文章转载自“格致论道讲坛”
“几年前的夏天，我跟随院士天山南北行到新疆考察水资源。结果车开到半路上就不能走了，需要停下来。原因是前面山洪暴发，有洪水过来了。”
庞忠和
中科院地质与地球物理研究所研究员
很多小朋友小时候都喜欢玩打水漂。用个石子，在水塘上面打一下或者用石子在水井里面“叮咚”一下，我们就可以投石问水。这是我们小时候玩的事情。
不知不觉我和水打交道已经40年左右了，所以这一辈子就成了一个“打水漂”的。今天我和大家分享打水漂的故事，把它说得比较神秘一点儿就是破解水循环的密码。
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什么是水循环？
为什么要讲水循环？现在全世界最热的话题是气侯变暖、全球变化。大家一般认为的全球变化就是气温升高一两度。有人会说：“在家把空调温度调一下不就解决了嘛？哪有那么可怕。”
其实，气侯变化真正影响人类生活和人类福祉是通过影响水循环而起作用的，所以我们必须研究水循环。
水循环变化以后，会发生很多很可怕的事情。比如，澳大利亚的山火、长期的干旱。
另外，新疆是世界上三个最干旱的极端干旱区之一，可是新疆现在时不时会发生洪水现象。还有大家熟悉的南北极冰盖的融化，北极熊已经快要失去它的家园了。这些实际上都是在气侯变化的影响下，水循环发生了改变。
举个例子，北京2012年7月21日特大暴雨造成了洪水灾害，使得这个城市发生了特大洪涝，造成了很多生命财产的损失。它是怎么发生的？我们需要回答这样的问题。
水循环其实不是一门新的学问，它已经是人类很古老的一门学问。从大的格局上讲，水循环是海面因为太阳的辐射导致蒸发，蒸发的水汽到了大气中，参与大气的水循环。
水循环向内陆不断地循环，不断把水汽运移到大陆，再以降雨的形式在不同的地方落下来，在地面上形成径流、湖泊和河流，然后再渗入到地下含水层。
经过这些循环之后，千流归大海，这是我们看到的地球表面的水循环过程。水循环过程看起来很简单，实际上还是有很复杂的规律。
在图片中我们可以看到像火山的冰川，其实火山喷发的时候会从地球深部带出地球内部的水，这就是水循环的大的格局。
在分子层面上看，水就是两个氢加上一个氧。但从原子层面上来看，氢原子和氧原子实际上差别很大。如果我们进行排列组合，把不同的氢原子和氧原子组合起来，在原子层面上可以组合成十几种不同的水。氢有氢1、氢2、氢3，氧有氧16、氧17和氧18。
在这个层面上，我们举一个比较夸张的例子。如果重同位素比较多的水和轻同位素的水相比，质量差别是很大的，一头儿是大象，一头儿是老鼠。我们可以利用这个差别来追踪水循环，理解它的机理，掌握它的变化，预测它的未来。
这张图展示的是原子的水循环。它的格局和前面讲的是类似的，但我们在云上都标上了它的原子和同位素。
这个过程的特点是什么？质量比较大的同位素在降雨的过程中都会损失掉，它们会先掉在地面上，留在云团里的都是一些质量比较小的同位素。这样就越来越轻，随着它们爬坡上山，最后到达喜马拉雅山。所以能够登到山顶的都是小个子，即质量比较小的原子。
这其中就有一个规律：不同地方下的雨的同位素是不一样的。我们可以利用这个规律可以来追踪水循环。
这个过程中还有一部分是放射性的同位素，水当中有一个氚，氢原子有氢1、氢2和氢3。
大家知道有一些把英文翻译成中文比较漂亮的例子，比如可口可乐，还有翻得比较好的就是氕、氘、氚。气字下面放一撇、两撇和三撇，氕、氘、氚就是氢1、氢2和氢3。氢3是放射性同位素，像个时钟一样，它可以帮助我们跟踪地下水，掌握它的年龄。
什么是地下水的年龄呢？地下水从大气到达地下时开始，直到采样拿到它，所经过的时间就是它的年龄。有了年龄，又有了循环过程，我们就解开了水循环的循环机理，这个就是要解的水循环密码。
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破解水循环的原子密码有什么用？
解密码有什么用呢？比如，我拿出来两个烧杯，一个烧杯里装的是来自西藏拉萨的降水，即自来水，另外一个是来自陕西西安市的自来水。
我们闻也闻不出来，喝也尝不出来它们分别来自哪里。这就好比是左边是5100的水，右边是农夫山泉，我们也是尝不出来的。
如果把它们的同位素分析一下，我们就可以马上得知，哪个水是5100，哪个水是低的平原上出来的水，就能够把它们区别开来了。
这个道理有什么用处？比如，我想识别一下葡萄酒，有人说这是产自正宗法国波尔多的葡萄酒，如果我怀疑这个葡萄酒产自其他地方，比如南美的智利或北欧，我就可以用同位素来比较、识别一下。
这个道理还可以用来破案。我们听说过这样的例子，有一种信封炸弹，从制造炸弹的水的蛛丝马迹中，追到了原子，把案子破了，所以做这个工作是很有用的。
