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        水文地質(zhì)學的發(fā)展

        2017-04-26 15:42:23李勁彬
        科技創(chuàng)新與應用 2017年10期
        關(guān)鍵詞:水文地質(zhì)水文學科

        摘 要:文章結(jié)合時代發(fā)展的需求以及水文地質(zhì)學的特點,詳細論述了水文地質(zhì)學的演化和發(fā)展過程,分析國內(nèi)外水文地質(zhì)學研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,分析當代水文地質(zhì)學的特點,從傳統(tǒng)的實用性學科,向兼具應用性與理論性的成熟學科演變,并闡明水文地質(zhì)學今后的發(fā)展趨勢,從可持續(xù)發(fā)展概念出發(fā),走多學科交叉路線,構(gòu)建人與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)。

        關(guān)鍵詞:水文地質(zhì)學;地下水;可持續(xù)發(fā)展;生態(tài)環(huán)境

        引言

        水文地質(zhì)學是一門研究地下水的數(shù)量和質(zhì)量隨時間和空間的變化規(guī)律,以及如何合理利用地下水或防治其危害的學科。它研究在巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈以及人類活動相互作用下地下水水量和水質(zhì)的時空變化規(guī)律以及如何運用這些規(guī)律興利除弊[1]。水文地質(zhì)學是一門應用性很強的學科,它在人類生活和生產(chǎn)部門的需求下不斷發(fā)展,學科體系逐漸健全,理論水平不斷提高。人類在生活或者生產(chǎn)實踐中所遇到的相關(guān)的問題,都需要研究者在方法上和理論上加以解決,隨著越來越多以及越來越深入的問題得到解決,水文地質(zhì)學這門學科也逐步發(fā)展。水文地質(zhì)學從尋找和利用地下水資源開始,圍繞實際發(fā)展需要,逐漸開展了一系列相關(guān)研究,現(xiàn)已發(fā)展成為一門相對成熟的學科。然而在生產(chǎn)力以及科學技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,其所面臨的問題也越來越復雜,越來越多元化,原有概念、理論及方法已經(jīng)很難滿足需求,水文地質(zhì)學的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)與機遇[2]。

        1 概述

        水文地質(zhì)學主要研究地下水的埋藏、分布、補給、排泄、徑流和形成規(guī)律,地下水的物理性質(zhì)和化學成分,地下水水質(zhì)和水量評價、開發(fā)及其合理利用,地下水對工程建設(shè)和礦山開采的不利影響及其防治,地下水污染的防治,地熱能開發(fā)等。在不同地質(zhì)環(huán)境或者地質(zhì)時期,尤其是在近代人類活動的影響下,地下水的埋藏、分布、補給、徑流、排泄和水化學組成均有一定差異,通過上述各方面差異性的研究,掌握地下水的形成及其動態(tài)變化規(guī)律,可為合理利用以及防治地下水提供一定科學依據(jù)。地下水中污染物分布、預測、治理以及如何防治是水文地質(zhì)學目前研究的一個重點。隨著科學技術(shù)的不斷的發(fā)展以及生產(chǎn)建設(shè)發(fā)展的需要,水文地質(zhì)工作者對水文地質(zhì)學進行了分支學科的細分以及進行了多學科交叉滲透研究。

