[科普中国]-地质水文学

释义

水文地质学（hydrogeology）是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律，以及合理利用地下水或防治其危害的学科。它研究在与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律以及如何运用这些规律兴利除害。

水文地质学研究地下水的分布、埋藏、补给、径流和排泄条件、水量、水质形成与地层岩性、地质构造、地貌以及气候关系。具有统一边界和补给、径流、排泄条件的地下水系统称水文地质单元。它是合理地评价、开发、保护地下水资源以及水库可行性研究和建筑地基、煤矿等的重要资料和依据。（刘延恺主编,北京水务知识词典,中国水利水电出版社,2008.3,第4页）

发展历史关于水文地质学的零星知识，起源很古。2人们在远古时代就已打井汲水。中国最古老的水井是浙江余姚河姆渡古文化遗址水井，为方形木结构，距今约5 700年。古波斯时期，在德黑兰附近修建的坎儿井最长达26 km，距地表深约150m。公元前250年中国四川为采汲地下卤水而开凿的自流井，深达百米以上。这些都说明古代打井技术和对地下水的认识，均已达到相当高的水平。随后法国帕列西、中国明代徐光启、法国马奥特先后提出了井泉之水均来源于大气降水或河水渗入的设想。

将地下水运动规律用数学式表达，始于1856年法国水利学家达西，通过渗透试验得出的线性渗透定律——达西定律，奠定了水文地质学的基础。1863年法学者裘布依提出在缓变流情况下，计算潜水流可忽略垂向分速度的概化假设(参见裘布依假设)，并导出地下水流向井运动的稳定流公式，发展和完善了地下水的稳定流理论。

20世纪初，对地下水的起源提出了一些新学说。1902年奥地利学者鸠斯提出初生说，认为地下水来源于岩浆的冷凝。1908年美国人莱恩及戈登和俄罗斯学者安德霍索夫分别提出沉积说，认为自然界存在与含水岩石同时形成于沉积盆地的地下水，两者年龄一致，并把这种水命名为沉积水。1921年德国人凯尔哈克提出了地下水与泉的分类。1923年美国迈因策尔对美国的地下水作了总结性描述，并于1928年提出了承压含水层的弹性和压缩性。1935年美国泰斯总结了文策尔等人的实践经验，考虑了承压含水层的弹性和压缩性，利用热传导过程的相似性，导出了地下水流向井的非稳定流公式(参见泰斯公式)。到20世纪中叶，前苏联学者奥费琴尼科夫和美国怀特在水文化学方面，作了许多贡献。至此，地下水在起源、运动、化学成分变化及水量评价等方面，均有较为系统的理论和研究方法，水文地质学已发展成为一门成熟的学科。

进入20世纪中叶，由于生产力的发展及人类生活的需要，合理开发、科学管理与保护地下水资源和环境方面的问题，日益引起重视。1946年以来，美国博尔顿和纽曼分别导出了完整井的非稳定流计算公式。1956年斯列克特观测到水质运移过程中的弥散现象。此后，对地下水溶质和浓度运移研究有了长足的进步。20世纪70年代，地下水管理问题提到日程，有限元法、有限差分法及边界元法等数值方法日益广泛应用于水文地质计算中，此外，砂槽、窄缝模拟和电网络模拟等物理模拟方法，也广泛应用于水文地质研究。20世纪60年代以来，加拿大托特提出的地下水系统理论，为水文地质学的发展开拓了前景。

展望水文地质学发展的趋势是：由研究天然状态下的地下水转向人类活动影响下的地下水；由局限于饱水带含水层，扩展到包气带及“隔水层”；由研究地球浅部地下水，扩展到深层地下水。同时，对裂隙水与岩溶水的运动、黏性土的渗透理论和包气带盐分、地下水溶质、污染物的运移机理与计算方法以及渗透场、应力场和温度场耦合环境下地下水的运动问题等的研究有较大发展。

主要研究对象水文地质学是一门研究地下水的科学。具体地说，它是研究地下水的赋存条件、形成条件、水量和水质时空的变化规律、水资源开发利用以及水与环境关系的一门科学。3

随着水文地质学的发展，它的研究内容越来越广泛，其主要研究对象可归纳为以下六个方面：

地下水的赋存条件地下水和地表水最大的差别是地下水赋存于岩石的空隙中。因此，要了解地下水的赋存条件(或者说埋藏、分布规律)，就必须研究岩石的时代、成因、物理性质和化学性质、产出状态、分布范围、空隙性及构造破坏程度与次生改造作用等基础地质条件；

地下水资源形成条件及运动特征即研究地下水的补给、径流和排泄条件，以及地下水在天然和人为作用条件下的运动特征与地下水资源评价方法；

地下水的水质地下水的水质包括物理性质及化学性质两方面。在地下水的物理性质方面，从早期的单纯对水温、色、嗅、昧等方面的研究，已扩展到对地下水放射性、地下水形成年龄等方面的深入研究。在地下水的化学性质方面主要研究地下水中的化学组分和微生物组分、水化学形成作用及人为活动对地下水质的影响；

地下水动态规律地下水和其他地质矿产最大的区别之一，即是地下水的质与量均随着时间而变化。因此，为揭示地下水的形成条件和更好地利用地下水资源并防治其有害作用，研究地下水的动态变化规律便是地下水研究的主要内容之一；

地下水与环境的相互关系由于地下水是地球环境不可分割的组成部分，因此必须研究地下水和环境之间的相互作用，包括地下水的存在和活动对环境产生的以及地下水在人类活动影响下所导致的种种环境问题和工程安全问题；

地下水资源的开发利用、保护与科学管理即研究人类在开发利用地下水资源的同时，又能使地下水资源的再生能力和水质状态得到保护与改善，并取得最大的社会效益、经济效益和环境效益。

特点20世纪80年代，同步发生的两个重要事件——地球系统科学时代的来临与地下水流系统理论的完善，意味着当代水文地质学时期的来临。4

当代水文地质学具有以下特点：

（1）核心课题转移：找水水文地质学—资源水文地质学—生态环境水文地质学；

（2）研究视野扩展：含水层的局部—整个含水层—含水系统及地下水流系统—生态环境系统—技术—社会系统；

（3）研究目标改变：由局部性的当前问题，转向全局性可持续发展的课题，转向构建人与自然协调的、良性循环的地下含水系统、水文系统、地质工程系统、地质环境系统以及地质生态系统等；

（4）研究内容扩展：从地下水的水量研究为主，转向水量与水质的研究并重；从狭义地下水(饱水带水)的研究，扩大到广义地下水(含饱水带与包气带水)，乃至地下水圈的研究；

（5）研究思路的改变：以现象的规律为主，转向以机理为主的研究；

（6）多学科交叉渗透成为主流：传统意义上的水文地质学正在消亡，地下水科学与其他自然科学以及社会科学交叉渗透，正在成为主流；

（7）多技术手段的应用：计算机硬件及软件、遥感技术、同位素方法、地理信息系统等的引入，以及向工程方向扩展，增强了水文地质学解决实际与理论问题的能力；

（8）学科性质的转变：由单纯的应用性学科分支，转变为地球系统科学的应用性分支以及理论性基础学科分支。

作为一个正在迅猛发展的学科，当代水文地质学还存在一系列有待解决的课题。