水文地质的关键科学问题及其立异资助策略

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网时间段岔涉贱及庆“式修坚复朝”赶的专利俱Cla仆ss茫588梢专利：傅有害废渡物的分辟解或处某置枪197问6略～誓198它0赠1扁0焰198筹1末～匙198金5喝0篮0低198纹6若～歉199顿0蒙9普1抚199碌1勤～久199京2咱25不12佣199概3绝～油199碰4搅82王348浓199放5木～庄199烟6赌（猜8艺个月）为88究263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。虎三、关洪键科学巾问题方1誉、港哪地下水锡系统中申的物融理忍—隆化学过娃程研究邀在地下房水系统彼中，流旁体流动转、溶质剖和胶体初迁移都兽涉及到译物逆理葬—爹化学过哈程。研娱究的几秧条主线轿是：事（笑1缴）地层批的非均的质性如虹何用水亏文地质唐参数来握刻画。乒含水介高质一般唐是非均者质的，蚊而且存霜在于不萌同的空肥间尺度始上：从拌小范围隔的渗透到性变化瘦，到中耻等规模繁的地层脊中裂隙夺分布的遗变化，躺再到大竟规模的娇断层、并断裂带战以及地堤层层位惑变化。殃通常情汇况下，架不能确管切地获发取研究纪区域详唱细的非豆均质性近信息。铜非均质遗性造成届的结果货之一是筐水流可翼能被分脚成各自鞭独立的走水仓，夫使得同量一研究撒区的不锋同部位偶水头不恨同。尽毕管在该牲领域进推行了很崭多研究跳，包括长使用随雹机方法奏，问题刊也远未副得到解怜决。萝（党2轨）地下密水系统挺中的快无速流动猾路径的摆确定。叮地下水逗系统中蝴一些流雪动路径樱中的流净速远大搁于流体御或羽状安水流的套平均流篇速，可大高一个屈数量级隐。快速拍流动路箱径可能句因为存辜在断裂不、断层湖面的薄朽膜流、面两个地赖质体之母间的界酬面，或恢因水流培找到一置个最小想阻力的毁渗流路茂径。后存者我们稍称之为棕沟流现步象（亡cha犬nne糟lin珍gp巨hen院ome支non优）。简（惜3扔）界面衔上或穿禽过界面雨的流动枪和溶质下运移研千究。这条类研究受包括地言层界面优、裂隙血-根多孔介沟质界面写或裂隙仇表面，检以及饱望水带和创非饱和锁带之间岸的毛细骂水带。菜在较大打尺度上酱研究界浪面时，下大气、您地表水煤和地下梦水之间趴的相互修作用也丝需进行娱研究。烈（撒4趋）胶体窝、气体夺或微生窗物影响尊下的水嫩文地球裹化学过牧程。在柄被美国段国家研哗究理事凡会（斜200乓1裤）列为迫地球科珠学基础永研究六膜大机遇型之首守的存“糠关键宋带神”值（药Cri浪tic乐al六zon析e感，即维竹持着几辉乎所有情陆地生孤物的生屋命、包小含着岩腾石滔—柴土茶壤笋—饥水环—侮气梨—御生物相己互作用悬的近地荷表环境穗）研究槽中，凡情涉及风望化壳、奖土壤、余微生物掠、地表絮水和地衔下水环裙境，或逆涉及发惩生在关厉键带发致生的四晶个相互勉影响的型主要过衡程（生鹊物活动田、风化虫作用、犯流体输罩运和近江地表构僚造活动烟），都秀不可能篮忽视胶京体的作或用和影君响。近关地表低榴温环境场中胶体豪的地球宾化学也读是纳米苏科学的领重要研闷究课题逢。核素肉和砷等糟许多有辜害组分椅在地下彼水系统返中的迁明移富集宏明显受酱胶体的为控制。刑在气体如和微生健物的影野响下，需地下水租系统中性的懂水时—费岩相互拣作用、露污染物铜的地球徐化学行纸为会发妇生许多枕重要变震化。如生何精细炊、定量选地刻画匆地下水丑系统中眯的胶体肆、气体刃或微生秒物类型晓、特征煎及其对触水文地锈球化学初过程的京影响，文对水文蜡地质研段究提出台了严峻耐挑战。缺2前、场地酒评价方叼法甚与国家路目标有冲关的水何文地质僵问题大郑多集中氏于具体燕的场地裁。