水文地質(zhì)

水文地質(zhì)的技術(shù)發(fā)展史

  1.我國開發(fā)利用地下水的概況
 
  古代:我國是世界開發(fā)利用地下水最早的國家之一,早在相當于我國仰韶文化的母系氏族公社時期,據(jù)浙江余姚河姆渡村遺址發(fā)掘推測,距今約5700年前,我們的祖先就已經(jīng)采用鑿井取水。到了距今2000多年前的春秋戰(zhàn)國時代,隨著生產(chǎn)力的發(fā)展,鑿井技術(shù)有了進一步提高,在四川自貢一帶已有深達數(shù)百米的鹽井,這可算是世界上在巖石中開鑿的首批深井。漢武帝時,在今陜西渭北高塬上修筑了我國最早的井渠結(jié)合農(nóng)田灌溉典范“龍首渠”。馳名中外的新疆“坎兒井”,至今仍不失為開發(fā)山前傾斜平原地下水的有效措施之一。
 
  我國開發(fā)利用地下水資源的現(xiàn)狀:①北方許多城市生活用水的重要水源;②北方干旱、半干旱地區(qū)(17省市)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活的唯一水源;③南方部分地區(qū)也開始利用地下水、并且需求量越來越大;④大的工業(yè)基地的建設(shè)首先要解決水源問題。   開發(fā)利用地下水資源的未來:①實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)開發(fā);②加強地下水資源的科學管理;③加強與地下水資源開發(fā)有關(guān)的環(huán)境保護。(當今世界面臨的三大問題:人口、資源、環(huán)境)。
 
  一些重大研究課題:地下水過量開采的對策;地下水污染防治;相關(guān)的環(huán)境質(zhì)量評價。
 
 
  初期:地下水開發(fā)地點分散且數(shù)量較少階段,主要進行地下水水源地的勘查,通過勘查論證地下水的開發(fā)方案。
 
  中期:地下水處于連片開發(fā),且水源地相互干擾明顯增大的階段,將區(qū)域性大面積地下水資源評價列為論證地下水合理開發(fā)的重要工作。
 
  后期:地下水需求量與其多年平均補給量相接近,且需求量還在不斷增長的階段,將包括技術(shù)管理、政策和法規(guī)制定的地下水管理列為支持地下水合理開發(fā)的重點工作。同時,還將研究人工回灌補給地下水及地表水、地下水聯(lián)合運用等問題,注意加強地下水資源保護,實施地下水系統(tǒng)管理。
 
  3.水文學發(fā)展簡史
 
  人類探索除水害、興水利的歷史,猶如人類的文明史那樣悠久。在生產(chǎn)實踐中,特別在與水旱災(zāi)害的斗爭中,人類不斷觀測各種水文現(xiàn)象,思考和研究它們的規(guī)律,積累起關(guān)于水的豐富知識,逐漸形成并不斷發(fā)展了水文科學。
 
  水文學源遠流長,經(jīng)歷了漫長的醞釀時期,而它的飛躍發(fā)展則是最近一個世紀的事。同自然科學的許多學科相似,人們還難以找出公認的里程碑,把水文科學的歷史進程劃分成若干明確的階段。我們只是順著它前進的足跡,大體劃分為:
 
  ⑴萌芽時期(遠古至約公元1400年)
 
  在尼羅河、幼發(fā)拉底河、恒河和黃河這些古老文化發(fā)祥地的遺跡中,我們可以看到這一時期已經(jīng)開始了原始的水文觀測,最早的水位觀測是在中國和埃及開始的。
 
  約公元前22世紀,中國傳說中的大禹治水,已“隨山刊木”(立木于河中),觀測河水漲落。此后,戰(zhàn)國時李冰設(shè)于都江堰的“石人”,隋代的石刻水則,宋代的水則碑等,表明水位觀測不斷進步。
 
