收稿日期:2006-08-16;修订日期:2006-12-10;责任编辑:刘英姿。
基金项目:国家自然科学基金项目(40501010)。
第一作者简介:杨建锋(1971— ),男,博士、副研究员,主要从事水文地质学和包气带水文学研究。
E 2mail:jf 1yang@s ohu 1com资源战略美国水文地质调查发展历程及启示杨建锋1,万书勤2(11中国地质调查局发展研究中心,北京100083;21中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)摘 要:美国水文地质调查经历了100多年的发展,在该领域长期居于国际领先地位,影响和引导了国际水文地质学的发展方向。
本文通过梳理美国水文地质调查发展的主要脉络,揭示了美国经济社会发展和水文地质调查之间的内在关系,总结了不同经济社会发展阶段水文地质调查的发展特点。
在分析美国水文地质调查发展正反两方面经验的基础上,提出了对我国水文地质调查工作的启示:把握经济社会需求,推进水文地质调查基础工作;加强地下水保护,遏制地下水环境恶化趋势;加快有害废物地质隔离和地下水污染治理技术的研究;建立高效的调查成果服务机制;推进地下水资源和地表水资源一体调查。
关键词:水文地质调查;地下水;发展历程;美国中图分类号:P641 文献标识码:A 文章编号:1673-2464(2007)01-0022-05H I ST O R Y AN D I LL U M I NAT I O N O F HYD R O GE OLO G I CALSURVE Y I N THE UN I TES STATESY ANG J ian 2feng 1,WAN Shu 2qin2(11D evelop m ent R esearch Center of China Geological Survey,B eijing 100083,China;21Institute of Geographic Sciences and N atural R esources R esearch,China A cade m y of Sciences,B eijing 100101,China )Abstract:The hydr ogeol ogical survey in the Unite States with a hist ory of more than one hundred years is p laying a leading r ole in the world f or a l ong ti m e .This paper reviews the hist ory of hydr ogeol ogical survey in the United States,su mmarizes the hydr ogeol ogical features at different s ocial 2econom ic devel opment stages,and p resents an illu m inati on f or China ’s hydr ogeol ogical survey based on the American experience:(1)t o clarify the needs of s ociety and economy and t o accelerate the hydr ogeol ogical survey,(2)t o enhance in p reventing the undergr ound water fr om being polluted,(3)t o strengthen the geol ogical is olati on of deleteri ous materials and t o i m p r ove the technol ogy in treating with the polluted under water,(4)t o establish an efficient public service syste m f or survey achieve ments,and (5)t o p r omote integrated survey of gr ound water and surface water res ources .Key words:hydr ogeol ogical survey;undergr ound water;devel opment hist ory;the Unite States地下水是美国重要的自然资源之一。
据美国地质调查局(以下简称USGS )统计,2000年美国总用水量为5636亿m 3,其中地下水1167亿m 3,占总用水量的2017%;9813%的家庭用水、5714%的牲畜用水和4115%的灌溉用水来自于地下水[1]。
地下水在维持生态系统方面也具有十分重要的作用,例如补给河流,维持河岸和湿地生态系统等。
1 美国水文地质学发展简要回顾图1示意了水文地质学发展的几条脉络,包括重要事件、USGS 水文地质学家人数、地下水资源评价、地下水流定量研究等。
19世纪60年代后期,农业和城市发展对地下水的需求不断增加,刺激了人们对水文地质学的研究。