我们怎么做这个工作呢？我们要先通过监测来掌握图谱，我在国际原子能机构维也纳总部做过几年同位素水文学的专家。全球的观测工作大概有400多个站点，经过连续将近60年的观测，已经掌握了全球的水的同位素。靠近赤道的水，重同位素比较多；靠近两极的水重同位素比较贫化。
这样我们就可以拿这个图谱来识别不同地方的水。在北京的7.21洪水发生以后，我们发觉观测很有用，于是就设计了一个在北京市的高密度的观测网。这个观测网有300多个点，我们可以实时跟踪身边的水循环变化。
现在我们国家的图谱已经做出来了，从南往北随着纬度增加，水的重同位素是不断贫化的。我们知道不同地方的水的同位素成分，不过青藏高原是个例外，因为它的高层特别高。青藏高原的水的重同位素很贫化，真正能够爬到喜马拉雅山山顶上的都是些小个子。
我们用什么样的办法呢？我们用先进的测试仪器，即激光测试仪器来测水中的氚，我们的实验室在世界上是排位比较高的。
我们现在有非常好的做水循环解码的核武器。这是中科大的卢征天教授团队研发的新型技术，能够测水当中溶解的惰性气体氪、氩。通过惰性气体能够给地下水定年龄，这个年龄可以从几年一直到100多万年，这就是我们的新手段。
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地球上有几种水？
我有一个美国朋友，他是美国科学院的院士，现在已经去世了。有一次他在国际大会上做主旨报告，讲到他一生的科研追求就是想知道地球上到底有几种水？实际上现在看来，让我讲的话地球上就有三种水。这三种水可以说是亲水，即父亲级的水。
第一种水来自大气，即天上的水。从降雨、降雪到地表的河流、湖泊，再到地下水、含水层，这些都是大气水。第二种水来自巨大的海洋，海洋占地球表面四分之三的面积。第三种水来自地球内部，跟着火山喷发上来的岩浆水，当然还有很多没上来的。
自然界遇到的水，就是这三种水经过不同比例的混合，加上它们自身的演化。
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如何解码不同的水循环？
下面我跟大家分享几个例子，告诉大家我们怎么解码不同的水循环？
我们先举个大气水的例子，就是北京7.21洪水。北京7.21洪水很特别，不到24小时降雨量达到了460毫米，而北京常年的年平均降雨量只有600毫米。一昼夜降了超过50%的水量是什么原因呢？
我们正好在北京房山石花洞那里抓住了它，每隔15分钟一次采样，记录下来它的同位素演化过程，做成了模型图。
我们把降水量的变化、温度的变化和同位素的变化进行对比，用理论模型做了计算，我们发觉是由于两股水汽在这里混合了。一股是西太平洋的水汽，还有一股是来自印度洋的水汽，恰好在那一天聚在了一起。当时的评价是，这是60年才发生一次的降雨事件。
我们再来看一下地表水。几年前的夏天，我跟随院士天山南北行到新疆考察水资源，结果我们车开到半路上就不能走了，需要停下来。
为什么要停下来呢？原因是前面山洪暴发，有洪水过来了。有的老院士和我讲，要不是在这儿亲眼看见，你和我们说多少遍，我们都不会相信新疆会有洪水。我们都不相信，但是真的发生了。
它为什么会发生呢？为了解一解这个密码，我们就追踪到冰川河、到托木尔峰，托木尔峰是7000多米的高程。我们到冰川前沿去考察，在冰川前沿搭帐篷，住在这个地方，这可以说是与狼共舞。
为什么叫与狼共舞？因为那里海拔很高，自然条件很差、很荒凉，同时还有野生动物，有狼、熊等这些动物。
因为我年龄比较大一点儿，就给我单独一个小帐篷。他们20个人一个大帐篷抱团取暖，可以相互照顾。我一个人睡小帐篷，虽然是给我优惠待遇，可我到了半夜却睡不着。
我睡不着的原因不是因为睡袋不暖和，而是我不踏实。我总觉得帐篷周围好像总是有个大动物在那里嗅，呼哧呼哧在闻人的气味。
但是只有这样，我们才能够摸到冰川河的脉搏。摸到了以后我们恍然大悟，河水里的增量来自于冰川的融化。
冰川的融化在南疆、北疆差别很大，南疆对气侯变化的反应特别敏感，响应更强烈，新疆降水和气温的变化都很大。
我们再追到天山一号冰川，一号冰川在过去50年退缩了差不多15%左右。它原来是个连在一起的冰川，直到现在就分成两个。这就是全球变暖，气温升高以后冰川融化退缩的结果。它一融化，下面的出山径流增加了，不该有水的时候来水，水太多就造成了洪水。
了解清楚之后，我们就给新疆做了一个建议，把多余的、融化的水放到地下存起来，建一个地下水库。现在这个已经做起来了，据说还要向西北的陕西推广，这是应对气侯变化的一个办法。我们需要先解码。
