环境水文地质学的诞生

作者&投稿:钟离追 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
 水文地质学的发展方向~

(1)传统水文地质学的研究对象和领域进一步扩大到整个水圈,并参与到与其它地球圈层——岩石圈、生物圈、大气圈的相互影响、相互作用的领域,成为全球变化研究的重要组成部分。即使在水圈里,也是着眼于整个系统,地表水与地下水的统一研究,人地系统中人类与地下水环境的相互作用研究,引起地下水圈生态效应的变化的研究。俄罗斯水文地质学家提出生态水文地质学的新概念,目的是提出管理地下水圈体系及其质量状态的方法。从时空角度不仅加大了深部(层)地下水研究,而且回溯到过去地质历史时期的古水文地质研究。
(2)在水文地质基础理论方面,由于引进了现代新的科学理论,如系统论、非线性动力学、耗散结构理论以及应用数学、同位素技术等,使地下水的一些理论问题,如地下水的形成、年龄和地质循环、水-岩相互作用、地下水的数值模拟(渗流、水量、水质、溶质运移、弥散等)、弱渗透介质中水文地质问题等研究将进一步深入和发展。后者涉及非稳定流在非均一介质中的运移问题,需要建立对未来多少年的流体和溶质的传输预测模型。但这些科学前沿的理论研究还需要其它学科的协作,如放射性废物地质处置库的设置就需要水文地质学、岩石力学以及热传导和热动力学领域的科学家来共同解决。地下水和地质作用关系问题越来越受到关注,它对于金属矿床、矿化带的形成和地震预报有着特别重要的意义。
(3)多学科交叉协作形成的环境水文地质学的发展将更为迅速。它包括了区域环境、污染环境、医学环境和生态环境的水文地质研究。区域环境水文地质主要对区域环境水文地质条件和存在问题进行综合分析、评价和趋势预测,为环境规划或国土整治服务。有关地下水污染的机理、预测、控制和治理是环境水文地质的主要研究内容,是当前水文地质的研究重点。特别是污染治理措施的研究,需要多学科的协作,如国际上兴起利用土壤微生物来降解某些污染物的生物补救措施。它不仅依靠对水化学条件(如含水量、pH值等)的了解,而且控制生物降解的营养素有效性又受到地下水水流和运移过程所控制。这就需要微生物学、地球化学、水文学等方面的学科知识来共同解决。美国DOE1995提出一个跨这3学科的10年研究计划,内含7个研究单元,通过建立野外研究中心,综合数据,为最佳生物补救措施完善分析系统等途径,而水文地质将在其中起到重要作用。由于水资源日益紧缺,如何科学合理开发利用和管理,解决开发地下水资源引起的环境问题,有称之为资源环境水文地质学的,这些都是应用性很强的分支学科。
(4)新技术、新方法在水文地质中的应用将进一步扩大和加强。地理信息系统(GIS)可应用到地下水决策支持系统,地下水规划和管理,模型研究,水质监测,含水层识别,水源保护,利用遥感图像和数据进行地下水研究、编制水文地质图等方面。
(5)水文地球化学在以下领域内将进一步发展:一是结合环境质量评价要求,进一步对地下水水质及其变化、污染机理和预测、防治措施等进行研究;对于地下水中可能导致地方病病因一些有害微量元素的形成、运移、富集规律从室内模拟实验到区域实地调查、观测;对现今污染水中大量复杂的有机物质、生化物质的发现和治理的研究将促进水文地球化学提高到一个新的水平。二是用水化学和同位素方法综合研究地下水系统,在研究地下水的演化和100年以上尺度的水文地质事件和条件以及高放核废料处理选址方面。水化学同位素的研究对于解决地下水补给、深层水起源和地下水年龄以及热液成矿机理有着不可替代的重要性和发展前景。

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。 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。尽管第一个自流井是1126年在法国阿图瓦(Artois)成井的,但是,关于自流现象的第一个有记录的解释出现于17世纪,卡西尼(Cassini)和瓦里斯内利(Vallisnieri)都正确地指出:承压含水层的高水压是产生自流的原因。进一步试图将概念精确化的结果是,强化了绝对隔水性的观念,然而,对广泛分布的区域性含水层和隔水层的研究,很可能因而形成了地下水盆地的概念,在这方面,最基础同时也是最有影响的著作,则是赫伯特的“地下水运动理论”(M.King Hubbert,1940)。19世纪后期到20世纪初,开始了并非出于实用目的的地下水化学研究,着重于分类(Palmer,Scholler)及化学成分演变的影响因素分析(Chebotarev,Scholler,Back)。“工程学科分支”的第一阶段,时间从很早前到1856年,主要着力于发展经验性实用方法技术,构建集取地下水的设施,以及从泉、井、坎儿井,以及其它水源提升输送地下水。第二阶段是“定量评价”阶段,以1856年达西定律的发表为标志。达西方程触发了根据地下水位变动预测井的出水量的兴趣;随之而来的是一系列人们熟知的计算公式:裘布依、泰斯、雅可布、温泽尔(Wenzel)等,讨论的全是地下水位和理想承压含水层的定量预测。 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。当代水文地质学有以下3个主要特征概念:①地下水流动系统发育的空间尺度,变化范围很大;②地下水流动系统发育的时间尺度,变化范围很大;③流动的地下水是无处不在的地质营力,其作用可以达到地面以下极大深度,对极其广泛的自然过程与现象,都有着控制性影响。水文地质学向何处去发展?作为一门成熟科学,建立于工程师的数学严谨和科学家自由想象之上,建立于相关学科的技能、方法和技术之上,在可以预见的未来,水文地质学的理论与技术方法不大可能有新的突破;反之,预期将会出现各种“名副其实”的学科分支,例如:环境水文地质学、污染水文地质学、农业水文地质学、油气水文地质学,等等。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、水文学家好气象学家等多个学科领域的专家学者联合来完成的(图3)。

