中国水文地质的历史发展

  水文地质学是专门研究地下水的，门科学。我国虽然对地下水认识和开发利用的历史悠久，但真正运用科学理论与方法对地下水调查研究，开端于20世纪30年代。当时有地质学家在江西、河南及南京等地区作地下水的调查研究，并著有论文或报告。水文地质学作为地质科学领域内一门独立的应用地质学科，是在新中国成立后，20世纪50年代才迅速发展起来的。

 

  纵观我国水文地质的发展历史，总体可分为四个时期：萌芽时期（20世纪前）；初始时期（1900 - 1950年），开始应用地质学的基本理论研究地下水；奠基时期(1950 - 1970年)，主要在苏联学术思想影响下，奠定作为独立学科的水文地质学的理论基础，也是区域水文地质学与农业水y-地质学的开创时期；成长时期（1970 - 2000年），是水资源水文地质学、城市水文地质学与环境水文地质学的发展时期。20世纪70年代以来，与西方国家之间的学术交流与国际合作日益频繁，促使我国水文地质学迅速发展；特别是许多新理论、新技术的输入，导致传统水文地质学逐渐演化发展，进入现代水文地质学的新时期。对水文地质学作为独立学科的奠基、开创、成长、发展各阶段历程，概述如下。

 

  （一）区域水文地质学的奠基、开创阶段-20世纪50年代20世纪50年代，地质部成立以后，各省的水文地质专业队伍和有关研究机构、地质院校等相继建立，为开展水文地质普查和水文地质学的发展奠定和创造了必要条件。

 

  曾执教于长春地质学院的苏联专家克里门托夫教授，结合讲学编著的《水文地质学》、《水文地质学概论》、《普查与勘探水文地质学》、《地卜．水动力学》、《矿床水文地质学》等教材，是我国最早的一批水文地质专业教科书。苏联的新理论，还通过许多著名学者的著述不断输入中国。如朗格关于区域水文地质分区理论，卡明斯基关于地下水的渗流理论，普洛特尼}lⅡJ夫关于地卜．水储量分类与评价，列别捷夫关于灌区地下水动态预测，以及奥弗琴尼柯夫关于矿水方面的专著等，这些对我国水文地质科学的发展，都产生了深远的影响。

 

  20世纪50年代中期起，我国有计划地在全国开展区域水文地质普查，推动了区域水文地质学的发展。1957年正式出版发行我国第一份《水文地质工程地质》刊物。1958年编制出版第一幅比例尺1：300万中国水文地质图和第一本专著《巾国区域水文地质概论》。1959年为纪念新中国成立10周年，出版了我国第一本利用本国资科编著的《实用水文地质学》。这一时期发表了许多有关中国水文地质分区、中国潜水分带规律、中国的自流盆地，以及有关华北平原、松辽平原、关中平原、内蒙古高原、河西走廊、柴达木盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地等的区域水文地质论文或专著。

 

  20世纪50年代堪称我国区域水文地质学的奠基、开创时期。

 

  （二）农业水文地质学的开创阶段-20世纪60年代20世纪60年代，随着华北开展大规模的农业抗旱打井运动，开创r农业水文地质学时期。针财农田供水与盐土改良两项任务，开展了大量的调查研究，编制了大量图件，为北方地区农业发展井灌、实行农田水利化，做L了重要贡献。

 

  20世纪70 - 80年代，又进一步开展许多为发展农业服务的专题研究，如黄淮海平原旱、涝、盐等自然灾害综合治理的研究，河南商丘地区潜水资源与人工调蓄的研究，河套平原和银川平原关于水盐均衡和盐土治理的研究，以及河西走廊地下水合理开发利用的研究等，为农业水文地质学的发展奠定了基础。

 

  土壤水研究是建立节水型农业、促进农业增产的关键。从20世纪70年代到80年代，许多均衡试验场的建立以及负压计、中子仪等新测试技术的引进，促进了包气带土壤水运移规律的研究。河南水文地质总站与有关部门合作，通过“四水”转化关系的机理研究，对土壤水运移机理进行系统分析；并通过田间作物的观测试验，应用土壤水分运动通量法 和定位通量法，计算有植被条件下的降水入渗量、蒸发量以及其他有关数据，建立了 “四水”均衡模型。证明在“四水”相互转化关系中，土壤水起着重要的调蓄作用与相互制约作用。这对充分发挥土壤水的功能、提高作物用水效率、建立节水型农业，具有重要 的实际意义。

