中国地下水资源调查和研究进展报告

陈梦熊院士曾把中国水文地质学的发展大致划分为4个阶段:①萌芽阶段(20世纪之前);②初始阶段(1900—1950年),此阶段开始应用地质学的基本理论来研究地下水;③奠基阶段(1950—1970年),在前苏联学术思想的影响下,中国奠定了水文地质的理论基础,此时期是中国区域水文地质学与农业水文地质学的开创时期;④成长期(1970—2000年),是中国水资源水文地质学与环境水文地质学的发展时期,该时期主要受西方科学技术如系统论、系统工程、计算机技术等新理论、新技术的影响,中国传统的水文地质学发展到一个以研究水资源与环境问题为重点的现代水文地质学。

1.20世纪50年代中国在地下水资源调查和研究方面的进展

自20世纪50年代地质部成立以后,各省(自治区、直辖市)先后建立了水文地质专业队伍及有关的科研机构、地质院校。当时驻长春地质学院的苏联专家克里门托夫教授,结合讲学编著了《水文地质学》《水文地质学概论》《普查与勘探水文地质学》《地下水动力学》《矿床水文地质学》等教材,成为中国最早的一批水文地质专业教科书。苏联许多新的理论还通过许多著名学者的著述,不断输入中国,如朗格关于区域水文地质的分区理论,卡明斯基关于地下水的渗流理论,普洛特尼柯夫关于地下水的储量分类与评价,列别捷夫关于灌区地下水动态的预测,以及奥弗琴尼柯夫关于矿水方面的专著等,对中国水文地质科学的发展,都产生了深远的影响[4-6]。

20世纪50年代是中国区域水文地质学的开创时期。各国水文地质学的发展都是从区域水文地质的调查研究开始,中国也不例外。从20世纪50年代中期起,中国就有计划地在全国开展区域水文地质普查,推动了区域水文地质学的发展。1958年中国编制和出版了第一幅比例尺为1∶300万的中国水文地质图、第一本专著《中国区域水文地质概论》;1959年为纪念新中国成立十周年,又出版了第一本利用本国资料编著的《实用水文地质学》。1957年正式出版发行了中国第一种《水文地质工程地质》刊物。这一时期发表了许多有关中国的水文地质分区、中国潜水分带规律、中国的自流盆地,以及有关华北平原、松辽平原、关中平原、内蒙古高原、河西走廊,柴达木盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地等区域水文地质方面的论文或专著[4-6]。

2.20世纪60年代中国在地下水资源调查和研究方面的进展

从20世纪60年代起,中国中小比例尺水文地质图的编图工作迅速发展,并创立了一套具有本国特色的水文地质图编图方法,编制出版了许多按省、市或按地区编制的图幅、图系或图集。1978年出版的《中华人民共和国水文地质图集》,基本上系统地反映了中国从20世纪50年代以来,区域水文地质工作调查的主要成果。在此以后,北京、河北、辽宁等省(直辖市),也都编制出版了本地区的水文地质图集。

在20世纪60年代,由于在华北开展大规模的抗旱打井运动,因此这时期成为农业水文地质学的开创时期。针对农田供水与盐土改良两项任务,开展大量的调查和研究,编制了大量图件,为北方地区发展井灌,实行农田水利化,作出了重要贡献[4-6]。

在环境水文地球化学研究方面,从区域水文地球化学的研究,逐渐转入环境地球化学与人体健康和疾病关系的研究,已经形成医学环境地球化学新的学科体系。中国从20世纪60年代以来,就对克山病、高氟病等地方病的形成机理与防治措施进行了深入研究,取得了重要进展。

3.20世纪70—80年代中国在地下水资源调查和研究方面的进展

20世纪70年代到80年代除少数困难地区外,中国区域水文地质普查基本完成,并开始转入对重点经济发展区,如黄淮海平原、济徐淮地区、长江三角洲、东北经济区等地区,开展区域地下水资源与环境水文地质评价的调查和研究,完成了许多重要的研究成果[4-6]。

20世纪70—80年代进一步开展许多主要为发展农业服务的专题研究,如黄淮海平原旱、涝、盐等自然综合治理的调查和研究,河南商丘地区潜水资源与人工调蓄的调查和研究,河套平原和银川平原关于水盐均衡和盐土治理的研究,以及河西走廊地下水合理开发利用的研究等,为农业水文地质学的发展奠定了基础[4-6]。

