1.我國開發利用地下水的概況

 

  古代：我國是世界上開發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，據浙江余姚河姆渡村遺址發掘推測，距今約5700年前，我們的祖先就已經采用鑿井取水。到了距今2000多年前的春秋戰國時代，隨著生產力的發展，鑿井技術有了進一步提高，在四川自貢一帶已有深達數百米的鹽井，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合農田灌溉典范“龍首渠”。馳名中外的新疆“坎兒井”，至今仍不失為開發山前傾斜平原地下水的有效措施之一。

 

  我國開發利用地下水資源的現狀：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（17省市）工農業生產、生活的唯一水源；③南方部分地區也開始利用地下水、并且需求量越來越大；④大的工業基地的建設首先要解決水源問題。   開發利用地下水資源的未來：①實現地下水資源的可持續開發；②加強地下水資源的科學管理；③加強與地下水資源開發有關的環境保護。（當今世界面臨的三大問題：人口、資源、環境）。

 

  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；相關的環境質量評價。

 

  2.地下水資源開發利用歷程

 

  初期：地下水開發地點分散且數量較少階段，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方案。

 

  中期：地下水處于連片開發，且水源地相互干擾明顯增大的階段，將區域性大面積地下水資源評價列為論證地下水合理開發的重要工作。

 

  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，將包括技術管理、政策和法規制定的地下水管理列為支持地下水合理開發的重點工作。同時，還將研究人工回灌補給地下水及地表水、地下水聯合運用等問題，注意加強地下水資源保護，實施地下水系統管理。

 

  3.水文學發展簡史

 

  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。在生產實踐中，特別在與水旱災害的斗爭中，人類不斷觀測各種水文現象，思考和研究它們的規律，積累起關于水的豐富知識，逐漸形成并不斷發展了水文科學。

 

  水文學源遠流長，經歷了漫長的醞釀時期，而它的飛躍發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、幼發拉底河、恒河和黃河這些古老文化發祥地的遺跡中，我們可以看到這一時期已經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，戰國時李冰設于都江堰的“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，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概念。成書于公元約六世紀初的《水經注》中，記述了當時中國境內1252條河流的概況，成為水文地理考察的先驅。

 

  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提供了重要的水文資料。例如，根據雨量多少決定稅收的多少，根據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）

 

  歐洲文藝復興帶來的科學思想的解放和科學技術的進步，為水文科學發展成為獨立的學科奠定了基礎。這一時期，水文儀器的發明使水文觀測進入了科學的定量觀測階段。

 

  1663年雷恩和胡克創制了翻斗式自記雨量計，1687年哈雷創制測量水面蒸發量的蒸發器，1870年埃利斯發明旋槳式流速儀，1885年普賴斯發明旋杯式流速儀。這些近代水文儀器使流量、流速、蒸發、降水的觀測達到了相當的精度，利用這些近代水文儀器進行水文觀測的各種水文站陸續出現。

 

  1746年，中國在黃河老壩口設立了全國第一個正規水位站，開始系統觀測水位，并進行報汛。這些成就使水文現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展創造了條件。

 

  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年伯努利父子發表水流能量方程，1775年謝才發表明渠均勻流公式；1802年道爾頓建立了研究水面蒸發的道爾頓公式；1856年，達西發表了描述孔隙介質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的概念，并發表了計算最大流量的著名推理公式。

 

  這些科學理論的創立，為水文科學在河道水流、蒸發、地下水運動、徑流形成和水文循環等領域的發展奠定了理論基礎，它表明人類對水文現象的認識已由萌芽時期那種膚淺零星的知識，發展到了比較深刻系統的知識。同時也表明，人類對地球上水的運動、變化規律的探索，已發展到以大量觀測事實為基礎，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，專門水文研究機構開始出現，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《日內瓦湖湖泊志》、馬略特著的《水的運動》等水文學專著陸續出版。這些著作總結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。

 

  ⑶應用水文學興起時期（約公元1900～1950年）

 

  這一時期，水文科學在觀測方法、理論體系和研究領域等方面繼續取得新成就，但它最重要的進展是應用水文學的興起。

 

