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淺談水文地質概念及分類
【更新日期 2010-5-18】   【字號   】   【雙擊滾動】

 

     地下水(groundwater):賦存并運移于地下巖土空隙中的水。含水巖土分為兩個帶,上部是包氣帶 ,即非飽和帶 ,在這里,除水以外,還有氣體;下部為飽水帶,即飽和帶,飽水帶巖土中的空隙充滿水。狹義的地下水是指飽水帶中的水。
   2.地下水利:①分布廣泛,便于就地開采使用;②潔凈、不易被污染,水質普遍較優;③不占用地表空間;④動態比較穩定;⑤供水量受氣候變化影響較小,具有較大到調蓄能力等。
   害:①不合理的灌溉可造成次生鹽堿化;②過量開采,可造成:在沿海地區,海水入侵,水質惡化;地面沉降,使區內建筑物失去穩定;不同含水層之間誘發水力聯系,產生水的混合作用,使水質惡化;巖溶區地面塌陷;③其它,如礦坑涌水、基礎及邊坡的穩定問題等。
   功能:①資源(不難理解);②生態環境因子;③災害因子(干旱或洪水);④地質營力(滑坡、泥石流等);⑤信息載體(找礦等)。
     20世紀50年代以來,社會生產規?涨皵U大,科學技術進入了新的發展時期,并正在出現新的技術革命,人類改造自然的能力迅速增強,人與水的關系已經由古代的趨利避害,和近代較低水平的興利除害,發展到了現代較高水平的興利除害的新階段。這個新階段賦予水文科學以新的動力和新的特色。
   首先,由于人類對水資源的突出需求,水文科學的研究領域正在向著為水資源最優開發利用的方向發展,以期為客觀評價、合理開發、充分利用和保護水資源提供科學依據。   其次,大規模的人類活動對自然水體,進而對自然環境正在產生多方面的影響。研究和評價人類活動的水文效應和這種效應的環境意義,揭示人類活動影響下水文現象的規律,進而探討水文分析的新方法和新途徑,防止人類活動對水文循環的影響朝著不利于人類生存環境的方向發展,這一切正在成為水文科學面臨的新課題。
   另外,現代科學技術使獲取水文信息的手段和分析水文信息的方法有了長足的進步。例如,遙感技術的應用,使同時觀測大范圍內的宏觀水文現象成為可能;核技術的應用使人們能夠獲得微觀水文信息;水文模擬方法、水文隨機分析方法、水文系統分析方法,使人們研究水文現象的能力發展到新的水平;尤其是電子計算機的應用,使水文科學從水文觀測到基本規律的研究,由人力和機械操作,發展到以電子計算機為核心的自動化。
   水文科學和其他科學之間的邊緣科學正在不斷興起,學科間的空隙逐漸得到填補。同時,人們開始看到,水已成為影響社會發展的重要因素。水在表現它的自然屬性的同時,它的社會屬性也日益表現出來,并逐漸為人們所認識。因此,水文科學將有可能發展成為具有自然科學和社會科學雙重性質的一門綜合性科學。
   水文地質探測(圖9)總的來講,水文學從它所隸屬的學科領域看,作為地球物理科學的一個分支,主要研究地球系統中水的存在、分布、運動和循環變化規律,水的物理、化學性質,以及水圈與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互關系;作為水利學科的重要組成部分,主要研究水資源的形成、時空分布、開發利用和保護,水旱災害的形成、預測預報與防治,以及水利工程和其他工程建設的規劃、設計、施工、管理中的水文水利計算技術。
   4.水文學的分類
   水文學開始主要研究陸地表面的河流、湖泊、沼澤、冰川等,以后逐漸擴展到地下水、土壤水、大氣水和海洋水。
  、 傳統水文學按研究的水體來進行劃分:河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文學、冰川水文學、海洋水文學、地下水水文學(水文地質學)、土壤水文學、大氣水文學等。  、 由水文學采用的實驗方法,派生出三個分支學科:水文測驗學、水文調查、水文實驗。
