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苦时间段现涉剥及头“歇修逗复扔”匹的专利签Clas犁s58焰8橡专利：有锡害废物的悼分解或处亡置泛1976巾～苦1980志1纯0控1981允～禽1985微0劝0疾1986百～下1990医9躲1摔1991破～僚1992订25掀12挖1993陈～浮1994膜82叠348肺1995出～劲1996涨（皮8免个月）配88歪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。颤三、关键乱科学问题卸1移、剂虚地下水系搁统中的物居理造—老化学过程坑研究续在地下水臂系统中，淡流体流动霞、溶质和嗓胶体迁移饰都涉及到幅物肆理铸—拣化学过程诊。研究的豪几条主线帽是：怨（窄1篮）地层的责非均质性掀如何用水羽文地质参遮数来刻画精。含水介鬼质一般是司非均质的肃，而且存莲在于不同摸的空间尺强度上：从粱小范围的码渗透性变策化，到中继等规模的丹地层中裂栏隙分布的大变化，再胖到大规模俭的断层、往断裂带以膨及地层层埋位变化。宣通常情况渡下，不能拘确切地获拿取研究区夏域详细的著非均质性蜂信息。非迈均质性造极成的结果势之一是水滨流可能被业分成各自式独立的水烛仓，使得鉴同一研究爸区的不同量部位番水头不同命。尽管在碧该领域进禁行了很多眉研究，包遗括使用随驾机方法，缺问题也远敲未得到解丙决。励（道2构）地下水谁系统中的恐快速流动朱路径的确爆定。地下愤水系统中卷一些流动宰路径中的像流速远大枕于流体或滨羽状水流股的平均流地速，可高咽一个数量谷级。快速即流动路径沃可能因为股存在断裂肃、断层面垒的薄膜流身、两个地垮质体之间晒的界面，泼或因水流征找到一个汽最小阻力拆的渗流路土径。后者馒我们称之怀为沟流现久象（僻chan它neli激ngp事heno爸meno锦n缘）。把（完3峡）界面上晃或穿过界妥面的流动郑和溶质运展移研究。劝这类研究袋包括地层蒜界面、裂蓬隙边-档多孔介质耕界面或裂扬隙表面，坚以及饱水衫带和非饱乌和带之间里的毛细水恩带。在较音大尺度上怠研究界面坝时，大气厦、地表水视和地下水烘之间的相统互作用也湾需进行研滴究。丘（董4毁）胶体、托气体或微风生物影响猛下的水文朗地球化学告过程。在睛被美国国蹈家研究理兔事会（躺2001散）列为地极球科学基宵础研究六床大机遇之并首网的社“优关键度带启”隔（梯Crit律ical怜zon她e盘，即维持浅着几乎所苍有陆地生孙物的生命狸、包含着艺岩纵石沈—双土惜壤译—愧水毁—镰气侵—示生物相互菠作用的近顺地表环境擦）研究中鱼，凡涉及屯风化壳、龟土壤、微给生物、地胁表水和地圆下水环境喝，或涉及柿发生在关徐键带发生迫的四个相寒互影响的高主要过程询（生物活像动、风化借作用、流涨体输运和屠近地表构旗造活动）描，都不可傻能忽视胶撤体的作用全和影响。近近地表低豪温环境中寒胶体的地捉球化学也蛋是纳米科册学的重要倒研究课题师。核素和剧砷等许多探有害组分范在地下水锹系统中的忌迁移富集集明显受胶彼体的控制华。在气体伙和微生物路的影响下疯，地下水醒系统中的界水娃—攀岩相互作配用、污染督物的地球柴化学行为避会发生许乘多重要变畜化。如何盗精细、定舍量地刻画普地下水系静统中的胶萍体、气体缓或微生物浙类型、特斜征及其对除水文地球哈化学过程拖的影响，终对水文地闪质研究提馒出了严峻渴挑战。众2经、场地评奉价方法奴与国家目老标有关的无水文地质淋问题大多共集中于具鸽体的场地纤。例如，驰一个特定甘的场地的剩污染是否斧得到了控凯制？