以1856 年達西定律的建立作為標志, 水文地質學奠基至今還不到150 年。第二次世界大戰以來, 隨著生產力與科學技術的迅猛發展, 以及人口爆炸式增長,人類活動以空前的規模改造自然, 資源大量消耗, 生態環境急劇惡化。與此同時, 水文地質學所要解決的問題愈來愈復雜, 原有的概念、理論與方法, 愈來愈難以滿足需求, 水文地質學面臨著巨大的挑戰與良好的發展機遇。

 

  1  當代水文地質學發展趨勢概述

 

  當代水文地質學的發展趨勢, 可大體歸納如下:

 

  (1)核心課題轉移  找水水文地質學—資源水文地質學—生態環境水文地質學。

 

  (2)研究視野擴展  含水層的局部—整個含水層—地下水系統—水文系統—生態環境系統—技術-社會系統。

 

  (3)研究目標改變  由局部性的問題轉向全局性的課題, 由當前的問題轉向長期的可持續發展課題;由解決具體生產問題, 轉向構建人與自然協調的、良性循環的地下水系統、水文系統、地質環境系統與生態系統。

 

  (4)研究內容擴展  從地下水的水量研究為主,轉向水量與水質的研究并重;從狹義地下水(飽水帶水)的研究, 擴大到廣義地下水(含飽水帶與包氣帶水), 乃至地下水圈的研究。

 

  (5)研究思路的改變  對現象的規律性為主的研究, 已經不能滿足需要, 要求從成生角度, 加強過程與機理研究的比重。

 

  (6)多學科交叉滲透成為主流  傳統意義上純粹的水文地質學正在消亡, 地下水科學與其它自然科學以及社會科學交叉滲透, 以多學科方式研究與處理問題, 正在成為主流。

 

  (7)服務方式轉變  水文地質學的服務對象大為擴展, 服務方式發生了很大改變, 如何使水文地質工作成果轉化為生產力, 已經成為一個急需解決的重大課題。

 

  2  核心課題轉移與研究視野的擴展

 

  初期的水文地質學實際上是找水水文地質學, 人們只關心水井周圍含水層的局部———“影響半徑” ;泰斯公式的應用, 意味著視野已經擴展到整個含水層。

 

  上世紀初葉, 隨著取用地下水的規模增大, 發覺某一范圍內可供利用的地下水的數量是有限的, 從而, 探明地下水資源成為核心課題, 進入了資源水文地質學階段。

 

  與此相應, 越流概念的提出, 使得包括含水層與弱透水層在內的地下水含水系統, 成為研究的基本單元。

 

  二次世界大戰以后, 人類活動對包括地下水在內的自然環境的改造異常強烈, 產生了一系列生態環境問題, 當代水文地質學進入了生態環境水文地質學的新階段[ 1] 。托特(Toth .J)的地下水流動系統理論指出,一定條件下地下水可以穿越“隔水層”而形成統一的地下水流動系統[ 2] 。英格倫(Engelen .G .B)進一步提出了將區域地表水和地下水整合在一起的水文系統的概念[ 3] 。這些應運而生的理論, 為生態環境水文地質學提供了必要的分析框架。

 

  生態環境是超級復雜巨系統, 而地下水則是這一超級復雜巨系統中最為活躍和敏感的一個子系統。在人為活動影響下, 地下水的變化會導致一系列復雜的物理、化學與生態效應, 對地下水系統、水文系統、地質環境系統和生態系統造成損害。

 

  為應對水資源短缺與生態環境損害, 人們開展了地下水管理。在相當長的一個時期里, 地下水管理被理解為純粹的自然科學技術問題, 人們企圖采用解決硬問題的辦法, 用數學模擬求取唯一的最優解。但是,任何資源—生態環境水文地質問題, 必然涉及人們的價值判斷, 因此, 所要處理的不僅是純粹的自然科學技術的硬問題, 還涉及社會經濟軟問題;對于這樣的技術—社會—經濟問題, 不可能求得唯一的最優解, 而只能在權衡各種利弊和協調各方利益后, 選取滿意解或者非劣解。于是, 水文地質學家開始認識到, 他們所面對的實際上是一個復雜的技術—社會系統。