  最早的雨量觀測于公元前四世紀首先在印度出現(xiàn),中國于公元前三世紀的秦代已開始有呈報雨量的制度,到了公元1247年,已有了較科學的雨量器和雨深計算方法,并開始用“竹籠驗雪”以計算平均降雪深度。明代劉天和在治理黃河工作中,已采用手制“乘沙量水器”測定河水中泥沙的數(shù)量。
 
  中國古籍《呂氏春秋》中寫道:“云氣西行云云然,冬夏不輟;水泉東流,日夜不休,上不竭,下不滿,小為大,重為輕,國道也。”提出了樸素的水文循環(huán)概念。成書于公元約六世紀初的《水經(jīng)注》中,記述了當時中國境內(nèi)1252條河流的概況,成為水文地理考察的先驅(qū)。
 
  誠然,這些原始的水文觀測和水文知識是膚淺零星的,但已為當時生活和生產(chǎn)提供了重要的水文資料。例如,根據(jù)雨量多少決定稅收的多少,根據(jù)上游的水位向下游傳遞水情等,標志著水文科學的萌芽。
 
  ⑵奠基時期(約公元1400~1900年)
 
  歐洲文藝復(fù)興帶來的科學思想的解放和科學技術(shù)的進步,為水文科學發(fā)展成為獨立的學科奠定了基礎(chǔ)。這一時期,水文儀器的發(fā)明使水文觀測進入了科學的定量觀測階段。
 
  1663年雷恩和胡克創(chuàng)制了翻斗式自記雨量計,1687年哈雷創(chuàng)制測量水面蒸發(fā)量的蒸發(fā)器,1870年埃利斯發(fā)明旋槳式流速儀,1885年普賴斯發(fā)明旋杯式流速儀。這些近代水文儀器使流量、流速、蒸發(fā)、降水的觀測達到了相當?shù)木龋眠@些近代水文儀器進行水文觀測的各種水文站陸續(xù)出現(xiàn)。
 
  1746年,中國在黃河老壩口設(shè)立了全國第一個正規(guī)水位站,開始系統(tǒng)觀測水位,并進行報汛。這些成就使水文現(xiàn)象的觀測視野在深度和廣度上空前擴大,為水文科學在理論上的發(fā)展創(chuàng)造了條件。
 
  在這一時期,近代水文科學理論開始逐漸形成。1674年佩羅提出了水量平衡的概念,成為水文科學最基本的原理之一;1738年伯努利父子發(fā)表水流能量方程,1775年謝才發(fā)表明渠均勻流公式;1802年道爾頓建立了研究水面蒸發(fā)的道爾頓公式;1856年,達西發(fā)表了描述孔隙介質(zhì)中地下水運動的達西定律;1851年莫萬尼提出了匯流和徑流系數(shù)的概念,并發(fā)表了計算最大流量的著名推理公式。
 
  這些科學理論的創(chuàng)立,為水文科學在河道水流、蒸發(fā)、地下水運動、徑流形成和水文循環(huán)等領(lǐng)域的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ),它表明人類對水文現(xiàn)象的認識已由萌芽時期那種膚淺零星的知識,發(fā)展到了比較深刻系統(tǒng)的知識。同時也表明,人類對地球上水的運動、變化規(guī)律的探索,已發(fā)展到以大量觀測事實為基礎(chǔ),進行假說、演繹和推理,進而建立各理論體系的近代科學方法論。    19世紀末,專門水文研究機構(gòu)開始出現(xiàn),一些國家開始出版水文年鑒。弗里西著的《河流水文測驗方法》、福雷爾著的《日內(nèi)瓦湖湖泊志》、馬略特著的《水的運動》等水文學專著陸續(xù)出版。這些著作總結(jié)了當時水文觀測和理論研究的成就,標志著水文科學作為一門近代科學已奠定基礎(chǔ)。
 
  ⑶應(yīng)用水文學興起時期(約公元1900~1950年)
 