 

  (三）环境水文地质学的开创、发展阶段一~20世纪70年代环境水文地质学是结余地质科学、水文科学与环境科学之间的一门跨学科的综合性边缘学科。它运用地质学，水文地质学的基本理论和生态学的观点，研究人类社会与水环境的关系：即专门研究在天然条件和人为活动的影响下，地下水质与量的变化，与人类的生活和生产发展的相互影响与相互制约的关系，并通过研究它们之间的内在联系与演变规律，达到改善环境，消除有害作用的目的，使之有利于环境的方向发展。

 

  环境水文的地质学是20世界70~80年代的产物，具备现代科学的许多特征：系统科学，信息科学的基本理论，现代应用数学与电算技术，以及遥感，同位素等新科技的应用；环境水文地质学是一项复杂的系统工程，需应用系统理论的观点与方法，纳入系统工程的轨道进行研究。其研究范畴主要分为四个方面。

 

  1.区域环境水文地质的调查研究区域环境水文地质主要研究区域环境水文地质条件及其演变规律，综合分析评价区域 H存在的各种环境水文地质问题，对区域环境质量做出综合评价与趋势预测，编制区域环 竟水文地质图系或图集，为环境规划或国土整治提供科学依据。20世纪80年代我国完成 一许多重点经济发展区或重要城市环境水文地质的综合研究，如《京津唐地区主要环境水文地质问题及国土整治环境水文地质区划》、《沿海主要城市水资源及地质环境评价》、《中国2000年城市地下水资源及环境地质问题预测研究》等著作，以及东北经济区、华东经济区、环渤海地区完成的大量研究成果。北京、辽宁、黑龙江、内蒙古和宁夏等地区 仔别编制出版了《环境水文地质图集》，都是具代表性的区域环境水文地质研究成果。

 

  2.污染环境水文地质的调查研究从20世纪60年代到70年代，许多大中城市开展了地下水污染现状（包括污染源、 污染途径、污染成分、污染程度、分布范围等）及发展趋势的调查研究。在此基础上，20世纪80年代进一步开展了地下水污染机理（包括污染物的运移、累积、转化与自净过程，特别是污染物质的机械渗滤作用、物理化学吸附作用、离子交换作用、浓缩或稀释净 化作用以及放射性元素的衰变作用等）的研究，并逐渐开展趋势预测、水质模型与优化 阈控等方面的研究，取得很大进展。

 

  20世纪80年代，运用室内模拟结合野外现场试验，完成了许多重要的研究成果。如《沈阳市地下水环境质量评价及污染质在包气带运移规律的试验研究》、《上海市地下水砷污染机理研究》、《呼和浩特市硝酸盐氮污染机理模拟试验以及防治对策研究》等，均为污染机理研究方而的代表性成果。为了预测地下水污染发展趋势，并进行合理控制，在常州、济宁等城市，开展了水质模型研究。如《山东济宁地下水质模组及其污染趋势预测的试验研究》，是有关水质模型研究方面的早期代表性成果。20世纪80年代后期，在石家庄、新乡、平顶山等许多城市，都在建立水量模型的同时，建立溶质运移模拟模型，并在此难础上，建立地下水管理模型。

 

  在基础理论研究方面，20世纪80年代出版了不少重要的论著，如《地下水运移模型》、《地下水水质模型》和《地下水水质模型及管理程序集》等，为开展水质模拟和预测研究奠定了理论基础。

 

  许多城市开展了地下水的环境质量评价，并巳逐渐由单项有害离子评价，进到综合评价；由单项环境因素评价，进到综合闲素评价；从现状评价，发展到趋势评价；由数理统计分析，发展到污染预测和建立水质数学模型。诸如综合指数法、概率统计法以及聚类分析法（包模糊聚类法与系统聚类法）等各种评价方法，均已得到普遍应用。

 

