過檢測掌握圖譜，我在國際原子能機構維也納總部做過幾年同位素水文學的專家。
全球的觀測工作大概有400多個站點，連續將近60年的觀測，把全球的水的同位素掌握了。
靠近赤道的水，重同位素比較多。靠近兩極的水重同位素比較貧化。
這樣我們就可以拿這個圖譜來識別不同地方的水，在北京的7.21洪水發生以後，我們發覺觀測很有用，於是就設計了一個在北京市的高密度的觀測網。
這個觀測網有300多個點，我們可以實時跟蹤身邊的水循環變化。
現在我們國家的圖譜做出來了，從南往北隨著緯度增加，水的重同位素是不斷貧化的。
所以不同地方的水，我們知道它們的同位素成分，不過青藏高原是個例外，因為它的高程特別高。
那個地方水的重同位素很貧化，真正能夠爬到喜馬拉雅山山頂上的都是些小個兒子。
我們用什麼樣的辦法呢？
用先進的測試儀器即激光測試儀器來測水中的氚，我們的實驗室在世界上是排位比較高的。
我們現在有非常好的做水循環解碼的核武器。
這是中科大的盧徵天教授團隊研發的，新型的能夠測水當中溶解的惰性氣體氪、氬。
通過惰性氣體能夠給地下水定年齡，這個年齡可以從幾年一直到100多萬年，就是我們的新手段。
地球上有幾種水？
我有一個美國朋友是美國科學院的院士，現在已經去世了。他有一次國際大會上做主旨報告講到他一生的科研追求就是想知道地球上到底有幾種水？
實際上現在看來地球上，讓我講的話就三種水。
第一種是來自大氣的，天上的水。從降雨、降雪到地表的河流、湖泊到地下水、含水層這都叫大氣水。
第二種是來自巨大的海洋，海洋佔地球表面四分之三的面積。
第三種是來自地球內部，跟著火山噴發上來的巖漿水，當然還有很多沒上來的。
自然界遇到的水，就是這三種水經過不同比例的混合，加上它們自身的演化。
3
水循環解密技術的應用
下面我跟大家分享幾個例子，告訴大家我們是怎麼解碼不同的水循環？
我們先舉個例子就是大氣水，就是北京7.21洪水。
北京7.21很特別，在不到24小時時間內降雨量達到了460毫米，而北京常年的年平均降雨量只有600毫米。
一晝夜降了超過50%的水量是什麼原因呢？
我們正好在北京房山石花洞那裡抓住了它，每隔15分鐘一次採樣把它的同位素演化過程記錄下來了，做成了這樣的圖。
把降水的量的變化、溫度的變化和同位素的變化進行對比，用理論模型做一下計算，我們發覺這個原因是由於兩股水汽在這裡混合了。
一股是西太平洋的水汽，還有一股是來自印度洋的水汽，恰好在那一天聚在一起。
當時的評價是這是60年才發生一次的降雨事件。
再看一下地表水。
幾年前的夏天我跟隨院士天山南北行到新疆考察水資源，結果我們車開到半路上就不能走了要停下來。
為什麼要停下來呢？
說是前面山洪爆發，有洪水過來了。
有的老院士跟我講，要不是在這兒親眼看見，你跟我們說多少遍我們都不會相信新疆會有洪水。
我們都不相信，但是真就是發生了。
它為什麼會發生呢？
為了解一解這個密碼，我們就追蹤到冰川河到託木爾峰，託木爾峰是7000多米的高程。
我們到冰川前沿去考察，在冰川前沿搭帳篷，住在這個地方，這叫與狼共舞。
為什麼叫與狼共舞？
因為那裡海拔很高，自然條件很差、很荒涼，同時還有野生動物，有狼、熊等這些動物。
我因為年齡比較大一點兒，就給我單獨一個小帳篷，他們20個人一個大帳篷抱團取暖，相互可以照顧。
我一個人睡小帳篷，說是給我優惠待遇，可是我睡到半夜卻睡不著。
我睡不著的原因不是因為睡袋不暖和，而是我不踏實，覺得帳篷周圍好像總是有個大動物在那裡嗅，呼哧呼哧在聞人的氣味。
但是隻有這樣，我們才能夠摸到冰川河的脈搏，摸到了以後我們恍然大悟，河水裡邊的增量是來自冰川的融化。
冰川的融化在南疆、北疆差別很大，南疆對氣侯變化的反應特別敏感，新疆降水和氣溫的變化都很大。
但是南疆的響應更強烈，那再追到天山一號冰川，一號冰川在過去50年退縮了差不多15%左右。
原來是個連在一起的冰川到現在以後就分成兩個。
這就是全球變暖，氣溫升高以後冰川融化退縮的結果。
它一融化下面的出山徑流增加了，不該有水的時候來水，水太多就造成了洪水。
我們把這個瞭解清楚之後就給新疆做了一個建議，把多餘的、融化的水放到地下存起來，建一個地下水庫。
這個現在已經做起來了，據說現在還要向西北的陝西推廣，這是應對氣侯變化的一個辦法。
但還是要先解碼。
然後再跟大家分享一下解碼地下水。
地下水是我們的主攻對象，因為地下水在地下，看不見摸不著。
我們生活在北京，在南水北調的水進京之前，我們每喝四杯水就有三杯來自地下。