例如汉，一个餐特定的肤场地的柱污染是丑否得到爹了控制悲？或能咳否确保趋位于地毛下柏300谣m谦深的场助地中的钓废物在吸将来的迁100眯0惑年内与贸生物圈鸽隔绝？脱这些具柴体的场寒地问题乳需要用当场地特甘性描述础方法来框了解场危地的特城点和结棋构以及薯场地中伏正在进位行（或响将来可司能发生无）的物醋理句—购化学过忠程。纷为了正排确描述兵一个场劲地，我明们不能联仅仅使罗用某一春两种方迫法。我件们需要垒一套方蠢法，不鸽仅能识裙别不同柳的特征兄，而且蒜能相互屈验证，夏以促进鹅我们对抹场地的演了解程缎度。使毁用的方训法包括拳地表地尖质学和店地球物钓理测量宅、钻井愈记录和论监测、陆钻孔横族剖面地室球物理橡成像和躬雷达断射层照相胡术、瞬锻时压力另测试以政及包括遗各种同处位沫素在内卷的示踪势剂迁移亚试验。环所有的乡数据可台输入地稼理信息碗系统（困GIS驳）摸,桨以便于锡使场地鲜的结构税可视化辆。船取得场皮地丰富雨的数据币之后，效我们可结建立场积地概念守模型，偶包括地突质结构招、特征赵参数、生边界条纸件以及亭发生在撇场地内仁的物眯理分—鹊化学过恼程类型练。另外馒，其它虎的暮“感状渐态翁”行变量（翁如压力蛛水头分沈布和含钓盐量分比布）也鲜需确定筐。这些猪可能随饿着时间阻变化；广例如，票场地处种于水力恢学非稳替定态，巨是瞬变茅的。我饮们需要扩证实该蓬概念模听型内在迹的一致启性，使绣得区域擦中的状酿态变量涂分布与箩边界条丙件和地能质结构缩相一致埋。元建立一桑个概念豪模型时灿，需要就估计、岁追踪数坛据本身涌及其解连译、分涉析过程啄存在的牌不确定个性。需鄙要了解却这些不灯确定性弓是如何邀影响场缠地的安兵全的。稼经常的赚情形是缩，由于倒数据的初不完善储，候选烈（替代晓）概念膛模型可割很好地瞒满足所礼有可得温到的数验据。确视定候选泳（替代爬）模型杜及其相由关的不遥确定性秋的方法周还需深倒入的研舅究。涛此外，汪为了研负究场地腐的水文技地质条菌件，需凝要重新界考虑现香场测定族水力学甘参数的得意义。兆一般而赠言，测克定结果袄（如对患一个岩哭心的测籍定）实贴质上代弦表空间汗中一个夏点的水呈力特性清。抽水诊试验、既压力渗奉透试验滔结果可希知一定接影响范久围内的翼地层水括力学特胁征。在驱较大区眠域中使改用这些育水流和也输运数调据必须祖十分谨关慎，要那记住预攻测的需穴求和应糕用的前豆提条件姑。例如械，预测嫩场地地汉下水未傍来的平阁均压力某水头的仁难度远殊小于预搂测下游更某地点敌污染物略的最大烘浓度。茎该类研届究涉及握新的观增测技术蜜、新仪邻器和新岛材料的怕研发与帅应用。火但是，础在使用喊任何一习种手段闭之前，考我们都魔需要审恩慎回顾蹄整个野罗外观测掀、分析培和模型皮预测过掌程及其娘与该特衬定场地锐研究目浇的的关与系。去3智、耦合叫模拟方鹊法奶属于国围家目标集且被广惠为重视喝的许多裕问题经栽常涉及海水文地屯质过程滋与其它忙过程（铸如化学毁和岩石威力学过柜程）的金耦合的而影响。笨例如，拆所谓的萝THM职耦合过词程，它犯综合考增虑了热轻（恳T污）、水洲文地质扑（疗H筛）和岩隙石力学璃（裂M扫）的影箱响，这张对存储架于断裂积岩石中羡的核废芳物的安雀全性评厚估非常译重要。辟比如，姥要求建紧立核废痛料储存朝室的地委下开挖滔,临将会引碎起储存位室周围猫地区发医生力学形变形，动并使局枣部渗透怜性发生屑变化。遇核废物国的衰变重释放的页热能会丛诱发岩固石中的峡热沉—对力学效惯应，从冈而引起米岩石中宅的裂隙霉闭合，话降低裂洽隙的渗妙透性。心另一个译例子是系THC腰耦合方版法，它绢综合考呼虑了男T牛、甚H倘和塑C岭（化学慎）作用柜的影响牙。该方效法在研感究将化席学废物克注入深做部地层墨进行埋街置处理仔时非常业重要。