 

  回顧水文地質學家研究視野的變化, 有兩點值得注意:一方面, 從局部的、分割式的思路分析對象, 轉變為以整體觀、系統觀來考察事物;另一方面, 從單純研究對象的自然屬性, 轉變為同時研究其自然屬性與社會屬性。這種轉變, 與國際資源與環境科學的發展趨勢是一致的[ 4] 。

 

  3  研究目標與思路的轉變

 

  水文地質學的任務, 最初是解決各種局部性的生產實際問題, 隨后, 逐步轉向全局性的課題。當人們認識到, 資源耗竭和生態環境的不斷惡化, 勢將危及人類的生存與發展時, 可持續發展的理念應運而生。與此相應, 水文地質學的任務, 由解決當前的問題轉向長期的可持續發展課題。

 

  當代水文地質學的研究目標, 是從可持續發展理念出發, 構建人和自然協調的、良性循環的地下水(流動)系統、水文系統、地質環境系統和生態系統。當良性循環的天然系統尚未受到人為活動損害時, 研究的目的是掌握其演變規律, 警惕與預防人為活動的不良干擾。當良性循環的天然系統已經遭受人為損害時,研究目的是修復其損害。當天然系統存在不利于人類的缺陷時, 則需要遵循自然規律, 對系統進行優化。

 

  水文地質學研究目標的改變, 要求采用新的研究思路與方法。如果說, 為了解決具體的生產問題, 傳統水文地質學更多著眼于研究現象的規律, 那么, 進入當代的生態環境水文地質學階段, 就必須從成生角度研究目標系統的作用過程與內在機理。目標系統的研究, 需要采用將分析與綜合有機整合的系統分析方法;良性循環系統的構建, 要求應用系統工程的方法;要求采取成龍配套的治本對策, , 而不是零敲碎打的治標措施;不僅要求處理好人和自然的關系, 更要求正確處理好人與人之間的利益關系[ 5] 。

 

  4  研究內容的擴展

 

  隨著水質問題(天然水質不良、地下水污染、海水與咸水入侵等)的凸現, 以及對水化學信息重要性的認識加深, 地下水的研究已經從以往的水量研究為主, 轉向水量與水質的研究并重。在地下水污染修復研究過程中, 發覺抽取后加以處理需要付出的代價很大, 又難以獲得理想效果, 于是, 開展了著眼于預防的地下水脆弱性(敏感性)評價。與此同時, 從化學角度出發的水-巖相互作用研究以及地球化學模擬成為新的研究熱點[ 6 ,7] 。

 

  地下水水量與水質的形成, 與包氣帶密不可分, 因而, 水文地質學研究從以狹義地下水———飽水帶水為對象, 擴大到包括包氣帶與飽水帶在內的廣義地下水。

 

  有人進一步提出, 水文地質學是研究地下水圈的科學;地下水圈包含從地殼淺部到下地幔以各種形式存在的水-巖石空隙中的水、礦物和巖漿中的水, 以及分解為氫離子和氧離子的“水”[ 8 , 9] 。愈來愈多的證據說明, 地殼淺部參與水文循環的地下水, 與地球深部層圈中參與地質循環的水, 存在著密切聯系。據估計, 下地幔中儲存的水分相當于全部大洋水量的50 倍;隨著巖漿運動的水, 以及大洋中脊熱液系統和板塊俯沖過程中的水循環, 對礦藏以及深部特殊生命系統的形成,起著十分重要的作用;包含地下水在內的地質流體的研究, 已經成為地球科學的重大前沿課題[ 10 ～ 13] 。

 

  5  多學科交叉滲透研究與處理問題成為主流

 

