水文地质学原理
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1.5 水文地质学的发展历程

水文地质学的发展历程大体可以划分为萌芽、奠基和发展三个阶段。

1.萌芽时期(远古至1855年)

人类早在远古时代就已打井取水。中国已知最古老的水井是距今约5700年前的浙江余姚河姆渡古文化遗址水井。古波斯时期在德黑兰附近修建了坎儿井,最长达26km,最深达150m。约公元前250年,在中国四川,为开采地下卤水开凿了深达百米以上的自流井。中国汉代凿的龙首渠是一种井、渠结合的取水建筑物。在利用井泉的过程中,人们也探索了地下水的来源。法国帕利西、中国徐光启和法国马略特先后指出了井泉水来源于大气降水或河水入渗。马略特还提出了含水层与隔水层的概念。

16世纪以前,人类对地下水现象只限于直接观察和推测。柏拉图推测,地下有个巨大的洞穴,其中的水是河流的源头。中国唐代柳宗元在《天对》中记叙了地下水在岩土空隙中的存在、入渗、蒸发和流动等现象。

2.奠基时期(1856—1945年)

从17世纪到20世纪初,科学家们通过观察、实验和分析,提出了一系列关于地下水形成和运动的重要概念、定律和方法。法国科学家佩罗(Perrault Pierre,1608—1680)研究了地下水的毛细管上升现象。1856年,法国工程师达西(Henry Darcy,1803—1858)通过室内控制性实验建立了地下水渗流的基本定律,奠定了地下水运动的理论基础。1863年,法国学者裘布依(Arsene Dupuit,1804—1866)根据实际的潜水面坡度很小的事实,做了一些简化和假定,运用达西定律导出了地下水的井流公式。1870年,德国人蒂姆(G.Thiem)改进了裘布依公式,从而可用稳定流抽水试验来计算渗透系数等参数。1885年,英国的张伯伦确定了自流井出现的地质条件。奥地利人福希海默(P.Forchheimer,1852—1933)在1885年制出了流网图并开始应用映射法。这些工作为水文地质学发展奠定了基础。

19世纪末20世纪初,对地下水起源又提出了一些新学说。1902年,奥地利人修斯(Eduard Suess,1831—1914)提出了初生说。1908年,美国莱恩、戈登和俄国安德鲁索夫分别提出在自然界中存在与沉积岩同时生成的沉积水。1912年,德国凯尔哈克提出地下水和泉的分类,总结了地下水的埋藏特征和排泄条件。

1928年,美国学者迈因策尔论述了承压含水层的可压缩性和弹性,为地下水非稳定理论的建立准备了比较丰富的实践基础。由于预测地下水运动过程的需要,促进了水文地质模拟技术的发展。20世纪30年代开展了实验室物理模拟。1935年,美国人泰斯(Charles Vernon Theis,1900—1987)利用地下水非稳定流动和热传导之间的相似性,导出了著名的泰斯公式,把地下水定量计算推进到了一个新阶段。1937年,美国学者马斯克特(Muskat)在《均匀流体通过多孔介质的流动》一书中,用数学方法较系统地论述了地下水的运动。1930年,荷兰水文工程师德赫莱用数学方法分析了地下水渗过弱透水层的越流现象。第二次世界大战结束时,在地下水的赋存、运动、补给、排泄、起源以及化学成分变化、水量评价等方面,均有了较为系统的理论和研究方法,此时水文地质学已经发展成为一门成熟的学科了。

3.发展时期(1946年至今)

第二次世界大战以后,合理开发、科学管理与保护地下水资源的迫切性和有关的环境问题,越来越引起人们的重视。

随着生产力与科学技术的迅猛发展,人类对地下水的需求大为增加,世界各地都出现了地下水水位下降、地下水资源枯竭、地面沉降、海水与咸水入侵淡水含水层以及地下水污染等问题。这一阶段正确地预测在人类活动干预下地下水的变化,从而正确地评价、开发、管理与保护地下水资源以及保护与地下水有关的生态环境成为当务之急。

随着大规模开发利用地下水,某些水文地质过程开始受到人们的注意。20世纪40年代末发展起来的电网络模拟,到50—60年代在解决水文地质问题中得到了应用。苏联奥弗琴尼科夫和美国的怀特在水文地球化学方面做出了许多贡献。20世纪40—60年代,雅可布(Charles Edward Jacob,1914—1970)及汉图什(M.S.Hantush)等研究了松散沉积物承压含水层的越流现象,发现原先认为是不透水的“隔水层”,实际上是透水能力比较弱的透水层。含水层与其间的“隔水层”共同构成水力上相互联系的系统——地下水含水系统。20世纪60年代以来,加拿大的托特(Tóth)提出了地下水流动系统理论,为水文地质学开拓了新的发展前景。贝尔(Jacob Bear)编著出版了《多孔介质流体力学》(1972年)和《地下水水力学》(1979年),极大地推动了水文地质计算理论发展。

由于电子计算机技术的发展,20世纪70—80年代,地下水流数值模拟成为处理复杂水文地质问题的主要手段。同时,同位素方法在确定地下水平均储留时间、追踪地下水流动等研究中得到应用。遥感技术及数学地质方法也被用于解决水文地质问题。对于地下水中污染物的运移和开采地下水引起的环境变化,引起广泛重视。

进入20世纪90年代以来,一些先进的方法和模拟技术得到广泛开发与应用。从地下水模拟软件ModFlow的诞生,到目前广泛应用的地下水模拟系统(Groundwater Modeling System,GMS),充分显示了现代计算机技术在地下水研究中划时代的进展。水文地质学在不断的发展中逐步形成完善、独立的学科体系,发展过程中的主要成果见表1.1。

表1.1 水文地质学的发展历程

续表

资料来源:肖长来,2010年。