20世纪70—80年代,中国建立了许多水均衡试验场,以及负压计、中子仪等新的测试技术的引进,促进了包气带土壤水运移规律的研究。如河南省水文地质总站与有关部门合作,通过“四水”转化关系的机理研究,对土壤水运移机理进行系统地分析,并通过田间作物的观测试验,应用土壤水分运动通量法和定位通量法,计算了有植被条件下的降水入渗量、蒸发量以及其他有关数据,建立了“四水”均衡模型,证明在“四水”相互转化关系中,土壤水起着重要的调蓄作用与相互制约作用。这对如何充分发挥土壤水的功能,提高作物的用水效率和建立节水型农业,具有重要的实际意义[4-6]。

20世纪70年代到80年代,中国各省主要开展为城市和工业建设服务的水文地质工作。也可以说,这是中国城市水文地质学的开创时期。虽然早在20世纪50年代,北京、西安、包头、太原等城市就已进行过水源地的勘察研究,但当时主要局限于水资源评价,直到七八十年代城市水文地质调查的目标不仅要查明城市区域水文地质条件,对地下水资源作出评价,而且还要分析研究水质污染与地下水大量开采所引起的各种环境负效应,如海水入侵、地面沉降、岩溶塌陷等地质灾害。

从20世纪70年代开始,大多数大中城市,开展了城市地下水污染现状的调查,包括污染源、污染途径、污染成分、污染程度、分布范围、发展趋势等。20世纪80年代在污染现状调查的基础上,进一步开展了地下水污染机理的研究,包括污染物质的迁移、累积、转化与自净过程,特别是污染物质的机械渗滤作用、物理化学吸附作用、离子交换作用、浓缩或稀释净化作用以及放射性元素的衰变作用等的研究[4-6]。

此时期的研究工作普遍采用了室内模拟试验等新方法。例如呼和浩特市进行了地下水中硝酸盐氮污染机理与防治对策的研究,运用多种模拟试验,研究“三氮”在包气带介质环境中的行为过程,深入分析硝化与反硝化作用的主要影响因素。通过微生物检验和生物化学的研究,认为硝酸盐氮的污染机理主要是以硝化作用为主的生物化学反应过程,证明硝化菌是硝化反应中的主要影响因素,明确了硝化菌在“三氮”转化中的重要地位。生物化学作用在地下水污染机理研究中,以前一直是中国的一个薄弱环节,这项成果是对中国生物化学作用研究的一个重大突破。此外,如上海进行关于地下水As的污染研究,北京市进行的关于地下水硬度变化机理的研究等,都进行了大量室内模拟试验,大大提高了研究水平。陕西西安进行的污灌现场入渗试验,以及山东济宁水质模拟研究所进行的弥散试验,均取得良好效果,查明了污染物的运移、富集规律,为选择污染治理对策提供了科学依据[4-6]。

为了预测地下水污染的发展趋势,并进行合理控制,20世纪80年代中国的水质模型的研究取得很大进展。1984年完成的《山东济宁地下水水质模拟及其污染趋势预测的试验研究》,是中国最早的一项水质模型研究,起到了带头示范作用。以后石家庄、新乡、平顶山等城市,对地下水管理模型的研究,都在建立水量模型的同时,建立了研究溶质运移的模拟模型。在计算方法上,普遍采用了有限元或有限差分等数值法,从而提高了参数的精度和计算结果的可信度与可靠性。

许多城市开展了地下水的环境质量评价,并已逐渐由单项有害离子评价,进入到综合评价;由单项环境因素评价,进入到综合因素评价;从现状评价,发展到趋势评价;由数理统计分析,发展到污染预测和建立水质数学模型。各种评价方法,如综合指数法、概率统计法以及聚类分析法(包括模糊聚类法与系统聚类法)均得到普遍应用。