再和大家分享一下解码地下水。地下水是我们的主攻对象，因为地下水在地下，看不见摸不着。
我们生活在北京，在南水北调的水进京之前，我们每喝四杯水就有三杯来自地下。我们非常依赖地下水，但是在北京我们又是属于很幸运的一族人。
为什么呢？因为我们喝的水都是几千年、上万年老祖宗给我们留下来的水，经过多年的净化，水质非常好。
现在南水北调的水进京以后，大概有四分之一的水是南水北调的水了。现在有一个新的形势的改变，解码的任务就更重了。
这是全球干旱区的分布，这些地方是研究地下水的重点地区。
再讲一个黄土水经注的故事。在郦道元的《水经注》中，他写了2000年的水的变迁历史。我们在黄土高原做水，黄土当中的水基本上也做到了2000多年的故事。如下图，黄土区入渗是大气入渗下来到达地下水位。
我们在西北地区做生态修复，发现陕北的效果非常好，现在陕北已经是绿色一片了。我前不久到延安去了一趟，我感到特别震撼的是，黄土坡上竟然出青苔了。我觉得这太好了，可是再往北一点儿生态修复就很难。
那里的树就是长不大，会长成老头树，即每年叶子绿一下，然后又不行了，枝干长不起来。这是什么原因呢？根本原因就是在这个土体当中的含水量的问题。
如果退耕还草、还林还在一些不适用的地方，那里的地下水位就会下降。我们把这个弄清楚就可以适应。
我们把黄土里边的地下水年龄做出来，发现这里地下水的年龄是秦始皇时代的，所以黄土水经注差不多是写了2000年，对我们生态修复的关系非常密切。
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水循环解密技术的应用
那么，既然有这么强的气侯变化，我们该怎么应对？我们应对的办法是用更多的可再生能源，其中地热能就是特别清洁、稳定和宝贵的清洁能源。我们在全国去解码找地热水，找到了一些比较富集的地方。
最近比较有意思的现象是在青藏高原，青藏高原的喜马拉雅的构造就是印度版块和欧亚版块碰撞，东西有两个拐弯的地方，这两个地方叫构造结。
构造结过去被认为是没有高温地热的，可是现在我们发现都有高温地热。西边的西藏和川西都有高温地热，这里是热火朝天的。
新疆最西边的地方是塔什库尔干。塔什库尔干原来只有60度的温泉，可是我们去调查解码以后，发觉深部有高温。于是新疆自治区连续勘探，结果就在这个地方打到了。
我们推算的热储温度可以有250度，他们现在已经打到了井口144度的非常宝贵的热水，将来当地用于供暖利用会非常好。
然后我们到了陕西的关中盆地，发现这里不仅地热资源很丰富，氦气资源也很丰富。那么原因是什么呢？
我们来做这个解码，发现这个地方地下水的年龄可以老到130万年，这是我们国家地下水里测到的最老的年龄。我们用最新的方法和中科大的卢征天老师团队合作，测出来了这样的年龄。这就能够解释，为什么这里地热资源丰富的同时氦气又很丰富。
我们解码的工作是面对全世界的，我们还在努力，想要认识岩浆水在什么地方？哪些地方有岩浆水？高温地热系统到底是不是都是岩浆水造成的？
于是我们就去世界四大地热带解码，先走环太平洋带，我们叫做火环之旅。环太平洋的火山到处都是，在这里我们找到了岩浆水。
岩浆水是一个国际合作项目，是我在维也纳的时候负责的一个项目，有10个国家、20多个地热区一起参与来做这个事情。
从图片中可以看到，在这里打井开发地热已经靠近火山口了，钻井钻着钻着后面火山就喷发了，那就要赶快跑。人都跑掉了，钻机就受到了损失。
现在人类开发地热已经到了紧挨着火山口的地方，恨不得直接去打岩浆。但危险性很大，同时流体成分也比较复杂，水循环解码就任务就更艰巨。在这个地方，我们逮着了岩浆水。
岩浆水最早的解码工具就是下方左图中的这条线，这是60年前Hamon Craig设计的降水线。
经过这么多年的努力，我们已经把1条线变成13条线，有了右边这张图。
我们基本上把水循环当中的密码的基因图谱做出来了。中国学者在世界上发文章的数量和被引用的数量在过去20年里指数增长，对世界的贡献逐渐增大。
我们也参与了国际水文科学协会应对气侯变化的水文计划。在国际原子能机构的资助下，由我们中国牵头，正在开展一个更大尺度的水循环解码，帮助那些需要帮助的国家。这件事情我们持续做了多年。
中科院地质地球所在健德门北土城西路，旁边有一条河叫小月河，小月河很美。在这个地方容易培养对水的亲近感、对水的情怀，所以我们这个团队在持续地追踪水循环，力图破解各种复杂的水循环的密码。
我们运用这些规律，为人类服务，为应对气侯变化、为水资源的可持续开发利用服务。所以我也借这次机会感谢我的团队，还有我的众多的合作者们。谢谢大家！
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