  、 由水文研究內容分為:水文學原理、水文預報、水文分析與計算、水文地理學、河流動力學等。
  、 作為應用科學,水文學分為:工程水文學、農業水文學、土壤水文學、森林水文學、城市水文學等。
  、 隨新科學、新技術的發展和引進,出現新分支:隨機水文學、模糊水文學、灰色系統水文學、遙感水文學、同位素水文學等。
   5.水文地質學的簡要發展過程水文地質學(圖10)盡管19世紀已開始使用水文地質學一詞,但到20世紀初科學家Mead才給出這個術語一個廣泛的含義:水文地質學是研究地表以下水的發生與運動。20世紀50年代末期到80年代早期這將近30年的時間里,水文地質學一下子成熟了,成為地球科學羽翼豐滿的一員。1960年之前,水文地質學主要是地質學家的領域,作為一個自然科學家,對于控制地下水流動的因素和規律,毫無興趣或者知之甚少,任憑差分方程式去加以描述。另一方面,工程師在估算井的單位出水量和總出水量時,只顧得計算,處于巖層“透水”和“不透水”之間的灰域之中,無所適從。
   久遠以前直到20世紀50年代,兩種分叉的、幾乎完全獨立的方法,各不相關地沿著平行的路徑研究著地下水;一邊被科學家好奇心所驅使;另一邊受到工程師務實精神的推動。兩個分支的演變在時間上也可以分為兩個階段:以理論與假說的定量表述,以及數學上的嚴格推導為其分界(圖1)。
   17世紀處在“自然科學分支”的“猜想”階段,關于泉的成因以及水循環,出現了首批記錄在案的問題與解答。偉大的思想家們,從公元前8世紀的荷馬開始,包括亞里士多德、泰勒斯(Thales)、柏拉圖,甚至笛卡兒和開普勒(17世紀)都曾猜想:泉水來源于海洋中擠榨出來的水,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,在另一個陣營中,波爾洛(Marcus Vitruvius Pollo)認為,泉來源于入滲的雨水,這一看法受到文奇(Leonardo da Vinci)和帕利西(Bernard Palissy,16世紀)的支持。定量水文觀測始于17世紀,佩羅(Pierre Perrault,1608-1680)在塞納河盆地測量了3年降水量,得出降水量是河流流量的6倍。馬利奧特(Mariotte,1620-1684)驗證了佩羅的觀測結果,而哈雷(Halley,1656-1742)證明了注入地中海徑流的不足部分消耗于蒸發。梅瑟利(La Metherie,1791)開始測量巖石的滲透性,將入滲水區分為地表徑流和深部儲存,于是,水均衡的初步概念形成了。
   盡管第一個自流井是1126年在法國阿圖瓦(Artois)成井的,但是,關于自流現象的第一個有記錄的解釋出現于17世紀,卡西尼(Cassini)和瓦里斯內利(Vallisnieri)都正確地指出:承壓含水層的高水壓是產生自流的原因。進一步試圖將概念精確化的結果是,強化了絕對隔水性的觀念,然而,對廣泛分布的區域性含水層和隔水層的研究,很可能因而形成了地下水盆地的概念,在這方面,最基礎同時也是最有影響的著作,則是赫伯特的“地下水運動理論”(M.King Hubbert,1940)。19世紀后期到20世紀初,開始了并非出于實用目的的地下水化學研究,著重于分類(Palmer,Scholler)及化學成分演變的影響因素分析(Chebotarev,Scholler,Back)。
   “工程學科分支”的第一階段,時間從很早前到1856年,主要著力于發展經驗性實用方法技術,構建集取地下水的設施,以及從泉、井、坎兒井,以及其它水源提升輸送地下水。第二階段是“定量評價”階段,以1856年達西定律的發表為標志。達西方程觸發了根據地下水位變動預測井的出水量的興趣;隨之而來的是一系列人們熟知的計算公式:裘布依、泰斯、雅可布、溫澤爾(Wenzel)等,討論的全是地下水位和理想承壓含水層的定量預測。
