技术资料

Technical Information

【深度】“地下水科学与工程”学科形成的历史沿革及其发展前景

浏览次数:134,567

文章详情

我们愿做知识的搬运工,为更多的小伙伴提供更全面的学习资料。

摘要:人类由逐水而居到凿井取用地下水是人类文明史的一大转折。和地表水相比,地下水具有分布广泛、水质良好、变化稳定、便于利用、不容易受污染等优点,因此它是理想的供水水源。地下水本身既是人类生存不可或缺的重要资源,同时也是一种地质营力、信息载体、生态环境因子和灾害因子。因此开展地下水的形成、赋存、运动规律的研究,以及合理开发、利用的工程技术、布局设计和实施等水文地质研究是一门关系到人类生活、社会需求和发展的重要学科。“地下水科学与工程”学科形成的历史是和人类社会的诞生、繁衍和发展紧密相关的。随着科学进步和国民经济的发展,该学科已从原来的基础学科逐渐向应用基础学科和应用学科相结合的方向发展。因此,今后在加强水文地质基础研究的同时,还应该十分重视满足国民经济需求和面向市场应用的研究。最后,从世界面临严重缺水和水污染的现实、科学发展的必然和国际学术组织和学者对地下水学科的重视,以及当前人才市场对该学科人才需求等方面指出,21世纪“地下水科学与工程”学科的发展具有很大的空间和十分广阔的前景。

0前言

水是生命的源泉,因为有水人类社会才得以诞生、繁衍和发展。远古时期,人类逐水而居,开始时只是利用地表水和泉水作为供水水源,后来才打井取用地下水。由逐水而居到凿井取水是人类文明史的一大转折。从此人类活动的范围更加广阔了。同时在打井取水过程中人类也不断积累了地下水的知识。迄今为止,我国发现最古老的水井河姆渡井(浙江余姚)的井深,虽然只有1.35 m,但却是我国第一口地下水井。成井距今约5700a(公元前3710±125年)。此外,世界凿井历史上的第一口超深井也是由我国1835年开凿的自贡莘海井,其深度达到1001.42m。而在欧洲直到19世纪末,出现现代机械化的钻井技术后,其水井深度才超过1 000 m。世界上更原始的井坎儿井,至少在公元前550~330年就已在德黑兰附近出现了,当时主要是为城市供水和农田灌溉服务,其最大的坎儿井深度已达150m,长达26km。我国新疆吐鲁番一带的坎儿井至少出现在公元前200~300年之前。坎儿井是和我国横亘东西的万里长城、纵贯南北的大运河齐名的我国古代三大工程之一,是伟大的地下水利灌溉工程。据统计,目前吐鲁番盆地有坎儿井1237条,实际使用的853条,总长度超过5000 km,总出水量约10m3/s。坎儿井由竖井、地下暗渠、地面明渠、涝坝4个部分组成。竖井最深的在90m以上,一般长3~8 km,最长的达10 km以上,年灌溉300亩,最好的年灌溉可达500亩。

上述各种类型的井都是获取地下水的重要工程,而且在打井过程中人们也积累了大量的有关地下水的科学知识,可以认为地下水科学与工程学从远古时期就已形成雏形。和地表水相比,地下水具有分布广泛、水质良好、变化稳定、便于利用、不容易受污染等优点,因此它是理想的供水水源,尤以战争年代,更是重要的战备水源。近几十年来,在一些国家中,地下水在总用水量中所占的比重越来越大。在美国,47%的饮用水是由地下水提供的,西部干旱地区如堪萨斯州则达86%;原苏联有62%的城市采用地下水作为饮用水;全英国的饮用水中地下水占30%,英格兰南部可达75%。

地下水在我国城市供水中占有很重要的地位,全国661个城市中有400多个开采利用地下水,在城市用水总量中,地下水占30%,其中华北、西北城市利用地下水的比例则分别高达72%和66%。