        2 水文地質(zhì)學發(fā)展簡史

        水文地質(zhì)學的發(fā)展經(jīng)歷了萌芽、奠基、形成和發(fā)展四個階段[1]。5700年的浙江余姚河姆渡古文化遺址水井,約3000年前中西亞及北非的干旱地帶出現(xiàn)的坎兒井(Biswas,1970;Todd等,2005),表明人類從遠古時代就開了地下水的利用,代表了水文地質(zhì)學的萌芽。歐洲工業(yè)革命時期,由于工業(yè)的快速發(fā)展,需水量大大增加,人們對井的出水有了量的需求。1856年,法國水利工程師達西(H.Darcy),通過室內(nèi)水通過沙的控制性實驗,得出線性滲透定律,即著名的達西定律,奠定了水文地質(zhì)學的基礎(chǔ)。法國人裘布依(A.Dupuit)、美國人泰斯(C.V.Theis)都先后加入到地下水的定量計算中,并且將其推到了一個新的高度。該階段人們已經(jīng)通過實踐得到了水文地質(zhì)相關(guān)的基本理論,并且將其應用到了地下水的研究之中,為水文地質(zhì)學的發(fā)展奠定了好的基礎(chǔ)。第一次世界大戰(zhàn)之后,合理開發(fā)、科學管理與保護地下水資源,越來越受到人們重視。20世紀40~60年代,雅克布(C.E.Jacob)及漢圖什(M.S.Hantush)等論述了孔隙承壓含水層的越流現(xiàn)象,“含水層思維”受到?jīng)_擊[3],逐漸產(chǎn)生含水系統(tǒng)的概念。隨后英國的博爾頓(N.S.Boulton)和美國的紐曼(Neuman)分別導出了潛水完整井非穩(wěn)定流方程。至此,水文地質(zhì)學已經(jīng)完成了從找水型向資源型的轉(zhuǎn)變,各方面理論研究已經(jīng)構(gòu)建了較完備的結(jié)構(gòu)框架,水文地質(zhì)學的發(fā)展已經(jīng)初步成型。第二次世界大戰(zhàn)以后,隨著生產(chǎn)力與科學技術(shù)的迅速發(fā)展,世界人口急劇增長,消費需求也急劇升高,因而人類開始大規(guī)模改造自然環(huán)境,大量消耗了包括地下水在內(nèi)的各種資源,破壞了環(huán)境,打破了生態(tài)平衡,進而導致了生態(tài)環(huán)境的急劇惡化,如土地荒漠化、土壤鹽堿化、地面沉降、水土流失等。保護生態(tài)環(huán)境刻不容緩,水文地質(zhì)工作者開始尋求新的發(fā)展模式,水文地質(zhì)學開始進入了以生態(tài)環(huán)境為研究核心的階段,期間面臨的問題錯綜復雜,以及在全球信息化大的背景下,原有的思維模式、概念、理論以及方法已經(jīng)難以滿足發(fā)展需求。加拿大的托特提出了地下水流動系統(tǒng)理論,為水文地質(zhì)學的發(fā)展開拓了新的發(fā)展前景[4]。新技術(shù)、新理論的不斷引入,使得水文地質(zhì)學越來越系統(tǒng),概念越來越完善,技術(shù)越來越成熟,分支學科的劃分也越來越明確,其發(fā)展也越來越迅速,至此,水文地質(zhì)學進入了新的發(fā)展時期。

        從水文地質(zhì)學發(fā)展的四個階段我們可以清晰地看出,其是一門與生活實踐密不可分的學科。水文地質(zhì)學的發(fā)展貫穿于人類文明的發(fā)展之中。在生活生產(chǎn)實踐中,人們觀察積累各種水文地質(zhì)現(xiàn)象,研究其規(guī)律,以便更好地服務于生活,久而久之水文地質(zhì)學得到了長足的發(fā)展,由此可見實踐對于水文地質(zhì)學科的發(fā)展至關(guān)重要[5]。

        3 當代水文地質(zhì)學的特點

        地下水流系統(tǒng)理論[6]的出現(xiàn),意味著水文地質(zhì)學發(fā)展進入了新的階段。地下水流系統(tǒng)理論,從整體角度,綜合考察地下水與環(huán)境相互作用的變化,為分析地下水各部分以及地下水與環(huán)境的相互作用提供了時空有序的理論框架。

