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水文地质

水文地质

  尽管19世纪已开始使用水文地质学一词,但到20世纪初科学家Mead才给出这个术语一个广泛的含义:水文地质学是研究地表以下水的发生与运动。20世纪50年代末期到80年代早期这将近30年的时间里,水文地质学一下子成熟了,成为地球科学羽翼丰满的一员。1960年之前,水文地质学主要是地质学家的领域,作为一个自然科学家,对于控制地下水流动的因素和规律,毫无兴趣或者知之甚少,任凭差分方程式去加以描述。另一方面,工程师在估算井的单位出水量和总出水量时,只顾得计算,处于岩层“透水”和“不透水”之间的灰域之中,无所适从。

  久远以前直到20世纪50年代,两种分叉的、几乎完全独立的方法,各不相关地沿着平行的路径研究着地下水;一边被科学家好奇心所驱使;另一边受到工程师务实精神的推动。两个分支的演变在时间上也可以分为两个阶段:以理论与假说的定量表述,以及数学上的严格推导为其分界(图1)。

  17世纪处在“自然科学分支”的“猜想”阶段,关于泉的成因以及水循环,出现了首批记录在案的问题与解答。伟大的思想家们,从公元前8世纪的荷马开始,包括亚里士多德、泰勒斯(Thales)、柏拉图,甚至笛卡儿和开普勒(17世纪)都曾猜想:泉水来源于海洋中挤榨出来的水,或者是在洞穴中冷凝而成的;而雨水不足以保持河水流量。然而,在另一个阵营中,波尔洛(Marcus Vitruvius Pollo)认为,泉来源于入渗的雨水,这一看法受到文奇(Leonardo da Vinci)和帕利西(Bernard Palissy,16世纪)的支持。定量水文观测始于17世纪,佩罗(Pierre Perrault,1608-1680)在塞纳河盆地测量了3年降水量,得出降水量是河流流量的6倍。马利奥特(Mariotte,1620-1684)验证了佩罗的观测结果,而哈雷(Halley,1656-1742)证明了注入地中海径流的不足部分消耗于蒸发。梅瑟利(La Metherie,1791)开始测量岩石的渗透性,将入渗水区分为地表径流和深部储存,于是,水均衡的初步概念形成了。

  20世纪50年代晚期到60年代早期,也许是由于偶然的巧合,也许是由于下意识地交流渗透,绝对隔水性的观念受到来自两个分支的强烈质疑——工程师们从评价含水层和井的出水量出发产生疑问,而地质学家在研究盆地地下水流动时发现了问题。雅可布、汉图斯、诺曼(Neuman)、威瑟斯庞等,引入并发展了越流含水层的概念,并将其扩展到盆地尺度的含水层系。自然科学分支这边,托特的均质的“统一盆地”被弗里泽和威瑟斯庞“非均质化”了,通过数值模拟,揭示了不同形态、不同规模含水岩系的基本流动型式。两方面共同的最终结论是,岩体存在水力连续性。基于岩体存在水力连续性的结论,很快人们就认识到,存在着时空尺度差别很大的流动系统,而每个系统具有自己的作用过程与伴随现象。于是,统一的观念诞生了,不断流动着的地下水是一种地质营力。

  1980年前后,可以看作研究地下水的自然和工程科学两个分支的融合,从此进入成熟的当代水文地质学发展阶段。这个地球科学的新成员,既是一门基础学科,也是一个专门性分支。为了更好地理解几乎所有的地质活动,绝对有必要熟悉当代水文地质学的基本理论。与此同时,需要培养具有独特的教育和专业背景的、全职的水文地质学家。

  就我国来讲,水文地质学的发展历史是与新中国的建立与发展分不开的,近半个世纪以来,水文地质学的成长与发展大致可划分为两个阶段:从20世纪50年代到70年代中期,可称为奠基阶段,主要接受前苏联学术思想的影响,基本依照前称联模式。从20世纪70年代后期到90年代,可以称为发展阶段,这一时期由于实行改革开放政策,国内外学术交流日益频繁,因此受西方学术思想影响较多,特别是系统科学、环境科学、现代应用数学与计算机技术等新思想、新理论与新技术的输入,使水文地质学的基本概念与研究范畴发生了巨大的变革,使水文地质学从定性研究进入到了定量研究阶段,纳入到系统工程的轨道,与现代科学更紧密地融合了起来,因此我们把20世纪50年代到70年代奠基阶段的水文地质学称为传统水文地质学,而20世纪70年代后期至90年代发展阶段的水文地质学,称为现代水文地质学(图2)。

  现代水文地质学的基本特征主要有:①与现代科学的新理论新学科紧密结合,比如系统论、信息论、控制论及相应产生的系统科学、环境科学、信息科学等,对水文地质学的发展产生了重大影响;②现代应用数学与水文地质学的结合,特别是数值模拟方法得到普遍应用,模型研究成为水资源研究的主要内容,使水文地质学从定性研究发展到定量研究的新阶段;③从地下水系统与自然环境系统相互关系的研究,扩大到与社会经济系统关系的研究。对地下水资源的研究,也从数学模型发展到管理模型与经济模型的研究;④许多新的分支学科的产生与发展,比如区域水文地质学、岩溶水文地质学、遥感水文地质学、环境水文地质学、医学环境地球化学、污染水文地质学以及数学水文地质学、水资源水文地质学;⑤新技术、新方法的应用、除计算机技术外,遥感技术、同位素技术、自动监测技术,室内模拟技术,以及高精度水质分析技术等,都得到普遍应用,推动了水文地质学的发展。

  这要强调一点:水文地质学领域中的许多研究都是由水文地质学家、地质学家、水文学家和气象学家等多个学科领域的专家学者联合来完成的。

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