怨注入废办液的温际度与深构部注入梁区的温州度不同肆，可与再注入地域层中的输水和矿码物成分糊发生化性学反应困，使岩衡石的矿悦物成分穴溶解或滩溶质发案生沉淀途。这样弊将改变录岩石中煤空食隙的大津小，并义由此影似响水力好传导率踪。如果四同时发僚生相变站（例如县沸腾和阿浓缩）倦，这些流作用的马影响可贤能意义赛更大。嫩水文地代质过程唯和微生盗物作用杏的耦合李也很常抹见，但摩研究仍千很薄弱熄。由于搂地下水爸中微生刺物的活始动，会朋引起水骡力传导谢率的变派化；由裙于存在缠胶体迁慌移方式纤，会使妇得地下役的某些辩污染物斩发生较蛮快速的泄迁移。央上面提方到的药耦合过巧程压仅仅是道这种完侄全开放签的研究泛领域的炊一些例纸子，还滚有大量音的研究筝工作需池要进一迈步开展爸。们四快、丧矛关于加燥快水文柜地质研裹究创新蓄进程的瓜资助策圆略建议核孙枢和俱李晓波沿（吹200罩1滴）对世召界范围颜内资源治与环境芹学科的安发展趋怜势作了李精辟总第结：（种1弃）整体群观、系棵统观的乌研究思间路得到图加强；底（培2牺）跨学输科的研停究方式焦和专项凉计划的杂组织方鹅式成为护主流；程（杠3趴）研究节的突破屿越来越分依赖于及长期连芦续观测借资料的再积累与吸分析；产（禁4滔）模拟跳与虚拟穴研究已刻成为解贷决资源为与环境五问题途卡径的重仇要手段顶。这些悠趋势在浸过去堤40药年水文佣地质学永的快速怒发展中里得到了圣全面而逐充分的付体现。圾为了解剩决社会正面临的羽与水文俱地质有富关的大嗓量问题逆，过去约那种单郊个科学瓣家随机俯提出和堡研究自时己感兴肾趣课题润的传统替办法已穴经不够垫。我们珠需要三隙种类型森的研究椒项目平色衡地忧进行：小小型的贪单个研恶究者主搬持的研锤究项目坝,搏多学科杆项目和们多机构呈项目。编1夸、小型症的刻单个研黄究者主疑持的研惩究讽项目精这是传截统的项澡目研究趴类型，疤包括一杆或两个励主要研高究人员污及其几虹个学生他和博士跳后等。臂他们通伸过深入端详细地闷调查物记理杀——两化学过里程、新扑观测技禽术或某伍项科学抽议题来忆进行研亮究。这给种类型传研究的序优点是混其灵活峡性和取遣得新发烟现的潜复能。这加样的研工究结果叠常成为股新知识叹和新方棉法的基跃础，同剖时也是窃很多应赵用研究染的基础庸。例如洽薄膜流庙动和沟口流现象炼。前者截是关于成在非饱阵和裂隙巧岩石中浪裂隙表氏面的流聚体流动愈，即使楼是裂隙钱的缝隙己本身大撒部分被况空气充猪填。尽需管通常颂用非饱敌和流动叛理论可润预言在谱这样的等低饱和井状态下妨无流动终发生，驳但薄膜盘流动现睡象提供厉了新的运流动机酸制，因扩此，仍恐可发生兰流动和绑物质迁冒移。沟浅流现象叙涉及在低强烈非王均质多堤孔介质骡或裂隙售介质中注的水流饰过程。抓具有潜飞在坡度购的流动宝可找到饺阻滞力渔最小的浴流动路悔径，并融将形成记动态的生流动沟肿。计算窃表明，雀这些沟披中的流预体流动集速度比鹊用平均特水力参删数计算霸得到的极平均流僻动速度旁高一个吐数量级贯。在饱版和与不返饱和岩关石中都脆发现了乌这样的滥沟流现泊象。叼实施这内类研究翠项目的弯关键是榨，在评童价和接殿受项目鼠申请时呀，不能杰过分依耽赖研究嚼计划和若工作设酷计（因羞为水文绑地质基巾础研究棕的创新搂常常很律难预测填），应扑允徒许研究况过程有酷足够的诵灵活性砌。这类捡项目的您成功应判根据研抄究数据捧和成果也来评价渴。没有编产出，困即没有舟取得新消进展潜担力的项宗目应予任终止。孙2醒、多学孤科项目评这些中置型规模饥的研究培项目涉欢及到多姓个不同何学科，棒如水文腊地质学为、化学名、地球符物理学桂和岩体祝力学等吸，项目贝组的研透究人员禁可相互读合作解黑决某一基问题。燕这些问唤题经常度涉及特汁定地质侦系统，拨其中所巧有的过制程和几学何结构惩均需要见考虑。婚许多这吉些过程地都是涉帆及到不浑同学科扶的过程度的耦合孙。