【環球科技】
自美國政府宣布退出《巴黎協定》以來，美國在全球應對氣候變化的問題上將何去何從引發了全世界的擔憂。特別是，美國自身也面臨著巨大的環境問題挑戰，美國的加州就在洪水與干旱的極端氣候之間搖擺，這對當地的生態保護提出了嚴峻挑戰。然而，氣候變化不只是某個國家的內部事務，它給全人類的生存和發展帶來了嚴重的威脅。
積極應對氣候變化、推動綠色低碳的發展是全球共識和大勢所趨。世界上各個干旱地區都在密切地關注彼此在水資源利用方式上的創新，而本文提到的新方法就是加利福尼亞州的選擇。
1.這片土地還能生存嗎
去年冬天，猛烈的暴風雨襲擊了加利福尼亞州，山坡上的石塊在雨水的沖刷下滾到公路上，切斷了村莊之間的道路。2016年10月到2017年2月，美國境內的降水量幾乎是當季平均年降水量的2倍。當時，薩克拉門托北部奧羅維爾大壩中的洪水已經溢出，在泄洪道上侵蝕出了一個大坑，這使得容量巨大的水庫出現了潰壩泄洪的風險。
與過去的5年相比，加利福尼亞州經歷了一次讓人難以置信的大反轉。這5年間，整個州都處于干旱的狀態。空空如也的水庫，干枯的草坪都敲響了警鐘：這是匱乏，不足和蕭條的樣子！人們的心中開始恐懼，我們還能繼續在這片土地上生存嗎？我們還能供養新的生命嗎？我們還能繼續為世界提供糧食嗎？起初，大量的降雨和隨之而來的洪水還給人們帶來了安慰，可現在，這種安慰慢慢變成了不安。盡管如此，加利福尼亞州的水利部門在遭遇多年干旱的創傷后，還是看到了機會。他們在思考，能不能把多余的水收集和儲存起來，應對下一次的干旱？
這個問題反映出了一個現實。盡管在歷史上，加利福尼亞州時常處于干旱與洪澇相互交替的狀態，但科學家相信，氣候變化正在使這兩種災害變得更加嚴重。同時，氣溫上升還會使內達華山脈的積雪減少，據預測最多會減少90%。在全美范圍內，大部分地區都是冬季降水豐富，夏季相對干旱。總的來看，降雪提供的水源滿足了加利福尼亞州30%居民的用水需求。在春夏時期，山上的積雪會慢慢融化，供給居民使用，這也恰好是最需要用水的季節。但是，未來的降雪可能會像降雨一樣，冬季洪澇的現象嚴重，夏季干旱時供水也更緊張。人口快速增長使得這種自然的波動復雜化：越來越多的人生活在洪水泛濫的地方，干旱時對供水的需求也在增長。水利管理部門意識到，他們必須要改變現有的策略了。
在全世界，降水模式的變化和人口的增長都在要求人們采取措施適應變化。有數百萬人依賴著積雪和冰川，例如居住在喜馬拉雅山周圍的亞洲人、阿爾卑斯山沿線的歐洲人和安第斯山畔的美洲人，他們都需要新的方法來積蓄洪水，以保護基礎設施，并留待以后使用。
和其他地方一樣，在加利福尼亞州新建水庫也不能完全解決冬季洪水夏季干旱的問題。作為巨大的儲水空間，地下的含水層已經被越打越深的農業水井消耗殆盡，這里可以提供天然的儲水空間，容量大概是加利福尼亞州1400個水庫蓄水量的10倍。此外，地下儲水也經濟適用，成本僅為修建水庫的五分之一。一些有遠見的人士正在設計全新的方案：以前所未有的規模將降水有效地注入地下含水層，從而減輕洪水的危害，增加抗擊干旱時的水資源儲備量。
從前，冬季的洪水和春季的融雪流經中央谷地，慢慢地滲透到地下含水層中。然而在20世紀，一切都變了。有證據表明，如今加利福尼亞州在水利工程的開發上已達到了巔峰。大量的大壩、水庫、引水渠、水渠、水堤和抽水井從根本上改變了全州的水道系統，由此也造成了大量讓人意想不到的后果。密集的水利設施成就了現代化的加利福尼亞州，但是近年來的洪澇和干旱卻顯示，目前的系統存在很多問題。建造水利工程的一個關鍵因素就是把河流和河漫灘分隔開，保護城市和村莊，而這樣的工程卻大量削減了地下水的補給量。
現在，管理者和工程師正在嘗試在某種程度上回歸自然之道，就是以一種可控的方式讓洪水淹沒土地。科學家和當地的管理者也在開展一些試點項目，試圖研究每個片區不同的水文、土地利用及經濟方面的特點。他們希望找到各種問題的應對方案，例如，如何在不妨礙田間作物生長和野生動物棲息的同時，把水從農田補給到地下含水層中。
