水文地质学发展历史

  “水文地质学”这一术语，虽然早在19世纪初，就在欧洲被正式提出来，但真正成为地质科学中一门比较完整、系统的独立学科，祗是本世纪30－40年代的事。特别是第二次世界大战结束以后，随着地质科学的迅速发展，西方许多（包括前苏联）对地下水的研究，开始在地质科学的基础上（如地层学、岩石学、构造地质学、地球化学、地球物理学等），和其他一系列基础自然科学（如数学、物理学、化学、生物学等）以及水文科学相互结合，相互渗透，逐渐发展成为一门跨学科的综合性边缘学科。水文地质学从研究地下水的自然现象、形成过程和基本规律，发展到对地下水的定性、定量评价；它的基本理论，勘察方法和应用方向，也逐步形成。从70年代以来，水文地质学又从地下水系统的研究，进一步扩大为研究地下水与人类圈内由资源、环境、生态、技术、经济、社会组成的大系统。因此水文地质学的研究目标，开始转入到研究整个水系统与自然环境系统和社会经济系统之间相互交叉关系的新时期。

 

  我国对地下水的认识和开发利用，虽具有数千年的悠久历史，但真正运用地质科学的理论与方法，进行地下水的调查研究，仅开端于30年代。如老一辈的地质学家朱庭祜，谢家荣等，曾于这一时期分别到过江西、河南及南京等地区进行地下水的调查研究，并著有论文或报告。但水文地质学，作为地质科学领域内一门独立的应用地质学科，是在50年代新中国成立后才迅速发展起来的。

 

  作者曾把我国水文地质学的发展历史，划分为四个阶段，即：①萌芽阶段（20前纪前）；②初始阶段（1900－1950年），开始应用地质学的基本理论研究地下水；③奠基阶段（1950－1970年），主要有前苏联学术思想影响下，奠定水文地质的理论基础，是区域水文地质学与农业水文地质学的开创时期；④成长时期（1970－2000年），是水资源水文地质学与环境水文地质学的发展时期，主要受西方科学技术思想影响，如系统论、系统工程、计算机技术等新理论、新技术的输入，使我国的传统水文地质学，发展到一个以研究水资源与环境问题为重点的现代水文地质学。

 

  二、50年代――区域水文地质学的开创时期

 

  50年代地质部成立以后，各省的水文地质专业队伍和有关的研究机构以及地质院校等也先后建立；这为水文地质学的发展，创造了必要的条件。当时长春地质学院苏联专家克里门托夫教授，结合讲学编者了《水文地质学》、《水文地质学概论》、《普查与勘探水文地质学》、《地下水动力学》、《矿床水文地质学》、等教材，成为我国最早的一批水文地质专业教科书。前苏联新的理论，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，普洛特尼柯夫关于地下水储量分类与评价，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，对我国水文地质科学的发展，都产生了深远的影响。

 

  各国水文地质学的发展都是从区域水文地质的调查研究开始，我国也不例外。从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。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《中国区域水文地质概论》，1959年为纪念建国十周年，出版了我国第一本利用本国资料编著《实用水文地质学》。1957年正式出版发行我国第一种《水文地质工程地质》刊物。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。因此50年代是我国区域水文地质学的开创时期。70～80年代除少数困难地区外，我国区域水文地质普查基本完成，并开始转入重点经济发展区，如黄淮海平原、济徐淮地区、长江三角洲、东北经济区等地区，开展区域地下水资源与环境水文地质评价的调查研究，完成了许多重要研究成果。

 