  這一時期,水文科學在觀測方法、理論體系和研究領(lǐng)域等方面繼續(xù)取得新成就,但它最重要的進展是應(yīng)用水文學的興起。
 
  進入20世紀,特別是第一次世界大戰(zhàn)以后,大量興起的防洪、灌溉、交通工程和農(nóng)業(yè)、林業(yè)乃至城市建設(shè)向水文科學提出越來越多的新課題,解決這些課題的方法也由經(jīng)驗的、零碎的逐漸理論化和系統(tǒng)化,水文科學的應(yīng)用特色逐漸表現(xiàn)出來。
 
  首先,從1914年到1924年,經(jīng)過黑曾、福斯特等人的工作,把概率論、數(shù)理統(tǒng)計的理論和方法系統(tǒng)地引入了水文科學,使水文變量(如洪峰和洪量)和它出現(xiàn)的機率聯(lián)系起來,為預(yù)估工程未來運行時期內(nèi)可能出現(xiàn)的水文情勢開辟了道路。
 
  接著,從1932年到1938年,謝爾曼、霍頓、麥卡錫、斯奈德等人在產(chǎn)流和匯流計算方面取得開拓性進展,為根據(jù)降雨推算洪水開辟了道路。隨后,克拉克、林斯雷等人在單位線、多個水文變量聯(lián)合分析和徑流調(diào)節(jié)的理論、方法等方面發(fā)展并豐富了上述內(nèi)容。
 
  在此期間,水文站在世界范圍內(nèi)發(fā)展成規(guī)模宏大的水文站網(wǎng)系統(tǒng),這些成就為應(yīng)用水文學的興起在理論上、方法上和資料條件方面奠定了基礎(chǔ),并率先形成了它最重要的分支學科——工程水文學。接著,農(nóng)業(yè)水文學、森林水文學、都市水文學也相繼興起。
 
  1949年,林斯雷和柯勒、保羅赫斯合著《應(yīng)用水文學》;同年,姜斯敦和克樂斯合著的《應(yīng)用水文學原理》、美國土木工程師學會編著的《水文學手冊》等應(yīng)用水文學專著陸續(xù)問世,總結(jié)了這一時期的成就,標志著應(yīng)用水文學的誕生。應(yīng)用水文學,以它直接為生產(chǎn)和生活提供多方面服務(wù)這一鮮明特征,獲得迅速發(fā)展,成為近代水文科學體系中最富有生氣的分支學科。
 
  ⑷現(xiàn)代水文學(1950~今)
 
  20世紀50年代以來,社會生產(chǎn)規(guī)??涨皵U大,科學技術(shù)進入了新的發(fā)展時期,并正在出現(xiàn)新的技術(shù)革命,人類改造自然的能力迅速增強,人與水的關(guān)系已經(jīng)由古代的趨利避害,和近代較低水平的興利除害,發(fā)展到了現(xiàn)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(lǐng)域正在向著為水資源最優(yōu)開發(fā)利用的方向發(fā)展,以期為客觀評價、合理開發(fā)、充分利用和保護水資源提供科學依據(jù)。
 
  其次,大規(guī)模的人類活動對自然水體,進而對自然環(huán)境正在產(chǎn)生多方面的影響。研究和評價人類活動的水文效應(yīng)和這種效應(yīng)的環(huán)境意義,揭示人類活動影響下水文現(xiàn)象的規(guī)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(huán)的影響朝著不利于人類生存環(huán)境的方向發(fā)展,這一切正在成為水文科學面臨的新課題。
 
  另外,現(xiàn)代科學技術(shù)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(shù)的應(yīng)用,使同時觀測大范圍內(nèi)的宏觀水文現(xiàn)象成為可能;核技術(shù)的應(yīng)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(tǒng)分析方法,使人們研究水文現(xiàn)象的能力發(fā)展到新的水平;尤其是電子計算機的應(yīng)用,使水文科學從水文觀測到基本規(guī)律的研究,由人力和機械操作,發(fā)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(fā)展的重要因素。水在表現(xiàn)它的自然屬性的同時,它的社會屬性也日益表現(xiàn)出來,并逐漸為人們所認識。因此,水文科學將有可能發(fā)展成為具有自然科學和社會科學雙重性質(zhì)的一門綜合性科學。
 
