创新实践是水文地质学发展的必由之路

周志芳

河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098

地学前沿评述

创新实践是水文地质学发展的必由之路

周志芳

河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098

文章简要回顾了水文地质学发展的历史和现状，指出了少数业内同行出现的对水文地质学发展困惑的缘由。指明了水文地质学发展的趋势，明确了创新实践是水文地质学发展的必由之路。

水文地质学；创新实践；学科发展

一、前言

水文地质学是地质学的分支学科，是研究自然界中地下水的各种变化和运动规律的科学。其主要研究地下水的分布、运动和形成规律，地下水的物理性质和化学成分，地下水资源评价、开发及其合理利用，地下水对工程建设和矿山开采的不利影响及其防治等。回顾近50年水文地质学的发展历史发现：依赖于现代科学的新理论、新技术、新方法，多学科交叉渗透研究与处理问题成为水文地质学发展的主流。水文地质学自身本质、内涵很少有发展，没有出现能与类似于达西定律、裘布依公式、泰斯公式发现相提并论的较大的理论突破和科学发现。以至于业内有些同行怀疑起水文地质学是否已经走向消亡的末路。诚然，如果我们只是注重开发使用或教育我们的学生掌握一些水文地质专业软件，水文地质学也将可能暂时走向死胡同。但这并不代表水文地质学的发展已经是穷途末路。出现目前这种状态的最重要原因是我们在使用现代化计算工具和方法的同时逐渐脱离了水文地质发展最为本质的方法—创新实践，而实验是创新实践的最有效途径。毋庸置疑，拟合和模拟是水文地质计算中最有效的手段之一，但模拟必须通过模型来实现，对模型的认识必须通过实践和实验。以认识原型为基础的实践和实验，才是水文地质学自身本质、内涵创新发展的必由之路，水文地质学过去、现在的发展历史也充分证明了这一点。

总之，水文地质学不仅不会走向消亡的末路，而且正如它起源一样，伴随着人类的文明史那样悠久，水文地质学的未来也必将伴随着人类整个历史过程，在人类的生产实践和实验中，通过不断观测各种新的水文地质现象，研究它们的规律，积累更新的知识，不断丰富发展水文地质学科。

二、水文地质学发展历史回顾

从水文地质学的萌芽、形成和发展过程可以清晰地看出，水文地质学本身就是一门来源于实践的科学。人类开发利用地下水的历史，犹如人类的文明史那样悠久。在生产实践中，人类不断观测各种水文地质现象，思考和研究它们的规律，积累起关于地下水的丰富知识，逐渐形成并不断发展了水文地质科学，其中水文地质创新实践和实验起到了最重要的促进作用。

在我国关于泉的成因认识，最早有记录的是公元前475年—公元前221年在《尔雅·释水》中对泉就有了粗浅分类：“滥泉正出。正出，涌出也。沃泉县出。县出，下出也。氿泉穴出。穴出，仄出也”。东汉许慎（公元58年—147年）在《说文》解释道“泉，水原也。象水流出成川形”。北魏地理学家郦道元（466或472—527）在《水经注》里谈到“大融山石出温汤，疗治百病”。李时珍（1518—1593）在《本草纲目》里，系统地介绍了许多矿泉的性质，并把它们分为冷泉、热泉、甘泉、酸泉和苦泉等。在我国伯益（大约生活于公元前21世纪）就发明了凿井技术，并辅佐大禹治理水土、开垦荒地、凿挖水井、种植水稻。这是我国有记载最早开发利用地下水资源。

在国外从公元前8世纪的荷马开始，包括亚里士多德、泰勒斯、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。波尔洛认为，泉来源于入渗的雨水。梅瑟利（1791）开始测试岩石的渗透性，将入渗水区分为地表径流和深部储存。

在19世纪开始使用水文地质学一词，到20世纪初明确了水文地质学的内涵：研究地表以下水的发生与运动。20世纪 80年代水文地质学走向成熟。虽然人类对地下水的开发利用可追溯到远古时代，但由于地下水运动问题本身的复杂性和受生产力发展水平的限制，人类对地下水运动规律的科学认识是较晚的。1839年和1846年，哈根与泊肃叶分别观测到毛管中水流的层流流速与水力坡度呈线性关系。1856年，法国水力工程师达西通过砂的渗透实验获得渗透流速与水力坡度之间的线性关系，提出线性渗透定律，即达西定律，标志着水文地质学从定性描述走向定量计算。1863年裘布依对水力坡度很小的潜水缓变流作出假设，把达西定律用于实际，提出了著名的裘布依稳定井流公式。1935年，泰斯基于大量的地下水开采量与水位观测资料总结，考虑承压含水层的弹性可压缩，利用热传导方程的相似性导出了著名的泰斯非稳定井流公式，泰斯公式的出现开创了现代水文地质学理论的新纪元。1931年，理查兹将线性渗透定律推广到包气带。1940年，哈伯特提出了流动势的概念，流网得以广泛用于分析水文地质条件，叠加原理与映射法的引入，为多井系统及有界含水层中的井流计算提供了有力的工具。1946—1955年间，雅可布与汉图什导出了越流条件下井流计算公式。博尔顿1954年发现了潜水含水层延迟给水现象，进而完善了流向潜水井的非稳定流的计算。1956年，斯利希特观测到水质运移的弥散现象，此后，对于地下水中溶质和温度的运移的研究，有了长足的进步。20世纪70年代，随着地下水资源开采量的不断增大，地下水管理问题提到了日程。20世纪80年前后，研究地下水的科学和工程两个学科分支走向融合，水文地质学进入成熟发展阶段。近50多年来，随着计算机和计算技术日新月异的进步与发展，有限差法、有限元法、有限分析法和边界元法等数值方法日益广泛地应用于水文地质计算中。人们在分析水文地质问题的能力和方法上有了突破性的进展。

