中国学科发展战略·水文地质学

**章 学科发展任务和战略价值 **节 学科发展与科学意义 水文地质学是研究地下水的科学。它研究地下水系统结构、组成、功能及其形成演化的物理、化学、生物过程，开展地下水资源调查、评价与管理，揭示在地质作用和人类活动影响下，地下水系统中物质循环和能量输运规律、地下水依赖型生态系统（groundwater-dependent ecosystem，GDEs）的演化规律，并研究如何运用这些知识和规律兴利避害，以确保供水安全和水资源的可持续开发利用。当代水文地质学在解决人类面临的水资源短缺、环境污染、地质灾害、生态环境恶化、气候变化、危险废物和温室气体处置、页岩气等非传统化石能源开发、地热能利用等诸多问题中发挥着越来越重要的作用，是国际地学界*为活跃的分支学科之一。19世纪50年代，达西定律的建立标志着水文地质学的发端。20世纪是水文地质学迅猛发展的时期，其中60年代是学科发展的分水岭。在此之前的50年中，传统水文地质学的发展基本沿用传统的罗盘、放大镜、经纬仪等工具及抽水试验、井水水位和泉流量测量等手段开展野外调查，计算工作靠人工完成，研究的重点为地下水水量。以美国和苏联的水文地质工作者为代表，其在区域水文地质、地下水动力学、专门水文地质等领域取得了众多成果，代表性成果包括：1922年，苏联出版了**部俄文版的《水文地质学》；1923年，门泽尔（O. E. Meinzer）发表《美国地下水赋存规律》（The Occurrence of Ground Water in the United States，美国地质调查局供水报告第489卷）；1935年，泰斯（C. V. Theis）认识到热流和水流的类似性，推导出抽水引起的水井附近水位的瞬态行为或地下水向井流动的非稳定流解析公式；雅克布推导出直接描述流体流动的微分方程（Jacob，1940），这些成果成为现代水文地质学重要的奠基之作。 20世纪60年代之后，除继续深化水流问题研究外，水文地质学开始重视以地下水水质为核心的环境问题研究和以地下水生态效应为核心的生态问题研究。尤其是近30多年来，强烈的人类活动使得生态环境问题日益突出，供水安全与水资源保护比以往任何时期都更为紧迫，加上计算机科学、物理学、化学、生物学和大数据科学领域的理论方法与高新技术的突飞猛进，以及地球系统科学的建立和不断发展，水文地质学理论方法体系得到空前的发展。 我国的水文地质学起步比较晚，直到20世纪30年代才开展了零星的地下水调查。新中国成立后，水文地质学得到较快发展。20世纪50年代到80年代中期，中国区域水文地质、地下水动力学、水文地球化学、专门水文地质等分支学科得以建立并不断发展，前期主要受苏联水文地质学派影响，70年代后主要受美国和日本学术思想和方法学影响。近30多年来，随着经济的高速发展和人民生活水平的不断改善，人类活动导致地下水超采、地下水污染、地面沉降、海水入侵、地下水依赖型生态系统退化、地面塌陷和水质恶化等一系列环境地质问题，地下水资源的可持续性和评价及合理开发成为学科的重要研究内容。 经过100余年的发展，水文地质学已经成为地球科学、水科学和环境科学的核心基础学科。地下水的形成与演化受地球系统中各种地质作用的制约，同时地下水积极参与地球系统的演化和地球物质循环与能量交换，导致大量的物质破坏、迁移、富集，*终形成矿产和地热资源。阐明水的地质作用，对深化岩石圈形成演化、层圈相互作用和成岩成矿作用进行机理研究，可为矿产资源和能源资源勘查提供重要的理论支撑。地下水是地球关键带（critical zone）的主要组成部分，是支撑地球生命系统的关键因子。地下水是全球变化的受体和信息载体，通过监测、模拟地下水系统的物理、化学和生物特征，可以示踪不同时空尺度上的地球环境变化。 地下水是地球水循环的一个重要环节，是全球重要的（在许多地区甚至是唯一的）供水水源，是维系人类生存发展和生态系统健康的关键要素。