或能竖否确保位巴于地下岂300m昌深的场地违中的废物坚在将来的劝1000洗年内与生忆物圈隔绝闹？这些具竖体的场地边问题需要培用场地特辱性描述方湿法来了解戴场地的特博点和结构疏以及场地蜓中正在进虽行（或将镜来可能发尊生）的物诵理伟—任化学过程泡。菜为了正确京描述一个侧场地，我三们不能仅取仅使用某苍一两种方错法。我们钉需要一套甘方法，不涛仅能识别挨不同的特麻征，而且涉能相互验没证，以促转进我们对仪场地的了嫩解程度。厚使用的方议法包括地朝表地质学统和地球物葛理测量、燥钻井记录犯和监测、秤钻孔横剖呼面地球物缸理成像和与雷达断层黑照相术、如瞬时压力貌测试以及例包括各种葱同位止素在内的迫示踪剂迁宗移试验。千所有的数岭据可输入毕地理信息尊系统（肝GIS闪）毕,辱以便于使咬场地的结蜓构可视化炒。笨取得场地野丰富的数匀据之后，论我们可建扁立场地概氧念模型，读包括地质苏结构、特鄙征参数、净边界条件彻以及发生弹在场地内昆的物狐理叨—毙化学过程船类型。另敌外，其它巨的佣“扫状昼态再”况变量（如最压力水头今分布和含金盐量分布丘）也需确扔定。这些榴可能随着肃时间变化桑；例如，假场地处于拜水力学非恢稳定态，帖是瞬变的晓。我们需肺要证实该兴概念模型币内在的一躬致性，使纠得区域中抢的状态变客量分布与阶边界条件些和地质结弦构相一致危。承建立一个花概念模型哭时，需要皇估计、追煮踪数据本刷身及其解愤译、分析斤过程存在无的不确定波性。需要艘了解这些存不确定性吊是如何影言响场地的下安全的。窄经常的情挽形是，由丸于数据的岸不完善，镰候选（替谁代）概念怖模型可很愿好地满足盈所有可得欣到的数据雅。确定候哭选（替代拌）模型及查其相关的耽不确定性消的方法还逃需深入的狐研究。牛此外，为巧了研究场斑地的水文伟地质条件误，需要重赏新考虑现痕场测定水府力学参数穿的意义。恋一般而言钱，测定结但果（如对湿一个岩心繁的测定）萍实质上代霉表空间中跪一个点的习水力特性齐。抽水试钩验、压力怕渗透试验怒结果可知旱一定影响宫范围内的私地层水力捞学特征。驾在较大区分域中使用烂这些水流潜和输运数虑据必须十陆分谨慎，励要记住预约测的需求鞠和应用的态前提条件妇。例如，衡预测场地鸭地下水未咬来的平均肝压力水头役的难度远瓦小于预测欣下游某地祸点污染物麻的最大浓滑度。躁该类研究消涉及新的吨观测技术主、新仪器晋和新材料阻的研发与葵应用。但肆是，在使界用任何一达种手段之找前，我们畏都需要审余慎回顾整瓣个野外观衣测、分析右和模型预洞测过程及名其与该特寺定场地研眠究目的的愉关系。梯3膨、耦合模侍拟方法忆属于国家吃目标且被咐广为重视配的许多问咐题经常涉残及水文地陆质过程与迅其它过程黑（如化学下和岩石力迈学过程）购的耦合的屠影响。例章如，所谓呀的腿THM言耦合过程靠，它综合稼考虑了热春（侨T围）、水文固地质（碎H演）和岩石礼力学（坛M刷）的影响倦，这对存轻储于断裂片岩石中的怖核废物的度安全性评忆估非常重膛要。比如钩，要求建醉立核废料冠储存室的打地下开挖贷,饲将会引起椅储存室周顽围地区发镰生力学变怨形，并使锡局部渗透厕性发生变谦化。核废巴物的衰变躲释放的热逝能会诱发度岩石中的争热葬—主力学效应王，从而引席起岩石中纽的裂隙闭存合，降低孟裂隙的渗躺透性。疑另一个例态子是逼THC咬耦合方法和，它综合秋考虑了刷T疤、半H造和徐C合（化学）响作用的影如响。该方冲法在研究其将化学废安物注入深技部地层进食行埋置处到理时非常梁重要。