  進入20世紀，特別是第一次世界大戰以后，大量興起的防洪、灌溉、交通工程和農業、林業乃至城市建設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驗的、零碎的逐漸理論化和系統化，水文科學的應用特色逐漸表現出來。

 

  首先，從1914年到1924年，經過黑曾、福斯特等人的工作，把概率論、數理統計的理論和方法系統地引入了水文科學，使水文變量（如洪峰和洪量）和它出現的機率聯系起來，為預估工程未來運行時期內可能出現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、斯奈德等人在產流和匯流計算方面取得開拓性進展，為根據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、多個水文變量聯合分析和徑流調節的理論、方法等方面發展并豐富了上述內容。

 

  在此期間，水文站在世界范圍內發展成規模宏大的水文站網系統，這些成就為應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，并率先形成了它最重要的分支學科——工程水文學。接著，農業水文學、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《應用水文學》；同年，姜斯敦和克樂斯合著的《應用水文學原理》、美國土木工程師學會編著的《水文學手冊》等應用水文學專著陸續問世，總結了這一時期的成就，標志著應用水文學的誕生。應用水文學，以它直接為生產和生活提供多方面服務這一鮮明特征，獲得迅速發展，成為近代水文科學體系中最富有生氣的分支學科。

 

  ⑷現代水文學（1950～今）

 

  20世紀50年代以來，社會生產規模空前擴大，科學技術進入了新的發展時期，并正在出現新的技術革命，人類改造自然的能力迅速增強，人與水的關系已經由古代的趨利避害，和近代較低水平的興利除害，發展到了現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，水文科學的研究領域正在向著為水資源最優開發利用的方向發展，以期為客觀評價、合理開發、充分利用和保護水資源提供科學依據。

 

  其次，大規模的人類活動對自然水體，進而對自然環境正在產生多方面的影響。研究和評價人類活動的水文效應和這種效應的環境意義，揭示人類活動影響下水文現象的規律，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的影響朝著不利于人類生存環境的方向發展，這一切正在成為水文科學面臨的新課題。

 

  另外，現代科學技術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，遙感技術的應用，使同時觀測大范圍內的宏觀水文現象成為可能；核技術的應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、水文系統分析方法，使人們研究水文現象的能力發展到新的水平；尤其是電子計算機的應用，使水文科學從水文觀測到基本規律的研究，由人力和機械操作，發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展的重要因素。水在表現它的自然屬性的同時，它的社會屬性也日益表現出來，并逐漸為人們所認識。因此，水文科學將有可能發展成為具有自然科學和社會科學雙重性質的一門綜合性科學。

 

  總的來講，水文學從它所隸屬的學科領域看，作為地球物理科學的一個分支，主要研究地球系統中水的存在、分布、運動和循環變化規律，水的物理、化學性質，以及水圈與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互關系；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、開發利用和保護，水旱災害的形成、預測預報與防治，以及水利工程和其他工程建設的規劃、設計、施工、管理中的水文水利計算技術。

 

  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、水文調查、水文實驗。

 

  ③ 由水文研究內容分為：水文學原理、水文預報、水文分析與計算、水文地理學、河流動力學等。

 

  ④ 作為應用科學，水文學分為：工程水文學、農業水文學、土壤水文學、森林水文學、城市水文學等。

 

  ⑤ 隨新科學、新技術的發展和引進，出現新分支：隨機水文學、模糊水文學、灰色系統水文學、遙感水文學、同位素水文學等。

 

  5.水文地質學的簡要發展過程

 

  盡管19世紀已開始使用水文地質學一詞，但到20世紀初科學家Mead才給出這個術語一個廣泛的含義：水文地質學是研究地表以下水的發生與運動。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，水文地質學主要是地質學家的領域，作為一個自然科學家，對于控制地下水流動的因素和規律，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使；另一邊受到工程師務實精神的推動。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，以及數學上的嚴格推導為其分界。

 