地下水系统结构、组成和功能的复杂性，以及不同尺度上的物理、化学和生物过程及其耦合作用，都影响着地下水系统中物质迁移和能量输运过程。为了精细刻画、准确预测这些过程，水文地质学在地球科学中*早引入系统论和定量模拟方法。由于重视观测、监测、野外试验和实验测试研究，重视运用数学方法和大数据技术，重视与地球物理学、地球化学、水文气候学、环境科学等学科的交叉融合，水文地质学在拓展人类知识边界、认知地球系统、可持续开发利用地球资源，以及保护地球环境方面的基础学科地位、重要性和影响力与日俱增。 地下水资源（尤其是清洁淡水资源）的可持续供给是人类面临的重大挑战，是应用水文地质学的主要研究方向。近30多年来，强烈的人类活动使得水环境日趋恶化，供水安全与水资源保护比以往任何时期都更为紧迫。近年来，地质环境保护问题成为应用水文地质学的重要研究内容，地下水污染防治、地下水与地表水的相互作用及其水资源—环境效应、地质环境修复、二氧化碳（CO2）地质封存、核废料地质处置、页岩气和干热岩资源开发等重要基础科学问题重大社会需求，不断推动着水文地质学科的创新发展。 在水文地质学建立初期，其主要研究课题围绕与水井周围含水层的开发及应用开展工作。随着人类取水规模的不断扩大，人类活动对自然系统的扰动日趋强烈，出现了全球性地下水资源枯竭和生态环境恶化，已经并将继续对人类的生活甚至生存构成严重的威胁。Dalin等（2017）在Nature发表的《嵌入国际食品贸易中的地下水枯竭》（Groundwater Depletion Embedded in International Food Trade）文章中指出：基于全球对不可再生的地下水抽取和国际粮食贸易数据的综合估计，水文模型和地球观测结果显示，全球范围内地下水正以惊人的速度枯竭。因此，水文地质学的研究重点也由解决局部问题、水量问题逐渐扩展为水质与水量研究并重、地下水系统与生态系统研究并重，以谋求人与自然和谐共生、实现地球水资源和生态系统的可持续性为根本使命。 第二节 水文地质学的战略作用和战略价值 地下水既是重要的自然资源，也是重要的环境因子。随着人口的大量增加、自然资源的过度开发，自然环境的破坏程度不断加剧，导致水文地质学面临的挑战也在不断加大。水文地质学的战略作用和战略价值日益凸显。可以从国家和社会需求分析、国际组织及国家战略报告、文献计量分析等维度来审视水文地质学的战略作用和战略价值。在2018年出版的《中国学科发展战略 地下水科学》一书中（中国科学院，2018），我们已经较为系统地从维持水资源安全供给、矿泉水资源开发利用、地质环境保护、生态文明建设等视角论述了经济社会发展的强劲需求对水文地质学科发展的推动作用，分析了水文地质学科在解决我国面临的资源环境问题中的重要价值。有兴趣的读者可详阅该书**章。这里，我们重点从国际组织和国家战略规划及研究报告、文献计量分析两个方面进一步阐述水文地质学科的战略作用和战略价值。 一、国际组织和国家战略规划及研究报告 （一）国际水文计划 “国际水文计划”（International Hydrological Programme，IHP）是在“国际水文十年”（International Hydrologic Decade，IHD）计划的基础上形成的。“国际水文十年”计划由联合国教育、科学及文化组织（UNESCO）于1965～1974年实施，着重开展世界水均衡、人类活动对水循环的影响等14个领域的国际协作。“国际水文十年”计划的宗旨是，从人类合理利用水资源的角度出发，加强水文学与水资源研究，促进这些领域内的国际合作。“国际水文计划”旨在组织成员国执行一系列计划项目，其中有人类活动对水循环的影响、水资源的合理估算和有效利用等；组织出版刊物、情报交流、学术会议和地区合作等以促进国际水文合作；进行水文科学的教育和培训。 “国际水文计划”由 UNESCO主持，至2019年已经完成了7个阶段的研究计划，第八阶段尚在进行中，见表1-1。 表1-1 “国际水文计划”各阶段时间及主题 UNESCO的国际基础结构、水利和环境工程研究所在编制国际水文计划第七阶段（IHP-Ⅶ）和国际水文计划第八阶段（IHP-Ⅷ）战略计划草案过程中贡献良多，且水安全就是该研究所的五大专题之一。IHP-Ⅶ提出将水安全和水质作为优先事项，在国际水文计划水治理活动框架内与经济合作与发展组织（Organisation for Economic Cooperation and Development，OECD）展开合作，并发挥 UNESCO的牵头作用。该阶段共有五个主题，分别为：①流域和浅层地下水系统对全球变化影响的适应性研究。该主题下与水文地质相关的领域战略部署为水压力系统中水文过程的全球变化和反馈机制研究、气候变化对水循环和水资源的影响研究、响应全球变化的地下水系统管理研究等。②水资源管理的完善及水资源利用的可持续性的提高。③面向可持续性的生态水文学。其中，在该领域下与水文地质研究有关的领域战略部署为开展基于地下水生态系统的鉴定、详查和评估。④淡水与生命支撑系统。⑤可持续开展水资源保护教育。 目前为 IHP-Ⅷ，该阶段的战略计划名称为“水安全：应对地方、区域和全球挑战”。IHP-Ⅷ的主要目标之一就是通过促进信息和经验转化来满足地方和区域对全球变化适应工具的需求，并加强能力建设以应对当今全球水资源可持续供给所面临的挑战，从而将科学转化为行动。IHP-Ⅷ主要包括6个主题，每个主题下包括5个重点领域。此外， IHP-Ⅷ还涉及了13个与之相关的计划。6个主题分别为（UNESCO，2013）：①与水相关的灾害和水文变化。②变化环境中的地下水。该主题下共有5个领域，分别为：加强地下水资源的可持续管理、制定含水层补给管理战略、适应气候变化对含水层系统的影响、促进地下水水质保护、促进跨界含水层管理。该主题下的研究主要为水文地质相关的领域。③水资源短缺和水质问题的解决。④水与人居环境的未来发展。⑤生态水文学—面向可持续世界的协调管理。⑥水资源教育—水安全的关键。IHP-Ⅷ中有关地下水的研究主题主要包括以下内容：促进地下水资源可持续管理原则的措施、探讨合理开发和保护地下水资源的方法、编制新的地下水资源图、促进跨界含水层管理，以及在紧急情况下加强地下水治理政策和水资源管理。这些挑战要求采用新的基于科学的方法进行全面研究，认可综合管理原则和利用无害环境技术保护地下水资源。 （二）联合国《水行动十年（2018—2028）》及《2017年联合国世界水资源发展报告》 联合国（UN）发布《水行动十年（2018—2028）》（Water Action Decade 2018—2028），又称为“可持续发展水十年”，旨在进一步改善合作伙伴关系和能力发展，以应对雄心勃勃的2030年议程。该十年目标主要聚焦于：水资源的可持续发展和综合管理，实现社会—经济—环境目标及相关方案和项目的实施和推广；促进各层次的合作伙伴关系，实现国际商定的与水有关的目标，包括《2030年可持续发展议程》（Transforming our World：The 2030 Agenda for Sustainable Development）的目标。 其中，与地下水相关的活动主要为（UN-Water，2018）：①采用可持续地下水管理和环境友好型工业发展的新技术。该十年活动将发展、协调和促进新的无害环境技术，使会员国能够加强可持续水资源管理的能力，包括保障水和卫生服务、提高水资源利用效率、减少与水有关的灾害风险、促进可持续工业发展和解决缺水问题等领域。②建立和开发模型工具，对水文和地下水进行可持续发展管理。十年计划中促进可持续发展的科学研究项目旨在提高关于如何在气候变化面前为日益增长的人口提供更多水安全的知识，并对加强水文和地下水、城市水资源管理和减少与水有关的灾害风险等领域开展研