  一個地區的水資源是難以分割的, 撇開水資源系統的整體分析, 孤立地研究其中的一個組成———地下水系統, 是無法進行正確評價與科學管理的。在分析與處理與地下水密切相關的地質環境損害、地質災害與生態退化時, 需要涉及地球化學、物理學、生物學、微生物學、生態學、巖土力學、土壤學, 以及相關的修復技術與處理技術等。在分析與水土有關的各種地方性疾病時, 水文地質學家不僅需要了解元素在水土中的遷移積聚規律, 還需要了解元素的生物學功能以及有關的醫學知識。從事城市地質工作的水文地質學家, 需要對城市規劃與管理有所了解。有效利用土壤水的研究是解決水資源短缺的重要途徑, 此時, 需要將地下水科學與農學、土壤學, 乃至基因改良技術相結合。

 

  發現地圈與生物圈(主要是微生物)的協同演化,是近年“全球變化”和“大洋鉆探”的最大進展之一[ 10] 。

 

  由此啟示我們, 地下水科學與微生物學相結合是重要的科學前沿。

 

  微生物能夠降解石油、農藥, 有助于重金屬的吸附、沉淀與轉化;利用有降解能力的微生物, 或采用DNA 重組技術改變基因結構, 培育降解效果更好的微生物, 對地下水污染進行原位修復, 是地下水污染治理極有潛力的方向[ 14 , 15] 。

 

  據報道, 在巖溶景觀(地貌和鈣華)的發育中, 有微生物參與的生物地球化學過程起了重要作用[ 16 , 17] 。可以預見, 微生物在地下水化學成分形成以及其它水文地質過程中作用的研究, 是當代水文地質學發展的重要方向。

 

  包括地下水在內的水循環及其支撐所的生態系統對全球變化的響應, 是當代水文地質學需要關注的課題。作為水循環組成以及生態系統支撐的地下水, 與地球各層圈(大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈、地幔、地核)以及人類活動構成的地球系統有著千絲萬縷的聯系, 以地球科學系統理論為指導, 推動水文地質學的發展, 是一個必然趨勢[ 18] 。

 

  當代水文地質學面對著錯綜復雜的種種問題, 因此, 從事水文地質工作的人員, 應當具備自然科學與社會科學的多學科的知識背景, 要求以學科交叉的思路去研究問題, 要求以跨學科的視野去處理問題。

 

  6  水文地質工作成果轉化面臨新問題

 

  在找水水文地質學階段, 水文地質工作成果的用戶(受益部門)明確, 有些部門提供的信息與用戶的利益比較一致, 成果轉化為生產力, 并無困難。

 

  進入資源水文地質學階段, 盡管用戶明確, 但是,如果提供的水文地質信息, 與用戶的局部利益與當前利益沖突時, 成果轉化為生產力, 就不那么容易了。20世紀70 年代, 河北黑龍港地區出現深層地下水開采漏斗后, 水文地質人員得出深層水補給有限、不宜大量開采的正確結論, 但是, 由于這一成果并不符合當時以開采深層水支撐發展的理念而未被采納, 時至今日, 黑龍港地區的水資源與生態環境, 仍然處于不斷惡化中。

 

  進入生態環境水文地質學階段, 水文地質信息的傳遞與成果轉化, 遭遇到前所未有的阻力。首先, 水文地質成果的潛在用戶包含各級政府與不同部門。地質部門與用戶之間, 有的并不存在合約關系, 有的沒有明晰的合約關系。因此, 經常出現用戶缺位、用戶缺乏意識、用戶對相關地質信息不知曉的現象。其次, 地下水開發引起的水資源與生態環境方面的問題, 如地下水超量開采、地下水污染、地面沉降、生態惡化等, 由于它的隱蔽性、緩慢性和積累性, 媒體報道得很少, 公眾缺乏了解, 難以引起決策者的關注。第三, 有些部門提供的信息, 往往會與用戶的局部利益與當前利益沖突。

 

