地下水从何而来？涵养与地面沉降的科学

什么是地下水涵养｜雨水补给含水层的机制

地下水涵养是指降雨或河水从地表渗入地层，逐渐积存到由沙砾层构成的“含水层”中的过程。日本国土交通省指出，地下水涵养具有抑制道路和房屋积水、防止地面沉降和地下水咸水化、恢复泉水与溪流、缓解热岛效应等多方面作用。

什么是含水层

地下水并非像“地下湖”那样成片积存于地下，而是渗入沙砾层颗粒之间的空隙中存在。这种易于透水的地层称为含水层，若其上下被黏土层等难透水层（不透水层）夹住，水分便能长期稳定地储存。水井正是打通到这一含水层，从而抽取地下水的装置。

妨碍涵养的城市化

据日本环境省资料，随着城市化推进，涵养能力较高的农田、荒地、裸地被住宅和铺装道路取代，雨水难以渗入地下。降在铺装路面上的雨水来不及渗入地面，便直接流入下水道或河流，导致地表径流的比例增加，而渗入地下的水量相应减少。为此，各地方政府正推动透水铺装、渗透井、渗透沟的建设，以人工方式弥补涵养能力。

地下水的另一个作用：支撑地基

地下水不仅是饮用水和农业用水的资源，还承担着维持地层结构的作用。在含水层中，水渗入沙砾颗粒之间，如同缓冲垫一样缓解颗粒相互挤压产生的部分压力。这种水压（孔隙水压）分担了上覆地层的重量，因此一旦水分被抽出，颗粒间承受的压力（有效应力）会骤然增加，地层更容易被压实。这一特性正是下一章所述地面沉降物理机制的基础。

地下水的种类：自由地下水与承压地下水

地下水按存在状态大致可分为两类。靠近地表的浅层含水层中，压力与大气压相同的称为“自由地下水（非承压地下水）”，打井后水面基本出现在该深度。而位于上下被不透水层夹住的深层含水层中的“承压地下水”，因受周围压力挤压，打井后水位会上升到高于地下水面的位置，条件适宜时甚至可自喷至地表。与地面沉降关系尤为密切的，是大范围连续分布的承压地下水被大量抽取的情况，因为压力下降容易引发广域黏土层的压密。

如何测算涵养量

地下水涵养量无法直接用肉眼测量，通常结合多种方法进行推算。最具代表性的是水量平衡法，即用某流域的降水量减去蒸散发量（植物和地面向大气释放的水量）及河流径流量，将剩余部分视为渗入地下的水量。此外还常结合观测井的地下水位变动记录，根据季节性升降推算涵养的时机与量。像熊本地区这样对稻田等涵养源面积和透水性有详细掌握的地区，还会通过测量单块稻田的渗透速度，再乘以区域内稻田总面积的方式累加计算涵养量。

地下水的“年龄”概念

不同地下水的“年龄”差异很大。浅层含水层的水大多是数月至数年前降下的雨水渗入而成，而深层含水层的水则可能是数百年甚至数万年前涵养而成、接近“化石水”的存在。抽取深层含水层的水时，当前的降水几乎无法对其涵养产生贡献，因此抽出的水量不会很快得到补充。打井时取水的含水层深度不同，该水源究竟是“可更新资源”还是“事实上的一次性资源”也会有很大差别。

咸水化这一副作用

在沿海地区的含水层过量抽取地下水，会引发与地面沉降不同的另一个问题。地下水位下降后，含盐的海水会从海一侧侵入含水层，导致井水咸水化。正如国土交通省资料所指出的，地下水涵养有助于“防止地面沉降及地下水咸水化”，维持涵养与适当的抽水量，不仅关乎地基安全，也是保护水质本身所必需的。在沿海农业区和离岛地区，一旦井水咸水化便极难恢复为淡水，因此更需要严格管理抽水量。

地下水与海洋的联系

地下水并非仅在陆地上自成一体的资源，最终也与海洋相连。从沿海含水层向海底渗出的“海底涌水”，近年来作为向沿岸生态系统输送营养盐的一条途径而备受关注。若因过量抽水导致地下水位下降，这种海底涌水的水量与水质也可能受到影响。地下水管理既是脚下城市的问题，也是维护沿海海洋环境健康的举措。

抽水量超过涵养量会发生什么｜地面沉降的机制

地下水不仅填充含水层沙砾颗粒之间的空隙，也承担着支撑上覆地层重量的作用。过量抽取导致水位下降时，黏土层中所含的水分会被挤压排出，使颗粒相互压密（收紧聚拢）。这种压密一旦发生便无法恢复到原有体积，地表也随之直接下沉。

