以1856 年達(dá)西定律的建立作為標(biāo)志, 水文地質(zhì)學(xué)奠基至今還不到150 年。第二次世界大戰(zhàn)以來(lái), 隨著生產(chǎn)力與科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 以及人口爆炸式增長(zhǎng),人類活動(dòng)以空前的規(guī)模改造自然, 資源大量消耗, 生態(tài)環(huán)境急劇惡化。與此同時(shí), 水文地質(zhì)學(xué)所要解決的問(wèn)題愈來(lái)愈復(fù)雜, 原有的概念、理論與方法, 愈來(lái)愈難以滿足需求, 水文地質(zhì)學(xué)面臨著巨大的挑戰(zhàn)與良好的發(fā)展機(jī)遇。

 

  1  當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展趨勢(shì)概述

 

  當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展趨勢(shì), 可大體歸納如下:

 

  (1)核心課題轉(zhuǎn)移  找水水文地質(zhì)學(xué)—資源水文地質(zhì)學(xué)—生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)。

 

  (2)研究視野擴(kuò)展  含水層的局部—整個(gè)含水層—地下水系統(tǒng)—水文系統(tǒng)—生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)—技術(shù)-社會(huì)系統(tǒng)。

 

  (3)研究目標(biāo)改變  由局部性的問(wèn)題轉(zhuǎn)向全局性的課題, 由當(dāng)前的問(wèn)題轉(zhuǎn)向長(zhǎng)期的可持續(xù)發(fā)展課題;由解決具體生產(chǎn)問(wèn)題, 轉(zhuǎn)向構(gòu)建人與自然協(xié)調(diào)的、良性循環(huán)的地下水系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)。

 

  (4)研究?jī)?nèi)容擴(kuò)展  從地下水的水量研究為主,轉(zhuǎn)向水量與水質(zhì)的研究并重;從狹義地下水(飽水帶水)的研究, 擴(kuò)大到廣義地下水(含飽水帶與包氣帶水), 乃至地下水圈的研究。

 

  (5)研究思路的改變  對(duì)現(xiàn)象的規(guī)律性為主的研究, 已經(jīng)不能滿足需要, 要求從成生角度, 加強(qiáng)過(guò)程與機(jī)理研究的比重。

 

  (6)多學(xué)科交叉滲透成為主流  傳統(tǒng)意義上純粹的水文地質(zhì)學(xué)正在消亡, 地下水科學(xué)與其它自然科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)交叉滲透, 以多學(xué)科方式研究與處理問(wèn)題, 正在成為主流。

 

  (7)服務(wù)方式轉(zhuǎn)變  水文地質(zhì)學(xué)的服務(wù)對(duì)象大為擴(kuò)展, 服務(wù)方式發(fā)生了很大改變, 如何使水文地質(zhì)工作成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力, 已經(jīng)成為一個(gè)急需解決的重大課題。

 

  2  核心課題轉(zhuǎn)移與研究視野的擴(kuò)展

 

  初期的水文地質(zhì)學(xué)實(shí)際上是找水水文地質(zhì)學(xué), 人們只關(guān)心水井周圍含水層的局部———“影響半徑” ;泰斯公式的應(yīng)用, 意味著視野已經(jīng)擴(kuò)展到整個(gè)含水層。

 

  上世紀(jì)初葉, 隨著取用地下水的規(guī)模增大, 發(fā)覺(jué)某一范圍內(nèi)可供利用的地下水的數(shù)量是有限的, 從而, 探明地下水資源成為核心課題, 進(jìn)入了資源水文地質(zhì)學(xué)階段。

 

  與此相應(yīng), 越流概念的提出, 使得包括含水層與弱透水層在內(nèi)的地下水含水系統(tǒng), 成為研究的基本單元。

 

  二次世界大戰(zhàn)以后, 人類活動(dòng)對(duì)包括地下水在內(nèi)的自然環(huán)境的改造異常強(qiáng)烈, 產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題, 當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)進(jìn)入了生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的新階段[ 1] 。托特(Toth .J)的地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論指出,一定條件下地下水可以穿越“隔水層”而形成統(tǒng)一的地下水流動(dòng)系統(tǒng)[ 2] 。英格倫(Engelen .G .B)進(jìn)一步提出了將區(qū)域地表水和地下水整合在一起的水文系統(tǒng)的概念[ 3] 。這些應(yīng)運(yùn)而生的理論, 為生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)提供了必要的分析框架。