  如果說, 找水水文地質學階段的地質信息, 往往是與用戶當前利益與局部利益一致的“喜報” , 那么, 現在提供的地質信息往往是“憂報” ———雖然, 從長遠和整體利益的角度, 用戶是收益者, 但是, 從當前與局部利益角度, 用戶卻是“受害者” ———這種情況下, 水文地質工作成果被用戶擱置一邊, 甚至受到抗拒反對, 是不難理解的。

 

  水文地質工作成果之所以難以轉化為生產力并得到社會承認, 除了上述原因以外, 還受多種因素的制約:決策機制不完善;條塊分割, 多頭管理, 缺乏配套的法規、或者法規不完善, 無法保證成果的轉化;部門提供的成果, 過分專業化, 沒有真正面向用戶、做到通俗易懂, 使地質信息的傳遞受阻等。

 

  7  當代水文地質學發展的若干對策

 

  水文地質學的核心課題、研究視野與研究目標發生了重大變化, 要求解決的問題愈來愈錯綜復雜, 水文地質成果的轉化出現新的困難, 當代水文地質學面臨前所未有的巨大挑戰。水文地質學發展的唯一出路是開拓創新, 只有開拓創新, 才能化挑戰為機遇, 才能迎來水文地質學發展的新天地。在此僅就當代水文地質學發展戰略的若干方面, 提出一些初步的看法。

 

  7.1  構建當代水文地質學的理論方法體系

 

  水文地質學原有的概念、理論與方法, 已經難以滿足要求, 因此, 對傳統水文地質學進行去蕪存精的揚棄, 建立當代水文地質學的概念、理論與方法體系, 是當務之急。其中最重要的, 是將系統分析、系統動力學和系統工程方法全面引入水文地質學, 圍繞當代水文地質學的研究目標———構建人和自然協調的、可持續的水資源系統和生態環境系統———建立新的概念、理論與方法體系。

 

  地下水流動系統理論, 以地下水流網為載體, 將滲流場、化學場與溫度場統一于一個有序的時空結構之中;它賦予水文地質學以有機整體的理論框架, 揭示了原本似乎互不相干的不同部分與不同方面的內在聯系, 從而有助于人們把握地下水各部分及其與環境之間聯系的完整圖景。正如Toth 所指出的, 由于地下水流動存在系統的有級次的空間分布, 以及地下水與周圍環境相互作用, 在流動過程中, 地下水與環境發生化學的(溶解、沉淀、水化、氧化-還原、脫硫酸等)、物理的(孔隙水壓力改變、巖土磨擦力降低等)及動力的(水分、鹽分與熱量的輸送)相互作用;地下水的溫度、礦化度、化學類型等呈現有規律的空間分布, 地表則有規律地出現一系列與地下水有關的現象(泉、濕地、水土流失、滑坡等)[ 19] 。因此, 在地下水流動系統的理論與方法基礎上, 進一步發展功能齊全、界面友好、能夠刻畫大區域的耦合的地下水系統、水文系統、地質環境系統與生態系統的分析工具, 十分必要。在這方面, 已經有了一些有益的嘗試, 提出了一些新的設想[ 20 ～ 24] 。

 

  實現水文地質成果的數字化、信息化、可視化;發展數學模擬, 對地下水有關的系統進行虛擬研究, 得出不同給定條件下系統的不同響應;以地理信息系統為載體, 發展相應的決策支持系統。所有這些都是完善當代水文地質學所需要進行的工作。

 

  

  7.2  加強水文地質過程與機理研究

 

  無論為了事先預防規劃、事后修復, 或者優化改造, 我們所研究與處理的基本上都是人工-自然復合系統。因此, 探究純粹自然狀態下系統的演變規律與機制, 了解疊加(已經疊加和可能疊加)人為作用后系統的可能響應, 是構建人與自然協調的、良性循環水資源系統和生態環境系統的基礎。

 

  除個別領域外, 水文地質過程與機理的研究, 還相當薄弱。例如, 降水入滲補給機理研究的不足, 使得一系列相關的問題無法得到滿意的解決。與此相反, 正是非飽和水流在非均質介質中的選擇性滲流機制的研究, 為包氣帶核廢料處置等提供了理論基礎。