日本地面沉降的历史

据国土交通省资料，因过量抽取地下水导致的地面沉降，在关东平原南部早在明治中期（1890年代前期）便已出现，大阪平原也在昭和初期（1930年代中期）出现。1955年以后，受经济高速增长期工业用水需求激增的影响，地面沉降扩展到全国各地。

东京的地面沉降与大楼用水法

据东京都环境局资料，东京都区部在1950年代至1960年代期间，因以工业用水为主的过量抽取地下水，地面沉降不断加剧，给居民生活带来损害，也造成了修复所需的经济损失。为应对这一问题，1956年制定了工业用水法，1962年制定了大楼用水法（关于建筑物用地下水采取管制的法律），1970年东京都公害防止条例进一步强化了抽水管制。目前，在“确保都民健康与安全的环境条例”（2001年施行，2016年修订）下，抽水机功率300瓦以下的小型水井也被纳入管制对象。除奥多摩町、桧原村及离岛地区外，东京都全域均受到上述三项法律或条例之一的抽水管制。

地面沉降带来的具体危害

地面沉降表面上只是地表缓慢下沉的现象，实际上会引发复合性的危害。像东京都江东区、大阪市西部这样原本就接近海拔零米地带的沉降区域，在风暴潮或暴雨来袭时会因无法排水而导致积水常态化。地基不均匀沉降还会导致建筑物基础倾斜、开裂，以及埋设于地下的上下水管、燃气管道破损等灾害。江东区因大正时期以来沉降的持续积累，区内大片区域低于满潮时的海平面，成为必须依靠堤防和排水泵站进行永久性防护的“零米地带”。

如何测量地面沉降

长期以来，人们通过水准测量的方法掌握地面沉降情况。定期测量全国主要地点设置的基准点（水准点）标高，并与过去记录比对，追踪该地点下沉了多少厘米。日本各都道府县及国家持续进行定点观测，环境省每年汇总观测结果，编制“全国地面沉降地区概况”。近年来，正如墨西哥城案例所示，借助卫星雷达干涉测量（InSAR）技术，即使不设置地面观测点，也能高频率、大范围地捕捉地面变动情况，作为地面水准测量的重要补充手段被日益广泛应用。

浓尾平原的教训｜从过量抽水到地下水采取管制

浓尾平原（横跨爱知、岐阜、三重三县）是日本地面沉降对策历史上具有代表性的案例。据爱知县资料，1959年伊势湾台风带来的风暴潮灾害使地面沉降问题的严重性受到关注，此后几乎整个平原都观测到沉降，尤其在1972至1974年间沉降量达到峰值。

工业用水法与条例管制

作为对策，1960年6月名古屋市南区、港区部分地区被指定为工业用水法适用地区，1984年7月指定范围扩大至包括一宫市在内的尾张西部21个市町村。爱知县也于1974年4月在公害防止条例中新增地下水采取管制，自1976年4月起进一步扩大管制区域并强化管制力度。

浓尾平原地面沉降防止对策纲要

1985年4月确定的《浓尾平原地面沉降防止对策纲要》，将管制区域内的地下水采取目标量定为年2.7亿立方米。通过将工业用水从地下水转向河水等地表水的替代水源建设相结合，浓尾平原的地面沉降趋于稳定。

转向替代水源的思路

仅靠管制地下水采取，用水的工厂和企业将难以维持运营。浓尾平原与东京对策的共同点在于，在实施管制的同时建设从河流引水的工业用水道，营造出无需依赖地下水也能确保用水的条件。地下水几乎可以近乎免费的成本抽取，而使用地表水的工业用水道则需要投资建设和维护。即便如此，与地面沉降造成的城市基础设施损坏及风暴潮对策的长期成本相比，转向替代水源从长远来看被认为是合理的选择。

沉降趋缓，但问题并未“结束”

浓尾平原与东京的地面沉降，通过管制和替代水源建设，沉降速度大幅放缓，目前大部分地点每年仅出现数毫米的轻微变动。但这并不意味着地面已“恢复到原有高度”。由于已压密的地层基本无法恢复原有厚度，像江东区这样已经下沉的土地，仍需长期依靠排水设施和堤防维持防护，成为永久性的零米地带。地面沉降对策能够“遏止”问题，却极难“逆转”它，这正是应优先做好预防的最主要原因。