 

  生態(tài)環(huán)境是超級(jí)復(fù)雜巨系統(tǒng), 而地下水則是這一超級(jí)復(fù)雜巨系統(tǒng)中最為活躍和敏感的一個(gè)子系統(tǒng)。在人為活動(dòng)影響下, 地下水的變化會(huì)導(dǎo)致一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)與生態(tài)效應(yīng), 對(duì)地下水系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)造成損害。

 

  為應(yīng)對(duì)水資源短缺與生態(tài)環(huán)境損害, 人們開展了地下水管理。在相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期里, 地下水管理被理解為純粹的自然科學(xué)技術(shù)問(wèn)題, 人們企圖采用解決硬問(wèn)題的辦法, 用數(shù)學(xué)模擬求取唯一的最優(yōu)解。但是,任何資源—生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題, 必然涉及人們的價(jià)值判斷, 因此, 所要處理的不僅是純粹的自然科學(xué)技術(shù)的硬問(wèn)題, 還涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)軟問(wèn)題;對(duì)于這樣的技術(shù)—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)問(wèn)題, 不可能求得唯一的最優(yōu)解, 而只能在權(quán)衡各種利弊和協(xié)調(diào)各方利益后, 選取滿意解或者非劣解。于是, 水文地質(zhì)學(xué)家開始認(rèn)識(shí)到, 他們所面對(duì)的實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)—社會(huì)系統(tǒng)。

 

  回顧水文地質(zhì)學(xué)家研究視野的變化, 有兩點(diǎn)值得注意:一方面, 從局部的、分割式的思路分析對(duì)象, 轉(zhuǎn)變?yōu)橐哉w觀、系統(tǒng)觀來(lái)考察事物;另一方面, 從單純研究對(duì)象的自然屬性, 轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)研究其自然屬性與社會(huì)屬性。這種轉(zhuǎn)變, 與國(guó)際資源與環(huán)境科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)是一致的[ 4] 。

 

  3  研究目標(biāo)與思路的轉(zhuǎn)變

 

  水文地質(zhì)學(xué)的任務(wù), 最初是解決各種局部性的生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題, 隨后, 逐步轉(zhuǎn)向全局性的課題。當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到, 資源耗竭和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化, 勢(shì)將危及人類的生存與發(fā)展時(shí), 可持續(xù)發(fā)展的理念應(yīng)運(yùn)而生。與此相應(yīng), 水文地質(zhì)學(xué)的任務(wù), 由解決當(dāng)前的問(wèn)題轉(zhuǎn)向長(zhǎng)期的可持續(xù)發(fā)展課題。

 

  當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的研究目標(biāo), 是從可持續(xù)發(fā)展理念出發(fā), 構(gòu)建人和自然協(xié)調(diào)的、良性循環(huán)的地下水(流動(dòng))系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)良性循環(huán)的天然系統(tǒng)尚未受到人為活動(dòng)損害時(shí), 研究的目的是掌握其演變規(guī)律, 警惕與預(yù)防人為活動(dòng)的不良干擾。當(dāng)良性循環(huán)的天然系統(tǒng)已經(jīng)遭受人為損害時(shí),研究目的是修復(fù)其損害。當(dāng)天然系統(tǒng)存在不利于人類的缺陷時(shí), 則需要遵循自然規(guī)律, 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

 

  水文地質(zhì)學(xué)研究目標(biāo)的改變, 要求采用新的研究思路與方法。如果說(shuō), 為了解決具體的生產(chǎn)問(wèn)題, 傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)更多著眼于研究現(xiàn)象的規(guī)律, 那么, 進(jìn)入當(dāng)代的生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)階段, 就必須從成生角度研究目標(biāo)系統(tǒng)的作用過(guò)程與內(nèi)在機(jī)理。目標(biāo)系統(tǒng)的研究, 需要采用將分析與綜合有機(jī)整合的系統(tǒng)分析方法;良性循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建, 要求應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法;要求采取成龍配套的治本對(duì)策, , 而不是零敲碎打的治標(biāo)措施;不僅要求處理好人和自然的關(guān)系, 更要求正確處理好人與人之間的利益關(guān)系[ 5] 。