三、水文地质学发展现状

回顾最近50年，水文地质学的发展主要是依赖于现代科学的新理论、新技术、新方法的应用，多学科交叉渗透研究与处理问题成为了水文地质学的主流。比如，计算机技术在水文地质学中的应用，模型研究成为水资源研究的主要内容；遥感技术、同位素技术、自动监测技术、高精度水质分析技术等得到普遍应用，推动了水文地质学测试手段的发展。然而水文地质学本质、内涵很少有发展，再没有出现较大的理论突破和科学发现。感触到水文地质学与相邻学科不断交叉融合，学科的界限愈来愈模糊，以至于业内有些同行怀疑起水文地质学是否已经走向消亡的末路。如果只是注重教育我们的学生掌握一些水文地质专业软件，水文地质学也将可能暂时走向死胡同，但这并不代表水文地质学的发展已经是穷途末路。水文地质学的发展迎来了生死存亡的最大挑战。走向水文地质学发展迷途的最重要原因是我们在使用现代化计算工具、方法的同时逐渐脱离了水文地质发展最为本质的方法—实验。毋庸置疑，拟合和模拟是水文地质计算中最有效的手段之一，但模拟必须通过模型来实现，模型是原型的抽象或复制。对原型的认识是构模的第一位重要工作，是构模成败的关键。而对原型的认识必须通过实践和实验，不全面、不正确的认识必然带来不全面不正确概念模型。对于同一个原型，用不同的概念模型可以构成不同的数学模型。失实的概念模型构成的数学模型，就不再是原型的抽象，而是原型的假象。由此得到的结果不是原型的仿真，而是原型的失真。因此，以认识原型为基础的创新实践和实验，才是水文地质学理论、方法上创新发展的必由之路。

四、水文地质学发展趋向

水文地质学不仅不会走向消亡的末路，而且正如它起源一样伴随着人类的文明史那样悠久，水文地质学的未来也必将伴随着人类整个历史过程中，在人类的生产实践和实验中，通过不断观测各种新的水文地质现象，研究它们的规律，积累起更新的知识，不断地丰富发展水文地质科学。

我们掌握的现有水文地质学知识和对地球科学的认识存在许多不全面和不科学的方面，水文地质学无论从宏观还是微观层面上都有很多科学问题值得我们基于实验的方法开展研究。

1.微观层面上

（1）水文地质研究的物质对象地质体，通常称为介质。微观层面上介质都是不连续体，至今水文地质学很少有人从微观层面研究地下水的各种变化和运动规律。即从微观层面研究介质的结构与地下水的蒸发、入渗、运动规律和多相物质的扩散规律。然而土力学对土的微观结构研究已积累了丰富的成果。现实工作中我们至今并没有从宏观角度很好地解决诸如地下水的蒸发、入渗、运动规律和多相物质的扩散规律这些最基本问题。

（2）将微观不连续的多孔介质假定为宏观的连续介质，最基本的出发点在于典型单元体假定（又称表征体积单元）。尽管水文地质学中最早提出典型单元体这个概念并长期应用，水文地质参数和地下水动力学中的微分方程都是建立在典型单元体这个概念之上，然而水文地质学中却很少有人研究典型单元体到底是怎样的一个单元体？大小如何？随时间、空间是否变化？这些问题直接影响到我们已经定义的水文地质参数和地下水动力学中微分方程的正确性和可靠性。岩石力学中对岩体的表征体积单元研究已有较多的成果。

（3）近二十年来颗粒介质研究从宏观走向微观，并逐步成为物理学研究中的一个活跃领域；许多地质体是典型的颗粒介质，例如：自然界中沙石、土壤等。大量颗粒组成的离散态物质体系，在液体饱和状态下具有特别的性质和运动规律。如何借助于近代物理学中有关颗粒介质的研究成果发展现代水文地质学，值得关注。