  在区域水文地质普查资料的基础上，从60年代起，我国中小比例尺水文地质图编图工作迅速发展，并创立了一套具有本国特色的水文地质图编图方法，编制出版了许多按省、市或按地区编制的图幅、图系或图集。其中1978年出版的《中华人民共和国水文地质图集》，基本上系统地反映隐国从50年代以来，区域水文地质工作的主要成果。在此以后，北京、河北、辽宁等省市，也都编制出版了本地区的水文地质图集。     80年代以来，在普查资料基础上，还开展了许多专题研究，如四川、湖南等省对红层裂隙水的研究，中国玄武岩裂隙孔洞水的研究，黄土地下水的研究，以及北方岩溶水的研究等，均已取得重要成果。此外，在普查工作中普遍应用了遥感技术，在系统总结大量遥感资料的基础上，编制出版了《北方遥感水文地质应用文集》，同时还编制了《北方典型遥感水文地质图像集》与《中国岩溶地区典型遥感水文地质图像集》，促进了我国遥感水文地质的发展。以上大量成果，为创建我国的区域水文地质学，奠定了良好基础。

 

  三、60年代――农业水文地质学的开创时期

 

  60年代，由于在华北开展大规模的抗旱打井运动，成为农业水文地质学的开创时期。针对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，为北方地区发展井灌，实行农田水利化，做出重要贡献。70～80年代又进一步开展许多主要为发展农业 服务的专题研究，如黄、淮、海平原旱、涝、盐等自然综合治理的研究，河南商丘地区潜水资源与人工调蓄的研究，河套平原和银种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基础。

 

  长期以来地质部门对土壤水的研究是一个薄弱环节，而土壤水研究是促进农业增产与建立节水型农业体制的关键。从70年代到80年代，随着许多均衡试验场的建立，以及负压计、中子仪等新的测试技术的引进，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，计算了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。这对如何充分发挥土壤水的功能，提高作物用水效率，和建立节水型农业，具有重要的实际意义。

 

  零通量面法是近期国外发展起来的一种研究土壤水补给，损耗和均衡的田间试验新方法；对研究土壤水分运动，有重要的实用价值。它采用测量土壤含水量和土壤水势的先进技术，方法简便；与数学模拟方法或地中渗透仪测试方法相比，具有经济、区域代表性强、设点推广容易等优点。不久前水文地质工程地质研究所完成了专著《零通量面方法应用基础研究》，系统地论述了零通量面的基本原理，形成规律及其计算方法。研究工作采用物理模拟试验和田间试验相结合的方法，提出了零通量面法的应用范围以及零通量面法与定位通量法的联合运用法；并建立了改进型定位通量法，提出零通量面法与改进型定位通量法，联合运用等各种不同的计算方法。这为今后开展土壤水的研究，创造了有利条件，对发展我国农业水文地质学，也能起到重要作用。     四、70年代――环境水文地质学的开创时期

 

  随着城市建设和工业建设的迅速发展，人民生活水平的不断提高，城市水资源的供需矛盾与相应发展的环境问题日趋严重。因此从70年代到80年代，各省都开展了主要为城市和工业建设服务的水文地质工作。也可以说，这是我国城市水文地质学的开创时期。虽然早在50年代，北京、西安、包头、太原等城市，就已进行过水源地的勘察研究，但当时主要局限于水资源评价，而当前城市水文地质研究的目标，不仅要查明城市区域水文地质条件，对地下水资源做出评价，而且还要分析研究水质污染与地下水大量开采所引起的各种负环境效应，如海水入侵、地面沉降、岩溶塌陷等地质灾害。

 

  从70年代开始，大多数大中城市，开展了城市地下水污染现状的调查，包括污染源、污染途径、污染成分、污染程度、分布范围、发展趋势等等。80年代在

 

  污染现状调查的基础上，进一步开展了地下水污染机理的研究、包括污染物质的运转、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。

 