  此外，在污染治理方面，对净化污染土地处理系统的也取得了重要进展，如开封市污水土地处理研究，成功地进行了高浓度有机废水处理的工程试验。专著《污水快速渗 滤七地处理》，系统介绍了处理系统的原理、方法、设计原则、管理方式，以及国内外工程实例。《地下水污染模拟及污染的控制和处理》是国内第一本有关污染控制和处理力面的专著。在徐州、唐山等城市，用物理、化学等方法开展地下水六价铬污染治理的试验研究，取得了初步成功经验。城市固体废物填埋处理的环境水文地质研究，日益引起重视，并巳取得初步成果，也是城市地质重点研究课题之一。

 

  3.地下水资源开发的负环境效应调查研究地下水大量开采引起的各种负效,主要包括水景枯竭、海水人侵、地面沉降、岩溶塌陷，以及生态环境恶化等问题。其对人类社会造成的严重威胁（尤以城市地区更为突出），成为环境水文地质学研究的一个重要组成部分。20世纪80年代中期，我国专家参与国际水文汁划（IHP)关于《水资源开发的负环境效应与管理》研究课题，并完成其中地下水部分，较系统全而地论述了各类负环境效应的形成机制、趋势预测与防治措施，是一项具有典范件的研究成果，受到国际同行的好评。

 

  4.环境水文地球化学与医学环境水文地质的调查研究20世纪80年代后期，地质部门分别在吉林省、第二松花江流域，以及长江中下游，广泛开展了地下水化学背景值的调查研究，对地下水系统物质组分的运移、聚集、各层次元素的组合关系、平衡模式、动态变化及其地球化学特征，进行了深入分析；探讨了水文地球化学环境与地方病、土壤盐渍化与天然矿水的形成关系，并应用背景值对地下水环境质量进行了全面评价。

 

  医学环境水文地质是在水文地球化学的某础上，与医学及环境科学相结合而形成的一门新的边缘学科。水文地球化学是水文地质学的一门重要基础学科，它与环境地学、环境医学、环境生态学相互渗透，形成环境水文地球化学。对水文地球化学坏境与人体健康关系的研究，成为医学环境水文地球化学，或医学环境水义地质学，并已初步建立它的理论体系。

 

  我国于20世纪60年代起，就对分布较广的各种地方病（如克山病、大骨节病、高氟病、地甲病等）广泛开展了关于病因及其环境水文地球化学背景的调查研究，深入分析与病因有关的微量元素或化学成分的迁移、聚集规律，及其对人体生理的影响。经过多年研究发现，如东北分布较广的克山病，其病区主要处于低矿化、酸性软水的水文地球化学环境，腐殖酸含量普遍偏高，而硒含量明显偏低。其病因虽尚不完全清楚，但采取改水防治，已取得明显效果，说明病因与水质密切相关。近年来对高氟病、地甲病、伽师病等的致病因素、演变机理与防治措施，都进行了深入研究，取得重要进展；而且已将研究范围扩大到癌症和心、脑血管系统疾病，特别是在癌症研究方面有所突破。在研究方法方面，应用回归分析、聚类分析等数理统计方法，取得较好效果。1991年出版的专著《医学环境地球化学》，系统阐明了医学环境地球化学的基础理论，详细分析了有关元素的生物地球化学作用与地方疾病的相互关系，反映了国内外有关医学环境地球化学研究的最新进展。

 

  在江西鄱阳湖地区，通过地下水环境背景值的调查，对38项元素或离子的含量、分布，与10种癌症死亡率之间的相互关系，进行详细统计分析；把地下水化学成分与癌症的相关性，划分为正相关、负相关和混合型三类，每一类又按显著程度划分若干亚类，提出了影响系数的新概念。

 

  科学出版社出版了《中华人民共和国地方病与环境图集》。若干地方病比较严重的省、自治区（如内蒙古自治区、甘肃省、吉林省、云南省等）也分别出版了本地区相应的地方病环境图集，较系统地反映水文地质环境与地甲病、高氟病、克山病、大骨节病等几种主要地方病的相互关系。

 

  随着矿泉水饮料业的兴起，在水文地球化学领域内，更加关注对矿泉水的研究，出版了《中国矿泉》、《饮用天然矿泉水研究》、《水文地质技术方法》第20辑(1989)，《矿泉水评价与合理开发利用》等论著，推动了矿泉水研究的发展。