2.宏观层面上

（1）水文地质学目前研究对象主要集中在陆地地壳表层地下水的各种变化和运动规律，而对于地球深层地下水和海洋深部地下水的各种变化和运动规律知之甚少。

（2）目前水文地质工作者研究地下水多受地域限制，局限在某个区域范围内。对于更大区域范围地下水的各种变化和运动规律涉及有限。我们尚无法掌握地下水在地表以下最多能循环多深、多远，需多长时间？

（3）以往我们多注重研究地球系统中天然状态下地下水或人类活动影响下地下水的各种变化和运动规律；而很少研究地下水的各种变化和运动规律改变对地球系统的影响。

（4）非常条件（深埋超高压、超高温、灾变等）下地下水宏观和微观层面上的各种变化和运动规律研究。

五、创新实践是水文地质学发展的必由之路

随着人类知识的更新，对地球科学认识的不断加深，新的水文地质问题将不断摆在人类面前，有待人类再实践和再实验，研究发现新规律，丰富更新水文地质科学的知识。我们有责任告诉地球人水文地质学大有前途，不仅有大量的工程问题需要水文地质学家去研究解决，更有许多科学技术问题需要水文地质科技工作者去通过实践去探索和创新。

水文地质实验可以根据实验的场所、实验的方法、实验的目的进行分类。根据实验的场所可分为室内实验和野外实验（试验），根据实验的方法可分为物理实验和数值实验，根据实验的目的可分为水文地质参数实验、水文地质示踪试验等等。具体实验方法主要有：为测定水文地质参数和了解地下水的运动规律而进行的试验工作，包括抽水、注水、压水、微水、渗水、连通、流速和弥散系数测定等。为环境水文地质评价开展的试验工作，包括抽水、注水、渗水、浸溶、土柱淋滤、弥散、连通、含水层储能等。

以上都是为了完成某项生产任务，按规程、规范要求开展的专门水文地质的常规实验，通过常规实验了解掌握特定地区地下水的分布、运动和形成规律，地下水的物理性质和化学成分，地下水资源评价、开发及其合理利用等等。

探索性的实验应该面向科学问题开展，也就是结合水文地质重点发展方向设计研究工作。例如围绕文章指出的微观、宏观二个层面，7个重点方向开展创新实践工作。

对于微观层面上的问题大多可通过室内创新实验完成。（1）设计某种装置，采用现代技术方法从微观层面研究介质的结构与地下水的蒸发、入渗、运动规律和多相物质的扩散规律。因为至今我们没有从宏观角度很好地解决诸如地下水的蒸发、入渗、运动规律和多相物质的扩散规律这些最基本的问题。也许微观层面会给我们清晰的答案。（2）我们能否通过实验回答典型单元体（又称表征体积单元）大小如何？随时间、空间是否变化？我们都必须回答这些问题，因为水文地质参数和地下水动力学中的微分方程都是建立在典型单元体概念之上的。我们设计一种释水变形实验装置，通过实验研究对这个问题已有了基本明确的初步答案。（3）如何借助于近代物理学中有关颗粒介质的研究成果，创新实践发展现代水文地质学，具有很大的挑战性。

对于4个宏观层面上的问题必须结合现代技术和方法，通过现场创新试验完成。其实，水文地质学家也正在这些研究方向上进行着创新实践探索并已取得了初步的成果，但这些成果由于受时间、空间限制还没有形成系统的认识。

一方面水文地质实验的发展离不开水文地质学的发展，离不开地球科学的发展，离不开人类不断地创新实践；另一方面，水文地质学创新实践是水文地质学发展的前哨，许多水文地质问题有待水文地质创新实践来揭示。

为了鼓励更多的水文地质工作者从事开创性的实验工作，近15年来笔者指导了12名博士研究生和6名硕士研究生基于水文地质实验为基础的学位论文。面向解决的问题，每一种水文地质实验研究都历经了几届博士和硕士研究生，不仅培养锻炼了学生的动手能力和创新能力，而且取得了很好的科研成果。这些成果将汇集在即将由科学出版社出版的《实验水文地质学》一书中。尽管这些实验仍然存在不足，成果也有许多的局限性，但实验工作给了我们很多启发，水文地质学还有很多不成熟的方面，许多老的、最基本的问题我们并没有深究，新的问题又不断涌现，静下心来我们可做的研究工作很多很多。我们只想告诉现在和未来的同行，水文地质学永远不会走向消亡的末路，除非我们人类自身即将走向消亡。这也正是笔者写这篇文章的目的所在。

hydrogeology； innovation and practice； development of academic discipline

G640

A

1006-9372（2015）01-0006-04

2015-01-06。

周志芳，男，教授，博士生导师，主要从事水文地质、水文及水资源的教学和研究工作。

Title： Necessity of Innovation and Practice for the Development of Hydrogeology

Author（s）： ZHOU Zhi-fang