地下水除满足人类生活饮用和工农业生产需要外,还有其他重要的作用。例如:地下水含有对人体生长和健康有益元素的矿泉水、洗浴水;富含某些元素的高矿化水,可提取某些化工产品;高温地下热水,可作洁净的能源用于发电或取暖;富含硝态氮的地下水可用于农田灌溉,有良好的肥效作用等等。

正由于地下水具有种种用途,20世纪80年代以来,我国通过各种地下工程,进行地下水的大量开采利用。在一些地区,尤其在某些大中城市,已造成地下水位的急剧下降、含水层疏干、枯竭,并因此而引发的地面沉降、坍塌、海水入侵、水质恶化等各种环境负效应频繁发生。

可见,地下水本身既是人类生存不可或缺的重要资源,同时也是一种地质营力、信息载体、生态环境因子和灾害因子。因此以开展地下水的形成、赋存、运动规律以及合理开发、利用的工程技术设计和实施等研究为主要内容的“地下水科学与工程”学科是一门关系到人类生活、社会需求和发展的重要学科。

1“地下水科学与工程”形成的历史沿革

“地下水科学与工程”是一门既古老又现代化的、具有无限广阔发展前景的学科。至今,该学科在世界各国的命名仍然有所不同,如:水文地质学,地下水水文学,地下水科学,地下水科学与工程等,但其研究的核心内容都基本相同,且随着人类社会发展和科学进步而不断地丰富和发展。

该学科最早是在19世纪初由欧洲提出,当时称为水文地质学,其主要研究内容是对地下水自然现象的描述和认识。直到20世纪30~40年代,开始形成较完整、系统的独立学科,并将对地下水形成过程的认识和基本规律,应用于地下水的寻找和开发利用。之后,随着该学科与其他不同学科和先进技术方法(如数、理、化、计算机科学遥感、信息技术等)的交叉融合,逐渐向跨学科的综合性边缘学科发展,并使学科的属性由基础性学科发展为应用基础学科和应用学科。

在我国,该学科是在新中国诞生后,1950年前后由前苏联引进和发展而成,当时学科的名称为水文地质学。它在新中国最早建立的东北地质学院和北京地质学院设置的课程有水文地质学基础、地下水动力学和专门水文地质学3门主干课,此外还有区域水文地质学、农田水文地质学、矿床水文地质学等课程。当时这些课程的教材主要是由前苏联学者卡明斯基、奥弗琴尼柯夫、克里门托夫等教授编著的。

20世纪90年代后期,我国和世界其他国家一样,随着该学科与其他学科的交叉融合,逐渐形成为一门跨学科的综合性边缘学科。尤其在我国改革开放之后,由于地下水的开发利用量随着社会经济的迅速发展而迅猛增长,有关城市和工农业生产的安全供水问题以及因地下水过量开采而引发的环境、灾害地质等防治问题相继出现,这些问题的出现和解决,极大地推动和促进了我国在这一时期各水文地质分支学科的建立,如水资源水文地质学、城市水文地质学、环境水文地质学、污染水文地质学等都是在这一时期百花齐放,纷纷建立起来的。特别值得强调的是,在这一时期,地下水作为一个系统的研究及其和大气降水、地表水、土壤水的大(小)循环的研究得到了进一步的深化;“水文地质概念模型”和计算机科学在水文地质学中的广泛应用,使数值法在水资源评价、预测和管理中得到迅速的发展,它使地下水资源研究从传统的研究方法转到模型研究,大大提高了地下水资源评价的精度和科学性。此外,“三水转化和地下水与地表水的联合开发利用”观念的建立、3S技术的应用和环境水文地质的诞生以及地下水溶质运移规律的研究等也都是这一时期的重大成就。

20世纪90年代至今,由于我国资源性缺水和水质性缺水的局面日益严峻,地下水超采造成的地下水环境与灾害等负效应问题越发加剧。为此,饮用水的安全与保护、已污染地下水土的治理与修复以及地下环境灾害的防治等科学问题和关键技术的研究,已成为国民经济发展的迫切需要。这一时期,地下水土的防护和治理成了世人瞩目和突出关注的问题。在地下水污染质的运移机制和模型研究、地下水污染的控制与治理的系统理论研究得到进一步深化的同时,地下水工程与技术也得到了迅速的发展。例如,目前对地下水土污染的控制与处理已有许多先进的方法和技术(表1)。