由于地下超量开采所造成的各种负环境效应,如水量枯竭、水质恶化、海水入侵、地面沉降、岩溶塌陷以及生态环境恶化等,也都成为环境水文地质工作中的重要研究内容。有些城市通过管理模型的研究,对地下水过量的开采问题提出了调整开采布局或采取人工补给等新措施。在海水入侵研究方面,山东莱州、龙口地区建立了三维咸淡水界面运移数学模型。北海市在模型研究中,对多层承压含水层的海底边界问题提出“等效边界”的新概念,解决了模型计算问题。上海地面沉降通过长期研究,基本得到控制;20世纪80年代又通过与比利时专家的合作建立了水动力模型与土力学模型相结合的三维沉降模型,取得新的进展。此外,对岩溶塌陷以及西北地区生态环境恶化等方面,都完成了许多重要研究成果。

20世纪80年代,中国开展了许多专题研究,如四川、湖南等省对红层裂隙水的研究,中国玄武岩裂隙孔洞水的研究,黄土地下水的研究以及北方岩溶水的研究等,均取得重要成果。在普查工作中普遍应用了遥感技术,编制出版了《北方遥感水文地质应用文集》、《北方典型遥感水文地质图像集》与《中国岩溶地区典型遥感水文地质图像集》,极大地促进了中国遥感水文地质的发展[4-6]。

20世纪80年代中国参加国际水文计划(IHP)关于水资源开发的环境效应与管理的研究课题,负责其中的地下水部分。该课题系统总结了地下水开采过程中有关过量开采、水质恶化、海水入侵以及地面变形等各类负效应的基本原理、形成机制、治理措施与模型研究,并列举中国许多地区的典型研究实例,获得国际上较高评价。

20世纪80年代以来,由于地下水系统理论、非稳定流理论的输入,以数值解或解析法为代表的现代应用数学以及计算机系统的广泛应用,使地下水资源的研究发生了根本性的变化,把传统的研究方法转入到模型研究方面,不仅在计算方法上发生了巨大变革,而且其研究范畴,也由单纯研究地下水系统与自然环境系统之间的相互关系,扩大到研究与社会经济系统的相互关系。地矿部地质环境管理司出版的《中国典型水源地勘察实例汇编》和《中国2000年城市地下水资源及环境地质问题预测研究》,全面总结了各类地下水水源地关于勘察方法与资源评价的重要经验和城市环境水文地质研究的重要成果,是中国关于水源地勘探工作与城市水资源与环境水文地质研究的初步总结。

20世纪80年代出版的《中国干旱半干旱地区地下水资源评价》,汇集了20世纪70年代至80年代北方各地区区域地下水资源评价的研究成果,基本反映了中国20世纪80年代在这一领域的理论水平。报告内根据不同地区与不同条件,采用了各类不同的数学模型。如商丘在人工调蓄条件下,建立多年均衡法与有限元法结合的数学模型;石羊河流域根据地下水动态演变规律,应用不规则有限差分法建立的数学模型,以及黄土层饱和与非饱和地下水的联合数学模型等。不少有关地下水资源评价与计算方法的论著,先后在国内出版,如南京大学朱学愚编写的《地下水资源评价》、西安地院李俊亭编写的《水文地质统计的随机模拟》《地下水流数值模拟》,陈雨孙所著的《地下水运动与资源评价》,刘春平所著的《地下水系统规划与管理优化模型》,以及李佩成所著的《地下水非稳定流渗流解析法》等,为中国地下水资源评价研究奠定了理论基础。

20世纪80年代后期地下水资源研究的一个重要标志,是把主要目标逐渐转向管理模型的研究,即研究如何合理开发、利用、调控和保护地下水资源,使之处于对人类生活与生产最有利的状态。因此,它不仅涉及水文地质学的各个领域,而且还涉及与地下水开发活动有关的自然环境、社会环境和技术经济环境等各方面的问题。

地下水动力学主要是研究地下水的渗流理论。20世纪80年代,地下水动力学结合水资源计算,并吸取了现代应用数学的基本内容而发展成为数学水文地质学。数学水文地质学主要包括地下水流数值模拟、水文地质统计和随机模拟、非稳定流解析法等方面。地下水系统理论的引入,对水资源的研究产生了重大影响。应用系统工程的观点,从概念模型、数学模型、优化模型到管理模型,实际上包括从水资源评价到水资源管理的全过程[4-6]。