        當代水文地質(zhì)學的研究領(lǐng)域,從以往的地下水資源向生態(tài)環(huán)境擴展,由地球淺部向地層深部圈層延伸。并且當代水文地質(zhì)學,由以往的解決局部的現(xiàn)階段的生產(chǎn)實際問題,轉(zhuǎn)向長期性、全局性以及可持續(xù)發(fā)展的課題。其以地下水流系統(tǒng)理論為核心框架,以系統(tǒng)思想為指導,運用多學科方法及其理論,構(gòu)建人和自然協(xié)調(diào)、良性循環(huán)的地下水流系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)、工程地質(zhì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng),這也成為當代水文地質(zhì)學的最終目標[2,7]。

        隨著人類對生態(tài)環(huán)境的破壞,相應的生態(tài)環(huán)境問題隨之出現(xiàn),人類開始意識到構(gòu)建人與自然協(xié)調(diào)的、良性循環(huán)系統(tǒng)的重要性,從而進一步探索目標系統(tǒng)的作用或者形成過程與內(nèi)在機理。當代水文地質(zhì)學已經(jīng)從傳統(tǒng)的實用性學科,演變?yōu)榧婢邞眯耘c理論性的成熟學科。

        4 水文地質(zhì)學發(fā)展趨勢

        隨著近幾年來我國發(fā)展對能源需求的不斷增長,從可持續(xù)發(fā)展的角度考慮,常規(guī)能源已經(jīng)無法滿足發(fā)展的需求,新型能源的開發(fā)利用刻不容緩。地熱能[8]作為一種新型的清潔能源,其開發(fā)就顯得尤為重要。現(xiàn)階段地熱能主要通過地源熱泵形式被利用。目前地源熱泵在天津、河北、陜西等地被廣泛應用,很多都是通過水源熱泵形式利用地下熱能[9],由于深層地下熱水的高礦化度以及高溫,因而有的被用來發(fā)展溫泉旅游、有的被用來居民供暖。地下熱水作為一種寶貴的資源,其量并非是取之不盡用之不竭的,而且過渡開發(fā)利用很有可能導致嚴重的環(huán)境地質(zhì)問題,因此回灌必不可少,然而其回灌[10]問題卻一直是世界性難題,溫度利用率也偏低,這就需要水文地質(zhì)工作者對深層地下水進行深入研究。

        多學科的交叉研究以及多技術(shù)方法的綜合應用是水文地質(zhì)學發(fā)展的方向。水文地質(zhì)學原本就是地質(zhì)學和水文學結(jié)合形成的邊緣學科,隨著各學科體系的日益健全以及各分支學科的不斷發(fā)展,研究視野不斷拓寬、課題復雜程度越來越高,處理難度越來越大,因而多學科交叉滲透以及多技術(shù)方法綜合應用是處理復雜課題的唯一途徑[11]。

        預計今后水文地質(zhì)研究的重點將主要集中在地下水中污染物運移機理、四水轉(zhuǎn)化問題、地下水水溫度場的分布及其遷移機理、包氣帶水鹽運移機理及其空間分布、地球深層水文地質(zhì)、水文地質(zhì)中同位素的進一步應用以及與深層地下水相關(guān)的數(shù)值模型的建立[12]。

        5 結(jié)束語

        隨著我國生態(tài)文明建設(shè)腳步的加快,自然科學發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的結(jié)合就顯得意義非凡。當前,我國水文地質(zhì)學已經(jīng)進入了生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學發(fā)展階段[13],構(gòu)建人與自然環(huán)境協(xié)調(diào)、良性的水文地質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)[14]已迫在眉睫,學科的發(fā)展以及關(guān)鍵技術(shù)問題的解決,都會對生態(tài)環(huán)境造成潛在的威脅或一定程度的破壞,因而學科的發(fā)展必須以生態(tài)環(huán)境的保護為根本,科學合理地完成兩者之間的轉(zhuǎn)化。

        參考文獻

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        作者簡介:李勁彬(1991-),男,漢族,陜西銅川,碩士,助理工程師,主要從事水文地質(zhì)和土地工程方面的研究工作。

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