 

  4  研究?jī)?nèi)容的擴(kuò)展

 

  隨著水質(zhì)問(wèn)題(天然水質(zhì)不良、地下水污染、海水與咸水入侵等)的凸現(xiàn), 以及對(duì)水化學(xué)信息重要性的認(rèn)識(shí)加深, 地下水的研究已經(jīng)從以往的水量研究為主, 轉(zhuǎn)向水量與水質(zhì)的研究并重。在地下水污染修復(fù)研究過(guò)程中, 發(fā)覺(jué)抽取后加以處理需要付出的代價(jià)很大, 又難以獲得理想效果, 于是, 開展了著眼于預(yù)防的地下水脆弱性(敏感性)評(píng)價(jià)。與此同時(shí), 從化學(xué)角度出發(fā)的水-巖相互作用研究以及地球化學(xué)模擬成為新的研究熱點(diǎn)[ 6 ,7] 。

 

  地下水水量與水質(zhì)的形成, 與包氣帶密不可分, 因而, 水文地質(zhì)學(xué)研究從以狹義地下水———飽水帶水為對(duì)象, 擴(kuò)大到包括包氣帶與飽水帶在內(nèi)的廣義地下水。

 

  有人進(jìn)一步提出, 水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水圈的科學(xué);地下水圈包含從地殼淺部到下地幔以各種形式存在的水-巖石空隙中的水、礦物和巖漿中的水, 以及分解為氫離子和氧離子的“水”[ 8 , 9] 。愈來(lái)愈多的證據(jù)說(shuō)明, 地殼淺部參與水文循環(huán)的地下水, 與地球深部層圈中參與地質(zhì)循環(huán)的水, 存在著密切聯(lián)系。據(jù)估計(jì), 下地幔中儲(chǔ)存的水分相當(dāng)于全部大洋水量的50 倍;隨著巖漿運(yùn)動(dòng)的水, 以及大洋中脊熱液系統(tǒng)和板塊俯沖過(guò)程中的水循環(huán), 對(duì)礦藏以及深部特殊生命系統(tǒng)的形成,起著十分重要的作用;包含地下水在內(nèi)的地質(zhì)流體的研究, 已經(jīng)成為地球科學(xué)的重大前沿課題[ 10 ～ 13] 。

 

  5  多學(xué)科交叉滲透研究與處理問(wèn)題成為主流

 

  一個(gè)地區(qū)的水資源是難以分割的, 撇開水資源系統(tǒng)的整體分析, 孤立地研究其中的一個(gè)組成———地下水系統(tǒng), 是無(wú)法進(jìn)行正確評(píng)價(jià)與科學(xué)管理的。在分析與處理與地下水密切相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境損害、地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)退化時(shí), 需要涉及地球化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、巖土力學(xué)、土壤學(xué), 以及相關(guān)的修復(fù)技術(shù)與處理技術(shù)等。在分析與水土有關(guān)的各種地方性疾病時(shí), 水文地質(zhì)學(xué)家不僅需要了解元素在水土中的遷移積聚規(guī)律, 還需要了解元素的生物學(xué)功能以及有關(guān)的醫(yī)學(xué)知識(shí)。從事城市地質(zhì)工作的水文地質(zhì)學(xué)家, 需要對(duì)城市規(guī)劃與管理有所了解。有效利用土壤水的研究是解決水資源短缺的重要途徑, 此時(shí), 需要將地下水科學(xué)與農(nóng)學(xué)、土壤學(xué), 乃至基因改良技術(shù)相結(jié)合。

 

  發(fā)現(xiàn)地圈與生物圈(主要是微生物)的協(xié)同演化,是近年“全球變化”和“大洋鉆探”的最大進(jìn)展之一[ 10] 。

 

  由此啟示我們, 地下水科學(xué)與微生物學(xué)相結(jié)合是重要的科學(xué)前沿。

 

