水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展

摘 要：文章結(jié)合時代發(fā)展的需求以及水文地質(zhì)學(xué)的特點，詳細論述了水文地質(zhì)學(xué)的演化和發(fā)展過程，分析國內(nèi)外水文地質(zhì)學(xué)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，分析當代水文地質(zhì)學(xué)的特點，從傳統(tǒng)的實用性學(xué)科，向兼具應(yīng)用性與理論性的成熟學(xué)科演變，并闡明水文地質(zhì)學(xué)今后的發(fā)展趨勢，從可持續(xù)發(fā)展概念出發(fā)，走多學(xué)科交叉路線，構(gòu)建人與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)學(xué)；地下水；可持續(xù)發(fā)展；生態(tài)環(huán)境

引言

水文地質(zhì)學(xué)是一門研究地下水的數(shù)量和質(zhì)量隨時間和空間的變化規(guī)律，以及如何合理利用地下水或防治其危害的學(xué)科。它研究在巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈以及人類活動相互作用下地下水水量和水質(zhì)的時空變化規(guī)律以及如何運用這些規(guī)律興利除弊[1]。水文地質(zhì)學(xué)是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科，它在人類生活和生產(chǎn)部門的需求下不斷發(fā)展，學(xué)科體系逐漸健全，理論水平不斷提高。人類在生活或者生產(chǎn)實踐中所遇到的相關(guān)的問題，都需要研究者在方法上和理論上加以解決，隨著越來越多以及越來越深入的問題得到解決，水文地質(zhì)學(xué)這門學(xué)科也逐步發(fā)展。水文地質(zhì)學(xué)從尋找和利用地下水資源開始，圍繞實際發(fā)展需要，逐漸開展了一系列相關(guān)研究，現(xiàn)已發(fā)展成為一門相對成熟的學(xué)科。然而在生產(chǎn)力以及科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，其所面臨的問題也越來越復(fù)雜，越來越多元化，原有概念、理論及方法已經(jīng)很難滿足需求，水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)與機遇[2]。

1 概述

水文地質(zhì)學(xué)主要研究地下水的埋藏、分布、補給、排泄、徑流和形成規(guī)律，地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分，地下水水質(zhì)和水量評價、開發(fā)及其合理利用，地下水對工程建設(shè)和礦山開采的不利影響及其防治，地下水污染的防治，地?zé)崮荛_發(fā)等。在不同地質(zhì)環(huán)境或者地質(zhì)時期，尤其是在近代人類活動的影響下，地下水的埋藏、分布、補給、徑流、排泄和水化學(xué)組成均有一定差異，通過上述各方面差異性的研究，掌握地下水的形成及其動態(tài)變化規(guī)律，可為合理利用以及防治地下水提供一定科學(xué)依據(jù)。地下水中污染物分布、預(yù)測、治理以及如何防治是水文地質(zhì)學(xué)目前研究的一個重點。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展以及生產(chǎn)建設(shè)發(fā)展的需要，水文地質(zhì)工作者對水文地質(zhì)學(xué)進行了分支學(xué)科的細分以及進行了多學(xué)科交叉滲透研究。

2 水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展簡史

水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了萌芽、奠基、形成和發(fā)展四個階段[1]。5700年的浙江余姚河姆渡古文化遺址水井，約3000年前中西亞及北非的干旱地帶出現(xiàn)的坎兒井（Biswas，1970；Todd等，2005），表明人類從遠古時代就開了地下水的利用，代表了水文地質(zhì)學(xué)的萌芽。歐洲工業(yè)革命時期，由于工業(yè)的快速發(fā)展，需水量大大增加，人們對井的出水有了量的需求。1856年，法國水利工程師達西（H.Darcy），通過室內(nèi)水通過沙的控制性實驗，得出線性滲透定律，即著名的達西定律，奠定了水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)。法國人裘布依（A.Dupuit）、美國人泰斯（C.V.Theis）都先后加入到地下水的定量計算中，并且將其推到了一個新的高度。該階段人們已經(jīng)通過實踐得到了水文地質(zhì)相關(guān)的基本理論，并且將其應(yīng)用到了地下水的研究之中，為水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展奠定了好的基礎(chǔ)。第一次世界大戰(zhàn)之后，合理開發(fā)、科學(xué)管理與保護地下水資源，越來越受到人們重視。20世紀40～60年代，雅克布（C.E.Jacob）及漢圖什（M.S.Hantush）等論述了孔隙承壓含水層的越流現(xiàn)象，“含水層思維”受到?jīng)_擊[3]，逐漸產(chǎn)生含水系統(tǒng)的概念。隨后英國的博爾頓（N.S.Boulton）和美國的紐曼（Neuman）分別導(dǎo)出了潛水完整井非穩(wěn)定流方程。至此，水文地質(zhì)學(xué)已經(jīng)完成了從找水型向資源型的轉(zhuǎn)變，各方面理論研究已經(jīng)構(gòu)建了較完備的結(jié)構(gòu)框架，水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展已經(jīng)初步成型。第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著生產(chǎn)力與科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，世界人口急劇增長，消費需求也急劇升高，因而人類開始大規(guī)模改造自然環(huán)境，大量消耗了包括地下水在內(nèi)的各種資源，破壞了環(huán)境，打破了生態(tài)平衡，進而導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的急劇惡化，如土地荒漠化、土壤鹽堿化、地面沉降、水土流失等。保護生態(tài)環(huán)境刻不容緩，水文地質(zhì)工作者開始尋求新的發(fā)展模式，水文地質(zhì)學(xué)開始進入了以生態(tài)環(huán)境為研究核心的階段，期間面臨的問題錯綜復(fù)雜，以及在全球信息化大的背景下，原有的思維模式、概念、理論以及方法已經(jīng)難以滿足發(fā)展需求。加拿大的托特提出了地下水流動系統(tǒng)理論，為水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展開拓了新的發(fā)展前景[4]。新技術(shù)、新理論的不斷引入，使得水文地質(zhì)學(xué)越來越系統(tǒng)，概念越來越完善，技術(shù)越來越成熟，分支學(xué)科的劃分也越來越明確，其發(fā)展也越來越迅速，至此，水文地質(zhì)學(xué)進入了新的發(fā)展時期。