  總的來講,水文學從它所隸屬的學科領(lǐng)域看,作為地球物理科學的一個分支,主要研究地球系統(tǒng)中水的存在、分布、運動和循環(huán)變化規(guī)律,水的物理、化學性質(zhì),以及水圈與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互關(guān)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(fā)利用和保護,水旱災(zāi)害的形成、預(yù)測預(yù)報與防治,以及水利工程和其他工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計、施工、管理中的水文水利計算技術(shù)。
 
  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。
 
  ① 傳統(tǒng)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(zhì)學)、土壤水文學、大氣水文學等。
 
  ② 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(diào)查、水文實驗。
 
  ③ 由水文研究內(nèi)容分為:水文學原理、水文預(yù)報、水文分析與計算、水文地理學、河流動力學等。
 
  ④ 作為應(yīng)用科學,水文學分為:工程水文學、農(nóng)業(yè)水文學、土壤水文學、森林水文學、城市水文學等。
 
  ⑤ 隨新科學、新技術(shù)的發(fā)展和引進,出現(xiàn)新分支:隨機水文學、模糊水文學、灰色系統(tǒng)水文學、遙感水文學、同位素水文學等。
 
  5.水文地質(zhì)學的簡要發(fā)展過程
 
  盡管19世紀已開始使用水文地質(zhì)學一詞,但到20世紀初科學家Mead才給出這個術(shù)語一個廣泛的含義:水文地質(zhì)學是研究地表以下水的發(fā)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(zhì)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(zhì)學主要是地質(zhì)學家的領(lǐng)域,作為一個自然科學家,對于控制地下水流動的因素和規(guī)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(guān)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(qū)使;另一邊受到工程師務(wù)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(shù)學上的嚴格推導(dǎo)為其分界。
 
  17世紀處在“自然科學分支”的“猜想”階段,關(guān)于泉的成因以及水循環(huán),出現(xiàn)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(jié)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(fā)。梅瑟利(La Metherie,1791)開始測量巖石的滲透性,將入滲水區(qū)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(guān)于自流現(xiàn)象的第一個有記錄的解釋出現(xiàn)于17世紀,卡西尼(Cassini)和瓦里斯內(nèi)利(Vallisnieri)都正確地指出:承壓含水層的高水壓是產(chǎn)生自流的原因。進一步試圖將概念精確化的結(jié)果是,強化了絕對隔水性的觀念,然而,對廣泛分布的區(qū)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(chǔ)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(fā)展經(jīng)驗性實用方法技術(shù),構(gòu)建集取地下水的設(shè)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(fā)表為標志。達西方程觸發(fā)了根據(jù)地下水位變動預(yù)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(yù)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(zhì)疑——工程師們從評價含水層和井的出水量出發(fā)產(chǎn)生疑問,而地質(zhì)學家在研究盆地地下水流動時發(fā)現(xiàn)了問題。雅可布、漢圖斯、諾曼(Neuman)、威瑟斯龐等,引入并發(fā)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(zhì)的“統(tǒng)一盆地”被弗里澤和威瑟斯龐 “非均質(zhì)化”了,通過數(shù)值模擬,揭示了不同形態(tài)、不同規(guī)模含水巖系的基本流動型式。兩方面共同的最終結(jié)論是,巖體存在水力連續(xù)性?;趲r體存在水力連續(xù)性的結(jié)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(tǒng),而每個系統(tǒng)具有自己的作用過程與伴隨現(xiàn)象。于是,統(tǒng)一的觀念誕生了,不斷流動著的地下水是一種地質(zhì)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(zhì)學發(fā)展階段。這個地球科學的新成員,既是一門基礎(chǔ)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(zhì)活動,絕對有必要熟悉當代水文地質(zhì)學的基本理論。與此同時,需要培養(yǎng)具有獨特的教育和專業(yè)背景的、全職的水文地質(zhì)學家。
 