  微生物能夠降解石油、農(nóng)藥, 有助于重金屬的吸附、沉淀與轉(zhuǎn)化;利用有降解能力的微生物, 或采用DNA 重組技術(shù)改變基因結(jié)構(gòu), 培育降解效果更好的微生物, 對(duì)地下水污染進(jìn)行原位修復(fù), 是地下水污染治理極有潛力的方向[ 14 , 15] 。

 

  據(jù)報(bào)道, 在巖溶景觀(地貌和鈣華)的發(fā)育中, 有微生物參與的生物地球化學(xué)過(guò)程起了重要作用[ 16 , 17] 。可以預(yù)見(jiàn), 微生物在地下水化學(xué)成分形成以及其它水文地質(zhì)過(guò)程中作用的研究, 是當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的重要方向。

 

  包括地下水在內(nèi)的水循環(huán)及其支撐所的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng), 是當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)需要關(guān)注的課題。作為水循環(huán)組成以及生態(tài)系統(tǒng)支撐的地下水, 與地球各層圈(大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈、地幔、地核)以及人類活動(dòng)構(gòu)成的地球系統(tǒng)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系, 以地球科學(xué)系統(tǒng)理論為指導(dǎo), 推動(dòng)水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展, 是一個(gè)必然趨勢(shì)[ 18] 。

 

  當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)面對(duì)著錯(cuò)綜復(fù)雜的種種問(wèn)題, 因此, 從事水文地質(zhì)工作的人員, 應(yīng)當(dāng)具備自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的多學(xué)科的知識(shí)背景, 要求以學(xué)科交叉的思路去研究問(wèn)題, 要求以跨學(xué)科的視野去處理問(wèn)題。

 

  6  水文地質(zhì)工作成果轉(zhuǎn)化面臨新問(wèn)題

 

  在找水水文地質(zhì)學(xué)階段, 水文地質(zhì)工作成果的用戶(受益部門)明確, 有些部門提供的信息與用戶的利益比較一致, 成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力, 并無(wú)困難。

 

  進(jìn)入資源水文地質(zhì)學(xué)階段, 盡管用戶明確, 但是,如果提供的水文地質(zhì)信息, 與用戶的局部利益與當(dāng)前利益沖突時(shí), 成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力, 就不那么容易了。20世紀(jì)70 年代, 河北黑龍港地區(qū)出現(xiàn)深層地下水開采漏斗后, 水文地質(zhì)人員得出深層水補(bǔ)給有限、不宜大量開采的正確結(jié)論, 但是, 由于這一成果并不符合當(dāng)時(shí)以開采深層水支撐發(fā)展的理念而未被采納, 時(shí)至今日, 黑龍港地區(qū)的水資源與生態(tài)環(huán)境, 仍然處于不斷惡化中。

 

  進(jìn)入生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)階段, 水文地質(zhì)信息的傳遞與成果轉(zhuǎn)化, 遭遇到前所未有的阻力。首先, 水文地質(zhì)成果的潛在用戶包含各級(jí)政府與不同部門。地質(zhì)部門與用戶之間, 有的并不存在合約關(guān)系, 有的沒(méi)有明晰的合約關(guān)系。因此, 經(jīng)常出現(xiàn)用戶缺位、用戶缺乏意識(shí)、用戶對(duì)相關(guān)地質(zhì)信息不知曉的現(xiàn)象。其次, 地下水開發(fā)引起的水資源與生態(tài)環(huán)境方面的問(wèn)題, 如地下水超量開采、地下水污染、地面沉降、生態(tài)惡化等, 由于它的隱蔽性、緩慢性和積累性, 媒體報(bào)道得很少, 公眾缺乏了解, 難以引起決策者的關(guān)注。第三, 有些部門提供的信息, 往往會(huì)與用戶的局部利益與當(dāng)前利益沖突。

 