这一时期水文地质工作者主要关注的是自流井的开发,研究基本上以定性和描述性为主,缺乏定量的尝试。
1879年USGS 成立,1903年USGS 成立水文部[2]。
自此以后,USGS 成为美国水文地质学发展的主体力量,到1910年末即获得了国际水文地质界的广泛认可。
1910—1940年是美国水文地质学的奠基阶段。
在此期间,USGS 确定了水文地质学的发展方向,奠定了水文地质学的理论基础,水文地质学发展成为地球科学的一门重要的分支学科。
在20世纪20年代中期,M einzer 出版了系列专著,包括《美国地下水形成与理论探讨》和《地下水文学概要》等,系统地第9卷第1期 资源与产业Vol 19No 112007年2月 RES OURCES &I N DUSTR I ESFeb 12007图1 美国水文地质学发展脉络示意图总结了水文地质学的研究工作和理论进展,同时首次对全国地下水资源进行了定性评估,阐述了地下水补给、排泄、数量、质量、开发利用等各个方面[324]。
在水井水力学方面,稳定流理论居于主导地位。
1935年,Theis非稳定流公式发表并迅速推广。
在地下水量平衡研究方面,M einzer于1932年出版了《地下水供水量评估方法概要》,总结了Theis公式出现之前在地下水平衡方面的研究成果。
在地下水开发方面,含水层枯竭、地下水污染、海水入侵和地面沉降等问题先后出现,使人们认识到开发地下水需要进行合理规划和科学管理。
为了实现这一目标,USGS启动了合作项目,国家、地方和私营部门共同参与,共享研究成果。
1940—1976年是美国水文地质学的迅速成长阶段。
USGS与全国50个州、波多黎各、维尔京群岛、关岛、萨摩亚群岛等地方部门合作,以州为单位先后对各个州地下水资源进行了调查,采用均衡法对各个州地下水资源进行了初步估算。
20世纪70年代USGS 对全国21个区域开展了水文地质调查和地下水评价工作,在对区域地质、水文地质条件调查的基础上,对地下水补给、地下水排泄等地下水均衡要素进行了估算,分析了在地下水利用中存在的问题,提出了地下水管理对策。
在这个阶段,地质学在地下水调查和分析中的应用不断深化,地球化学过程研究不断深入,地球物理方法和设备日趋成熟和完善。
从事水文地质研究、教育和生产的人数急剧增长。
USGS从事地下水研究的科学家人数在1940年为80人,到1960迅速增长到420人[5]。
定量问题分析和预测方法迅猛发展,先后产生了实体模拟方法、系统分析方法和数值分析方法[6]。
1978年USGS启动了“区域含水层系统分析项目(RAS A)”,目的是摸清全国含水层系统的水文地质条件、含水介质的水力性质、区域地下水流系统和水文地球化学特征。
RAS A项目历时近20年,调查和研究了全国28个以流域为单元的含水层系统。
该项目采用三维有限差分地下水流数值模型,通过模拟地下水开发前后地下水动态变化,地下水资源的评价精度得到显著提升[7]。
以区域含水层系统分析项目成果为基础,1990—2000年先后编制出版了各个含水层系统的地下水图集,比例尺为1∶250万～1∶10万。
随着经济的持续增长,从20世纪80年代开始人们改善和保护生态环境的意识不断增强。
水文地质工作开始由过去的以资源为重逐渐转变为资源和环境并重,近年来日益重视地下水的生态作用。
USGS启动了新一轮地下水资源调查“地下水资源计划(G WRP)”,目前仍在进行中。
调查的范围从过去的以州为单位改变为整个含水层系统、水文系统、生态环境系统,所面对的问题,由当前的问题转向长期的水资源可持续利用问题[8]。
与生态学、微生物学、土壤学等学科不断交叉渗透成为水文地质研究的重要特点。
地理信息技术、遥感技术和同位素技术在水文地质调查中的应用发展迅速。
2 不同经济社会发展阶段水文地质调查发展特征图2列出了美国不同经济社会发展阶段经济社会发展特点[9210]和同时期水文地质调查发展特点。
根据32第1期杨建锋等:美国水文地质调查发展历程及启示图2 美国不同经济社会发展阶段水文地质发展特点中国现代化战略研究课题组的研究,美国自工业化以来经济社会发展大致经历了4个阶段:第一次现代化前期、中期、后期和第二次现代化时期[11]。
211 第一次现代化前期这个时期,美国经济发展由近代农业逐渐向现代工业过渡。
到19世纪末,美国已基本成为一个工业部门齐全、现代工业体系初步形成的国家,从农业社会进入工业社会,国家经济开始以工业为主。
1869—1899年,工业产值从33%上升到53%,农业的绝对产值虽然有所增长,但其在国民经济中所占比重却由53%下降到33%[10]。
在北方,城市化发展迅速,欧洲来的移民每年达30万人,一般留在城市或他们到达的港口;在南方,农业灌溉面积不断扩大。
起初,农业和工业所需的水资源以地表水为主,随着工农业的发展,南方地区需要抽取地下水灌溉水稻、玉米和棉花;北方城市地区地表水遭受到严重污染,需要开发未受污染的地下水。
这一时期由于地下水开采历史很短,开采规模较小,在适宜的条件下揭穿含水层后地下水可自流。
因此,该时期的水文地质调查主要集中于自流井的探查,研究自流井的成井条件,研究报告以定性描述为主,缺乏定量的尝试。
虽然有研究者指出,过多开采地下水将可能使自流井流量衰减,但是水文地质调查人员并未重视此问题。