世界上各個干旱地區都在密切地關注彼此在水資源利用方式上的創新，而上面提到的新方法就是加利福尼亞州的選擇。
2.開發水源
項目之所以能取得成功，是因為我們已經開始糾正一些長期存在的基礎水文問題。今年4月，在經歷4個月的暴雨后，加利福尼亞州全境只剩下9%的土地尚未擺脫干旱。州長杰里·布朗宣布干旱問題已經過去，但自然保護協會加利福尼亞水資源保護項目的副主任松本珊迪卻認為：“說干旱過去，只是以地表水為標準來看待這個問題。”要知道，含水層及上方的水資源，包括湖泊、河流以及溪流中的水，實際上是同一類水，通過重力和水壓錯綜復雜地關聯在一起。松本說，即便今年的地表水看起來得到了充分的補充，但是幾十年來農業用水及市政用水對地下水的破壞，使加利福尼亞州地下含水層仍處于虧空狀態。她也指出，由于我們的所作所為，要想恢復地下含水層，即使不要半個世紀，也要幾十年的時間。
我們把儲存在地下的水，稱為地下水。在干旱時期，加利福尼亞州60%的供水都來自地下水，平時也有30%的供水來自地下水。這樣的用水方式是不可持續的，因為地表水滲入地下補充地下水的速度跟不上這樣的消耗。2015年美國航空航天局衛星數據顯示，地球上有一半以上的大含水層都已經超過可持續開發的臨界點了。
更令人擔憂的是，抽出來的大多數水都用于糧食生產。如果地下水枯竭導致耕作無法維系，就可能出現災難性的事件。聯合國糧食及農業組織估計：全球糧食產量需增加70%才能滿足2050年91億人口的需求。
近百年來，加利福尼亞州只管理了地表水，地下水卻像是一種私產。你只要在自己的土地上挖井，就可以在不考慮如何影響鄰里用水的情況下，抽取所需的地下水。這種管理模式把地表水與地下水分離開來，看成了兩套獨立的水資源系統。然而，旱季時飽和的含水層可以給河流提供補給保持流量；當地下水位下降時，河水也會反過來給含水層補水。
從已經下降的含水層中大量抽水，會導致地表水耗盡。而地表水出現問題又會讓農民和市民優先考慮抽取地下水。在圣華金山谷，地下水水位已經下降得非常厲害，如果水位下降到了與溪流斷開的深度，就會出現問題。濕地、滲水坑和泉水就會干涸，水生生物也會因此受害。補充地下水可以使這些含水層和河流系統重新連接起來，從而使整個水文系統更具彈性。
新的觀念也使加利福尼亞州設置了一些新的試驗項目。為了實現新的愿景，加利福尼亞州的人們必須更新原有的水權觀念，把水看作更具公用性的資源。
3.協調方案創新
在這次旱災發生前，加利福尼亞州的水權一直被認為是不可侵犯的。當地下水恐慌出現時，人們才意識到需要重新思考這個問題。經過幾十年的努力，美國立法機構終于通過了一個世紀以來與水資源相關的最重要改革條例：2014可持續地下水管理實施法案。這部法案規定了如何在地下水流域的層次上管理水資源，其中的流域指的是包括地表水與地下可滲透含水層的三維區域。加利福尼亞州擁有515個地下水流域，但是96％的地下水抽取自其中127個流域。因此，加利福尼亞州將優先重點考慮這些地下水流域的優化管理工作。每個地下水流域都要配備地下水可持續發展機構，到2022年要制定好地下水可持續發展計劃，到2040年開始對地下水進行可持續管理。
可持續地下水管理實施方案要求城市和灌區都停止耗盡地下水的行為，恢復地下水補給。
為了獲得地下水管理的新思路，各個機構可以向幾十年來一直試圖解決地下水問題的社區尋求幫助。其中一個社區位于圣克拉拉谷，也就是現在大名鼎鼎的硅谷。為了在干旱的夏季保持作物生長，農民們會大量抽取地下水用于灌溉。但這只能暫時解決干旱問題。1890年到1920年，當地地下水水位驟降，地面下沉。圣荷西市中心地面下降了4米。
