水文地质学

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第646页（4308字）

研究地下水的科学。

它研究在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈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，并研究如何利用这些规律去避害趋利。

人类首先利用泉作为供水水源，随后又凿井取水。中国浙江余姚河姆渡井凿成于5700年前。至少在公元前7世纪，亚美尼亚就有了坎儿井(Qanats)，以后传入波斯等地。

最大的坎儿井深达150m，长达26km。公元前250年左右，在中国四川的三叠纪坚硬基岩中开凿了深百米以上的自流井。水文地质是作为一门实用技术学科而萌芽的。

1856年，法国达西(H．Darcy)为设计第一流的供水系统，进行了水透过砂的室内试验，得出水在砂中的渗透速度与砂的渗透系数及水力梯度成正比。

这就是着名的达西定律(Darcy’s law)，它提供了地下水定量计算的依据，奠定了作为学科分支的水文地质学的基础。

后来，法国裘布依(A．Dupuit)在达西定律基础上提出了地下水流向井的稳定流公式。奥地利福希海默(P．Forchheimer)在1886年绘制了流网并开始应用映射法。格本(B．Ghyben)在1888年建立了海水与淡地下水保持平衡的法则。

1935年，泰斯(C．V．Theis)利用地下水流动与热传导的相似性，得出了地下水流向井的非稳定流描述——泰斯公式，使地下水定量计算更为接近实际。直到此时，地下水计算用的是只能求解比较简单条件的解析法。

从20世纪30代起，还发展了一些物理模拟方法。怀科夫(R．D．Wyckoff)等用砂槽模拟地下水流，以后又出现了窄缝槽模拟。

马斯卡特(M．Muskat)等则根据水流与电流的相似性，用电流模拟连续介质中地下水的运动。50～60年代，离散介质电网络模拟成为地下水计算的重要手段。

与地下水水量研究的同时，也注意到了地下水的水质。早在公元前1世纪，在利用矿水医疗时便开始研究地下水化学成分。

19世纪对油田地下水的研究积累了大量水化学资料。

1933～1936年，前苏联维尔纳茨基(В．И．ВepнaдскиЙ)在《天然水的历史》中，探讨了地下水的地球化学特征。20世纪中叶，前苏联奥弗琴尼科夫(А．М．Овчинников)在研究矿水的基础上建立了水文地质学的一个分支——水文地球化学。在这方面，美国怀特(D．E．White)也作出了贡献。

人们在利用地下水时也在探究它的来源。法国帕利斯(B．Palissy，1509～1589)、珀若(P．Perraut，1608～1680)、马里奥特(E．Mariott，1602～1684)和中国的徐光启(1562～1633)先后提出了井泉的水来源于降水或河水的入渗。

20世纪初，奥地利徐士(E．Suess)提出了初生说，认为地下水来源于岩浆冷凝时析出的水。

由于缺乏事实支持，初生说逐渐被人淡忘了。

大致与此同时，美国兰(A．C．Lane)、戈登(W．C．Gorden)和俄国的安德鲁索夫(N．I．Andrusov)分别提出了埋藏水的存在。这些水是在沉积物堆积时储存在粒间孔隙中，固结时受挤压进入含水层的。1907～1919年间，俄国列别捷夫(А．Ф．Лeбeдeв)提出了凝结说，认为水汽冷凝为液态水是地下水的一种来源。

1912年，德国凯尔哈克(K．Keilhack)进行了地下水分类和泉的分类，总结了地下水的埋藏条件和排泄条件。

20世纪20～30年代，美国迈因泽尔(O．E．Meinzer)对一系列水文地质概念和术语进行了探讨。

大致在20世纪中期，有关地下水的赋存、运动、补给、排泄、起源以及水化学、水量评价等方面，均已有了比较完整的理论和研究方法。水文地质学已经发展成为一门成熟的学科。第二次世界大战以后，随着科技及生产力的迅猛发展以及人口的快速增长，世界各地普遍出现地下水资源枯竭、地下水位深降、地面沉降、海水入侵乃至地下水污染等问题。

因此，正确地预测在人类活动干预下地下水的变化，以合理评价、开发、管理与保护地下水资源成为当务之急。

由于水文地质学最初是从寻找地下水以满足供水开始的，所以人们一直关注的是含水层。裘布依的稳定井流公式只涉及含水层中井附近的很小一个范围。泰斯公式则将整个含水层作为考察对象。至此，人们仍然认为“隔水层”是不起作用的。1946年雅可布(C．E．Jacob)提出，原先认为绝对不透水的“隔水层”，大多数仍然是透水的。