环境问题的研究,已是当前世界各国十分突出的一个问题。环境水文地质学的诞生和发展是和环境地质学的诞生和发展紧密相关的。可以说,从20世纪60年代初期出现环境地质学起,就开始有了环境水文地质学的雏形,严格地说,它是环境地质学的一个分支。

环境地质学的含义和研究范畴,不同学者有其不同的见解。最早使用“环境地质学”这个名词的是1962年Tames E.Hackett,他认为“环境地质学是研究和使地质学达到协调和完善状况的一个新方向”。Peter T.Flawn则认为“环境地质学是研究城市、乡村和原始地区人类土地利用的全过程,它包括自然资源的寻找和开发、废物的处理、块体运动和构造运动的效应、地球物质组分对人体健康的影响效应。它涉及到陆地、海洋和大气圈,甚至由于地球人口和工业的集中,产生巨大的热柱和烟柱的效应,都可以应用环境地质这个名词”。Willian J.Wayne和Flawn等在1968年和1970年相继提出:“城市地质学一词与环境地质学实际上是同义词”,“城市地区是公认的环境地质学最重要的焦点”等。但是,与此同时,也有学者持相反的意见,如Gordon B.Oakeshott(1970)认为“环境地质是一种荒谬的名词”,“所有地质学都是环境的……”。

不论各位学者的看法如何,环境水文地质学作为环境地质学的一个分支,它的发生与发展是和世界人口的增加、城市化程度的迅速增长、特别是为供水目的过量抽取地下水而导致的地面沉降、含水层枯竭、水质恶化等一系列环境水文地质问题的发生与发展过程密切相关。而且,目前环境水文地质学涉及的研究范围已远远超过了岩石圈和水圈而延伸到大气圈和生物圈,并和人类赖以生存的社会、环境、生态和经济等密切联系。

近二三十年来,该学科在我国发展迅速。原地质矿产部曾先后于1979年10月和1983年3月分别在西安和杭州召开了北方与南方地区有关环境水文地质的经验交流会,着重讨论了我国各地地下水的污染现状、成因、形成机理与环境质量评价等问题。又如,1979年在北京召开的“地下水人工补给”学术讨论会;1980年在上海召开的“全国地面沉降”学术研讨会;1982年11月在重庆召开的水文地球化学学术讨论会等。总之,从20世纪80年代初至今有关环境水文地质专题研究的各种学术会议很多。在科学研究方面,自我国“八·五”科技攻关以来,每次攻关规划都有环境水文地质科学研究的项目。近几年,我国进行西部大开发,更是明确的以生态环境研究为重点。所有这些,都充分反映了我国环境水文地质学在20世纪已经进入了一个崭新的发展阶段。

应该着重指出的是,在我国环境水文地质学科的建立和发展过程中,陈梦熊院士有很大的贡献。他于1984年发表的“环境水文地质问题与环境水文地质学”(水文地质工程地质选辑20,地质出版社)一文中,在我国首次提出了环境水文地质这一新学科,继而,他又在1985,1990,1995和1996年陆续发表了一系列文章,论述了关于环境水文地质学这一新学科的基本概念、学科分支、研究内容与方法等。这些思想观念和理论基础,已被不少院校的教科书和有关论著所引用,影响深远。

目前,环境水文地质学根据其研究的内容和方法,在我国已形成了不同的环境水文地质学分支。如资源环境水文地质学、污染水文地质学、病理环境水文地质学、工程水文地质学、生态环境水文地质学(陈梦熊,1985年)等,这在1987年7月第28届国际地质大会以来的历届地质大会的有关环境地质分会的内容上都有反映。

总之,环境水文地质学是一门应用地质科学,是研究天然和人为作用下,由于环境水动力作用和水文地球化学作用变化所造成的环境水文地质问题。如,土壤盐碱化、森林退化、水污染、海水入侵、地面沉降、水源枯竭等有关环境地质副作用的发生、发展的物理、化学过程及其计算机模拟和预测;从水文地球化学和水文地质动力学原理出发,环境水文地质学还研究水和岩石相互作用的机理以及人类和自然交替作用过程中水文地质环境保护的措施;研究向地球索取更多优质水的方法和措施等。这些研究既包括水资源合理开发利用的一系列水动力学和水化学的理论和方法研究,也包括与海水入侵、污水处理等有关的一套工程技术,如污水的化学、物理化学、微生物化学和生物工程等的处置方法和措施的研究。