   20世紀50年代晚期到60年代早期,也許是由于偶然的巧合,也許是由于下意識地交流滲透,絕對隔水性的觀念受到來自兩個分支的強烈質疑——工程師們從評價含水層和井的出水量出發產生疑問,而地質學家在研究盆地地下水流動時發現了問題。雅可布、漢圖斯、諾曼(Neuman)、威瑟斯龐等,引入并發展了越流含水層的概念,并將其擴展到盆地尺度的含水層系。自然科學分支這邊,托特的均質的“統一盆地”被弗里澤和威瑟斯龐 “非均質化”了,通過數值模擬,揭示了不同形態、不同規模含水巖系的基本流動型式。兩方面共同的最終結論是,巖體存在水力連續性;趲r體存在水力連續性的結論,很快人們就認識到,存在著時空尺度差別很大的流動系統,而每個系統具有自己的作用過程與伴隨現象。于是,統一的觀念誕生了,不斷流動著的地下水是一種地質營力。
   1980年前后,可以看作研究地下水的自然和工程科學兩個分支的融合,從此進入成熟的當代水文地質學發展階段。這個地球科學的新成員,既是一門基礎學科,也是一個專門性分支。為了更好地理解幾乎所有的地質活動,絕對有必要熟悉當代水文地質學的基本理論。與此同時,需要培養具有獨特的教育和專業背景的、全職的水文地質學家。
   當代水文地質學有以下3個主要特征概念:①地下水流動系統發育的空間尺度,變化范圍很大;②地下水流動系統發育的時間尺度,變化范圍很大;③流動的地下水是無處不在的地質營力,其作用可以達到地面以下極大深度,對極其廣泛的自然過程與現象,都有著控制性影響。
   水文地質學向何處去發展?作為一門成熟科學,建立于工程師的數學嚴謹和科學家自由想象之上,建立于相關學科的技能、方法和技術之上,在可以預見的未來,水文地質學的理論與技術方法不大可能有新的突破;反之,預期將會出現各種“名副其實”的學科分支,例如:環境水文地質學、污染水文地質學、農業水文地質學、油氣水文地質學,等等。
  就我國來講,水文地質學的發展歷史是與新中國的建立與發展分不開的,近半個世紀以來,水文地質學的成長與發展大致可劃分為兩個階段:從20世紀50年代到70年代中期,可稱為奠基階段,主要接受前蘇聯學術思想的影響,基本依照前稱聯模式。從20世紀70年代后期到90年代,可以稱為發展階段,這一時期由于實行改革開放政策,國內外學術交流日益頻繁,因此受西方學術思想影響較多,特別是系統科學、環境科學、現代應用數學與計算機技術等新思想、新理論與新技術的輸入,使水文地質學的基本概念與研究范疇發生了巨大的變革,使水文地質學從定性研究進入到了定量研究階段,納入到系統工程的軌道,與現代科學更緊密地融合了起來,因此我們把20世紀50年代到70年代奠基階段的水文地質學稱為傳統水文地質學,而20世紀70年代后期至90年代發展階段的水文地質學,稱為現代水文地質學(圖2)。
   現代水文地質學的基本特征主要有:①與現代科學的新理論新學科緊密結合,比如系統論、信息論、控制論及相應產生的系統科學、環境科學、信息科學等,對水文地質學的發展產生了重大影響;②現代應用數學與水文地質學的結合,特別是數值模擬方法得到普遍應用,模型研究成為水資源研究的主要內容,使水文地質學從定性研究發展到定量研究的新階段;③從地下水系統與自然環境系統相互關系的研究,擴大到與社會經濟系統關系的研究。對地下水資源的研究,也從數學模型發展到管理模型與經濟模型的研究;④許多新的分支學科的產生與發展,比如區域水文地質學、巖溶水文地質學、遙感水文地質學、環境水文地質學、醫學環境地球化學、污染水文地質學以及數學水文地質學、水資源水文地質學;⑤新技術、新方法的應用、除計算機技術外,遙感技術、同位素技術、自動監測技術,室內模擬技術,以及高精度水質分析技術等,都得到普遍應用,推動了水文地質學的發展。
    這要強調一點:水文地質學領域中的許多研究都是由水文地質學家、地質學家、水文學家好氣象學家等多個學科領域的專家學者聯合來完成的

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