水文地质研究的关键科学问题及其创新资助策略

21世纪水文地质学发展战略及优先资助领域研讨会于武汉召开2003年01月08日2002年11月18日－19日，中国地质调查局和国家自然科学基金委员会，在湖北武汉共同举办了21世纪水文地质学发展战略及优先资助领域研讨会，会议由中国地质大学（武汉）承办。会议研讨的主题是：国际水文地质学科现状分析、21世纪水文地质学发展战略和21世纪水文地质学优先资助领域。本次会议的主要目的旨在通过研讨和信息交流，广泛了解国内外水文地质调查研究工作的现状和发展方向，了解各方面对水工环地质调查研究的需求，听取专家意见和建议，为水工环地质调查战略的制定积累信息。参加研讨会议的院士、教授、研究员及工程技术专家共58人，分别来自国内外30多个教学、科研及调查机构。国家自然科学基金委员会地质学科主管部门和我局水文地质环境地质部有关人员参加研讨并分别主持了研讨会。加拿大滑铁卢大学教授RobertW.Gillham博士，美国地质调查局JohnNimmo博士，德国弗莱贝格工业大学BroderJ.Merkel教授，美国劳伦斯·伯克利国家实验室Chin-fuTsang博士、YvonneTsang博士，香港大学焦赳赳博士，岩溶地质研究所袁道先院士，南京大学薛禹群院士，中国地质大学（北京）沈照理教授，中国科学院汪集旸院士，中国地质大学（武汉）陈崇希教授等在会上做了专题报告。清华大学、北京大学、南京大学、中国矿业大学、河海大学、中国海洋大学、中国地质大学（武汉）、岩溶地质研究所、中国地质环境监测院等单位的与会代表，结合各自教学、科研、管理等工作的切身经验和体会，对近年来取得的研究成果进行了交流。局水文地质环境地质部介绍了国土资源大调查实施以来水工环地质调查所取得的成果和十五后三年水工环地质调查工作战略的初步构思；水文地质环境地质研究所介绍了全国地下水资源及其环境问题调查评价项目的工作部署框架。专家的报告从不同角分析了国际、国内水文地质学科研究的现状、最新进展及该领域存在的问题，对今后的发展战略和方向以及优先资助领域提出许多建议，分析了可持续发展对水文地质调查研究的需求，对我国水工环地质调查工作战略部署提出了意见和建议。与会专家认为，水文地质调查研究的创新关键在于营造宽松的创新环境，鼓励个人创新、跨学科、跨单位和跨部门联合创新，正确处理调查与创新的关系，技术创新与重大工程项目相结合才能深入，应加强各种新技术的应用，同时要不断改进水文地质的科学教育。研讨表明，近年来的水文地质调查研究，从水循环的角度并与全球变化相结合，着重以下几方面深入：地下水与环境（地下水污染、与地下水相关的地质灾害及其生态），城市水文地质（城市建设对地下水系统的作用及反作用），微生物与地下水（海洋生物与地下水、岩溶与微生物等），重大工程建设与地下水，包气带水文地质，不同类型水文地质系统，地表水与地下水联合调蓄与统一管理，地下水资源的评价理论与方法及合理开发利用方向，新技术、技术方法的研究与应用。通过这次研讨会议，广泛地交流了信息，使我们对国内外水文地质调查研究理论和理念的更新、现代技术方法的应用、今后发展战略和社会需求等加深了进一步的了解和认识，极大地开拓了我们的视野。对会议提出的意见和建议，属于基础研究的，国家自然科学基金委员会地质学科主管部门表示，在今后优先资助领域确定时将予以重点考虑。属于水工环地质调查方面的建议，我们将会认真研究，充分理会，根据专家提出的建议，进一步调整和完善水工环地质调查工作战略部署。水文地质环境地质部供稿大会报告水文地质研究的关键科学问题及其创新资助策略王焰新（中国地质大学环境学院）2002年11月17～20日，由中国国家自然科学基金委员会地球科学部和中国地质调查局水文地质环境地质部联合主办的“21世纪水文地质学发展战略与优先资助领域研讨会”在中国地质大学（武汉）召开。