水文地质的关键科学问题及其创新资助策略

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装时间段鸟涉怎及林“咳修草复赛”鸟的专利教Class妇588曾专利：有害废匀物的分解或处兼置杀1976每～忌1980武1作0即1981奶～筑1985管0霞0深1986玩～踢1990过9欺1果1991康～系1992呢25虫12颜1993趴～固1994锈82杀348搭1995获～炎1996绑（挽8您个月）象88语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。宁三、关键科学柜问题底1联、村和地下水系统中检的物赌理脚—刚化学过程研究钳在地下水系统污中，流体流动债、溶质和胶体酱迁移都涉及到展物理变—趴化学过程。研师究的几条主线僚是：宵（耗1也）地层的非均慨质性如何用水览文地质参数来谦刻画。含水介耳质一般是非均意质的，而且存掉在于不同的空窜间尺度上：从伸小范围的渗透告性变化，到中朗等规模的地层壳中裂隙分布的怖变化，再到大毁规模的断层、旦断裂带以及地肿层层位变化。咏通常情况下，划不能确切地获随取研究区域详扩细的非均质性椅信息。非均质弦性造成的结果港之一是水流可果能被分成各自哑独立的水仓，振使得同一研究有区的不同部位芝水头不同。尽冻管在该领域进缎行了很多研究馋，包括使用随烦机方法，问题诉也远未得到解象决。括（歼2挣）地下水系统玻中的快速流动栗路径的确定。捎地下水系统中藏一些流动路径布中的流速远大责于流体或羽状得水流的平均流让速，可高一个克数量级。快速浊流动路径可能洒因为存在断裂症、断层面的薄虎膜流、两个地咐质体之间的界追面，或因水流班找到一个最小建阻力的渗流路婶径。后者我们喂称之为沟流现绞象（能channe荐lingp阿henome冷non掘）。每（若3骂）界面上或穿蛋过界面的流动黄和溶质运移研助究。这类研究面包括地层界面租、裂隙拘-沫多孔介质界面漆或裂隙表面，尺以及饱水带和蒙非饱和带之间世的毛细水带。面在较大尺度上均研究界面时，沾大气、地表水鹰和地下水之间简的相互作用也胶需进行研究。和（压4亲）胶体、气体戏或微生物影响久下的水文地球伞化学过程。在霜被美国国家研纵究理事会（腹2001程）列为地球科狮学基础研究六卖大机遇之首边的认“愁关键童带篇”衡（神Critic满alzon历e撞，即维持着几愧乎所有陆地生赚物的生命、包萌含着岩石挺—画土壤窄—纠水跃—柜气告—霸生物相互作用多的近地表环境锻）研究中，凡矿涉及风化壳、岂土壤、微生物制、地表水和地蜂下水环境，或薪涉及发生在关民键带发生的四低个相互影响的拳主要过程（生担物活动、风化缎作用、流体输懒运和近地表构孕造活动），都踩不可能忽视胶港体的作用和影键响。近地表低清温环境中胶体牺的地球化学也晨是纳米科学的盲重要研究课题匙。核素和砷等良许多有害组分映在地下水系统屑中的迁移富集捞明显受胶体的躲控制。在气体至和微生物的影印响下，地下水捉系统中的水洋—朴岩相互作用、昂污染物的地球势化学行为会发劳生许多重要变广化。如何精细笼、定量地刻画唱地下水系统中晨的胶体、气体根或微生物类型串、特征及其对社水文地球化学减过程的影响，连对水文地质研纺究提出了严峻顿挑战。甚2放、场地评价方总法织与国家目标有爷关的水文地质桑问题大多集中锈于具体的场地集。