于是，人们认识到地下水是在既包括含水层，也包括相对隔水层(弱透水层)在内的整体——含水系统中发育的。20世纪60年代初期，加拿大托特(J．Tóth)提出了区域地下水流动(地下水流动系统)理论。

他认为，只要时间尺度足够大，任何一个构造稳定、压实作用已告结束的大型盆地，均具有水力连续性，在受地形控制的重力势作用下，发生复杂的穿层流动，形成局部的、中间的及区域的地下水流动系统。托特的理论，打破了水文地质学中长期以来介质场起主要控制作用的观点，认为地形控制的势场是决定地下水渗流场的根本因素。荷兰英格伦(G．B．Engelen)发展了托特的理论，主要用于分析与溶质迁移有关的各种水文地质问题。地下水流动系统理论出色地运用了地下水流网分析这一传统工具，将渗流场、化学场、温度场统一于地下水流动系统这一理论框架之中，将地下水各方面的表现，纳入一个易于为人们所理解的时空有序结构之中，有助于整体上把握地下水与环境联系的图景。

战后水文地质学的迅猛发展，也是某些学科与技术向水文地质学渗透的结果。1956年，斯图尔曼(R．W．Stallman)将数值法用于水文地质计算。

60年代，华尔顿(W．C．Walton)首次利用电子计算机对地下水进行数值模拟。

从此，大范围的复杂条件下的水文地质问题也可以进行计算了。

1954年，博尔顿(N．S．Boulton)发现潜水位下降过程中非饱和带滞后释水现象，使人们进一步认识到饱和带水的研究在许多情况下是不能与非饱和带水割裂的，从而促进了非饱和带水的研究。

20世纪60年代，同位素技术开始用于解决某些水文地质问题(例如，确定地下水年龄、追踪地下水的流动等)。

同时，遥感技术、数学地质方法等也被引入水文地质学。

目前，有两个方面的趋势正在促使水文地质学演变。

首先，人类活动对地下水形成过程的干预愈益强烈，由此引起的生态环境效应十分严重，水文地质课题愈来愈复杂，愈具综合性与前瞻性。水文地质学长期注意的焦点是地下水水量运移。由于地下水污染、海水入侵等一系列问题的出现，与溶质迁移有关的问题开始受到重视，出现了求解溶质运移的数学模型。但是，室内试验与野外试验获得的有关参数往往与实际差别较大。

同时，水文地质学与其它学科之间相互渗透非常迅速。

水文地质学在面对比过去更为复杂与综合的问题时必须更多地引入系统论的思想与方法。地下水流动系统分析是这方面的一个开端，预计今后还将引入包括决策支持系统在内的系统工程方法。

最近开始引入的地理信息系统与地下水模拟相结合，将成为建立决策支持系统的良好基础。

为了更好地预测人类活动影响下地下水的演变并及时施加影响，要求对水文地质过程的机制有更好的了解。因此，下列问题将加强研究：不同条件下的降水入渗机制；地下水位下降时介质场的变化，尤其是粘性土释水压密所引起的水文地质参数的变化及地下水水质的变化；溶质运移的弥散机制；含水层与包气带中污染质的自净作用；含水层储能及其应用；裂隙与岩溶地下水的赋存与运移特征。

水文地质学还面临学科内容与性质的演变。传统的水文地质学研究狭义地下水，即饱气带岩石空隙中的水；现在的研究对象则是广义地下水，即包括饱和带和非饱和带水在内的地面以下岩石空隙中的水。1947年，前苏联萨瓦连斯基(Ф．П．Савapeнcкии)提出地下水圈的概念。

近年来，前苏联加弗里连科等提出，水文地质学是研究地下水圈(Subsurface hydrosphare)的科学，研究对象包括地面以下地球各层圈以各种形态存在的水。他们认为，通过地幔的流动，地壳浅层圈的水与深部的水是相互转化的一个整体。因此，水文地质学还应研究地球深层圈对岩浆活动、变质过程的作用，对成矿作用、地震过程及地壳构造变形中的作用。

沿此方向发展，水文地质学将发展形成理论学科的分支。

。【参考文献】：

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4 王大纯，张人权，等．水文地质学基础．北京：地质出版社，1986

5 Engelen G B，Jones G P．Developmentsin the Analysis of Groundwater Flow Systems．IAHS Press，1986

6 张人权．水文地质工程地质，1987，2∶1～2

7 张人权．当代地质科学技术进展，1989，37～40

(中国地质大学张人权教授撰)