例如柴，在研万究核废那物地质要处置安悟全性评缝估时需响要识别耻关键的剑科学问痛题时，竹美国能于源部组洗织包括足地质学革、地质询力学、尤地球物症理学、煎水文地售质学和舰地球化搬学五个逼学科的飞科学家饺（可来港自同一舰机构）击，一起地来共同浮研究和榆评估。揭通过定楚期召开防讨论会乌，各组轨成员相兔互学习逢，产生迁跨学科三的研究用思路，醉来解决颗突出的先科学问终题，并枝探索裂雾缝观测贪和分析汗技术。听管理这黑些项目闸的关键辩是召集所能向其店它学科烤的研究早人员学桃习的优瓜秀研究筑者，在缝一个、恐最好是洪两个科姑学家的澡协调下速来共同杯进行。炒协调人脑的作用高是把研谅究组的渣注意力毛聚焦到路主要问市题上去乡（在该盾例中是裹核废物哭地质处铁置的安拳全性评测价）。剖在主要浪问题的田范围内屡，应该易允许研阶究人员蚊能自主排选择他握们认为办需要重牵点研究访的关键路课题。俩3钟、多机抬构项目皱这些是跨大项目因，涉及学到几个桨研究机挑构来解暂决一个符国家或蛾国际上晒的重要们课题。祝这样的塑项目可殃组成研耐究组，晓利用每收一个参日加单位摧的优势冒，来解识决单个略机构本都身所不暗能解决域的问题合。如上规述的呼Geo能-se盒que房str房ati肌on滤（简写锅GEO格-SE础Q堪）项目楚，是一仍个多机恒构项目耻，目的干是解决泉地下顿CO浪2洪隔离的紫科学和表技术问扭题。下塘面对这毕个不同铸寻常的必项目的吩进展和挎执行情威况作一盖详细描产述。翻（略1善）政府恩制定计肿划：根逗据科学汽证据和福国际学予术界的纺讨论，顷美国能穷源部（谜DOE传）认为隔CO锁2奉隔离是脖需要研贯究和评核价的课剧题。来季自埋7洗个国家翼实验室胖、两所勾大学和击一个私纸人学会差研究中津心的优趣秀科学轧家聚集票在一起脚，根据返研究目活的和需睡要，制振定了研墨究和开强发计划焦。然后幸，发出舰了项目才申请通画知，其寺中特别鞭要求多捞个研究痛组织的协共同申刊请，包弃括国家究实验室僚、大学您和工业蹄界。根罗据收到星的建议踢，评审说和评估厌过程选盘择了几股个拟资熄助的大叔项目。惯（兼2畅）膛Geo偷-Se愧q跌项目：贤Geo东-Se型q摸项目是凉这次项孟目申请腥过程中匙成功的耽项目之宇一。它琴被确定黎为国立卸－私立畏研究和盒开发合司作伙伴吐项目，尾来研究商安全和经高效的沙地质隔届离沈CO市2反所需的客技术和末信息。厅该项目隐的参与穴者有三伸个国家蜂实验室骡、一所当大学和赤三个研厕究中心忧，并与野六个石妈油公司冬合作。乖项目研挡究分为的四项主榆要任务眯，每项肥主要任老务明确厚规定包葡括两到泄三个子砖任务。报每项子紧任务由植来自一嫩个项赶目参与诞机构的脸一个任绑务负责裕人领导养。总的伸协调工团作由同影一个机勾构的一点个或两轮个在起乘初的项漏目申请追和后来哀的项目钳实施中送牵头的柜项目负折责人承严担。通（绩3笋）项目原实施：粪项目中新各个子峰任务通携过每月光的电话租会议协枯调，也估可通过宋非正式粗的电子刊邮件和踏电话交误流。在舰年度的秩项目会任议中，债要提交撇所有的北任务结颠果，并厘进行讨厦论。建林立独立也的顾问致委员会钢，参与节每年的找项目会请议和评论论研究粱报告以疼及论文夺，并为忆项目提迷供评价可和建议边。项目壁负责人浮应通过粒电子邮俱件、电交话或面给谈的方溪式与资岸助机构辣保持密伟切联系霉，使资哲助机构唤了解项厕目进程耻和重要放成果。才（绩4别）政府慧机构对脉大项目撞的监控槐：支持受该类项穗目的政搞府机构骄一般批胸准项目任在驰3~5麻年的时滚间内实胖施，但顷完成后完也可准强许再作傅一个周耳期研究豪。该机桌构每年势根据项降目成果罢、顾问派委员会吧评价项急目的情米况，以玻及项目央符合最魄初的研玻究计划涝的需要钩情况（放上述第撤一项）智，对项宫目进行亭评价。各这样的偿每年的倒项目评蜂价将决粒定来年吼