例如，一个送特定的场地的渔污染是否得到悟了控制？或能允否确保位于地碌下柿300m拘深的场地中的浅废物在将来的滨1000孟年内与生物圈批隔绝？这些具杏体的场地问题聋需要用场地特骂性描述方法来稳了解场地的特究点和结构以及陶场地中正在进债行（或将来可爷能发生）的物款理日—岛化学过程。拼为了正确描述秋一个场地，我嘱们不能仅仅使扮用某一两种方悼法。我们需要眼一套方法，不兽仅能识别不同皆的特征，而且追能相互验证，陶以促进我们对阳场地的了解程喊度。使用的方记法包括地表地液质学和地球物裁理测量、钻井业记录和监测、论钻孔横剖面地取球物理成像和校雷达断层照相丹术、瞬时压力赴测试以及包括挠各种同位犁素在内的示踪玉剂迁移试验。魄所有的数据可常输入地理信息匆系统（俭GIS泉）挨,晚以便于使场地炊的结构可视化钩。颤取得场地丰富抗的数据之后，穴我们可建立场患地概念模型，题包括地质结构饰、特征参数、隆边界条件以及少发生在场地内灭的物理瓦—驰化学过程类型萄。另外，其它抵的孟“殿状猎态般”异变量（如压力伐水头分布和含钻盐量分布）也倡需确定。这些限可能随着时间淘变化；例如，伯场地处于水力虾学非稳定态，防是瞬变的。我择们需要证实该笨概念模型内在毫的一致性，使考得区域中的状期态变量分布与闻边界条件和地铸质结构相一致旱。酿建立一个概念井模型时，需要配估计、追踪数芳据本身及其解烈译、分析过程姥存在的不确定祖性。需要了解页这些不确定性缎是如何影响场卡地的安全的。貌经常的情形是漆，由于数据的坦不完善，候选摧（替代）概念衬模型可很好地心满足所有可得欧到的数据。确本定候选（替代娇）模型及其相幻关的不确定性足的方法还需深她入的研究。遣此外，为了研矛究场地的水文闸地质条件，需嫂要重新考虑现息场测定水力学污参数的意义。蠢一般而言，测它定结果（如对邻一个岩心的测例定）实质上代怖表空间中一个山点的水力特性登。抽水试验、贪压力渗透试验娇结果可知一定站影响范围内的匆地层水力学特鸣征。在较大区话域中使用这些驶水流和输运数姜据必须十分谨迁慎，要记住预博测的需求和应围用的前提条件熄。例如，预测蝴场地地下水未戚来的平均压力凶水头的难度远清小于预测下游规某地点污染物奶的最大浓度。炊该类研究涉及植新的观测技术陡、新仪器和新袖材料的研发与咱应用。但是，包在使用任何一烘种手段之前，云我们都需要审筛慎回顾整个野深外观测、分析页和模型预测过间程及其与该特嘴定场地研究目逢的的关系。斯3艰、耦合模拟方羞法衡属于国家目标庄且被广为重视聋的许多问题经店常涉及水文地葡质过程与其它稻过程（如化学腿和岩石力学过比程）的耦合的归影响。例如，钩所谓的放THM编耦合过程，它随综合考虑了热味（匙T钥）、水文地质禽（渗H迷）和岩石力学情（竟M洪）的影响，这阔对存储于断裂肯岩石中的核废劫物的安全性评夺估非常重要。柱比如，要求建廉立核废料储存床室的地下开挖消,粥将会引起储存丘室周围地区发林生力学变形，贸并使局部渗透乏性发生变化。准核废物的衰变公释放的热能会粗诱发岩石中的叙热义—剪力学效应，从强而引起岩石中毛的裂隙闭合，摘降低裂隙的渗甚透性。晌另一个例子是姨THC浙耦合方法，它涉综合考虑了焰T昂、俗H士和吨C损（化学）作用易的影响。该方萝法在研究将化贱学废物注入深敢部地层进行埋菠置处理时非常辣重要。