我們依賴地下水實在是依賴得很厲害，但是我們在北京又是屬於很幸運的一族人。
為什麼呢？
因為我們喝的水都是幾千年、上萬年老祖宗給我們留下來的水，水質非常好。
經過多年的淨化，現在南水北調的水進京以後大概有四分之一的水是南水北調的水了。
現在的這個情況，有一個新的形勢的改變，解碼的任務就更重了。
這是全球乾旱區的分佈，這些地方是研究地下水的重點地區。
再講一個故事就是黃土水經注，酈道元寫的《水經注》，他寫了2000年的水的變遷歷史，我們在黃土高原做水，所以黃土當中的水基本上也做到了2000多年的故事。
黃土區入滲是大氣入滲下來到達地下水位在西北地區做生態修復，我們發現陝北的效果非常好，現在陝北已經是綠色一片了。
我前不久到延安去了一趟，我感到特別震撼的是黃土坡上竟然出青苔了，我說這個太好了，可是再往北一點兒生態修復就很難。
那裡樹就是長不大，長成老頭樹就是每年葉子綠一下，然後又不行了，枝幹長不起來。
它是什麼原因呢？
根本就是在這個土體當中的含水量的問題。
如果說是退耕還草、還林，還在一些不適用的地方那裡的地下水位會下降，要把這個弄清楚就可以適應。
我們把黃土裡邊的地下水年齡做出來，我們發現這裡地下水的年齡是秦始皇時代的，所以黃土水經注差不多是寫了2000年，對我們生態修復的關係非常密切。
那麼我們既然有這麼強的氣侯變化該怎麼應對？
我們應對的辦法是用更多的可再生能源，其中地熱能就是特別清潔、穩定，特別寶貴的清潔能源，我們在全國去解碼找地熱水。
這些是我們找到的一些比較富集的地方。
最近比較有意思的現象是在青藏高原，青藏高原的喜馬拉雅的構造就是印度版塊和歐亞版塊碰撞的時候，東西有兩個拐彎的地方。
這兩個地方叫構造結，構造結過去被認為是沒有高溫地熱的，可是現在我們發現都有高溫地熱，西邊有西藏和川西這個地方的高溫地熱。
這裡是熱火朝天的新疆最西邊的地方叫塔什庫爾幹。
塔什庫爾幹原來只有60度的溫泉，可是我們去調查解碼以後，我們發覺深部有高溫，於是新疆自治區連續勘探，結果就在這個地方打到了。
我們推算的熱儲溫度可以有250度，他們現在已經打到了井口144度的非常寶貴的熱水，這個當地將來用於供暖利用是會非常好的。
然後我們到陝西的關中盆地，這裡不僅地熱資源很豐富，氦氣資源也很豐富。
那麼原因是什麼呢？
我們來做這個解碼，發現這個地方地下水的年齡可以老到130萬年，這是我們國家地下水裡面測到的最老的年齡。
我們用最新的方法跟科大的盧徵天老師團隊合作，測出來這樣的年齡就能夠解釋，為什麼這裡地熱資源豐富同時氦氣又很豐富。
我們解碼的工作是面對全世界的，我們還在努力地想認識巖漿水在什麼地方？哪些地方有巖漿水？
高溫地熱系統到底是不是都是巖漿水造成的？
這樣我們就去世界四大地熱帶解碼，先走環太平洋帶這個叫火環之旅。
環太平洋的火山到處都是，在這裡我們找到了巖漿水。
巖漿水是一個國際合作項目，是我在維也納的時候負責的一個項目，有10個國家、20多個地熱區參與一起來做這個事。
這裡打井開發地熱已經靠近火山口了，鑽井鑽著鑽著後面火山就噴發了，那就要趕快跑。
人都跑掉了，鑽機就受到了損失，現在人類開發地熱已經到了緊挨著火山口的地方，恨不得直接去打巖漿。
但是危險性很大，同時流體成分也比較複雜，水循環解碼就任務就更艱鉅。
但在這個地方，我們逮著了巖漿水，巖漿水最早的解碼工具就是這樣的一條線，這是60年前（Hamon Craig）設計的降水線。
經過這麼多年的努力，我們已經把1條線變成13條線，有了右邊這張圖。
我們基本上把水循環當中的密碼的基因圖譜做出來了，中國學者在世界上發文章的數量和被引用的數量在過去20年裡是指數增長，所以對世界的貢獻逐漸增大。
然後我們參與國際水文科學協會應對氣侯變化的水文計劃，最近亞太貿易協定簽署了。
我們做的區域正好是這裡，在國際原子能機構的資助下，由我們中國牽頭正在開展一個更大尺度的水循環解碼幫助那些需要幫助的國家。
這個事情我們持續做了多年，中科院地質地球所在健德門北土城西路，旁邊有一條河叫小月河，小月河很美。
在這個地方容易培養對水的親近感、對水的情懷，所以我們這個團隊在持續地追蹤水循環，力圖破解各種複雜的水循環的密碼。
我們運用這些規律，為人類服務、為應對氣侯變化、為水資源的可持續開發利用服務。
所以我也借這次機會感謝我的團隊，還有我的眾多的合作者們。
謝謝大家！
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