  如果說(shuō), 找水水文地質(zhì)學(xué)階段的地質(zhì)信息, 往往是與用戶當(dāng)前利益與局部利益一致的“喜報(bào)” , 那么, 現(xiàn)在提供的地質(zhì)信息往往是“憂報(bào)” ———雖然, 從長(zhǎng)遠(yuǎn)和整體利益的角度, 用戶是收益者, 但是, 從當(dāng)前與局部利益角度, 用戶卻是“受害者” ———這種情況下, 水文地質(zhì)工作成果被用戶擱置一邊, 甚至受到抗拒反對(duì), 是不難理解的。

 

  水文地質(zhì)工作成果之所以難以轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力并得到社會(huì)承認(rèn), 除了上述原因以外, 還受多種因素的制約:決策機(jī)制不完善;條塊分割, 多頭管理, 缺乏配套的法規(guī)、或者法規(guī)不完善, 無(wú)法保證成果的轉(zhuǎn)化;部門提供的成果, 過(guò)分專業(yè)化, 沒(méi)有真正面向用戶、做到通俗易懂, 使地質(zhì)信息的傳遞受阻等。

 

  7  當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的若干對(duì)策

 

  水文地質(zhì)學(xué)的核心課題、研究視野與研究目標(biāo)發(fā)生了重大變化, 要求解決的問(wèn)題愈來(lái)愈錯(cuò)綜復(fù)雜, 水文地質(zhì)成果的轉(zhuǎn)化出現(xiàn)新的困難, 當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)面臨前所未有的巨大挑戰(zhàn)。水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的唯一出路是開拓創(chuàng)新, 只有開拓創(chuàng)新, 才能化挑戰(zhàn)為機(jī)遇, 才能迎來(lái)水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的新天地。在此僅就當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略的若干方面, 提出一些初步的看法。

 

  7.1  構(gòu)建當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的理論方法體系

 

  水文地質(zhì)學(xué)原有的概念、理論與方法, 已經(jīng)難以滿足要求, 因此, 對(duì)傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)進(jìn)行去蕪存精的揚(yáng)棄, 建立當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的概念、理論與方法體系, 是當(dāng)務(wù)之急。其中最重要的, 是將系統(tǒng)分析、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)工程方法全面引入水文地質(zhì)學(xué), 圍繞當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的研究目標(biāo)———構(gòu)建人和自然協(xié)調(diào)的、可持續(xù)的水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)———建立新的概念、理論與方法體系。

 

  地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論, 以地下水流網(wǎng)為載體, 將滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)與溫度場(chǎng)統(tǒng)一于一個(gè)有序的時(shí)空結(jié)構(gòu)之中;它賦予水文地質(zhì)學(xué)以有機(jī)整體的理論框架, 揭示了原本似乎互不相干的不同部分與不同方面的內(nèi)在聯(lián)系, 從而有助于人們把握地下水各部分及其與環(huán)境之間聯(lián)系的完整圖景。正如Toth 所指出的, 由于地下水流動(dòng)存在系統(tǒng)的有級(jí)次的空間分布, 以及地下水與周圍環(huán)境相互作用, 在流動(dòng)過(guò)程中, 地下水與環(huán)境發(fā)生化學(xué)的(溶解、沉淀、水化、氧化-還原、脫硫酸等)、物理的(孔隙水壓力改變、巖土磨擦力降低等)及動(dòng)力的(水分、鹽分與熱量的輸送)相互作用;地下水的溫度、礦化度、化學(xué)類型等呈現(xiàn)有規(guī)律的空間分布, 地表則有規(guī)律地出現(xiàn)一系列與地下水有關(guān)的現(xiàn)象(泉、濕地、水土流失、滑坡等)[ 19] 。因此, 在地下水流動(dòng)系統(tǒng)的理論與方法基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步發(fā)展功能齊全、界面友好、能夠刻畫大區(qū)域的耦合的地下水系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的分析工具, 十分必要。在這方面, 已經(jīng)有了一些有益的嘗試, 提出了一些新的設(shè)想[ 20 ～ 24] 。

 

  實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)成果的數(shù)字化、信息化、可視化;發(fā)展數(shù)學(xué)模擬, 對(duì)地下水有關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行虛擬研究, 得出不同給定條件下系統(tǒng)的不同響應(yīng);以地理信息系統(tǒng)為載體, 發(fā)展相應(yīng)的決策支持系統(tǒng)。所有這些都是完善當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)所需要進(jìn)行的工作。