注渐入废液的扛温度与深降部注入区容的温度不见同，可与删注入地层网中的水和君矿物成分芦发生化学吴反应，使予岩石的矿坐物成分溶它解或溶质染发生沉淀踪。这样将泊改变岩石拍中空饿隙的大小拳，并由此蜜影响水力两传导率。饿如果同时浆发生相变坐（例如沸训腾和浓缩贵），这些绳作用的影但响可能意从义更大。柜水文地质葵过程和微归生物作用协的耦合也隶很常见，轨但研究仍破很薄弱。钩由于地下微水中微生饼物的活动窜，会引起指水力传导挎率的变化钩；由于存让在胶体迁婆移方式，然会使得地谨下的某些灵污染物发者生较快速针的迁移。策上面提到揉的效耦合过程交仅仅是这被种完全开敬放的研究够领域的一葛些例子，耳还有大量狼的研究工珍作需要进冬一步开展躬。币四崖、世恶关于加快败水文地质努研究创新形进程的资区助策略建秋议态孙枢和李链晓波（槐2001孝）对世界扶范围内资裹源与环境蛮学科的发偿展趋势作屈了精辟总塑结：（液1誓）整体观济、系统观浩的研究思货路得到加荷强；（舰2崇）跨学科俩的研究方塔式和专项圣计划的组疑织方式成耕为主流；蹲（轧3粘）研究的妈突破越来役越依赖于搁长期连续唱观测资料欣的积累与额分析；（聋4角）模拟与楚虚拟研究护已成为解胶决资源与较环境问题艳途径的重跃要手段。虏这些趋势撞在过去味40曾年水文地比质学的快扯速发展中乐得到了全椅面而充分盘的体现。封为了解决为社会面临汪的与水文骂地质有关扭的大量问逼题，过去竟那种单个远科学家随疏机提出和丹研究自己慰感兴趣课摸题的传统坛办法已经校不够。我港们需要三承种类型的谷研究午项目平衡夹地昆进行：小恶型的单个相研究者主邻持的研究亏项目菌,秤多学科项读目和多机少构项目。桃1蛋、小型的西单个研究搞者主持的烂研究肝项目区这是传统旁的项目研持究类型，井包括一或尊两个主要伶研究人员膛及其几个兔学生和博崖士后等。索他们通过陪深入详细消地调查物维理艇——公化学过程驾、新观测易技术或某暖项科学议酬题来进行粘研究。这魔种类型研牙究的优点石是其灵活滚性和取得叛新发现的变潜能。这屠样的研究夺结果常成伐为新知识式和新方法幅的基础，适同时也是具很多应用婚研究的基滤础。例如乐薄膜流动嫁和沟流现剩象。前者段是关于在志非饱和裂棉隙岩石中某裂隙表面跑的流体流担动，即使钻是裂隙的危缝隙本身既大部分被阳空气充填全。尽管通汽常用非饱摄和流动理饺论可预言广在这样的盈低饱和状成态下无流魄动发生，着但薄膜流妻动现象提焰供了新的幸流动机制炭，因此，惕仍可发生割流动和物狭质迁移。殿沟流现象弃涉及在强猴烈非均质纹多孔介质习或裂隙介抄质中的水笼流过程。运具有潜在服坡度的流遣动可找到诉阻滞力最灰小的流动墨路径，并等将形成动吵态的流动明沟。计算您表明，这旱些沟中的舅流体流动蠢速度比用脆平均水力蛇参数计算握得到的平衣均流动速可度高一个酷数量级。纷在饱和与息不饱和岩丰石中都发愁现了这样市的沟流现叮象。待实施这类统研究项目竿的关键是伞，在评价提和接受项泊目申请时坝，不能过焦分依赖研辆究计划和躁工作设计归（因为水仓文地质基虾础研究的茫创新常常健很难预测昂），应允介许研究过巷程有足够超的灵活性旷。这类项悬目的成功益应根据研乔究数据和城成果来评屯价。没有芒产出，即麻没有取得圈新进展潜姿力的项目羽应予终止征。土2艰、多学科厘项目沃这些中型欧规模的研扩究项目涉渣及到多个货不同学科住，如水文跳地质学、杏化学、地炼球物理学晴和岩体力佳学等，项览目组的研破究人员可铜相互合作辨解决某一盖问题。这麦些问题经励常涉及特虎定地质系敌统，其中剃所有的过蓄程和几何息结构均需摸要考虑。黑许多这些翼过程都是吼涉及到不统同学科的椒过程的耦粘合。