當地領導人決定嘗試截取本應通過小溪或河流涌向海洋的水來補充含水層。就像河貍在河里筑壩建起小池塘一樣，人類工程師在洛斯加托斯的佩吉溪也用裝滿泥土的麻布袋建造了一堵墻。在這堵墻的作用下，沿著這條河形成了許多小池塘，可以盡量保留水分，從而補充地下水。接下來，當地又修建了很多土質水壩，比如洛斯加托斯溪上30米高的瓦薩納滲濾壩。大雨引發的洪水會淹沒大壩周圍的公園，在不影響和威脅周圍居民生活和工作的情況下，使含水層得到額外的補給。在開展這些保水項目后，地面沉降和地下水位下降的情況有所緩解。但是圣克拉拉谷的人口在第二次世界大戰以后開始暴增，地區需水量完全超過了自然生態系統能提供的水量。于是當地修建了管道連接到了加利福尼亞州和聯邦政府建造的大型水渠中，將北加利福尼亞州的水向南引，從而保證了該地區的用水量。
如今，圣克拉拉河谷水管區已經受益于那些回灌池了，沿著當地145千米長的溪流，布滿了人造堤壩，這些障礙物會減緩迅猛的水流，讓水漫過河堤，使更多的水滲入地下。這片區域還有總面積120畝的獨立滲濾池，附近溪流在水位高的時候會通過管道源源不斷地把水輸送過來。在最近的干旱中，地下水補給的確顯示了它的價值，2014年，盡管整個加利福尼亞州的水資源短缺非常嚴重，圣克拉拉河谷全區仍有51%的用水是抽自地下水。
4.讓河流轉向
要做地下水補給，就會涉及一個非常重要的問題，水從哪里來？馬庫斯解釋說：“大多數人的水權許可都只包括作物種植和生長季。冬天就有大量過剩的水。”今年7月達爾克發表的一項研究證明，過剩的水足以補給中央山谷的含水層。
現在面臨的挑戰變成了如何把過剩的水資源轉移到地下含水層。在加利福尼亞州，冬季時北方有大量降水，夏季時南方對水的需求量巨大。冬季時，南方又很少有地方需要灌溉，這就造成了北方向南方輸水的大型水渠和輸水管道難以得到充分的利用，南方的灌溉系統也很難高效利用起來。不過，利用這些設施，可以將北方冬季過剩的水資源送往南方，灌入地下含水層，而不是讓水直接流入海洋。
另一種可能方法是反向存儲。PPIC水政策中心主任艾倫·哈納克說，在薩克拉門托河附近水資源比較豐富的地區，可以在豐水期將地下水抽出用于灌溉，并利用地表的基礎設施向南輸送，補充南方缺水地區的含水層。不過計算工作非常棘手，管理人員需要在推廣這項技術前，解決水量補償的技術問題。
哈納克說，儲存過剩的冬季水也很困難，因為水庫都處于飽和狀態，地下含水層都是滿的。不過，有一些地區已經被設為蓄洪區，增加這些區域的面積，就可以直接在這里補給地下水，或者用它們充當短期水庫，等到其他設施可以將水運到更遠的水量儲存點為止。
由于中央谷地大部分地區已經是耕作區，科學家試圖找出在農業用地安全灌水的方案。理想的耕地地下水補給點應具備以下特點：平坦，以便水可以均勻滲透；土壤滲透性良好，以便水可以迅速向地下滲透；鹽分、農藥及營養物質含量相對較低，以防地下水污染。而且在實際操作前，農民也要確定只在挑選的時間段讓水淹沒農田的話，不會損害土地或農作物。
加利福尼亞州大學戴維斯分校的達爾克正在開展一項淹水試驗，該試驗將測量植株和根系健康程度、水分滲入率以及鹽和硝酸鹽水平等指標。在加利福尼亞北部斯科特谷地的一個紫花苜蓿田里，達爾克對面積為1.2~1.6畝的多個試驗田分別以不同頻率灌水：每周施水1~2天；每周施水3~4天；以及每天連續施水，施水從2月一直持續到4月。在整個冬季試驗期，她在總面積共6畝的田地里，向下補充了約17萬立方米的地下水。她說：“超過90％的灌入水可以向下滲透。”而且，這不會對苜蓿的產量產生影響。達爾克笑著說，這種做法還有一個意想不到的好處，洪水沖走了“喜歡吃苜蓿的地鼠”。
目前，她正在對農場上的其他作物進行測試，其中還包括扁桃。傳統觀念認為，扁桃樹對根部的水分十分敏感。在冬季和初春時期，在實施了經過慎重考慮的水淹工程后，扁桃的開花和出芽情況與正常情況一致。達爾克說：“這是一個好兆頭。”
（作者：撰文 埃麗卡·吉斯（Erica Gies）翻譯 張涵，本文由《環球科學》雜志社供稿）