 

  当前国际上十分关注的全球性气候变化对水资源和生态环境的影响，以及“温室效应”引起的海平面上升对沿海地区水环境和地质环境的影响，都是当前和今后需要开展研究的新课题。

 

  （四）水资源水文地质学的开创阶段-20世纪80年代在地下水资源研究方面，从20世纪80年代以来，由于地下水系统理论、非稳定流理论的输入，以数值解或解析解为代表的现代应用数学以及计算机系统的广泛应用，使地下水资源的研究发生了根本性的变化，把重点从传统研究方法转到模型研究方面。计算方法上发生了巨大变革，其研究范畴也由单纯研究地下水系统与自然环境系统之间的相互关系，扩大到研究其与社会经济系统的相互关系。

 

  地矿部地质环境管理司1989年出版的《中国典型水源地勘察实例汇编》和1991年出版的《中国2000年城市地下水资源及环境地质问题预测研究》，全面总结了各类地下水水源地勘察方法与资源评价的重要经验和城市环境水文地质研究的重要成果，是我国水源地勘察工作与城市水资源与环境水文地质研究的初步总结。

 

  对地下水资源的研究，实际上包括从水资源评价到水资源管理与保护的全过程，已逐渐形成一门独立的分支学科，可称之为水资源水文地质学。

 

  自20世纪70年代以来，由于应用数学和地下水动力学的相互渗透，以及电算技术的推广和应用，大大丰富和突破了传统水文地质学的内容，使水文地质学从定性研究发展到定量研究的新阶段。地下水资源计算的基本理论，从稳定流发展到非稳定流，从二维流发展到三维流，从一般均衡法、比拟法进到解析解、数值解。有限单元或有限差分法、相关分析法以及解析解法等，在地下水资源评价中均得到普遍应用。因而不论在理论上和具体计算技术上，都较以前提高到了一个新的水平。

 

  20世纪80年代出版的《中国干旱半干旱地区地下水资源评价》，汇集了20世纪70到80年代北方各地区区域地下水资源评价的研究成果，基本反映了我国20世纪80年代在这一领域的理论水平。它根据不同地区与不同条件，采用了各类不同的数学模型。如商丘在人工调蓄条件下，建立多年均衡法与有限元法结合的数学模型；石羊河流域则根据地下水动态演变规律，应用不规格有限差分法建立的数学模型，以及黄土层饱和与非饱和地下水的联合数学模型等。不少有关地下水资源评价与计算法的论著，先后在国内出版，如《地下水资源评价》、《水文地质统计的随机模拟》、《地下水流数值模拟》、《地下水运动与资源评价》、《地下水系统规划与管理优化模型》，以及《地下水非稳定流渗流解析法》等，为我国地下水资源评价研究奠定了理论基础。

 

  20世纪80年代后期地下水资源研究的一个重要标志，是把主要目标逐渐转向管理模型的研究，即研究如何合理开发、利用、调控和保护地下水资源，使之趋于对人类生活与生产最有利状态。因此它不仅涉及水文地质学的各个领域，而且涉及与地下水开发活动有关的自然环境、社会环境和技术经济环境等各方面的问题；通过数学模型和最优化技术，建立地下水管理模型，实现管理目标。

 

  《石家庄市地F水资源科学管理研究》是我国较早完成的具有代表性的关于管理模型的研究成果。它按照系统化、模型化、最优化的总体构思，以水文地质模型为基础，把水量模型、水质模型和优化模型融合为一体，从而为控制石家庄市地下水降落漏斗的发展、防治地下水水质恶化，提供了切实可行的综合治理决策方案。

 

  在北京、西安、沈阳、新乡、平顶山等许多城市，都开展了管理模型的研究。根据不同目标与不同要求，分别建立了以城市供水为目标的水资源管理模型，包括水质控制改良和环境生态改善的管理模型、水质水量联合管理模型、水量调配和供排结合的管理模型，地表水、地下水联合调度模型，以及全流域为工农业和生活用水优化分配的规划管理模型等。20世纪90年代出版的《地下水管理》、《实用地下水管理模型》以及《地下水资源管理》等专著，都是有关管理模型研究的重要成果。

 