表1地下水土污染处理的方法

从这一阶段发展看,地下水工程已成为该学科的重要组成部分。可以预见,它还将随着社会进步、科学发展和国家的需求,得到不断的完善和发展。显然,水文地质学科发展至此,将其称为地下水科学与工程学科,实属更为贴切和名副其实。



尤其要指出的是,20世纪是中国水文地质学高速发展的世纪,尤以70年代以后,随着水文地质学基本理论的发展、勘察技术和试(实)验技术的现代化、相近基础学科和自然科学最新成果的交叉和渗透,以及高新技术的引进、普及和深化,使传统水文地质学迈进了崭新的现代水文地质学的新时期。

综上所述,地下水科学与工程是一门以地质理论为基础,研究在自然条件和人类活动影响下,地下水系统结构、组成及其地下水量、水质的时空变化规律,并用这些规律兴利除弊造福于人类的学科。其中,地下水科学则主要偏重于研究地球内部水的形成、分布和运动规律,地下水中物质与能量循环规律及其生态环境效应,水岩相互作用机理及其资源环境效应以及地下水系统的结构、组成与演化等基础科学问题;地下水工程则主要研究地下水监测、探测、模拟和开采利用技术,地下环境修复与污染防治技术、地质灾害防治技术,地热开发利用技术以及废物地质处置技术等关键技术和方法的研究及工程应用。

总之,水文地质学科经历了半个多世纪的发展,已从原来对地下水自然规律的描述和认识,发展到对地下水系统及其与外部社会、经济、环境各系统的相互作用和影响的研究,并迅速向控制和改造地下水本身不安全因素及与其密切相关的环境负效应问题的理论及方法研究的方向发展。从学科属性看,在半个多世纪以来,该学科已从原来的基础学科逐渐向应用基础学科和应用学科相结合的方向发展。正如2001年9月13日,杨振宁先生在科协大会所预测的那样:今后30~40年内全球科技发展方向,将是应用研究迅速发展的阶段。在基础研究和应用研究中,由于人类生产力的大大增长,也为了适应市场经济的需要,今后还要向“技”(即应用研究)的方向大力发展。本学科的发展历程证实了杨振宁先生的预言,同时本学科的发展规律也完全符合人类从认识自然到改造自然的发展规律。因此,今后在加强水文地质基础研究和应用基础研究的同时,还应十分重视满足国民经济的需求和面向市场的应用研究。

2 21世纪“地下水科学与工程”学科的发展

2.1国民经济和社会发展的需要

水资源短缺和环境恶化是21世纪人类面临的两个重大问题。

中国水资源总量28400亿m3,位居世界第六位,但按2002年人口统计,人均水资源量为2 140 m3,仅相当于世界平均人均占有量的31%。在生态环境方面,2005年全国废污水排放量已达717亿t,部分地区出现了水污染型的缺水。据估计,目前全国年缺水量约400亿m3,其中灌区缺水约300亿m3,城市、工业年缺水量约60亿m3。随着城市化年均增长速度的加快,根据《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》,在“十一五”期间,我国国内生产总值年均增长为7.5%,实现人均国内生产总值比2000年翻一番;全国人口由13.076亿上升到13.60亿;城镇化率由43%提高到47%。因此,我国在“十一五”期间,经济社会发展和水资源环境约束的矛盾将越来越大。而且据统计,目前我国的流动人口已占全国人口的10%以上,达1.4亿。我国目前正经历着历史上前所未有的、规模最大的城乡人口迁移,城市人口的膨胀也将进一步加剧水资源紧缺和环境问题的危机。显然,21世纪,干旱缺水和水质污染将继续成为影响我国社会经济发展、粮食安全、饮水安全、社会安定和环境改善的主要瓶颈。我国政府对此高度重视,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》明确提出:要把自主创新作为未来科技发展的指导方针,要把发展能源、水资源和环境保护技术放在优先位置。胡锦涛总书记反复强调:“让人民群众喝上干净的水,呼吸上清洁的空气,吃上放心的粮食,是树立和落实科学发展观的必然要求,是坚持以人为本的具体体现”。