世界的地面沉降与地下水枯竭｜卫星捕捉到的淡水骤减

过量抽取地下水并非日本独有的问题。据使用NASA重力观测卫星GRACE的研究团队报告，2015年至2023年间，陆地储存的淡水平均量比2002〜2014年平均值减少约1,200立方公里，相当于伊利湖水量的约2.5倍。中东、印度、北非、中亚以及美国加州中央谷地等世界主要含水层，均被指出正以超过涵养速度的节奏枯竭。

雅加达｜导致迁都的地面沉降

印度尼西亚首都雅加达，自来水管网覆盖率仅为市域的64%，许多居民和建筑物依靠非法或非正式的水井抽取地下水维持日常用水。结果，2000年以来雅加达北部最大出现超过2米的地面沉降，城市面积的六成已成为海拔零米以下的低地。加之全球变暖导致的海平面上升，据估算，到2050年雅加达北部95%以上的区域可能被淹没。印度尼西亚政府自2024年起，正逐步推进将首都功能迁往加里曼丹岛新首都“努山塔拉”的计划。

墨西哥城｜持续一个世纪的沉降与卫星观测

墨西哥城建于曾是湖泊的盆地之上，也是遭受严重地面沉降困扰的城市之一。该市所处地层为易含水的沙质、粘土质沉积层，为支撑约2,000万人生活与产业所进行的地下水抽取，长年持续压密着地下黏土层。地面沉降现象至少自1925年起便有记录，被认为是持续超过一个世纪的问题。利用卫星雷达干涉测量（InSAR）的观测显示，部分地区年沉降量最高达35厘米；2025年10月至2026年1月的观测中，部分区域月沉降约2厘米，换算成年沉降超过24厘米。

印度与加州的含水层枯竭

分析NASA/GRACE观测数据的研究团队指出，印度所监测的约4,000口地下水井中，有54%呈现水位下降趋势。人口增长和灌溉农业的扩大，使地下水的抽取速度持续超过降水带来的涵养速度。美国加州中央谷地也长期存在每逢干旱便依赖地下水灌溉农田的结构，该州部分地区的地面沉降已被报告影响到农业渠道和桥梁的结构。这些案例的共同点在于：地表水（雨水、河流、水库）越是在干旱时期不足，对地下水的依赖就越强，从而形成干旱与地下水减少相互加剧的连锁反应。

气候变化与地下水依赖的恶性循环

NASA研究团队还指出，2015年以来的九年恰好是有观测记录以来平均气温最高的九年。气温上升会增加蒸散发量，即便降水量相同，渗入地下的水量占比也会减少。此外，降雨方式本身正呈现“短时间集中降水、迅速流失于地表”的变化趋势，这也被视为妨碍涵养的因素之一。一旦干旱导致地表水减少，农业和生活用水就不得不更多依赖地下水，而恰恰在涵养减少的同时抽水量却在增加，这种恶性循环正在世界各地的含水层同时上演。

熊本市的挑战｜支撑地下水100%城市的人工涵养

与地下水共生的城市代表案例便是熊本市。该市人口约74万人，却是日本唯一自来水水源100%依靠地下水的城市。熊本地区整体年地下水涵养量约达6.4亿立方米，据分析其中三分之一来自稻田的渗透。

稻田承担的人工涵养作用

尤其是白川中游一带的稻田，渗入地下的水量据称是普通稻田的5至10倍，为区域地下水涵养做出巨大贡献。这是因为白川流域由阿苏火山喷发形成的高透水性地层构成，稻田蓄水能在短时间内渗透至地下深处。这一地质条件与农业用水渠道的管理相结合，使熊本地区维持着堪称“天然巨大净化涵养装置”的水循环。然而，稻田面积减少及城市化推进导致涵养区域萎缩，地下水量逐年减少已成为一大课题。

地下水直接化作名水

熊本市周边分布着众多地下水自然涌出地表的泉水地，以上江津湖、下江津湖为代表的涌泉群，被市民生活及旅游观光广泛利用。涵养后的地下水不仅作为自来水水源，还直接以优质泉水的形式回归地表，这一现象象征着熊本水循环的健康状态。反过来说，若涵养量减少、地下水位下降，这些涌泉也面临枯竭的风险。

居民参与的长期战略

熊本市地下水保护的特色在于，不仅有政府和企业参与，还建立了包括居民在内的长期共识机制。上下水道局定期公布地下水状况，并在学校教育中持续传授地下水的重要性。地下水是一种看不见的资源，本就难以形成危机意识，但通过数据公开与教育，市民持续保持着作为“地下水城市”居民的自觉，这正是熊本模式区别于其他城市、得以持续的重要支撑。