從水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的四個階段我們可以清晰地看出，其是一門與生活實踐密不可分的學(xué)科。水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展貫穿于人類文明的發(fā)展之中。在生活生產(chǎn)實踐中，人們觀察積累各種水文地質(zhì)現(xiàn)象，研究其規(guī)律，以便更好地服務(wù)于生活，久而久之水文地質(zhì)學(xué)得到了長足的發(fā)展，由此可見實踐對于水文地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展至關(guān)重要[5]。

3 當代水文地質(zhì)學(xué)的特點

地下水流系統(tǒng)理論[6]的出現(xiàn)，意味著水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展進入了新的階段。地下水流系統(tǒng)理論，從整體角度，綜合考察地下水與環(huán)境相互作用的變化，為分析地下水各部分以及地下水與環(huán)境的相互作用提供了時空有序的理論框架。

當代水文地質(zhì)學(xué)的研究領(lǐng)域，從以往的地下水資源向生態(tài)環(huán)境擴展，由地球淺部向地層深部圈層延伸。并且當代水文地質(zhì)學(xué)，由以往的解決局部的現(xiàn)階段的生產(chǎn)實際問題，轉(zhuǎn)向長期性、全局性以及可持續(xù)發(fā)展的課題。其以地下水流系統(tǒng)理論為核心框架，以系統(tǒng)思想為指導(dǎo)，運用多學(xué)科方法及其理論，構(gòu)建人和自然協(xié)調(diào)、良性循環(huán)的地下水流系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)、工程地質(zhì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)，這也成為當代水文地質(zhì)學(xué)的最終目標[2，7]。

隨著人類對生態(tài)環(huán)境的破壞，相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境問題隨之出現(xiàn)，人類開始意識到構(gòu)建人與自然協(xié)調(diào)的、良性循環(huán)系統(tǒng)的重要性，從而進一步探索目標系統(tǒng)的作用或者形成過程與內(nèi)在機理。當代水文地質(zhì)學(xué)已經(jīng)從傳統(tǒng)的實用性學(xué)科，演變?yōu)榧婢邞?yīng)用性與理論性的成熟學(xué)科。

4 水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展趨勢

隨著近幾年來我國發(fā)展對能源需求的不斷增長，從可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，常規(guī)能源已經(jīng)無法滿足發(fā)展的需求，新型能源的開發(fā)利用刻不容緩。地?zé)崮躘8]作為一種新型的清潔能源，其開發(fā)就顯得尤為重要?，F(xiàn)階段地?zé)崮苤饕ㄟ^地源熱泵形式被利用。目前地源熱泵在天津、河北、陜西等地被廣泛應(yīng)用，很多都是通過水源熱泵形式利用地下熱能[9]，由于深層地下熱水的高礦化度以及高溫，因而有的被用來發(fā)展溫泉旅游、有的被用來居民供暖。地下熱水作為一種寶貴的資源，其量并非是取之不盡用之不竭的，而且過渡開發(fā)利用很有可能導(dǎo)致嚴重的環(huán)境地質(zhì)問題，因此回灌必不可少，然而其回灌[10]問題卻一直是世界性難題，溫度利用率也偏低，這就需要水文地質(zhì)工作者對深層地下水進行深入研究。

多學(xué)科的交叉研究以及多技術(shù)方法的綜合應(yīng)用是水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的方向。水文地質(zhì)學(xué)原本就是地質(zhì)學(xué)和水文學(xué)結(jié)合形成的邊緣學(xué)科，隨著各學(xué)科體系的日益健全以及各分支學(xué)科的不斷發(fā)展，研究視野不斷拓寬、課題復(fù)雜程度越來越高，處理難度越來越大，因而多學(xué)科交叉滲透以及多技術(shù)方法綜合應(yīng)用是處理復(fù)雜課題的唯一途徑[11]。

預(yù)計今后水文地質(zhì)研究的重點將主要集中在地下水中污染物運移機理、四水轉(zhuǎn)化問題、地下水水溫度場的分布及其遷移機理、包氣帶水鹽運移機理及其空間分布、地球深層水文地質(zhì)、水文地質(zhì)中同位素的進一步應(yīng)用以及與深層地下水相關(guān)的數(shù)值模型的建立[12]。

5 結(jié)束語

隨著我國生態(tài)文明建設(shè)腳步的加快，自然科學(xué)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的結(jié)合就顯得意義非凡。當前，我國水文地質(zhì)學(xué)已經(jīng)進入了生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展階段[13]，構(gòu)建人與自然環(huán)境協(xié)調(diào)、良性的水文地質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)[14]已迫在眉睫，學(xué)科的發(fā)展以及關(guān)鍵技術(shù)問題的解決，都會對生態(tài)環(huán)境造成潛在的威脅或一定程度的破壞，因而學(xué)科的發(fā)展必須以生態(tài)環(huán)境的保護為根本，科學(xué)合理地完成兩者之間的轉(zhuǎn)化。

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作者簡介：李勁彬（1991-），男，漢族，陜西銅川，碩士，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)和土地工程方面的研究工作。