来自中国、美国、加拿大等国的20余位外国专家，就包气带研究方法，水文地质示踪的新技术，废弃物（特别是核废料）贮存场地地质、水文地质调查、试验新技术方法，中国水文地质发展战略，地下水资源评价，环境水文地质，城市水文地质，地下水地球物理勘探以及西北干旱地区、西南岩溶地区的水文地质等问题作了报告，袁道先先生作了会议学术总结。在此次会议成果的基础上，作者结合水文地质学目前在解决国家和国际重大问题中所起的作用，提出一些历史性的观点；分别讨论了水文地质研究中带共性的关键科学问题：物理～化学过程、场地评价方法和耦合模拟方法；就水文地质学的研究方向和发展战略提出具体建议。一、水文地质学是地球科学分支中发展最快的学科之一水文地质学是研究地下水的科学。20世纪60年代以来，水文地质学进入了快速发展时期，在研究主题上，大致可以20世纪80年代分界：此前侧重水流的研究，此后越来越重视水质。绝非巧合的是，20世纪80年代以来，环境和可持续发展问题得到世界范围的重视。地下水是人类最主要的供水水源之一和全球水循环的重要环节，开发利用地下水、研究地下水、保护地下水自然就成为地球科学工作者永恒的主题。我们不妨从国际主流刊物和专利情况来回顾一下近40年来国际水文地质学翻天覆地的变化。1963年，《地下水》（GroundWater）和《水文学杂志》（JournalofHydrology）创刊；1965年，开始出版《水资源研究》（WaterResourcesResearch）。此后，陆续创刊的欧美主流学术期刊包括：1976年，《水资源进展》（AdvancesinWaterResources）和《污染水文学杂志》（JournalofContaminantHydrology）；1986年，《水文过程》（HydrologicProcesses）；1993年，《水文地质学杂志》（HydrogeologyJournal）；1995年，《水文工程学杂志》（JournalofHydrologicEngineering）。在过去40年内，不但期刊的数目大幅增加，每种期刊上论文的数量和内容也显著增加。举例来说，水资源研究（WRR）每卷的页数由1965年的366页增加为2000年的3770页，大约增长了10倍，平均年增长率为6%。其它期刊也表现出类似的增长，随着更多的大型期刊的出现，新文献以快于20世纪60年代10倍的速度产生，累积文献的卷数与过去相比已增长了1000倍！如果我们把视野略微扩大，就会发现，在《环境科学与技术》（EnvironmentalScienceandTechnology）、《化学圈》（Chemosphere）、《应用地球化学》（AppliedGeochemistry）等水文学以外的环境、化学类学科国际主流刊物上，20世纪80年代末以来，每期都会找到研究地下水化学的论文。欧洲和美国20世纪90年代以来的地下水和土壤污染修复技术专利迅速增长。从表1不难看出20世纪80年代以来地下水污染控制技术的强劲发展势头。表11976～1996年间美国地下水和土壤污染修复技术专利增长情况时间段涉及“修复”的专利Class588专利：有害废物的分解或处置1976～1980101981～1985001986～1990911991～199225121993～1994823481995～1996（8个月）88263说明：专利的应用较专利的发布平均早3年。因此专利增加的趋势始于20世纪80年代，1990年有一个飞跃。涉及“修复”的专利的数据是指美国与商标局数据库中专利的名称及摘要中含“修复”一词的专利个数。Class588是传统系统外的一个新的补充，因此可能有一些相关的专利没有被重新分类而进入Class588。二、水文地质学的历史与现实作用在历史上，地表水供应与人类社会和文明的发展密切相关。实际上，确保充足的用水一直是水文学研究的主要内容。与地下水有关的科学问题仅仅在近20到30年内才成为研究热点。目前，水文地质学（有时也称为地下水水文学）在解决人类面临的众多资源-环境问题中发挥着关键作用，这些问题均属于国家目标，包括：1、水资源和水质管理。