  研究工作普遍采用了室内模拟试验等新方法。例如呼和浩特市所进行的地下水硝酸盐氮污染机理与防治对策的研究，运用多种模拟试验，研究三氮在包气带介质环境中的行为过程，深入分析砂化与反硝化作用的主要影响因素。通过微生物检验和生物化学的研究，认为硝酸盐氮的污染机理，主要是以硝化作用为主的生物化学反应过程，证明硝化菌在三氮转化中占有重要地位，是硝化反应中的主要影响因素。生物化学作用在污染机理研究中，是我国的一个薄弱环节，这项成果，是对生物化学作用研究的一个突破。此外，如上海地下水As污染研究，北京关于地下水硬度变化机理的研究等，都进行了大量室内模拟试验，大大提高了研究水平。西安进行的污灌现场入渗试验，以及济宁水质模拟研究所进行的弥散试验，均取得良好效果，查明了污染物的运移、富集规律，为选择污染治理对策，提供了科学依据。

 

  为了预测水污染的发展趋势，并进行合理控制，近年来水质模型的研究，也已取得很大进展。1984年完成的《山东济宁地下水水质模拟及其污染趋势预测的试验研究》，是我国最早的一项水质模型研究，起到了带头示范作用。以后石家庄、新乡、平顶山等城市，对地下水管理模型的研究，都在建立水量模型的同时，建立了研究溶质运移的模拟模型。在计算方法上，普遍采用了有限元或有限差分等数值法，从而提高了参数的精度和计算结果的可信性与可靠性。      许多城市开展了地下水的环境质量评价，并已逐渐由单项有害离子评价，进入到综合评价；由单项环境因素评价，进入到综合因素评价；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。各种评价方法，如综合指数法、概率统计法，以及聚类分析法（包括模糊聚法与系统聚类法）。均得到普遍应用。在模型研究方面，王秉忱等编著的《地下水污染与地下水水质模拟》及朱学愚编著的《地下水运移模型》，为研究水质模型奠定了理论基础。林学钰等编著的《地下水水量模拟及管理程序集》，简明论述了建立各种模型的技术方法与求解过程，详细罗列了计算程序与使用指南，为开展水质模拟和预测研究，提供了有利工具。

 

  与此同时，由于地下超量开采所造成的各种负环境效应，如水量枯竭、水质恶化、海水入侵、地面沉降、岩溶塌陷，以及生态环境恶化等，也都成为环境水文地质工作中的重要研究内容。有些城市通过管理模型的研究，对地下水过量开采问题，提出了调整开采布局或采取人工补给等措施的新方案。在海水入侵研究方面，山东莱州、龙口地区建立了三维咸淡水界面运移数学模型。北海市在模型研究中，对多层承压含水层的海底边界问题，提出“等效边界”的新概念，解决了模型计算问题。上海地面沉降通过长期研究，基本得到控制；80年代又通过与比利时专家的合作建立了水动力模型与土力学模型相结合的三维沉降模型，取得新的进展。此外，对岩溶塌陷以及西北地区生态环境恶化等方面，都完成了许多重要研究成果。

 

  80年代我国参加国际水文计划（IHP）关于《水资源开发的环境效应与管理》的研究课题，负责其中地下水部分。该课题系统总结了地下水开采过程中，有关过量开采、水质恶化、海水入侵以及地面变形等各类负效应的基本原理、形成机制、治理措施与模型研究，突出反映了我国许多地区的典型研究实例。这项成果已于1988年由国际水文科学协会公开出版，获得国际上的较高评价。

 

  在环境水文地球化学研究方面，从区域水文地球化学的研究，逐渐转入环境地球化学与人体健康和疾病关系的研究，已经形成医学环境地球化学新的学科体系。我国从60年代以来，就对克山病、高氟病等地方病的形成机理与防治措施，进行了深入研究，取得了重要进展。近年来又扩大到心血管、脑血管病，以及癌症等疾病与水文地球化学关系的研究，特别在癌症研究方面有所突破。通过多年来所累积的大量资料，科学出版社出版了《中华人民共和国地方病与环境图集》，吉林、内蒙、云南、甘肃省等，自治区也出版了相应的图集，较好地反映了各类地方病的环境水文地球化学背景。

 

  为了满足有关院校教课的需要，1990年以来我国已先后出版三本作为高校教材用的《环境水文地质学》，虽然内容还不够完善，但反映环境水文地质学，已在我国发展成为水文地质学科中一门独立的分支学科。

