水文地质学

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  水文地质学汉语拼音:Shuiwen Dizhixue;英语:Hydrogeology),研究地下水的形成及其在岩石圈水圈大气圈生物圈人类活动的相互作用下,水量和水质随空间和时间变化的规律以及合理开发利用等问题的学科

简史

  水文地质学的发展大体经历了三个时期:1856年以前的萌芽时期,1856年至20世纪中叶的奠基时期,20世纪中叶至今的发展时期。

萌芽时期

  人们在远古时代已开始打井取水。中国已知最古老的水井是距今约5,700年的浙江余姚河姆渡井。公元前7世纪亚美尼亚就有了坎儿井用来截取地下水流。约前250年在中国四川,为开采地下卤水而开凿了盐井。后来,在利用地下水的过程中,人们也探究了它的来源,如法国B.帕利西、中国徐光启法国E.马略特等先后指出井泉水来源与大气降水或与河水有联系。马略特还提出了含水层与隔水层的概念。

奠基时期

  1856年法国水力工程师H.-P.-G.达西通过砂的渗透试验,得出水在砂中的渗透速度与水力梯度成正比的线性关系,即著名的达西定律,从而奠定了地下水运动的理论基础。1863年法国J.裘布依提出了地下水流向水井的稳定流公式。1886年奥地利P.福希海默绘制了地下水流网图。1935年美国C.V.泰斯利用地下水流动与热传导的相似性,得出地下水流向水井的非稳定流公式,即泰斯公式,把地下水计算推进一大步。在此期间,对地下水的起源也提出一些新的学说。1902年奥地利E.修斯提出初生说,1908年美国A.C.莱恩W.C.戈登俄国N.I.安德鲁索夫分别提出埋藏水(沉积水)的存在。此外,德国水文学家O.福利盖尔、俄国A.F.列别捷夫提出了凝结说。1912年德国K.凯尔哈克进行了地下水和泉的分类,总结了地下水的埋藏和排泄条件。20世纪20~30年代美国O.E.迈因策尔对一系列水文地质概念和术语进行了探讨。20世纪中叶苏联A.M.奥弗琴尼科夫、美国D.E.怀特在水文地球化学方面作出许多贡献。这一时期,在地下水的赋存、运动、补给排泄、起源、水化学及水量评价等方面,已有了一套较为完整的理论和研究方法,水文地质学已成为一门成熟的学科。

发展时期

  20世纪中叶以来,正确评价、合理开发、科学管理与保护地下水资源及与地下水有关的生态环境,越来越引起人们的重视。同时,人们对地下水运动过程有了新的认识。40年代到60年代,美国C.E.雅可布M.S.汉图什等论述了孔隙承压含水层的越流现象;英国N.S.博尔顿发现潜水位下降过程中非饱和带滞后释水现象,从而促进了非饱和带水的研究。60年代加拿大J.托特提出了地下水流动系统理论,为水文地质学的发展开拓了前景。由于引进了模拟技术(从物理模拟到数学模型),水文地质学得到进一步的发展。同位素方法、数学地质、遥感技术及地理信息系统等都被引进,用以解决水文地质问题。

  水文地质学在中国基本上是从20世纪50年代发展起来的。50至70年代是区域水文地质学与农业水文地质学的开创时期;70年代以后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;90年代以来由于新兴科学技术的引进已开创了信息水文地质学。

研究内容和学科体系

  水文地质学已经从传统水文地质学向现代水文地质学发展。20世纪50年代以普通水文地质学、地下水动力学与水文地球化学及专门水文地质学为主要基础。随着经济建设和现代科学的发展,水文地质学的研究内容向纵深发展延伸,形成了一些新的分支学科。

  地下水动力学 研究在天然条件下和人为因素影响下地下水的运动规律,以及定量评价地下水的水量和水质的计算方法;研究在各种条件下的数学模型及其解法,水文地质参数的确定和室内试验等。