注入废绘液的温度与深酷部注入区的温隐度不同，可与钩注入地层中的警水和矿物成分讯发生化学反应胜，使岩石的矿央物成分溶解或外溶质发生沉淀退。这样将改变启岩石中空汗隙的大小，并狮由此影响水力盾传导率。如果滤同时发生相变循（例如沸腾和饱浓缩），这些越作用的影响可夺能意义更大。漠水文地质过程赚和微生物作用捎的耦合也很常炎见，但研究仍迟很薄弱。由于尾地下水中微生厚物的活动，会企引起水力传导讽率的变化；由藏于存在胶体迁锹移方式，会使魄得地下的某些百污染物发生较懒快速的迁移。匙上面提到的序耦合过程所仅仅是这种完灶全开放的研究呆领域的一些例轨子，还有大量界的研究工作需马要进一步开展是。熔四、探胖关于加快水文私地质研究创新拦进程的资助策厚略建议燕孙枢和李晓波携（档2001前）对世界范围咬内资源与环境掏学科的发展趋象势作了精辟总晒结：（面1组）整体观、系辆统观的研究思坟路得到加强；肝（沾2饶）跨学科的研旺究方式和专项述计划的组织方区式成为主流；头（拘3土）研究的突破题越来越依赖于昏长期连续观测州资料的积累与灾分析；（差4断）模拟与虚拟挽研究已成为解蹲决资源与环境焰问题途径的重果要手段。这些夕趋势在过去脉40暴年水文地质学经的快速发展中挖得到了全面而袋充分的体现。紧为了解决社会悦面临的与水文炉地质有关的大竭量问题，过去抵那种单个科学勉家随机提出和奉研究自己感兴印趣课题的传统生办法已经不够骑。我们需要三待种类型的研究统项目平衡地咳进行：小型的宇单个研究者主矛持的研究项目鼠,学多学科项目和倚多机构项目。沈1掏、小型的太单个研究者主辣持的研究凯项目笔这是传统的项贪目研究类型，惰包括一或两个赤主要研究人员散及其几个学生为和寺博士后等。他泽们通过深入详锈细地调查物理啦——迁化学过程、新色观测技术或某扫项科学议题来戴进行研究。这种种类型研究的挪优点是其灵活梁性和取得新发污现的潜能。这艺样的研究结果漫常成为新知识叛和新方法的基葡础，同时也是种很多应用研究者的基础。例如停薄膜流动和沟挥流现象。前者笼是关于在非饱四和裂隙岩石中释裂隙表面的流讽体流动，即使换是裂隙的缝隙耳本身大部分被瘦空气充填。尽熊管通常用非饱颗和流动理论可均预言在这样的鲜低饱和状态下猴无流动发生，这但薄膜流动现最象提供了新的系流动机制，因踢此，仍可发生母流动和物质迁贼移。沟流现象有涉及在强烈非脉均质多孔介质塞或裂隙介质中樱的水流过程。睛具有潜在坡度帆的流动可找到誓阻滞力最小的扮流动路径，并碧将形成动态的肢流动沟。计算鞠表明，这些沟洋中的流体流动唤速度比用平均越水力参数计算片得到的平均流户动速度高一个缎数量级。在饱府和与不饱和岩知石中都发现了锻这样的沟流现纸象。储实施这类研究漫项目的关键是脖，在评价和接哗受项目申请时业，不能过分依丛赖研究计划和喜工作设计（因枕为水文地质基线础研究的创新画常常很难预测奴），应允等许研究殖过程有足够的枯灵活性。这类束项目的成功应棍根据研究数据择和成果来评价偶。没有产出，旁即没有取得新椅进展潜力的项荡目应予终止仇。薄2蛋、多学科项目组这些中型规模殖的研究项目涉伸及到多个不同贴学科，如水文茶地质学、化学朴、地球物理学贩和岩体力学等翼，项目组的研货究人员可相互州合作解决某一始问题。这些问需题经常涉及特言定地质系统，颂其中所有的过和程和几何结构屿均需要考虑。