  當代水文地質(zhì)學有以下3個主要特征概念:①地下水流動系統(tǒng)發(fā)育的空間尺度,變化范圍很大;②地下水流動系統(tǒng)發(fā)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(zhì)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(xiàn)象,都有著控制性影響。
 
  水文地質(zhì)學向何處去發(fā)展?作為一門成熟科學,建立于工程師的數(shù)學嚴謹和科學家自由想象之上,建立于相關(guān)學科的技能、方法和技術(shù)之上,在可以預(yù)見的未來,水文地質(zhì)學的理論與技術(shù)方法不大可能有新的突破;反之,預(yù)期將會出現(xiàn)各種“名副其實”的學科分支,例如:環(huán)境水文地質(zhì)學、污染水文地質(zhì)學、農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)學、油氣水文地質(zhì)學,等等。
 
  就我國來講,水文地質(zhì)學的發(fā)展歷史是與新中國的建立與發(fā)展分不開的,近半個世紀以來,水文地質(zhì)學的成長與發(fā)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(lián)學術(shù)思想的影響,基本依照前稱聯(lián)模式。從20世紀70年代后期到90年代,可以稱為發(fā)展階段,這一時期由于實行改革開放政策,國內(nèi)外學術(shù)交流日益頻繁,因此受西方學術(shù)思想影響較多,特別是系統(tǒng)科學、環(huán)境科學、現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學與計算機技術(shù)等新思想、新理論與新技術(shù)的輸入,使水文地質(zhì)學的基本概念與研究范疇發(fā)生了巨大的變革,使水文地質(zhì)學從定性研究進入到了定量研究階段,納入到系統(tǒng)工程的軌道,與現(xiàn)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(zhì)學稱為傳統(tǒng)水文地質(zhì)學,而20世紀70年代后期至90年代發(fā)展階段的水文地質(zhì)學,稱為現(xiàn)代水文地質(zhì)學。
 
  現(xiàn)代水文地質(zhì)學的基本特征主要有:①與現(xiàn)代科學的新理論新學科緊密結(jié)合,比如系統(tǒng)論、信息論、控制論及相應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)科學、環(huán)境科學、信息科學等,對水文地質(zhì)學的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響;②現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學與水文地質(zhì)學的結(jié)合,特別是數(shù)值模擬方法得到普遍應(yīng)用,模型研究成為水資源研究的主要內(nèi)容,使水文地質(zhì)學從定性研究發(fā)展到定量研究的新階段;③從地下水系統(tǒng)與自然環(huán)境系統(tǒng)相互關(guān)系的研究,擴大到與社會經(jīng)濟系統(tǒng)關(guān)系的研究。對地下水資源的研究,也從數(shù)學模型發(fā)展到管理模型與經(jīng)濟模型的研究;④許多新的分支學科的產(chǎn)生與發(fā)展,比如區(qū)域水文地質(zhì)學、巖溶水文地質(zhì)學、遙感水文地質(zhì)學、環(huán)境水文地質(zhì)學、醫(yī)學環(huán)境地球化學、污染水文地質(zhì)學以及數(shù)學水文地質(zhì)學、水資源水文地質(zhì)學;⑤新技術(shù)、新方法的應(yīng)用、除計算機技術(shù)外,遙感技術(shù)、同位素技術(shù)、自動監(jiān)測技術(shù),室內(nèi)模擬技術(shù),以及高精度水質(zhì)分析技術(shù)等,都得到普遍應(yīng)用,推動了水文地質(zhì)學的發(fā)展。
 
  這要強調(diào)一點:水文地質(zhì)學領(lǐng)域中的許多研究都是由水文地質(zhì)學家、地質(zhì)學家、水文學家好氣象學家等多個學科領(lǐng)域的專家學者聯(lián)合來完成的。