地下水作为水资源的重要组成部分,显然“地下水科学与工程”学科的建立与发展将对人类生存、生活、生产和推动社会经济的发展起着重要的作用。21世纪将是“地下水科学与工程”学科自主创新、在重要科学问题和关键技术上取得重大进展的重要时期。

2.2科学发展的必然

如前所述,20世纪是中国水文地质科学高速发展的世纪,也是传统水文地质学进入崭新的地下水科学与工程的新时期。这一时期,根据学科自身发展的规律和国民经济可持续发展的需要,不仅形成了各种新的学科分支,而且在几个重大领域中所取得的成就也是令世人瞩目的。如地下水系统理论的提出,“三水转化和地下水与地表水联合开发利用”观念的建立,水资源评价与管理科学的新发展,基于3S技术的地下水科学的兴起,地下水污染的控制与处理技术的兴起,以及环境水文地质学和深部水文地质学的诞生等等。其学科发展速度之迅速,革新内容之丰富都是本文难以给予全面阐述的。

展望21世纪,在面临全球变暖和地球内部能量均衡变迁的情况下,人类也在不断地调整自身的活动方式和方法,以寻求更适宜于人类生存、生活和发展的环境。而水是人类生存、生活和发展的重要命脉,显然,以研究水资源的重要组成部分———地下水为主要内容的“地下水科学与工程”学科,也正处在一个新的起点。一系列带有本质性的、前沿科学领域的问题正待人们去进一步的深化研究与创新。

2.2.1地下水模型的非确定性研究

半个多世纪来,尽管有关地下水水流和溶质运移模拟的理论及其模型软件进展十分迅速,但其模拟结果一直存在着非确定性。导致非确定性的原因很多,包括水文地质概念模型和边界条件建立的不准确性、模型参数取值及基本数据输入的误差等。由于存在这些不确定性,使得目前解析模型乃至数值模型的模拟结果的准确度也值得进一步探讨。W.Kinzelbach认为:采用确定性的模型方法来解决非确定性的问题,其结果很值得怀疑。更为严重的是,决策者常因不了解问题的所在,而将模拟结果认为是正确的,并应用到实际工作中去。

因此,解决地下水模拟的非确定性问题的研究,仍然是21世纪的一项任重道远的任务。它需要开展深入的水文地质条件的调查和分析研究,需要数学、化学和模型方法等学科的交叉和融合。可以预见,本世纪地下水模型非确定性研究的突破将会为推进水资源的定量化研究做出重大的贡献。

2.2.2多相流理论研究

水和溶质在地下的运移是一个包括气液固的多相复杂过程。如对NAPL(Non -aqueous phaseliquid,非水相液体)污染质的运移、转化的研究。NAPL在地下环境中的运移,实际上就是气水NAPL固的多相流问题。目前国际上NAPL在包气带和含水层中的运移模拟模型较多,但大部分模型所考虑的问题都很单一。美国能源部太平洋西北实验室曾成功地开发了“多相流地下运移”的大型模拟软件,可用来解决复杂、非线性、多相流、非饱和水流、物质和能量等运移问题。该模型包括9个亚模型:水亚模型、水-气亚模型、水-气-能量亚模型、水-油亚模型、水-气-油亚模型、水-气-油-能量亚模型、水-盐亚模型、水-气-盐亚模型和水-气-能量-盐亚模型。这一模型具有很强的模拟功能,但在普及和推广应用中还存在一定的问题。例如,达西定律能否用于描述地下气体的流动和如何确定相关的参数问题;如何真实地反映包气带中气和污染质、水之间的相互作用并给予描述等。这些存在的问题也正是今后研究的方向和发展的趋势。