 

  過程與機理的物理實驗與模擬需要精心設計, 需要化費很多的時間和精力, 實驗模擬過程中往往會出現許多意想不到的困難;因此, 人們愈來愈傾向于采用方便易行的數學模擬, 來代替物理模擬。但是, 為了理解真實的物理過程, 為了檢驗數學模擬的結果是否符合實際, 物理實驗與模擬是無可替代的。

 

  為了查明作用過程與機理, 需要借助于控制性實驗。作為水文地質學定量基礎的達西定律, 正是控制性實驗的結果。控制性實驗的特點在于:排除其他次要因素的干擾, 將所要觀察的對象控制于純粹狀態, 從而抽取純粹的自然規律。迄今為止, 國內外水文地質界都十分重視野外實驗, 但是很少有人去作達西實驗這樣的控制性室內實驗。人們也許認為, 野外實驗比室內控制性實驗更為接近真實。但是, 實際并非如此,只有在人為嚴格控制的室內實驗條件下, 才能重現自然的原本面目, 才能獲取真正的固有自然規律;水文地質學要想有突破性的發展, 必須重視控制性實驗[ 28] 。

 

  7.3  水文地質工作需要向生產領域延伸

 

  半個世紀以來, 我國水文地質的發展遠沒有工程地質那樣有活力。工程地質工作的長足發展, 得益于善于吸收當今科學思想豐富自身的理論, 并且較好地實現了理論、測試技術與工程技術的結合。巖土工程、地質工程等分支的興起, 說明工程地質工作已經由工程的地質論證延伸到了工程實踐領域, 從而推動了工程地質學科的長足發展。

 

  汪民等提出了水文地質學發展的工程方向———地下水環境工程[ 29] 。地下水環境工程包含地下水資源合理開發利用工程、生態地質環境退化控制與改良工程、地下水污染控制工程、廢物地質處置工程等。李瑞敏等提出了“區域農業地質環境開發與農業生態地工程”的概念, 蘊涵了農業地質向工程方向發展的思路[ 30] 。

 

  目前, 地下水污染及其控制的工作, 已經打破單純的水文地質論證模式;從實地監測研究, 到室內實驗、野外實驗、數值模擬, 直到生產性修復試驗, 與多個學科交叉的水文地質工作貫穿了整個過程;地下水污染研究, 成為發展最為迅速的水文地質學分支, 并非偶然。西南巖溶地區, 利用帷幕灌漿建造地下水壩以抬高補給逕流區地下水位, 取得了良好的成效, 是地下水工程的良好范例。我們認為, 土壤水有效利用、咸水改造、地下水庫調蓄水資源等, 都是水文地質學向生產領域延伸的重要方向。

 

  在實現地質與工程融合過程中, 工程地質的實用工程技術發展十分迅速, 例如, 巖體處理的鉚噴技術、帷幕灌漿, 軟土處理的預壓加載、排水砂井、排水塑料板, 等等。水文地質工作向工程領域的延伸, 必須采用和發展相應的實用工程技術手段。例如, 以水平井為主的淺井井型改革及其鑿井技術的開發, 便是支撐水文地質向生產領域延伸的一項關鍵措施。

 

  7.4  加強包括軟科學在內的多學科跨部門研究跨學科的研究已經成為當代水文地質學的主流,因此, 除了小型的單個研究者主持的研究項目外, 還需要組織多學科的研究項目, 以及由多個部門和機構協調進行的項目。

 

  為了更好地發展當代水文地質學, 需要特別重視以下各類的學科交叉滲透:第一, 根據研究目標的需要, 開展相關學科與水文地質學相結合的研究;第二,將橫斷科學(系統論、信息論、控制論、超循環理論、耗散結構理論、混沌學、分形理論等)全面引入水文地質學, 充實與發展水文地質學的理論與方法;第三, 將水文地質學與社會人文科學結合, 加強軟科學研究。