 

  

  7.2  加強(qiáng)水文地質(zhì)過(guò)程與機(jī)理研究

 

  無(wú)論為了事先預(yù)防規(guī)劃、事后修復(fù), 或者優(yōu)化改造, 我們所研究與處理的基本上都是人工-自然復(fù)合系統(tǒng)。因此, 探究純粹自然狀態(tài)下系統(tǒng)的演變規(guī)律與機(jī)制, 了解疊加(已經(jīng)疊加和可能疊加)人為作用后系統(tǒng)的可能響應(yīng), 是構(gòu)建人與自然協(xié)調(diào)的、良性循環(huán)水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

 

  除個(gè)別領(lǐng)域外, 水文地質(zhì)過(guò)程與機(jī)理的研究, 還相當(dāng)薄弱。例如, 降水入滲補(bǔ)給機(jī)理研究的不足, 使得一系列相關(guān)的問(wèn)題無(wú)法得到滿意的解決。與此相反, 正是非飽和水流在非均質(zhì)介質(zhì)中的選擇性滲流機(jī)制的研究, 為包氣帶核廢料處置等提供了理論基礎(chǔ)。

 

  過(guò)程與機(jī)理的物理實(shí)驗(yàn)與模擬需要精心設(shè)計(jì), 需要化費(fèi)很多的時(shí)間和精力, 實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)許多意想不到的困難;因此, 人們愈來(lái)愈傾向于采用方便易行的數(shù)學(xué)模擬, 來(lái)代替物理模擬。但是, 為了理解真實(shí)的物理過(guò)程, 為了檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模擬的結(jié)果是否符合實(shí)際, 物理實(shí)驗(yàn)與模擬是無(wú)可替代的。

 

  為了查明作用過(guò)程與機(jī)理, 需要借助于控制性實(shí)驗(yàn)。作為水文地質(zhì)學(xué)定量基礎(chǔ)的達(dá)西定律, 正是控制性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果?？刂菩詫?shí)驗(yàn)的特點(diǎn)在于:排除其他次要因素的干擾, 將所要觀察的對(duì)象控制于純粹狀態(tài), 從而抽取純粹的自然規(guī)律。迄今為止, 國(guó)內(nèi)外水文地質(zhì)界都十分重視野外實(shí)驗(yàn), 但是很少有人去作達(dá)西實(shí)驗(yàn)這樣的控制性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。人們也許認(rèn)為, 野外實(shí)驗(yàn)比室內(nèi)控制性實(shí)驗(yàn)更為接近真實(shí)。但是, 實(shí)際并非如此,只有在人為嚴(yán)格控制的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下, 才能重現(xiàn)自然的原本面目, 才能獲取真正的固有自然規(guī)律;水文地質(zhì)學(xué)要想有突破性的發(fā)展, 必須重視控制性實(shí)驗(yàn)[ 28] 。

 

  7.3  水文地質(zhì)工作需要向生產(chǎn)領(lǐng)域延伸

 

  半個(gè)世紀(jì)以來(lái), 我國(guó)水文地質(zhì)的發(fā)展遠(yuǎn)沒(méi)有工程地質(zhì)那樣有活力。工程地質(zhì)工作的長(zhǎng)足發(fā)展, 得益于善于吸收當(dāng)今科學(xué)思想豐富自身的理論, 并且較好地實(shí)現(xiàn)了理論、測(cè)試技術(shù)與工程技術(shù)的結(jié)合。巖土工程、地質(zhì)工程等分支的興起, 說(shuō)明工程地質(zhì)工作已經(jīng)由工程的地質(zhì)論證延伸到了工程實(shí)踐領(lǐng)域, 從而推動(dòng)了工程地質(zhì)學(xué)科的長(zhǎng)足發(fā)展。

 

  汪民等提出了水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的工程方向———地下水環(huán)境工程[ 29] 。地下水環(huán)境工程包含地下水資源合理開發(fā)利用工程、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境退化控制與改良工程、地下水污染控制工程、廢物地質(zhì)處置工程等。李瑞敏等提出了“區(qū)域農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境開發(fā)與農(nóng)業(yè)生態(tài)地工程”的概念, 蘊(yùn)涵了農(nóng)業(yè)地質(zhì)向工程方向發(fā)展的思路[ 30] 。