在世界上的许多地区，地下水是重要的供水水源，并需考虑最合理的联合调度、使用地下水和地表水。与此相关的是水质问题，因为地下水总是趋向于与含水介质处于化学平衡，其含盐量随深度而增加。当来源不同的地下水流发生混合，或地下水与地表水发生混合时，就需要考虑各种水岩作用。目前已经发现的世界范围的水砷中毒、氟中毒、土壤盐碱化、海水/咸水入侵淡水含水层等原生或次生环境问题，使得地下水资源管理和保护的重要性，成为全世界政府和公众关注的焦点之一。2、环境污染及管理。在许多地区，化学物质溢漏或管理不善，过量使用农药和化肥，以及化学物质贮藏容器的泄露等，已经导致地下水污染。通常情况下，这种污染场地都具有长期的危险性，需要修复或控制，为此，需要认识污染物质进入包气带和含水层后的迁移规律；需要发展修复技术，这些技术常常是高新技术。3、液体或固体废物（包括核废物）处置。许多人类活动都会产生废物，如化工生产过程、采矿过程以及核电站。废物处置方法包括填埋、注入深部地层和地下贮存。这些方法的安全评估涉及到作为关键要素的地下水的流动和溶质运移问题。4、全球水循环。近年来蓬勃兴起的气候变化、生态地质和全球水循环的研究，离不开水文地质，否则无法得到正确的全球水循环水均衡模型和近地表生态系统演化模型。因此水文地质在较长的时间尺度范围内对全球变化研究有重要意义。5、地质灾害防治。绝大多数地质灾害（如滑坡、泥石流、地面沉降等）的发生与地下水密切相关。加强灾害多发区的水文地质研究，有助于深化对地质灾害发生和分布规律的认识，提高地质灾害时空预测的精度和可靠性。6、其它涉及到水文地质的问题。这些包括注入地下深部的CO2的地质隔离（geo-sequestration）、地热资源的开发和石油资源勘探。例如，不仅石油储层动力学与水文地质过程相似，而且石油生产会产生大量的废物，这些废物常常又被注入地下，对于地下水流动系统影响很大。三、关键科学问题1、地下水系统中的物理—化学过程研究在地下水系统中，流体流动、溶质和胶体迁移都涉及到物理—化学过程。研究的几条主线是：（1）地层的非均质性如何用水文地质参数来刻画。含水介质一般是非均质的，而且存在于不同的空间尺度上：从小范围的渗透性变化，到中等规模的地层中裂隙分布的变化，再到大规模的断层、断裂带以及地层层位变化。通常情况下，不能确切地获取研究区域详细的非均质性信息。非均质性造成的结果之一是水流可能被分成各自独立的水仓，使得同一研究区的不同部位水头不同。尽管在该领域进行了很多研究，包括使用随机方法，问题也远未得到解决。（2）地下水系统中的快速流动路径的确定。地下水系统中一些流动路径中的流速远大于流体或羽状水流的平均流速，可高一个数量级。快速流动路径可能因为存在断裂、断层面的薄膜流、两个地质体之间的界面，或因水流找到一个最小阻力的渗流路径。后者我们称之为沟流现象（channelingphenomenon）。（3）界面上或穿过界面的流动和溶质运移研究。这类研究包括地层界面、裂隙-多孔介质界面或裂隙表面，以及饱水带和非饱和带之间的毛细水带。在较大尺度上研究界面时，大气、地表水和地下水之间的相互作用也需进行研究。（4）胶体、气体或微生物影响下的水文地球化学过程。在被美国国家研究理事会（2001）列为地球科学基础研究六大机遇之首的“关键带”（Criticalzone，即维持着几乎所有陆地生物的生命、包含着岩石—土壤—水—气—生物相互作用的近地表环境）研究中，凡涉及风化壳、土壤、微生物、地表水和地下水环境，或涉及发生在关键带发生的四个相互影响的主要过程（生物活动、风化作用、流体输运和近地表构造活动），都不可能忽视胶体的作用和影响。近地表低温环境中胶体的地球化学也是纳米科学的重要研究课题。核素和砷等许多有害组分在地下水系统中的迁移富集明显受胶体的控制。在气体和微生物的影响下，地下水系统中的水—岩相互作用、污染物的地球化学行为会发生许多重要变化。如何精细、定量地刻画地下水系统中的胶体、气体或微生物类型、特征及其对水文地球化学过程的影响，对水文地质研究提出了严峻挑