水文地質學的發展

摘 要：文章結合時代發展的需求以及水文地質學的特點，詳細論述了水文地質學的演化和發展過程，分析國內外水文地質學研究現狀及發展趨勢，分析當代水文地質學的特點，從傳統的實用性學科，向兼具應用性與理論性的成熟學科演變，并闡明水文地質學今后的發展趨勢，從可持續發展概念出發，走多學科交叉路線，構建人與自然環境協調發展的生態系統。

關鍵詞：水文地質學；地下水；可持續發展；生態環境

引言

水文地質學是一門研究地下水的數量和質量隨時間和空間的變化規律，以及如何合理利用地下水或防治其危害的學科。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的時空變化規律以及如何運用這些規律興利除弊[1]。水文地質學是一門應用性很強的學科，它在人類生活和生產部門的需求下不斷發展，學科體系逐漸健全，理論水平不斷提高。人類在生活或者生產實踐中所遇到的相關的問題，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，水文地質學這門學科也逐步發展。水文地質學從尋找和利用地下水資源開始，圍繞實際發展需要，逐漸開展了一系列相關研究，現已發展成為一門相對成熟的學科。然而在生產力以及科學技術迅猛發展的今天，其所面臨的問題也越來越復雜，越來越多元化，原有概念、理論及方法已經很難滿足需求，水文地質學的發展面臨著巨大的挑戰與機遇[2]。

1 概述

水文地質學主要研究地下水的埋藏、分布、補給、排泄、徑流和形成規律，地下水的物理性質和化學成分，地下水水質和水量評價、開發及其合理利用，地下水對工程建設和礦山開采的不利影響及其防治，地下水污染的防治，地熱能開發等。在不同地質環境或者地質時期，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變化規律，可為合理利用以及防治地下水提供一定科學依據。地下水中污染物分布、預測、治理以及如何防治是水文地質學目前研究的一個重點。隨著科學技術的不斷的發展以及生產建設發展的需要，水文地質工作者對水文地質學進行了分支學科的細分以及進行了多學科交叉滲透研究。

2 水文地質學發展簡史

水文地質學的發展經歷了萌芽、奠基、形成和發展四個階段[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，代表了水文地質學的萌芽。歐洲工業革命時期，由于工業的快速發展，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，奠定了水文地質學的基礎。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。該階段人們已經通過實踐得到了水文地質相關的基本理論，并且將其應用到了地下水的研究之中，為水文地質學的發展奠定了好的基礎。第一次世界大戰之后，合理開發、科學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象，“含水層思維”受到沖擊[3]，逐漸產生含水系統的概念。隨后英國的博爾頓（N.S.Boulton）和美國的紐曼（Neuman）分別導出了潛水完整井非穩定流方程。至此，水文地質學已經完成了從找水型向資源型的轉變，各方面理論研究已經構建了較完備的結構框架，水文地質學的發展已經初步成型。第二次世界大戰以后，隨著生產力與科學技術的迅速發展，世界人口急劇增長，消費需求也急劇升高，因而人類開始大規模改造自然環境，大量消耗了包括地下水在內的各種資源，破壞了環境，打破了生態平衡，進而導致了生態環境的急劇惡化，如土地荒漠化、土壤鹽堿化、地面沉降、水土流失等。保護生態環境刻不容緩，水文地質工作者開始尋求新的發展模式，水文地質學開始進入了以生態環境為研究核心的階段，期間面臨的問題錯綜復雜，以及在全球信息化大的背景下，原有的思維模式、概念、理論以及方法已經難以滿足發展需求。加拿大的托特提出了地下水流動系統理論，為水文地質學的發展開拓了新的發展前景[4]。新技術、新理論的不斷引入，使得水文地質學越來越系統，概念越來越完善，技術越來越成熟，分支學科的劃分也越來越明確，其發展也越來越迅速，至此，水文地質學進入了新的發展時期。

從水文地質學發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科。水文地質學的發展貫穿于人類文明的發展之中。在生活生產實踐中，人們觀察積累各種水文地質現象，研究其規律，以便更好地服務于生活，久而久之水文地質學得到了長足的發展，由此可見實踐對于水文地質學科的發展至關重要[5]。

3 當代水文地質學的特點

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

當代水文地質學的研究領域，從以往的地下水資源向生態環境擴展，由地球淺部向地層深部圈層延伸。并且當代水文地質學，由以往的解決局部的現階段的生產實際問題，轉向長期性、全局性以及可持續發展的課題。其以地下水流系統理論為核心框架，以系統思想為指導，運用多學科方法及其理論，構建人和自然協調、良性循環的地下水流系統、水文系統、地質環境系統、工程地質系統和生態系統，這也成為當代水文地質學的最終目標[2，7]。

隨著人類對生態環境的破壞，相應的生態環境問題隨之出現，人類開始意識到構建人與自然協調的、良性循環系統的重要性，從而進一步探索目標系統的作用或者形成過程與內在機理。當代水文地質學已經從傳統的實用性學科，演變為兼具應用性與理論性的成熟學科。

4 水文地質學發展趨勢

隨著近幾年來我國發展對能源需求的不斷增長，從可持續發展的角度考慮，常規能源已經無法滿足發展的需求，新型能源的開發利用刻不容緩。地熱能[8]作為一種新型的清潔能源，其開發就顯得尤為重要。現階段地熱能主要通過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，而且過渡開發利用很有可能導致嚴重的環境地質問題，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，這就需要水文地質工作者對深層地下水進行深入研究。

多學科的交叉研究以及多技術方法的綜合應用是水文地質學發展的方向。水文地質學原本就是地質學和水文學結合形成的邊緣學科，隨著各學科體系的日益健全以及各分支學科的不斷發展，研究視野不斷拓寬、課題復雜程度越來越高，處理難度越來越大，因而多學科交叉滲透以及多技術方法綜合應用是處理復雜課題的唯一途徑[11]。

預計今后水文地質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、水文地質中同位素的進一步應用以及與深層地下水相關的數值模型的建立[12]。

5 結束語

隨著我國生態文明建設腳步的加快，自然科學發展與生態環境保護的結合就顯得意義非凡。當前，我國水文地質學已經進入了生態環境水文地質學發展階段[13]，構建人與自然環境協調、良性的水文地質生態系統[14]已迫在眉睫，學科的發展以及關鍵技術問題的解決，都會對生態環境造成潛在的威脅或一定程度的破壞，因而學科的發展必須以生態環境的保護為根本，科學合理地完成兩者之間的轉化。

參考文獻

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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，主要從事水文地質和土地工程方面的研究工作。