宅许多这些过程卫都是涉及到不呢同学科的过程勿的耦合。例如陡，在研究核废前物地质处置安携全性评估时需撞要识别关键的冰科学问题时，寸美国能源部组拨织包括地质学灿、地质力学、棉地球物理学、捡水文地质学和集地球化学五个酿学科的科学家直（可来自同一握机构），一起筐来共同研究和梯评估。通过定块期召开讨论会验，各组成员相悄互学习，产生国跨学科的研究邪思路，来解决排突出的科学问弟题，并探索裂森缝观测和分析壁技术。管理这鸦些项目的关键殊是召集能向其厕它学科的研究股人员学习的优谅秀研究者，在情一个、最好是患两个科学家的扛协调下来共同区进行。协调人冠的作用是把研吴究组的注意力峡聚焦到主要问咳题上去（在该仿例中是核废物讯地质处置的安峡全性评价）。律在主要问题的弱范围内，应该宴允许研究人员遵能自主选择他泥们认为需要重肿点研究的关键督课题。梯3搜、多机构项目葵这些是大项目乐，涉及到几个巧研究机构来解掘决一个国家或萄国际上的重要险课题。这样的奸项目可组成研弊究组，利用每最一个参加单位奸的优势，来解逢决单个机构本看身所不能解决性的问题。如上顺述的米Geo-se招questr灭ation钩（简写凉GEO-SE颤Q代）项目，是一西个多机构项目婚，目的是解决貌地下冈CO快2辱隔离的科学和已技术问题。下半面对这个不同简寻常的项目的旨进展和执行情痰况作一详细描羽述。亭（滋1商）政府制定计齿划：根据科学案证据和国际学楚术界的讨论，转美国能源部（眠DOE牛）认为集CO羊2仪隔离是需要研赠究和评价的课伶题。来自银7闲个国家实验室条、两所大学和吨一个私人学会砖研究中心的优米秀科学家聚集嚷在一起，根据稀研究目的和需存要，制定了研饭究和开发计划蓬。然后，发出倾了项目申请通兵知，其中特别饲要求多个研究胳组织的共同申据请，包括国家敌实验室、大学希和工业界。根佛据收到的建议已，评审和评估扫过程选择了几优个拟资助的大旺项目。强（辟2社）寇Geo-Se恰q伟项目：饰Geo-Se傻q借项目是这次项俭目申请过程中砌成功的项目之陷一。它被确定炒为国立－私立侧研究和开发合类作伙伴项目，评来研究安全和君高效的地质隔恼离胞CO影2底所需的从技术和信息。巨该项目的参与递者有三最个国家实验室只、一所大学和旨三个研究中心仇，并与六个石概油公司合作。挖项目研究分为术四项主要任务盆，每项主要任缘务明确规定包罢括两到三个子俊任务。每项子梦任务由来自一清个项打目参与机构的瓶一个任务负责精人领导。总的框协调工作由同侧一个机构的一句个或两个在起棉初的项目申请程和后来的项目损实施中牵头的队项目负责人承稀担。盼祖（也3涛）项目实施：衡项目中各个子曾任务通过每月捉的电话会议协仅调，也可通过冰非正式的电子戏邮件和电话交机流。在年度的杀项目会议中，挥要提交所有的超任务结果，并讨进行讨论。建妹立独立的顾问爱委员会，参与磨每年的项目会匀议和评论研究密报告以及论文任，并为项目提朝供评价和建议篮。项目负责人病应通过电子邮艰件、电话或面海谈的方式与资周助机构保持密袖切联系，使资屡助机构了解项策目进程和重要兵成果。锄（墓4杏）政府机构对琴大项目的监控罚：支持该类项寒目的政府机构瑞一般批准项目翁在锋3~5商年的时间内实练施，但完成后俯也可准许再作辜一个周期研究预。该机构每年绒根据项目成果瓜、顾问委员会喉评价项目的情座况，以及项目计符合最初的研第究计划的需要旋情况