 

  目前, 地下水污染及其控制的工作, 已經(jīng)打破單純的水文地質(zhì)論證模式;從實(shí)地監(jiān)測(cè)研究, 到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、野外實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬, 直到生產(chǎn)性修復(fù)試驗(yàn), 與多個(gè)學(xué)科交叉的水文地質(zhì)工作貫穿了整個(gè)過(guò)程;地下水污染研究, 成為發(fā)展最為迅速的水文地質(zhì)學(xué)分支, 并非偶然。西南巖溶地區(qū), 利用帷幕灌漿建造地下水壩以抬高補(bǔ)給逕流區(qū)地下水位, 取得了良好的成效, 是地下水工程的良好范例。我們認(rèn)為, 土壤水有效利用、咸水改造、地下水庫(kù)調(diào)蓄水資源等, 都是水文地質(zhì)學(xué)向生產(chǎn)領(lǐng)域延伸的重要方向。

 

  在實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與工程融合過(guò)程中, 工程地質(zhì)的實(shí)用工程技術(shù)發(fā)展十分迅速, 例如, 巖體處理的鉚噴技術(shù)、帷幕灌漿, 軟土處理的預(yù)壓加載、排水砂井、排水塑料板, 等等。水文地質(zhì)工作向工程領(lǐng)域的延伸, 必須采用和發(fā)展相應(yīng)的實(shí)用工程技術(shù)手段。例如, 以水平井為主的淺井井型改革及其鑿井技術(shù)的開發(fā), 便是支撐水文地質(zhì)向生產(chǎn)領(lǐng)域延伸的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。

 

  7.4  加強(qiáng)包括軟科學(xué)在內(nèi)的多學(xué)科跨部門研究跨學(xué)科的研究已經(jīng)成為當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的主流,因此, 除了小型的單個(gè)研究者主持的研究項(xiàng)目外, 還需要組織多學(xué)科的研究項(xiàng)目, 以及由多個(gè)部門和機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)進(jìn)行的項(xiàng)目。

 

  為了更好地發(fā)展當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué), 需要特別重視以下各類的學(xué)科交叉滲透:第一, 根據(jù)研究目標(biāo)的需要, 開展相關(guān)學(xué)科與水文地質(zhì)學(xué)相結(jié)合的研究;第二,將橫斷科學(xué)(系統(tǒng)論、信息論、控制論、超循環(huán)理論、耗散結(jié)構(gòu)理論、混沌學(xué)、分形理論等)全面引入水文地質(zhì)學(xué), 充實(shí)與發(fā)展水文地質(zhì)學(xué)的理論與方法;第三, 將水文地質(zhì)學(xué)與社會(huì)人文科學(xué)結(jié)合, 加強(qiáng)軟科學(xué)研究。

 

  目前, 第一類學(xué)科交叉的研究, 已經(jīng)開始受到重視, 但是, 離開學(xué)科的真正融合, 還有較大距離;第二類學(xué)科交叉的研究, 已有不少探索性成果, 但是, 如何將橫斷科學(xué)全面系統(tǒng)引入水文地質(zhì)學(xué), 要走的路還很長(zhǎng);第三類的學(xué)科交叉, 則至今尚未引起足夠重視。

 

  加強(qiáng)水文地質(zhì)學(xué)與社會(huì)人文科學(xué)的結(jié)合, 其重要性如何強(qiáng)調(diào)也不為過(guò)。任何自然科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的解決, 都無(wú)法回避人們的價(jià)值判斷與利益協(xié)調(diào);因此, 自然科學(xué)技術(shù)成果, 需要借助于社會(huì)人文學(xué)科的支撐, 逾越種種利益門檻, 才有可能被社會(huì)所接受, 否則, 只能停留在紙面上, 無(wú)法轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的生產(chǎn)力。

 

  7.5  加強(qiáng)水文地質(zhì)信息的社會(huì)傳播

 