  近一二十年来，地下水动力学结合水资源计算，吸取现代应用数学的基本内容，发展成数学水文地质学。数学水文地质学主要包括地下水流数值模拟、水文地质统计和随机模拟、非稳定流解析法等方面，也分别向独立分支学科发展。

 

  地下水系统理论的引入，对水资源的研究产生了重大影响；地下水模型研究，已成为水资源研究的主要内容。

 

  （五）信息水文地质学的开创阶段——20世纪90年代为保证提供建立模型所需要的大量水文地质信息，必须建立相应的信息-检索系统和数据库。通过近年来对数据管理系统的研究，河南环境水文地质总站已先后开发了“河南省地下水资源数据管理系统”和“地下水均衡试验观测数据处理系统”，均已正常运行；山西环境水文地质总站建立了“山西地下水动态数据库(GWD)管理系统”，不仅 可对动态资料进行输入、修改、查询、统计、打印报表、绘制图形，而且具有多种数据处理功能。在许多城市（如秦皇岛、石家庄、新乡等），也都分别建立了相应的数据库与数据管理系统。

 

  信息系统的研究已成为水资源研究不可缺少的重要内容之一。主要包括数据管理系统、动态监测信息系统、遥感信息系统、专家决策系统的开发以及三维地理信息系统在模型研究中的应用等，已逐渐向信息水文地质学的方向发展。

 

  国土资源部全国地质环境监测总站建立了全国水文地质信息数据库系统。各省、市、自治区分别建立省级的数据库中心，监测数据与图形数据已在网上运行。数据库系统主要包括地下水动态监测、水文地质钻孔、地下水资源监测、地下水环境监测、地沉地裂监测等各种信息数据库，以及海水入侵监测数据库等，为实现全国地下水资源的宏观管理，提供了基本条件。

 

  在信息系统研究的基础上，国内正在开展关于城市水资源环境管理专家决策系统的研究。专家系统是人工智能研究领域中的重要研究方向之一。通过对信息数据库、知识库、推理解释系统和知识获取的研究，可以建立通用的城市水资源-环境管理专家决策系统，从而将水资源-环境管理这一复杂系统工程微机化、自动化，为城市水资源业务管理部门提供操作方便的技术工具。不仅可对水资源状态进行实时分析、过程模拟和信息输出，还可对水资源管理实现最佳决策选择。

 

  在3S技术的应用中，地理信息系统(GIS)已成为研究地下水资源信息系统的最有效的工具，并在地下水研究中具有广泛的用途。例如建立空间数据库，建立网格专题层和进行空间叠加、识别模型，进行地下水监测网设计和动态预测，以及编制各种水文地质图件，等等。

 

  GIS强大的数据管理功能与分析计算功能，为地下水的定量研究提供了有力的支持。地理信息系统的开发，将使地下水资源管理朝决策支持系统(DSS)、人工智能(AI)及专家系统(ES)方向开拓发展。河南郑州市和辽宁大连市，是我国最早开展此类工作的两个城市，20世纪90年代先后完成城市地下水资源一环境管理专家决策支持系统的研究，为提高城市水资源管理水平和决策效率，实现决策管理的现代化和科学化，提供了有效方法和正确途径，在国内发挥了重要示范作用。

 

  除此以外，从20世纪80年代到90年代，许多正在开拓中的新领域，也取得了不少重要成果。如油田水文地质方面完成“油田古水文地质与水文地球化学”的研究；在地震水文地质方面，完成专著《地震流体地质学概论》；在地下水动态与观测网研究方面，完成《地下水动态及其预测》、《地下水观测网优化设计的理论与方法》等专著；在人工补给研究方面，出版了《黄淮海平原地下水人工补给》；在地热和温泉研究方面，出版了《中国温泉资源》、《中国地热资源》、《中低温对流型地热系统》等专著。以上所列专著大部分都是经过长期研究而完成的具有总结性的研究成果。

 

  在上述发展过程中，特别是近年来，新技术、新方法（计算机技术、遥感技术、同位素技术、自动监测技术、室内模拟技术及有关水质分析技术等）的普遍应用，尤其是地理信息系统的广泛应用，对推动我国水文地质学及其新的分支学科的产生和发展，发挥了重要作用。