 

  目前, 第一類學科交叉的研究, 已經開始受到重視, 但是, 離開學科的真正融合, 還有較大距離;第二類學科交叉的研究, 已有不少探索性成果, 但是, 如何將橫斷科學全面系統引入水文地質學, 要走的路還很長;第三類的學科交叉, 則至今尚未引起足夠重視。

 

  加強水文地質學與社會人文科學的結合, 其重要性如何強調也不為過。任何自然科學技術問題的解決, 都無法回避人們的價值判斷與利益協調;因此, 自然科學技術成果, 需要借助于社會人文學科的支撐, 逾越種種利益門檻, 才有可能被社會所接受, 否則, 只能停留在紙面上, 無法轉化為實實在在的生產力。

 

  7.5  加強水文地質信息的社會傳播

 

  公眾與決策者的注意力, 很大程度上受媒體的影響。黃河斷流、淮河污染等大量看得見、摸得著的地表水問題的報道, 吸引著受眾的眼球。地震、滑坡、泥石流等突發性地質災害, 也給公眾留下深刻的印象。地下水短缺與地下水污染的隱蔽性, 地下水引起的某些地質災害的緩變性, 使得媒體對此類沒有轟動效應的新聞缺乏興趣。因此, 公眾與決策者便對水文地質工作缺乏認識。

 

  水文地質學信息傳遞受阻還有另外原因。隨著水文地質成果的服務領域拓寬, 而我們仍然習慣于用專業性的文字和圖件來傳遞信息。隨著水文地質工作的公益性不斷加強, 以通俗易懂的語言向公眾與決策者傳遞有關信息, 愈來愈有必要。

 

  7.6  創新開拓是發展當代水文地質學的關鍵

 

  創新開拓, 就是要以跨學科的廣闊視野, 分析問題與解決問題。很多情況下, 解決與地下水有關的水資源和生態環境問題, 不可能在水文地質學本身中尋找答案。例如, 緩解水資源短缺的關鍵之一是有效利用土壤水, 而有效利用土壤水的關鍵, 則是建設既利于入滲而又能抑制蒸發的土壤庫容。因此, 如何改善土壤結構, 便成為解決水資源短缺問題的突破口。又如, 為了防治干旱半干旱地區渠灌產生的次生鹽漬化, 可以采用井渠結合、灌排結合的方式, 然而, 推動井渠結合的關鍵并不在于技術措施, 而是調整地表水與地下水的水價。

 

  創新開拓, 就是要掌握正確的方法論。一個學科的發展, 在某種意義上說, 取決于它所采用的方法論。

 

  Toth 的區域地下水流動系統理論, 得出了一系列與常規思維不相容的結論:潛水存在自下而上的水流, 均質各向同性介質中存在不同級次的流動系統。學科發展的歷史告訴我們, 愈是深層次的科學規律, 與人們的常識離得愈遠, 僅僅運用歸納法和演繹法, 是無法發現這種“離奇”的科學規律的。劃時代的科學發現(相對論、板塊構造學說、區域地下水流動系統理論等), 都是運用假設-演繹法得到的。水文地質學要想有突破性的發展, 有必要掌握并運用假設-演繹法[ 28 ,31] 。

 

  創新開拓, 就要擺脫成見的束縛, 從“成熟”的理論中找出問題, 從司空見慣的現象中發現問題。與其它學科一樣, 水文地質學是在概念與理論的不斷更新中發展的。破除了絕對“隔水層”的概念, 才有越流、含水系統、流動系統等一系列新概念的誕生。多重介質理論的建立, 才有裂隙水分布參數系統的模擬與工程應用。非飽和帶滯后釋水現象的發現, 才促進了包氣帶水-飽水帶水的耦合研究。

 

  當代水文地質學的內涵與發展趨勢, 有待不斷探索, 我們在這里只是提出了一些不成熟的看法, 希望得到同行的教正, 并引起進一步的討論。