在水资源的行政管理方面,中国于1988年1月在第六届全国人大常委会第24次会议通过了第一部《中华人民共和国水法》(以下简称《水法》)(1988年7月1日起实施)。自从有了《水法》,中国的水资源管理工作开启了一个新局面,如开始实行取水许可制度、实施限批用水量、规定取水必须根据许可证规定的方式和范围,规定在城市中开采地下水应收取水资源费,严格控制工业、生活废水、污水等流入供水水域,等等[7]。

4.20世纪90年代以来中国对地下水资源的调查和研究进展

20世纪90年代以来中国在环境水文地球化学方面的研究扩大到心血管、脑血管病以及癌症等疾病与水文地球化学关系的研究,特别在癌症研究方面有所突破。通过多年来所累积的大量资料,科学出版社出版了《中华人民共和国地方病与环境图集》,吉林、内蒙古、云南、甘肃等省(自治区)也出版了相应的图集,较好地反映了各类地方病的环境水文地球化学背景。

20世纪90年代以来中国先后出版了三本作为高校教材的《环境水文地质学》,虽然内容还不够完善,但反映了环境水文地质学的发展已开始成为该时期中国水文地质学科中一门独立的分支学科。

多年来,遥感技术依靠传感器、图像处理及计算机技术的提高,在水文地质勘察中的应用取得了长足进步。传统的遥感水文地质着重于水文地质测绘工作中对定性特征的解释和特殊标志的识别,20世纪90年代以来则扩展到应用热红外和多光谱影像进行地下水流系统内的地下水分析和管理。目前它的研究焦点转移到了地下水的空间补给模式,污染评价中植被、区域测图单元参数的确定和空间地下水模型中地表水文地质特征的监测。

自20世纪90年代起,中国逐步引进和推广多工艺空气钻进技术、无固相冲洗液钻进等先进的钻凿技术,还陆续引进了一些先进的物探技术,如瞬变电磁法(TEM)、EH-4电磁成像系统等,这些新技术在中国缺水地区的供水水文地质勘察中发挥了关键性作用[8]。

采用GIS技术对水文地质勘察资料和监测数据进行整理更是近年来水文地质勘察中的一大亮点。在水文地质工作中,经常要面对诸如地形图、地质图、水系图、地下水分区图、地下水流场图等图形数据,以及地层、岩性、地下水点、水位动态、流量、水化学等属性数据,如用人工的方法对这些繁杂的数据作统计分析,其工作量相当大且有一定的难度;成图时也难于把这些属性数据都表示在相应的地图上,而GIS技术能应用数字化技术和图层管理,通过图层的叠加很方便地合成各类专题图件。现在利用GIS的图形与属性数据一体化的管理功能,可以直观地对图、文信息进行多形式的查询;还可利用GIS的空间分析功能方便地对复杂数据进行检索、综合分析和可视化表达[9]。

在世纪之交,中国加大对缺水地区的找水力度。2003年中国地质调查局出版的《严重缺水地区地下水勘查论文集》,该文集对20世纪90年代以来中国在西南岩溶石山缺水区、黄土高原缺水区、红层盆地缺水区、山地高原缺水区、内陆盆地山前平原缺水区的地下水资源勘察的技术手段、找水方向和地下水的开发模式进行了规律性总结,为今后中国在这些地区的供水水文地质勘察提供了极为有益的参考[8]。

《中华人民共和国水法》于2002年8月29日在第九届全国人大常务委员会第二十九次会议修订通过,2002年10月1日起实施。为纠正修订前的《水法》带来的“多龙管水”,修订后的《水法》吸收了国内外水资源管理和立法的新理念和成功经验,根据中国水资源管理的实践及可持续发展的要求,规定了国家对水资源实行流域管理与行政区域管理相结合的新的管理体制[7]。在地下水资源的技术管理方面,中国现已开发出智能管理系统[10]、引进了国外先进的地下水资源优化管理模型软件(REMAX软件)[11],并于2004年完成了第二轮地下水资源评价[12]。