  公眾與決策者的注意力, 很大程度上受媒體的影響。黃河斷流、淮河污染等大量看得見(jiàn)、摸得著的地表水問(wèn)題的報(bào)道, 吸引著受眾的眼球。地震、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害, 也給公眾留下深刻的印象。地下水短缺與地下水污染的隱蔽性, 地下水引起的某些地質(zhì)災(zāi)害的緩變性, 使得媒體對(duì)此類沒(méi)有轟動(dòng)效應(yīng)的新聞缺乏興趣。因此, 公眾與決策者便對(duì)水文地質(zhì)工作缺乏認(rèn)識(shí)。

 

  水文地質(zhì)學(xué)信息傳遞受阻還有另外原因。隨著水文地質(zhì)成果的服務(wù)領(lǐng)域拓寬, 而我們?nèi)匀涣?xí)慣于用專業(yè)性的文字和圖件來(lái)傳遞信息。隨著水文地質(zhì)工作的公益性不斷加強(qiáng), 以通俗易懂的語(yǔ)言向公眾與決策者傳遞有關(guān)信息, 愈來(lái)愈有必要。

 

  7.6  創(chuàng)新開拓是發(fā)展當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的關(guān)鍵

 

  創(chuàng)新開拓, 就是要以跨學(xué)科的廣闊視野, 分析問(wèn)題與解決問(wèn)題。很多情況下, 解決與地下水有關(guān)的水資源和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題, 不可能在水文地質(zhì)學(xué)本身中尋找答案。例如, 緩解水資源短缺的關(guān)鍵之一是有效利用土壤水, 而有效利用土壤水的關(guān)鍵, 則是建設(shè)既利于入滲而又能抑制蒸發(fā)的土壤庫(kù)容。因此, 如何改善土壤結(jié)構(gòu), 便成為解決水資源短缺問(wèn)題的突破口。又如, 為了防治干旱半干旱地區(qū)渠灌產(chǎn)生的次生鹽漬化, 可以采用井渠結(jié)合、灌排結(jié)合的方式, 然而, 推動(dòng)井渠結(jié)合的關(guān)鍵并不在于技術(shù)措施, 而是調(diào)整地表水與地下水的水價(jià)。

 

  創(chuàng)新開拓, 就是要掌握正確的方法論。一個(gè)學(xué)科的發(fā)展, 在某種意義上說(shuō), 取決于它所采用的方法論。

 

  Toth 的區(qū)域地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論, 得出了一系列與常規(guī)思維不相容的結(jié)論:潛水存在自下而上的水流, 均質(zhì)各向同性介質(zhì)中存在不同級(jí)次的流動(dòng)系統(tǒng)。學(xué)科發(fā)展的歷史告訴我們, 愈是深層次的科學(xué)規(guī)律, 與人們的常識(shí)離得愈遠(yuǎn), 僅僅運(yùn)用歸納法和演繹法, 是無(wú)法發(fā)現(xiàn)這種“離奇”的科學(xué)規(guī)律的。劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)(相對(duì)論、板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)、區(qū)域地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論等), 都是運(yùn)用假設(shè)-演繹法得到的。水文地質(zhì)學(xué)要想有突破性的發(fā)展, 有必要掌握并運(yùn)用假設(shè)-演繹法[ 28 ,31] 。

 

  創(chuàng)新開拓, 就要擺脫成見(jiàn)的束縛, 從“成熟”的理論中找出問(wèn)題, 從司空見(jiàn)慣的現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。與其它學(xué)科一樣, 水文地質(zhì)學(xué)是在概念與理論的不斷更新中發(fā)展的。破除了絕對(duì)“隔水層”的概念, 才有越流、含水系統(tǒng)、流動(dòng)系統(tǒng)等一系列新概念的誕生。多重介質(zhì)理論的建立, 才有裂隙水分布參數(shù)系統(tǒng)的模擬與工程應(yīng)用。非飽和帶滯后釋水現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn), 才促進(jìn)了包氣帶水-飽水帶水的耦合研究。

 

  當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的內(nèi)涵與發(fā)展趨勢(shì), 有待不斷探索, 我們?cè)谶@里只是提出了一些不成熟的看法, 希望得到同行的教正, 并引起進(jìn)一步的討論。