环境水文地质研究的目的是为了改造环境,以达到控制和消除有害作用,保护和合理利用地下水资源,使其有利于人类生存和发展生产的目的。其研究的范畴应包括各种水资源,如大气降水、地表水、地下水以及再生水、资源化水等的形成发展、演化的机制和治理对策,以及与大气圈、岩石圈、生物圈之间的相互影响,相互制约的内在联系的研究。显然,在当前全世界面临水资源短缺和环境恶化的形势下,环境水文地质工作及其学科发展的前景必定越来越宽阔。



水文学涉及哪些方面知识
答:接着,农业水文学、森林水文学、都市水文学也相继兴起。 1949年,林斯雷和柯勒、保罗赫斯合著《应用水文学》;同年,姜斯敦和克乐斯合著的《应用水文学原理、美国土木工程师学会编著的《水文学手册》等应用水文学专著陆续问世,总结了这一时期的成就,标志着应用水文学的诞生。应用水文学,以它直接为生产和生活提供多方面...

水化学常识
答:各种水体储量表 地下水水文学 地下水水文学是运用水文循环和水量平衡原理研究地下水形成、运动、水情和地下水资源的水文学分支学科。 它和主要研究地下水起源、类型、分布、运动、化学成分的形成和地质环境的水文地质学关系密切,但研究内容各有侧重。 地下水是自然界的一种水体,地下径流是水文循环的一个环节,地下水...

水文地质工作的主要进展
答:在最近几十年里,水文地质学发展迅速。水文地质工作涉及的内容十分广泛,从如何寻找地下水和提供供水水源,到评价地下水资源(数量和质量)和如何合理利用地下水资源,再到开采利用地下水资源引起的环境地质问题,亦即从研究地下水系统与自然环境的相互关系,扩大到研究地下水系统与社会经济系统的关系。从基本概念和基本理论,到模...

关于地质小知识的内容
答:研究地壳演化历史古生物学、地史学、岩相古地理学。研究地表特征的:冰川地质学、海洋地质学。地质应用学科:(1) 与开发资源相关的:煤田地质学、石油地质学、冶金地质学、矿床学、水文地质学。(2) 与环境科学相关的:工程地质学、环境地质学、城市地质学、旅游地质学 三、地质学的特点和研究方法 ...

水文地质学的研究对象与任务
答:水文地质学是研究地下水的科学。地下水主要是指赋存于岩石空隙中的水。水文地质学的任务是研究地下水的赋存、形成条件、水量和水质时空的变化规律,同时还研究如何合理地开发利用地下水,以及水与环境之间相互关系的一门学科。水文地质学是一门综合性的自然学科,按其知识内容和用途,可将其分为:水文地质...

水文地质学的研究对象
答:水文地质学是一门研究地下水的科学。具体地说,它是研究地下水的赋存条件、形成条件、水量和水质时空的变化规律、水资源开发利用以及水与环境关系的一门科学。随着水文地质科学的发展,它的研究内容越来越广泛,其主要研究对象可归纳为六个方面。第一,地下水赋存条件。地下水和地表水最大的差别是地下水...

水文地质学的基本内容
答:古水文地质学是研究地质历史时期地下水的形成、埋藏分布、循环和化学成分的变化等。据此,可以分析古代地下水的起源与形成机制,阐明与地下水有关的各种矿产的形成、保存与破坏条件。地下水的形成和分布与地质环境有密切联系。水文地质学以地质学为基础,同时又与岩石学、构造地质学、地史学、地貌学、第四纪...

我国的水文地质研究展望
答:如何因地制宜,采用有效的治理方法,尤其采用既经济又能自然净化环境的生物治理方法,应成为环境水文地质学的重要研究方向。提高节约用水的科技水平,加强节水新工艺、新技术、新方法的科技研究,并推广到工农业、城市生活用水等各个方面。(4)从学科基础理论方面,要进一步研究承压水的越流理论、潜水的...

水文地质学的学科分类及其与相邻学科的关系
答:地下水本身是地球环境的组成部分,地下水的水量与水质的形成都与环境紧密联系,同时地下水的天然运动及人为开采活动又对环境产生各种正面和负面的效应。由于人类活动施加给自然环境的影响日益强烈,从而使环境和地下水之间的依存、制约关系更为密切,因此水文地质学和环境学、环境工程学、环境医学、环境生态学...

环境水文地质学的研究内容
答:分为两大类、六个方面的内容。 (一)天然(原生)环境水文地质问题——第一类环境问题。有自然因素所形成的,如地球的运动场,地方病。(二)人为(次生)环境水文地质问题——第二类环境问题。由人类活动造成环境污染。包括:人类活动引起的地下水污染及水质恶化;开发(疏干)地下水引起环境水文地质问题...