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当前中国面临严峻的地下水水质危机，但危机程度和发展趋势不明。研究人员开发机器学习模型，研究 1980 - 2100 年中国地下水水质差（PGQ）的情况。结果显示 PGQ 面积比上升，受影响人口增多，主要驱动因素包括农业排放等。该研究为水资源管理提供重要依据。
地下水，这一深藏于地下的 “生命之源”，默默滋养着无数生命，全球近半数的饮用水都依赖它，在中国，更是超过 400 座城市的重要供水来源。然而，随着经济的迅猛发展和气候的悄然变化，地下水水质正面临着前所未有的严峻挑战。大量来自农业、工业的污染排放肆意涌入，加上大规模的过度开采，让地下水这片 “净土” 变得千疮百孔。2020 年，中国生态环境部的报告令人揪心：在检测的 10242 个位点中，33.7% 的地下水水质处于 “边缘” 状态，43.6% 被判定为 “差”。更令人担忧的是，由于监测网络站点分布稀疏，难以全面、精准地掌握地下水水质的变化情况，对于其恶化的驱动因素也缺乏深入、量化的研究，未来的变化趋势更是扑朔迷离。在这样的背景下，为了守护这珍贵的水资源，中国科学院土壤科学研究所、河海大学等机构的研究人员展开了一项意义重大的研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们从中国知网（CNKI）和 Web of Science 检索到大量文献，经过层层筛选，构建了包含 1977 个调查数据的数据集。接着，依据《中华人民共和国地下水质量标准》（GB/T 14848 - 2017）将地下水水质分为非 PGQ 和 PGQ 两类。然后，选取 25 个与土壤性质、地理地质、气候变化、污染排放等相关的预测变量，利用随机森林（RF）模型，通过数据增强、交叉验证等操作，建立了预测地下水水质时空动态变化的模型。
下面来看看具体的研究结果。
- 随机森林建模：研究人员从 1977 个已发表的调查中提取数据，构建数据集，并将其分为训练集（90%）和验证集（10%）。通过变量筛选，最终确定 25 个预测变量，包括土壤属性、地理和水文地质条件、气候变化等因素。RF 模型在验证集上表现出色，灵敏度达到 0.82，特异性为 0.87，准确率高达 0.85，AUC 值为 0.88，Cohen's kappa 系数为 0.69，证明模型准确可靠。同时，确定了 5 个最显著的预测变量：基于深度的地下水类型、气温、干旱指数、降水和 100 - 200cm 土壤砂含量。
- 1980 - 2020 年中国地下水水质状况：利用构建的模型绘制 1980 - 2020 年中国 PGQ 概率图，发现 1980 年 PGQ 概率较高的区域主要集中在西南、西北和东北部分地区；到 2020 年，华北和华中地区 PGQ 概率显著增加。1980 年 PGQ 影响面积占全国的 17.3%，2000 年增至 22.2%，2019 年达到峰值 41.6%，2020 年略有下降至 40.8%。受影响人口比例变化更为明显，从 1980 年的 6.8% 增长到 2000 年的 17.5%，2018 年达到 38.3% 的峰值，2020 年为 36.0%。分析驱动因素可知，污染主导区域面积最大，其中农业排放是主要贡献者，影响 9.6% 的国土面积。不同时期主导驱动因素有所变化，1980 - 2000 年主要是农业排放和气候变化；2000 - 2020 年则是农业排放和地下水开采。
- 2020 年后地下水水质变化预测：研究人员在四种不同情景下分析 2021 - 2100 年地下水水质的演变。情景 I 下，PGQ 面积比持续上升，2050 年达到 42.9%，2100 年升至 43.1%；情景 II 中，由于积极的环境政策，PGQ 面积比显著下降，2050 年为 37.9%，2100 年降至 33.2%；情景 III 呈现恶化趋势，2050 年 PGQ 面积比为 47.2%，2100 年达 49.1%；情景 IV（高排放情景）下，PGQ 面积比增长最为惊人，2050 年为 48.3%，2100 年高达 50.8%。不同情景下，各驱动因素对地下水水质的影响也不同。污染排放对 PGQ 面积比增加贡献显著，尤其是在高排放的情景 IV 下；土地利用变化在情景 IV 中使 PGQ 面积比增加，而在情景 II 中则有改善作用；地下水开采在情景 II 中有积极影响，可改善水质；气候变化对地下水水质的影响较为缓和，但在高排放情景下，到 2100 年也会使 PGQ 面积比有所上升。
研究结论和讨论部分指出，模型分析确定了影响地下水水质预测准确性的关键因素，如基于深度的地下水类型，敏感性分析表明渗透率是最敏感的因素。过去几十年，污染排放和过度开采是地下水水质恶化的主要原因，不过近年来由于南水北调等重大水利工程的实施、相关法律法规的严格执行以及污水处理设施的不断完善，地下水水质恶化趋势有所缓解。为应对未来发展和气候变化带来的挑战，中国需要制定积极灵活的地下水管理策略，不同地区应因地制宜。例如，华北地区要严格控制地下水开采，推广节水灌溉；西北地区应减少工业用水，加强地下水补给；南方地区要做好防洪和土地利用规划，强化废物管理。尽管研究存在一些局限性，如社会经济预测变量的假设、数据时空分辨率等问题，但该研究为中国地下水水质演变提供了全面深入的分析，揭示了污染排放、地下水过度开采和土地利用变化等主要影响因素，为水资源管理和战略规划提供了宝贵的见解。未来研究可进一步提高数据分辨率，深入研究特定污染物的迁移路径，为可持续的地下水政策提供更有力的支持，从而更好地守护中国乃至全球的水资源安全。
