干旱和半干旱地區(qū)水文地質(zhì)研究現(xiàn)狀

張學(xué)東

摘要：雖然我們生活的地球水資源占到71%，其中97.47%的海水，也就是咸水，不能直接利用，可以滿足人類日常生活的淡水占地球總水量的2.53%，其中大部分是固體冰川，即分布在兩極地區(qū)和中、低緯度地區(qū)的高山冰川，還很難加以利用。截至目前，可以供人類使用的淡水利用的淡水主要包括河流水、淡水湖泊水和淺層地下水，而它們只占到全球淡水總量的0.3%，是全球總儲水量的十萬分之七。因?yàn)樗Y源的匱乏，世界上近一半的國家都不同程度的受到了干旱問題的影響，所以干旱問題近年來一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，也是地質(zhì)研究的熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：干旱半干旱；水文地質(zhì)；研究

干旱和半干旱的問題已經(jīng)日益成為阻礙世界發(fā)展的重大問題，越來越多的國家正在經(jīng)受或者即將受到干旱。早在1952年聯(lián)合國教科文組織就已經(jīng)開始組織世界各國研究地殼的干旱帶的水資源，在隨后幾十年里，各個(gè)國家對干旱地區(qū)的水文地質(zhì)的研究并沒有中斷，并相繼取得了一些成果。我國受干旱問題影響嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在西北地區(qū)，包括陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆和內(nèi)蒙古西部，這些地區(qū)是世界上比較典型的干旱、半干旱地區(qū)之一。為了緩解這些地區(qū)的干旱問題，我國從50年代就開始了西北地區(qū)地下水的研究工作，并相應(yīng)開展一系列的水文地質(zhì)普查和治理勘察工作。

一、干旱、半干旱地區(qū)地下水開發(fā)利用概況

1、國際方面地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀

地下水的開發(fā)利用從古至今都在沿襲，現(xiàn)如今的很多農(nóng)民家庭都是自己打井，開采地下水供家人使用，但也由于水資源的逐漸短缺，地下水的水位也在下降中，導(dǎo)致井的深度越來越大。很多地方不僅開采地下水用于滿足日常生活，還用來灌溉農(nóng)田和綠洲，地下水甚至是全部用水的源頭。有一個(gè)數(shù)字可以充分說明地下水的使用情況，利比亞、阿曼、巴林、卡塔爾等國100%的水來自于地下水，阿拉伯聯(lián)合酋長國是77%，這個(gè)數(shù)字也充分說明了以上內(nèi)容。因?yàn)槊總€(gè)國家的情況不同，對水的開采使用情況也不同，澳大利亞大自流盆地中在近一世紀(jì)開采的水量是350億立方米，利比亞的庫夫萊開采區(qū)50年從努比亞砂巖層中提取110億立方米的水。地下水大規(guī)模的開采是有些國家石油及其有關(guān)工業(yè)發(fā)展的保障，不僅如此，還滿足了農(nóng)業(yè)、園林等方面的灌溉。

2、我國地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀

受特殊地理因素的制約，我國水資源分布極不均勻，由于氣候和人類活動(dòng)的影響，我國水資源形式在近幾年發(fā)生了顯著變化。為了維護(hù)人類正常生產(chǎn)生活，不得不大量開采底下水，數(shù)量顯示，1980—2005年，地下水供水量從647億立方米增加到1039億立方米，年增長率1.91%，地表水的供量在同時(shí)期由3739億立方米增加到4465億立方米，年增長率0.89%。地下水大量開采使得一些地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的生態(tài)和環(huán)境問題，由于環(huán)境污染導(dǎo)致的水污染情況也在日益嚴(yán)重，據(jù)調(diào)查，全國有40%的地下水質(zhì)在不斷惡化，直接威脅到了居民的日常飲水安全。

二、干旱區(qū)大型盆地的地下水研究所采用的模型

干旱區(qū)大型盆地的地下水研究采用兩種模型，分別是逕流模型和滯流模型，前者認(rèn)為水力存在連續(xù)性，是以水力連續(xù)性為理論基礎(chǔ)，它的代表人物有加拿大艾伯塔研究委員會的J.Toth教授，他主要研究的是沉積盆地流體，包括古地下水，他主張的是區(qū)域水力連續(xù)性是巖體結(jié)構(gòu)的表象特征，在特定的時(shí)間內(nèi)，可測的時(shí)段里，如果盆地內(nèi)任意一點(diǎn)的壓力變化都能夠引起另一點(diǎn)的變化，那么就可以認(rèn)為地下巖體在這一時(shí)間尺度上具有水連續(xù)性。后者認(rèn)為不存在水力連續(xù)性，所以是以水力不連續(xù)作為理論基礎(chǔ)，其代表人物是以色列水文地質(zhì)學(xué)家E.Mazor，V.Fridman和D.Gilad，他們通過研究澳大利亞自流盆地中的深部地下水、以色列內(nèi)蓋夫沙漠中的地下水以及以色列阿拉伯干裂谷中地下水，提出了滯流含水層模型，這個(gè)理論的提出或許可以開辟一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，其潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不可估量。這一理論的原理是滯流含水層中的地下水是一種非再生資源，不接觸污染源，可用作緊急時(shí)期的供水源，另一方面，解壓的滯流含水系統(tǒng)可作為存儲空間儲集回灌水、油或者氣體，避免遭受不能控制的水力斷裂的危險(xiǎn)。

