水文地质学的发展

摘 要：文章结合时代发展的需求以及水文地质学的特点，详细论述了水文地质学的演化和发展过程，分析国内外水文地质学研究现状及发展趋势，分析当代水文地质学的特点，从传统的实用性学科，向兼具应用性与理论性的成熟学科演变，并阐明水文地质学今后的发展趋势，从可持续发展概念出发，走多学科交叉路线，构建人与自然环境协调发展的生态系统。

关键词：水文地质学；地下水；可持续发展；生态环境

引言

水文地质学是一门研究地下水的数量和质量随时间和空间的变化规律，以及如何合理利用地下水或防治其危害的学科。它研究在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律以及如何运用这些规律兴利除弊[1]。水文地质学是一门应用性很强的学科，它在人类生活和生产部门的需求下不断发展，学科体系逐渐健全，理论水平不断提高。人类在生活或者生产实践中所遇到的相关的问题，都需要研究者在方法上和理论上加以解决，随着越来越多以及越来越深入的问题得到解决，水文地质学这门学科也逐步发展。水文地质学从寻找和利用地下水资源开始，围绕实际发展需要，逐渐开展了一系列相关研究，现已发展成为一门相对成熟的学科。然而在生产力以及科学技术迅猛发展的今天，其所面临的问题也越来越复杂，越来越多元化，原有概念、理论及方法已经很难满足需求，水文地质学的发展面临着巨大的挑战与机遇[2]。

1 概述

水文地质学主要研究地下水的埋藏、分布、补给、排泄、径流和形成规律，地下水的物理性质和化学成分，地下水水质和水量评价、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，地下水污染的防治，地热能开发等。在不同地质环境或者地质时期，尤其是在近代人类活动的影响下，地下水的埋藏、分布、补给、径流、排泄和水化学组成均有一定差异，通过上述各方面差异性的研究，掌握地下水的形成及其动态变化规律，可为合理利用以及防治地下水提供一定科學依据。地下水中污染物分布、预测、治理以及如何防治是水文地质学目前研究的一个重点。随着科学技术的不断的发展以及生产建设发展的需要，水文地质工作者对水文地质学进行了分支学科的细分以及进行了多学科交叉渗透研究。

2 水文地质学发展简史

水文地质学的发展经历了萌芽、奠基、形成和发展四个阶段[1]。5700年的浙江余姚河姆渡古文化遗址水井，约3000年前中西亚及北非的干旱地带出现的坎儿井（Biswas，1970；Todd等，2005），表明人类从远古时代就开了地下水的利用，代表了水文地质学的萌芽。欧洲工业革命时期，由于工业的快速发展，需水量大大增加，人们对井的出水有了量的需求。1856年，法国水利工程师达西（H.Darcy），通过室内水通过沙的控制性实验，得出线性渗透定律，即著名的达西定律，奠定了水文地质学的基础。法国人裘布依（A.Dupuit）、美国人泰斯（C.V.Theis）都先后加入到地下水的定量计算中，并且将其推到了一个新的高度。该阶段人们已经通过实践得到了水文地质相关的基本理论，并且将其应用到了地下水的研究之中，为水文地质学的发展奠定了好的基础。第一次世界大战之后，合理开发、科学管理与保护地下水资源，越来越受到人们重视。20世纪40～60年代，雅克布（C.E.Jacob）及汉图什（M.S.Hantush）等论述了孔隙承压含水层的越流现象，“含水层思维”受到冲击[3]，逐渐产生含水系统的概念。随后英国的博尔顿（N.S.Boulton）和美国的纽曼（Neuman）分别导出了潜水完整井非稳定流方程。至此，水文地质学已经完成了从找水型向资源型的转变，各方面理论研究已经构建了较完备的结构框架，水文地质学的发展已经初步成型。第二次世界大战以后，随着生产力与科学技术的迅速发展，世界人口急剧增长，消费需求也急剧升高，因而人类开始大规模改造自然环境，大量消耗了包括地下水在内的各种资源，破坏了环境，打破了生态平衡，进而导致了生态环境的急剧恶化，如土地荒漠化、土壤盐碱化、地面沉降、水土流失等。保护生态环境刻不容缓，水文地质工作者开始寻求新的发展模式，水文地质学开始进入了以生态环境为研究核心的阶段，期间面临的问题错综复杂，以及在全球信息化大的背景下，原有的思维模式、概念、理论以及方法已经难以满足发展需求。加拿大的托特提出了地下水流动系统理论，为水文地质学的发展开拓了新的发展前景[4]。新技术、新理论的不断引入，使得水文地质学越来越系统，概念越来越完善，技术越来越成熟，分支学科的划分也越来越明确，其发展也越来越迅速，至此，水文地质学进入了新的发展时期。

从水文地质学发展的四个阶段我们可以清晰地看出，其是一门与生活实践密不可分的学科。水文地质学的发展贯穿于人类文明的发展之中。在生活生产实践中，人们观察积累各种水文地质现象，研究其规律，以便更好地服务于生活，久而久之水文地质学得到了长足的发展，由此可见实践对于水文地质学科的发展至关重要[5]。