半导体产业的进驻与新课题

近年来，熊本县陆续迎来大型半导体相关工厂的进驻。半导体制造工序需要大量高纯度用水进行清洗，地下水资源丰富的熊本地理条件因此成为该产业的一大优势，与此同时，新进驻企业的地下水使用将如何影响区域整体供需平衡也备受关注。熊本县及市政府也要求新进驻企业参与既有的涵养制度，“产业使用地下水越多，该企业自身也应对涵养投入越多”这一熊本模式原则，如何持续适应不断扩大的需求，已成为今后关注的焦点。

“抽多少、涵养多少”的制度设计

熊本县的地下水保护条例规定，在重点地区（熊本地区）新申请地下水采取许可的企业，须以与采取量相当的量（原则上10成）为目标开展地下水涵养。利用休耕田蓄水并支付协作金等由企业、地方政府和农户共同参与的涵养项目也在持续推进。

企业、政府与农户协作的涵养项目

熊本市上下水道局和熊本县通过向当地企业支付协作金，鼓励其在水稻收割后的一段时期内为稻田蓄水，以此持续开展提升地下渗透量的“涵养项目”。这并非单纯的公共事业，其特点在于，饮用水生产企业、半导体相关企业等大量使用地下水的进驻企业本身，也作为涵养的参与方加入其中。政府并非仅靠管制约束，用水一方也对涵养进行投资，“取之于水、育之于水”的理念，正是熊本模式的核心所在。

守护地下水能做什么｜制度与个人行动

要实现地下水的可持续利用，需要增加涵养与将抽水量控制在涵养量范围内两者并重。在城市地区，透水铺装、渗透井、雨水花园等设施正逐渐普及，成为增加涵养量的重要手段。

地下水量的“可视化”不断推进

近年来，借助卫星观测和物联网传感器，国内外持续监测地下水位和地面变动的体系正在不断完善。除了如NASA的GRACE卫星那样在全球范围内掌握淡水增减的机制外，日本国内各地方政府也不断公开观测井数据，让居民能够确认地下水位的长期变化趋势。这种数据公开为抽水方和涵养方双方提供了共享信息的基础，有助于及早发现过量抽水的情况。

稻田与森林作为“绿色基础设施”的价值

与混凝土蓄水设施不同，熊本市的稻田及山地森林所具有的涵养功能，其价值在于能够在维持农业、林业等原有生产活动的同时储存水资源。这种利用自然功能的基础设施被称为“绿色基础设施”，地下水涵养正是其代表性例子之一。稻田的维护及适当的森林管理本身，就是对守护地下水这一社会基础设施的投资，这一观点正是经历过地面沉降的日本所积累的宝贵经验。

• 确认所在地区是否属于地方政府地下水采取管制或条例的适用范围，企业打井前应了解是否需要许可
• 考虑在家庭、宅基地范围内采取雨水渗透井、透水铺装等涵养措施
• 考虑支持或参与稻田保护、休耕田蓄水等地区涵养活动
• 养成通过地方政府网站确认地下水位及地面沉降监测数据的习惯

企业面临的地下水风险

对于食品、饮料、半导体制造等要求水质稳定的产业而言，地下水是重要资源，但同时也存在因干旱或管制强化而导致采购成本波动的风险。对于在海外开展业务的企业而言，事先了解拟进驻地区是否存在如雅加达、墨西哥城那样的地面沉降或水资源枯竭风险，并在必要时考虑确保地表水、再生水等替代水源，或参与熊本市式的涵养项目，有助于管理与水资源相关的经营风险。

个人可实践的小规模涵养

对于独栋住宅而言，安装将雨水从屋檐槽引入渗透井的设施，或将庭院保持为未铺装的透水性泥土或砂石地面，虽规模不大，但也能为涵养作出贡献。部分地方政府对安装雨水储存、渗透设施提供补贴，值得确认所在地的相关制度。每个人的行动虽小，但只要在整个城市层面累积起来，就能提升整体涵养量。

地下水是“看不见的共享资源”

地下水并非仅属于特定土地所有者，而是共享同一含水层的整个地区的共有资源。某一处土地过量抽水，也可能影响到远处的水井或泉水。这种“看不见的联系”难以被察觉，正是过量抽水问题往往在恶化后才浮出水面的原因之一。正如浓尾平原和熊本市的案例所示，要实现地下水的长期可持续利用，需要政府管制、企业对涵养的投资以及居民的理解三者齐备才能发挥作用。如何将在地下静静流淌的水传承给下一代，是我们共同面对的课题。