1、環(huán)境同位素技術(shù)的應(yīng)用

1953年首次有了關(guān)于了解水分子同位素的研究報(bào)告，然而真正在水文學(xué)上提出運(yùn)用同位素方法是在1961年的維也納國際原子能簽署的一次專家小組討論會上。在之后的一段時(shí)間內(nèi)，該技術(shù)在世界各國都得到了發(fā)展，處于領(lǐng)先地位的是歐美各國，前蘇聯(lián)和東歐一些國家也相繼發(fā)展到了一定水平。我國在1980年的太原西山裂縫巖溶地下水系統(tǒng)研究和山西娘子關(guān)泉儲量估算中開始研究了這方面的研究工作，到現(xiàn)在也得到了很大的發(fā)展。目前這一技術(shù)被國內(nèi)外水文地質(zhì)學(xué)家廣泛地應(yīng)用于干旱、半干旱地區(qū)的水文地質(zhì)研究中，國內(nèi)方面在運(yùn)用方面是主要集中在干旱、半干旱地區(qū)地下水，尤其深部地下水的形成原因和機(jī)制，識別古地下水的補(bǔ)給來源，描述地下水流動(dòng)路徑及其可能發(fā)生的入滲、混合以及水—巖相互作用等問題。運(yùn)用物探法找水的一個(gè)實(shí)際例子是在太行山東麓順縣的干旱問題，當(dāng)時(shí)主要以電磁法為主，結(jié)果鉆井證實(shí)物探推測的正確，底下水位深度為36m，孔深90m，獲得的涌水量為60t/h。

2、包氣帶水文地質(zhì)研究

包氣帶水開始于對土壤水的研究，從形態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)定性的描述分析土壤中的水分賦存特征和運(yùn)動(dòng)特征。20世紀(jì)初期，能態(tài)學(xué)的方法開始被引用到包氣帶水的研究中，Buckingham和Willard-Gardner分別在1907年和1921年先后采用能態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)研究了包氣帶水的運(yùn)動(dòng)。定義了總水勢，并將飽和流的達(dá)西定律引入到非飽和流中，建立非飽和流達(dá)西定律是L.A.Richard在1928年對包氣帶水研究時(shí)得出的。在之后的一段時(shí)間，計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用和各學(xué)科研究的交叉滲透，使包氣帶水的研究從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用方法從定性分析到定量計(jì)算、測試方法以及不同條件下相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型的研究和應(yīng)用都得到了發(fā)展。

隨著包氣帶水文地質(zhì)研究的不斷深入，我國方面也在西北干旱、半干旱地區(qū)做了大量的包氣帶均衡實(shí)驗(yàn)工作，主要是為了觀測沙漠地區(qū)大氣降水等通過包氣帶向地下水的補(bǔ)給情況，并在各地建設(shè)了均衡試驗(yàn)場，比如甘肅寧夏的沙坡頭、內(nèi)蒙古包頭等。國外從50年代開始用能量平衡和空氣動(dòng)力學(xué)方法研究凝結(jié)水、降露和蒸散過程，到現(xiàn)在的應(yīng)用于土壤—植物—?dú)膺B續(xù)體系（SPAC）水分遷移與變化規(guī)律的數(shù)值模擬研究，但因?yàn)樵谏衬貐^(qū)土壤水吸濕凝結(jié)及其動(dòng)態(tài)方面并沒有相關(guān)記載，所以在凝結(jié)水量和作用方面存在爭議?！吨袊衬吩?998年的第三期中介紹了蘭州沙漠研究所等單位1995在沙坡頭地區(qū)完成的沙土水分吸濕凝結(jié)的觀測結(jié)果，研究結(jié)顯示沙土水分吸濕凝結(jié)是分為兩個(gè)過程進(jìn)行的。

三、結(jié)束語

本文通過敘述干旱、半干旱地區(qū)地下水的開發(fā)現(xiàn)狀、干旱區(qū)大型盆地的地下水研究所采用的模型環(huán)境、同位素技術(shù)的應(yīng)用以及包氣帶水文地質(zhì)研究可以看出盡管在干旱、半干旱問題上人類有了很多的研究和成果，但是仍然不能夠滿足人類的活動(dòng)需求，努力改變現(xiàn)狀，積極開發(fā)新的研究理論是當(dāng)前形式的一種必然導(dǎo)向。這一方面盡管我國方面也有一些自己的理論研究，但是由于我們的地位形式特殊，干旱問題也較為問題，所以在和世界其他國家吸取經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)還應(yīng)該有所改變，正視我們存在的問題，比如西北干旱地區(qū)的突出問題包括地表地下水缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、深層承壓水的開發(fā)方面幾乎處于空白、對水資源的浪漫問題還是非常嚴(yán)重等，這些問題只是所有問題中的一部分，我們未來的研究方向旨在解決這些問題，為人類創(chuàng)造更好的生活。

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