 

  五、80年代――水资源水文地质学的开创时期

 

  在地下水资源研究方面，从80年代以来，由于地下水系统理论、非稳定理论的输入，以数值解或解析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入到模型研究方面，不仅在计算方法上发生了巨大变革，而且其研究范畴，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，扩大到研究与社会经济系统的相互关系。地矿部地质环境管理司出版的《中国典型水源地勘察实例汇编》和《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关于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。是我国关于源地勘探工作与城市水资源与环境水文地质研究的初步总结。

 

  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70～80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80年代在这一领域的理论水平。报告内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方法的论著，先后在国内出版，如南大朱学愚的《地下水资源评价》、西安地院李俊亭编写的《水文地质统计的随机模拟》、《地下水流数值模拟》，陈雨孙所著《地下水运动与资源评价》，刘春平所著《地下水系统规划与管理优化模型》，以及李佩成所著《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。

 

  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，使之处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。

 

  目前许多城市如北京、西安、沈阳、新乡、平顶山等，都开展了管理模型的研究，根据不同目标与不同要求，分别建立了有以城市供水为目标的水资源管理模型，为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生活用水优化分配的规划管理模型等。1991年在“唐山平原地下水盆地管理模型研究”和“邯郸西部平原地下水盆地管理模型研究”中，首次采用“两个耦合”，即分布参数地下水模拟模型与优化模型的耦合，水资源经济管理模型与优化模型的耦合，实现了水资源系统与经济系统的有机结合。90年代出版的《地下水管理》（林学钰、廖资生著），《实用地下水管理模型》（杨悦所、林学钰编著）以及《地下水资源管理》（陈爱光、李慈君、曹剑锋编著）等专著，都是有关管理模型研究的重要成果。

 

  地下水动力学主要以研究地下水的渗流理论为主，根据含水介质的不同，正分别向孔隙水、裂隙水与岩溶水三种差异较大的渗流理论发展，形成不同的分支学科。近一二十年以来，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而发展数学水文地质学。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。应用系统工程的观点，从概念模型、数学模型、优化模型，到管理模型，实际上包括从水资源评价到水资源管理的全过程，已逐渐演变成水资源水文地质学。

 

  六、90年代――信息水文地这的开创时期

 

  为保证提供建立模型所需的大量水文地质信息，就必须建立相应的信息――检索系统和数据库。近年来通过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”，并都已正常运行。山西环境水文地质总站也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，而且具有多种数量处理功能。许多城市如秦皇岛、石家庄、新乡等，也都分别建立了数据库与数据管理系统。

 

  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一个重要研究方向，通过对信息数据库、知识库、推理解释系统和知识获得的研究，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。所以开发专家决策系统，是水文地质工作者今后一项重要任务，也是缓解城市水资源供需矛盾的一项不可缺少的战略措施。

 

  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。

 

  七、回顾与展望

 

  五十年代水文地质学的发展，由于紧跟现代科学新思潮，从传统水文地质学，走向现代水文地质学，取得了重大进步。不仅在理论上有极大提高，而且在实际应用中，对国民、经济规划国土整治、城市和工业建设、以及环境保护等，都发挥了重要作用。综上所述，现代水文地质学的特征，主要表现为：①与现代科学的新理论新学科紧密结合，如系统论、信息论、控制论与相应产生的系统科学、环境科学、信息科学等，对水文地质学的发展发生了重大影响。近年来正在发展的开放复杂巨系统理论、非线性动力系统理论、以及耗散结构理论等，都会对今后水文地质学的发展，发生深远影响。②现代应用数学与水文地质学的结合，特别是数值模拟方法得到普遍应用，模型研究成为水资源研究的主要内容，使水文地质学从定性研究发展到定量研究的新阶段。③地下水的研究，从地下水系统与自然环境系统相互关系的研究，扩大到与社会经济系统相互关系的研究。地下水资源的研究，也从数学模型发展到管理模型与经济模型的研究。④许多新的分支学科的产生与发展，如区域水文地质学，岩溶水文地质学、遥感水文地质学、环境水文地质学、医学环境地球化学、污染水文地质学，以及数学水文地质学、水资源水文地质学等。⑤新技术、新方法的应用，除计算机技术外，如遥感技术、同位素技术、自动监测技术、室内模拟技术，以及有关水质分析技术等，都得到普遍应用，对推动水文地质学的发展，发挥了重要作用。