2.2.3含水层污染的控制和恢复治理研究

一般认为,从源头开始预防和控制水污染是地下水保护的最佳选择,因为含水层一旦遭受了污染,其恢复和净化过程十分漫长,而且处理技术难度大,治理费用昂贵。目前预防和控制地下水污染的方法很多且较为成熟,如:水源地防护带措施、污染源控制和地下水动力场控制等。

对于已遭受污染的土壤及含水层的恢复和治理技术目前还不十分成熟,它是近年来世界水资源和环境专家的研究重点和热点。目前,我国对这一领域的研究尚未引起足够的重视,在地下水、土环境保护方面还存在立法不健全、执法不力的问题,这和我国地下环境日益严重污染的态势很不适应。与国外先进国家相比,在治理方法和技术研究以及应用方面差距也很大。

总之,含水层污染的治理和修复研究在21世纪具有非常广阔的前景。

2.2.4地下水资源的可持续开发、利用研究

1987年,联合国世界环境与发展委员会(WCED)曾发表一份著名的《我们共同的未来》的报告。报告指出:环境保护和经济发展应当而且能够协调进行,并强调“人类有能力做到可持续发展,即在不损害人类子孙后代满足其需要的同时也满足当代人的需求”。这就是著名的关于“可持续”一词的定义。其特点就是:经济发展要考虑环境保护,二者应紧密相联而不是相互对立。

20多年来,各国都进行了大量的有关水资源的可持续开发利用方面的研究,并取得了很大的成就。但由于水资源的可持续开发利用问题的研究是一个十分复杂、涉及到多学科的交叉和联合,同时需要研究的科学问题也多而难,加上水资源的立法、执法和管理还不完善等问题,这就使得水资源永续利用问题至今仍然没有得到满意的解决。例如,该研究涉及到的学科有:水利工程、地下水科学与工程、海洋学、大气科学以及化学、数学、新技术新方法等。可研究的问题有:全球变化和人类活动对地下水资源影响;水资源的区域循环规律;水资源可更新能力的研究等区域性课题,以及和地下水水量、水质有关的水文地球化学,地下水运动和地下水勘探开发技术的研究等等,在此很难逐一枚举。因此关于地下水资源可持续开发、利用的研究,至今仍然方兴未艾,它仍然是21世纪的重大研究方向。

总之,21世纪等待我们去研究的科学领域很多,本文因篇幅所限只能列举其中之万一。可以相信,随着时代的进步和研究的深化,21世纪地下水科学与工程学的研究将会涌现出比20世纪更多、更为重大的崭新成果,它将形成一系列新的科学思维、理论和方法,并在实际应用中取得显著的成效。21世纪对“地下水科学与工程学”的发展来说,挑战和机遇并存,它正蕴涵着无限的生机和希望。

2.3国际学术界的高度重视

目前该学科在国外一些著名大学均有设置。在国际学术界一直活跃着众多与地下水相关的国际组织,每年有关地下水学科的国际性学术会议不断。国内外相关的学术出版刊物也很多,随着更多大型期刊的出现,新文献以快于20世纪60年代10倍的速度增长,累积文献的卷数与过去相比几乎增长了1000倍。如在《Environmena1 ScienceandTechno1ogy》、《Chemosphere》、《Applied Geochem-istry》等水科学以外的环境、化学类学科的国际主流刊物上,20世纪80年代末以来,每期都能找到研究地下水污染的学术论文。

从上述有关国际组织及出版物可以看出,“地下水科学与工程学”是各国学者竞相研究的热门领域之一。“地下水科学与工程学”不仅具有强大的生命力,同时也是一门独立性很强的学科。

总之,“地下水科学与工程”学科已是当前世界社会、经济发展和环境保护与安全不可或缺的一门重要的学科,也是各国科学家十分关注的前沿性科学研究课题。它未来发展的空间很大,前景广阔。


(文章来源:林学钰. “地下水科学与工程”学科形成的历史沿革及其发展前景[J]. 吉林大学学报: 地球科学版, 2007, 37(2): 209-215.)

(作者简介:林学钰,教授,博士生导师,中国科学院院士,长期从事水文地质及水环境问题的研究)