  水文地球化学 研究地下水化学成分的组成和变化规律,地下水污染形成机制和污染物在地下水中的迁移和变化,地下水与矿产形成和分布的关系。通过这些研究,可以探讨地下水的形成和起源,以及寻找金属矿床、放射性矿床、石油和天然气等。近代已派生出环境水文地球化学、生物水文地球化学和医学环境地球化学等学科。

  区域水文地质学 研究地下水区域性分布和形成规律,以指导进一步的水文地质勘察研究,为解决国民经济区划中开发利用各种类型地下水资源提供水文地质依据。由于自然单元的地质地貌、气候条件复杂,如干旱地区、滨海地区、冻土区、黄土区、岩溶区,其区域水文地质条件差异很大,构成区域水文地质学的丰富内容。

  环境水文地质学 研究在天然条件和人为活动影响下地下水水质、水量的变化,与人类的生活和生产发展的相互影响与相互制约的关系,以达到改善环境,消除负面效应的目的。它是水文地质学与环境科学的有机结合,是20世纪七八十年代才发展起来的。环境水文地质学的研究范畴基本可归纳为区域环境水文地质研究、污染环境水文地质研究、地下水资源开发负环境效应研究、环境水文地球化学或医学环境水文地质研究。

  矿床水文地质学 研究矿床开采中有关的水文地质问题,查明矿坑水的涌水途径和来源,预测矿坑涌水量,提出防治措施。

  农业水文地质学 研究为农田灌溉寻找地下水源,以及为防治土壤盐碱化和沼泽化进行水文地质论证。在对农业增产有重要意义的土壤水的研究中,引进了零通量面新方法用以测定地下水的补给量。

  供水水文地质学 研究和寻找地下水供水水源地,查明含水层分布及埋藏条件,进行水质和水量评价,合理开发利用并保护地下水资源,按含水系统进行科学管理。

  古水文地质学 研究地质历史时期地下水的形成、埋藏分布、循环和化学成分的演化等。据此分析古地下水的起源与形成机制,阐明与地下水有关的各种矿产的形成、保存与破坏条件等问题。

  水文地质普查勘探 为查明一个地区的水文地质条件和地下水的开发利用及有关地质问题,运用各种技术方法手段进行的水文地质调查工作。包括水文地质测绘、物探、钻探、试验研究、实验室分析、地下水动态观测等方法和手段。

与其他学科的关系

  因为地下水的形成和分布与地质环境有密切联系,所以水文地质学和岩石学构造地质学地史学地理学地貌学第四纪地质学地球化学等关系密切。

  工程地质学是与水文地质学同时相应发展起来的,两者有不少内容相互交叉。由于地下水参与水文循环,一个地区水循环的强度与频率,决定着地下水的循环补给状况,所以,水文地质学与水文学气象学气候学也有着密切关系。

  地下水运动的研究是以水力学流体力学理论为基础,水文学的许多方法可用于水文地质学。

  水文地质学的发展与环境科学、新技术科学的关系越来越紧密。

展望

  水文地质学的研究对象和内容进一步扩大,不仅研究饱水带水,也研究包气带水;不仅研究赋存于含水介质(空隙)中的地下水,也研究赋存地下水的介质(如含水层储能,地下核废料储存);不仅研究地壳浅层地下水,还要研究地球深层的水,以至整个地下水圈。水文地质学将着重向资源水文地质学和环境水文地质学发展。在技术方法研究方面,将以制图、遥感与同位素水文地质学为主要研究方向。在信息系统研究方面,将加强对数据管理系统、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。

  今后水文地质学从理论和应用上将加强对裂隙水与岩溶水赋存、运动机制;污染物在地下水中的运移和计算;含水层与包气带对污染物的净化作用;被污染含水层的生物处理技术;包气带水分和盐分运移机制;黏性土的渗透机制;地下水数学模型;含水层储能及其应用以及如何协调水资源与环境同社会经济可持续发展的关系等一系列新课题的研究。还有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也将得到重视。