中国许多城市如北京、西安、沈阳、新乡、平顶山等,都开展了管理模型的研究,根据不同的管理目标与不同的要求,建立了以城市供水为目标的水资源管理模型、为水质控制改良和环境生态改善的管理模型、水质水量联合管理模型、水量调配和供排结合的管理模型、地表水—地下水联合调度模型,以及全流域为工农业生活用水优化分配的规划管理模型等。1991年在“唐山平原地下水盆地管理模型研究”和“邯郸西部平原地下水盆地管理模型研究”中,首次采用“两个耦合”,即分布参数地下水模拟模型与优化模型的耦合、水资源经济管理模型与优化模型的耦合,实现了水资源系统与经济系统的有机结合[4-6]。

地下水监测是地下水资源评价与管理的重要手段。据统计,截至2002年年底,全国共有为控制区域地下水动态的基本监测站(井)12679处(眼),为补充基本监测站(井)不足而设置的统测井9806眼和为分析确定水文地质参数而设置的试验井11眼,监测站(井)的数量共有22496处(眼),监测项目包括地下水水位、水量、水质、水温等要素[13,14]。

为保证提供建立模型所需的大量水文地质信息,就必须建立相应的信息检索系统和数据库。近年来通过对数据管理系统的研究,河南环境水文地质总站已先后开发了“河南省地下水资源数据管理系统”和“地下水均衡试验观测数据处理系统”,并都已正常运行。山西环境水文地质总站也建立了山西地下水动态数据库(GWD)管理系统,不仅可对动态资料进行输入、修改、查询、统计、打印报表、绘制图形,而且具有多种数量处理功能。许多城市如秦皇岛、石家庄、新乡等,也都分别建立了数据库与数据管理系统[4-6]。

5.对未来中国水文地质学的发展展望

展望未来,今后水文地质学的发展主要朝以下方面进行:

(1)与现代科学的新理论、新学科的结合更紧密。如系统论、信息论、控制论与相应产生的系统科学、环境科学、信息科学等,对水文地质学的发展将发生更大的影响。此外,一些新理论如巨系统理论、非线性动力系统理论以及耗散结构理论等,也可能会对今后水文地质学的发展产生影响[4-6]。

(2)继续与应用数学结合,数值模拟的方法仍将是地下水资源研究的重要手段。

(3)地下水的研究领域将扩大。从地下水系统与自然环境系统相互关系的研究,扩大到与社会经济系统相互关系的研究。对地下水资源的研究,也从数学模型发展到管理模型与经济模型的研究。随着研究领域的扩大,已产生许多新的分支学科,如区域水文地质学、矿床水文地质学、岩溶水文地质学、遥感水文地质学、环境水文地质学、医学环境地球化学、污染水文地质学以及数学水文地质学、水资源水文地质学、地下水工程学等。

(4)新技术、新方法仍将不断得到应用。除计算机技术外,如遥感技术、同位素技术、自动监测技术、室内模拟技术以及有关水质分析新技术等,都已得到普遍应用。展望未来,新技术的不断引进还将继续推动水文地质调查和研究的发展[4-6]。

(5)地下水工程学将得到快速发展。地下水工程是在地下水系统概念的基础上,应用与地下水有关的工程科学知识进行的地下水勘察评价、设计与施工,是一门特殊的系统工程学。地下水工程除了供水工程外,现已包括地下水监测工程、排水工程、人工地下水回灌工程、污染地下水的原位处理工程、防海水入侵工程等。随着世界经济的发展,在地质体内施工的各类工程项目越来越多,如随着高层建筑的日益兴起,基坑排/止水技术的应用和研究得到了极快的发展;在全球气候日益变暖的大气环境下,水资源短缺的矛盾日益突出,今后一段时期内中国在缺水地区的供水工程日益被人们所重视,缺水地区的水文地质勘察的理论和技术也将更加成熟。在中国北方的一些大城市,由于水资源的日益短缺和污水量的增加,地下水回灌工程的理论和实践在近年来得到了较快发展,利用经过净化后的污水回灌到地下含水层,使回用水的水质获得进一步净化并增加地下水的资源量,这方面的研究还将是今后的发展方向之一。随着南水北调工程的展开,近年来中国对深埋隧道的水文地质勘察技术得到了很大进展,预计也将随着该工程的继续进行得到更进一步的完善。与此同时,地下水监测工程、农田排水、隧道防水、滑坡排水、路基排水工程、地下水污染渗透反应墙技术、地下水污染植物修复技术等新的研究领域也开始得到广泛的应用和受到广泛的重视,其理论和技术也将更趋完善[15]。