  17世紀處在“自然科學分支”的“猜想”階段，關于泉的成因以及水循環，出現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。梅瑟利（La Metherie，1791）開始測量巖石的滲透性，將入滲水區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，關于自流現象的第一個有記錄的解釋出現于17世紀，卡西尼（Cassini）和瓦里斯內利（Vallisnieri）都正確地指出：承壓含水層的高水壓是產生自流的原因。進一步試圖將概念精確化的結果是，強化了絕對隔水性的觀念，然而，對廣泛分布的區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，主要著力于發展經驗性實用方法技術，構建集取地下水的設施，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年達西定律的發表為標志。達西方程觸發了根據地下水位變動預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疑——工程師們從評價含水層和井的出水量出發產生疑問，而地質學家在研究盆地地下水流動時發現了問題。雅可布、漢圖斯、諾曼（Neuman）、威瑟斯龐等，引入并發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，托特的均質的“統一盆地”被弗里澤和威瑟斯龐 “非均質化”了，通過數值模擬，揭示了不同形態、不同規模含水巖系的基本流動型式。兩方面共同的最終結論是，巖體存在水力連續性。基于巖體存在水力連續性的結論，很快人們就認識到，存在著時空尺度差別很大的流動系統，而每個系統具有自己的作用過程與伴隨現象。于是，統一的觀念誕生了，不斷流動著的地下水是一種地質營力。

 

  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學發展階段。這個地球科學的新成員，既是一門基礎學科，也是一個專門性分支。為了更好地理解幾乎所有的地質活動，絕對有必要熟悉當代水文地質學的基本理論。與此同時，需要培養具有獨特的教育和專業背景的、全職的水文地質學家。

 

  當代水文地質學有以下3個主要特征概念：①地下水流動系統發育的空間尺度，變化范圍很大；②地下水流動系統發育的時間尺度，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象，都有著控制性影響。

 

  水文地質學向何處去發展？作為一門成熟科學，建立于工程師的數學嚴謹和科學家自由想象之上，建立于相關學科的技能、方法和技術之上，在可以預見的未來，水文地質學的理論與技術方法不大可能有新的突破；反之，預期將會出現各種“名副其實”的學科分支，例如：環境水文地質學、污染水文地質學、農業水文地質學、油氣水文地質學，等等。

 

  就我國來講，水文地質學的發展歷史是與新中國的建立與發展分不開的，近半個世紀以來，水文地質學的成長與發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，主要接受前蘇聯學術思想的影響，基本依照前稱聯模式。從20世紀70年代后期到90年代，可以稱為發展階段，這一時期由于實行改革開放政策，國內外學術交流日益頻繁，因此受西方學術思想影響較多，特別是系統科學、環境科學、現代應用數學與計算機技術等新思想、新理論與新技術的輸入，使水文地質學的基本概念與研究范疇發生了巨大的變革，使水文地質學從定性研究進入到了定量研究階段，納入到系統工程的軌道，與現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學稱為傳統水文地質學，而20世紀70年代后期至90年代發展階段的水文地質學，稱為現代水文地質學。

 

  現代水文地質學的基本特征主要有：①與現代科學的新理論新學科緊密結合，比如系統論、信息論、控制論及相應產生的系統科學、環境科學、信息科學等，對水文地質學的發展產生了重大影響；②現代應用數學與水文地質學的結合，特別是數值模擬方法得到普遍應用，模型研究成為水資源研究的主要內容，使水文地質學從定性研究發展到定量研究的新階段；③從地下水系統與自然環境系統相互關系的研究，擴大到與社會經濟系統關系的研究。對地下水資源的研究，也從數學模型發展到管理模型與經濟模型的研究；④許多新的分支學科的產生與發展，比如區域水文地質學、巖溶水文地質學、遙感水文地質學、環境水文地質學、醫學環境地球化學、污染水文地質學以及數學水文地質學、水資源水文地質學；⑤新技術、新方法的應用、除計算機技術外，遙感技術、同位素技術、自動監測技術，室內模擬技術，以及高精度水質分析技術等，都得到普遍應用，推動了水文地質學的發展。

 

  這要強調一點：水文地質學領域中的許多研究都是由水文地質學家、地質學家、水文學家好氣象學家等多個學科領域的專家學者聯合來完成的。