3 当代水文地质学的特点

地下水流系统理论[6]的出现，意味着水文地质学发展进入了新的阶段。地下水流系统理论，从整体角度，综合考察地下水与环境相互作用的变化，为分析地下水各部分以及地下水与环境的相互作用提供了时空有序的理论框架。

当代水文地质学的研究领域，从以往的地下水资源向生态环境扩展，由地球浅部向地层深部圈层延伸。并且当代水文地质学，由以往的解决局部的现阶段的生产实际问题，转向长期性、全局性以及可持续发展的课题。其以地下水流系统理论为核心框架，以系统思想为指导，运用多学科方法及其理论，构建人和自然协调、良性循环的地下水流系统、水文系统、地质环境系统、工程地质系统和生态系统，这也成为当代水文地质学的最终目标[2，7]。

随着人类对生态环境的破坏，相应的生态环境问题随之出现，人类开始意识到构建人与自然协调的、良性循环系统的重要性，从而进一步探索目标系统的作用或者形成过程与内在机理。当代水文地质学已经从传统的实用性学科，演变为兼具应用性与理论性的成熟学科。

4 水文地质学发展趋势

随着近几年来我国发展对能源需求的不断增长，从可持续发展的角度考虑，常规能源已经无法满足发展的需求，新型能源的开发利用刻不容缓。地热能[8]作为一种新型的清洁能源，其开发就显得尤为重要。现阶段地热能主要通过地源热泵形式被利用。目前地源热泵在天津、河北、陕西等地被广泛应用，很多都是通过水源热泵形式利用地下热能[9]，由于深层地下热水的高矿化度以及高温，因而有的被用来发展温泉旅游、有的被用来居民供暖。地下热水作为一种宝贵的资源，其量并非是取之不尽用之不竭的，而且过渡开发利用很有可能导致严重的环境地质问题，因此回灌必不可少，然而其回灌[10]问题却一直是世界性难题，温度利用率也偏低，这就需要水文地质工作者对深层地下水进行深入研究。

多学科的交叉研究以及多技术方法的综合应用是水文地质学发展的方向。水文地质学原本就是地质学和水文学结合形成的边缘学科，随着各学科体系的日益健全以及各分支学科的不断发展，研究视野不断拓宽、课题复杂程度越来越高，处理难度越来越大，因而多学科交叉渗透以及多技术方法综合应用是处理复杂课题的唯一途径[11]。

预计今后水文地质研究的重点将主要集中在地下水中污染物运移机理、四水转化问题、地下水水温度场的分布及其迁移机理、包气带水盐运移机理及其空间分布、地球深层水文地质、水文地质中同位素的进一步应用以及与深层地下水相关的数值模型的建立[12]。

5 結束语

随着我国生态文明建设脚步的加快，自然科学发展与生态环境保护的结合就显得意义非凡。当前，我国水文地质学已经进入了生态环境水文地质学发展阶段[13]，构建人与自然环境协调、良性的水文地质生态系统[14]已迫在眉睫，学科的发展以及关键技术问题的解决，都会对生态环境造成潜在的威胁或一定程度的破坏，因而学科的发展必须以生态环境的保护为根本，科学合理地完成两者之间的转化。

参考文献

[1]王大纯，张人权，史毅虹，等.水文地质学基础[M].北京：地质出版社，1995.

[2]张人权，粱杏，靳孟贵，等.当代水文地质学发展趋势与对策[J].水文地质工程地质，2005，1：51-56.

[3]Engelen G B， Jones G P. Developments in the analysis of groundwater flow system [M]. Amsterdam：IAHS Press，1986.

[4]Toth J. Theoretical analysis of groundwater in small drainage basin[J]. Journal of Geophysical Research，1963，67（11）：4375-4387.

[5]周志芳.创新实践是水文地质学发展的必由之路[J].中国地质教育，2015，1：6-9.

[6]梁杏，张人权，牛宏，等.地下水流系统理论与研究方法的发展[J].地质科技情报，2012，31（5）：143-151.

[7]张人权，梁杏，靳孟贵.可持续发展理念下的水文地质与环境地质工作[J].水文地质工程地质，2004，31（1）：82-86.

[8]郭森，马致远，李劲彬，等.我国地热供暖的现状及展望[J].西北地质，2015，48（4）：204-209.

[9]陈鸿羽.水源热泵的适用性研究分析[D].长安大学，2006.

[10]胡伟伟.地压型热储回灌堵塞机理及其防治研究——以咸阳城区为例[D].长安大学，2009.

[11]张人权.关于水文地质学的一些思考[J].地质科技情报，2002，21（1）：1-6.

[12]张人权.水文地质学发展的若干趋向[J].水文地质工程地质，1987（2）：1-2.

[13]崔淑卿，陈娟，杨苏荣.我国水文地质学发展与现状[J].内蒙古水利，2012，5：6-7.

[14]万力，曹文炳，胡伏生，等.生态水文学与生态水文地质学[J].地质通报，2005，24（8）：700-703.

作者简介：李劲彬（1991-），男，汉族，陕西铜川，硕士，助理工程师，主要从事水文地质和土地工程方面的研究工作。