例如惜，在研究微核废物地怕质处置安司全性评估庆时需要识前别关键的欲科学问题想时，美国之能源部组奏织包括地迁质学、地熊质力学、即地球物理扇学、水文剖地质学和午地球化学还五个学科六的科学家滑（可来自追同一机构旗），一起具来共同研逐究和评估员。通过定童期召开讨耐论会，各鄙组成员相编互学习，检产生跨学鱼科的研究副思路，来比解决突出冲的科学问童题，并探栏索裂缝观门测和分析盆技术。管粪理这些项款目的关键答是召集能吴向其它学尖科的研究套人员学习慧的优秀研蒸究者，在典一个、最拉好是两个俩科学家的雀协调下来俘共同进行金。协调人蕉的作用是较把研究组稻的注意力栽聚焦到主戒要问题上粱去（在该弊例中是核寨废物地质翠处置的安雨全性评价潜）。在主上要问题的钱范围内，所应该允许子研究人员张能自主选舰择他们认份为需要重奇点研究的津关键课题倡。匙3渡、多机构袋项目惩这些是大仗项目，涉寇及到几个恶研究机构医来解决一奔个国家或嘉国际上的略重要课题丰。这样的丸项目可组留成研究组烘，利用每欺一个参加筐单位的优捆势，来解亩决单个机象构本身所薯不能解决透的问题。赢如上述的探Geo-昼sequ技estr题atio度n凳（简写迹GEO-耍SEQ误）项目，霜是一个多流机构项目联，目的是史解决地下客CO怖2持隔离的科仇学和技术裂问题。下村面对这个邮不同寻常喝的项目的免进展和执偶行情况作尽一详细描峰述。疤（赠1圈）政府制冬定计划：扩根据科学魂证据和国区际学术界澡的讨论，厘美国能源辞部（租DOE惊）认为思CO辱2赏隔离是需弓要研究和鹅评价的课具题。来自猫7托个国家实羽验室、两歉所大学和晚一个私人各学会研究姥中心的优愉秀科学家膛聚集在一部起，根据光研究目的贯和需要，趋制定了研晃究和开发碍计划。然琴后，发出予了项目申佣请通知，狼其中特别税要求多个株研究组织兆的共同申避请，包括涛国家实验州室、大学腿和工业界如。根据收舒到的建议跌，评审和夹评估过程庆选择了几晓个拟资助齐的大项目范。旷（巴2磁）评Geo-援Seq域项目：杆Geo-议Seq常项目是这欠次项目申盆请过程中甩成功的项匆目之一。新它被确定怖为国立－行私立研究测和开发合扯作伙伴项戚目，来研根究安全和咬高效的地疯质隔离诚CO体2绒所需的打技术和信裂息。该项狡目的参与煌者有三扯个国家实宗验室、一馅所大学和歪三个研究南中心，并犁与六个石皮油公司合透作。项目价研究分为薄四项主要矮任务，每繁项主要任发务明确规灿定包括两省到三个子背任务。每债项子任务工由来自一劳个项封目参与机献构的一个某任务负责串人领导。灯总的协调五工作由同谷一个机构镇的一个或危两个在起派初的项目枯申请和后渠来的项目泰实施中牵均头的项目扭负责人承繁担。牛（件3胡）项目实贱施：项目欢中各个子君任务通过舍每月的电园话会议协无调，也可剥通过非正卵式的电子固邮件和电述话交流。佛在年度的良项目会议议中，要提这交所有的裂任务结果狮，并进行钓讨论。建扭立独立的钓顾问委员昂会，参与街每年的项雪目会议和挪评论研究翁报告以及隆论文，并灯为项目提券供评价和脑建议。项款目负责人六应通过电违子邮件、尺电话或面熄谈的方式挎与资助机管构保持密躺切联系，求使资助机渣构了解项故目进程和耕重要成果等。劫（板4准）政府机怒构对大项巷目的监控哀：支持该挤类项目的张政府机构限一般批准呆项目在亭3~5执年的时间愉内实施，尤但完成后都也可准许聚再作一个之周期研究猾。该机构攻每年根据登项目成果干、顾问委碰员会评价紧项目的情疗况，以及租项目符合草最初的研纺究计划的捉需要情况和（上述第算一项），抬对项目进阶行评价。购这样