 

  现代科学的发展过程，主要表现在高度分化和高度综合的轮回上升，即由分到合，由合到分，不断循环或同步前进的进化过程。不同学科之间的互相渗透而形成新的边缘学科，是产生新的分支学科的主要动力。分支学科的发展，又是促进学科发展的重要动力和必备的条件。回顾50年代各地质院校创办之初，水文地质专业仅有普通水文地质学、地下动力学、水文地球化学和专门水文地质学等基本课程。但从70年代以来，随着分支学科的发展，情况发生了很大变化，教学课程日新月异，出现了百花齐放的新局面。

 

  水文地质学的各分支学科，按其性质可划分为三个方面，即理论水文地质学、应用水文地质学及技术方法水文地质学。它们彼此之间并无绝对界限，而往往是相互交叉、相互促进、组合成一个新的完整的学科体系。

 

  普遍水文地质学逐渐向区域水文地质学发展，并派生岩溶水文地质学、古水文地质学等分支；地下水动力学与水文地球化学相互结合，逐渐演变为以研究地下水资源为重点的资源水文地质学，并向以研究数学模型为主的数学水文地质学和资源管理水文地质学发展。另一方面，专门水文地质学逐渐发展为城市水文地质学、农业水文地质学和矿区水文地质学，并在此基础上，发展成为环境水文地质学。环境水文地质学的发展，又形成区域环境水文地质学、污染环境水文地质学、医学环境水文地质学、生态环境水文地质学，以及地震水文地质学等分支。在技术方法方面，由普查勘探水文地质学，逐渐发展为钻探水文地质学、物探水文地质学、遥感水文地质学、同位素水文质学、监测水文地质学、计算机水文地质学、制图水文地质学，以及地下水分析化学等分支。由此可见，水文地质学的研究内容、理论水平与技术方法等，到90年代已经发展到一个崭新的时期。

 

  综上所述，下世纪在理论水文地质学方面，将着重向水资源水文地质学发展；而应用水文地质学方面，将着重向环境水文地质学发展。今后水文地质学的发展趋向，可能演变为资源环境水文地质学。在理论水文地质学方面，将以渗流理论为基础，以水资源水文地质学为重点，以模型研究为中心，加快开发三维地理信息系统在模型研究中的应用。在应用水文地质学方面，将以环境水文地质学及其分支学科，作为主要发展方向。在技术方法研究方面，将以制图水文地质学、遥感水文地质学与同位素水文地质学，作为主要发展方向。在信息系统研究方面，将加强以数据管理系统、动态监测信息系统、遥感信息系统，以及专家决策系统的开发与应用。

 

  在面临我国经济建设进入高速发展时期，经济建设与资源、环境的矛盾将日趋严重。如何协调好水资源与环境同社会经济可持续发展的关系，将是摆在我们面前的一项严峻任务。诸如城市水资源紧缺与水资源管理，农田灌溉与建立节水农业，西北水资源的合理开发利用与防止生态环境恶化，水污染与污染治理，城市环境水文地质问题，长江三峡工程、黄河小浪底工程建成以后水环境的变化及其影响，酸雨的发展及其对地下水的影响，塔里木盆地沙漠地区油田供水问题、缺水山区人畜饮用水问题、地方病分布区的改水、换水问题海平面上升对沿海地区水环境的影响，等等，举不胜举。我们理所当然应该做好准备，鼓足勇气，满怀信心地迎接新世纪的挑战！