Question

水文地质学的创立过程

Answer 1

水文地质学和许多自然科学相比较，是一门比较年轻的科学。尽管在人类社会早期就开始利用地下水，但是水文地质学却是在19世纪末，人类社会开始进入工业化社会后才逐渐发展起来的，直到20世纪的20～30年代才真正地成为一门独立的科学。

在人类社会进入工业社会之前，人们对地下水的认识仅局限于对地下水起源的推测和找水、凿井方法的经验总结。

远在公元前1000年以前，我们的祖先就已经知道水井的使用和保护方法。如《周易》中有“井洌，寒泉食。?之以石，则洁而不泥，汲之以器，则养而不穷，井之功大矣”，即以砖（或石）垒砌井壁则可使井水洁净，有节制地取水，则使井水不致干枯。

早在春秋时代，管子《地员》篇中就叙述了如何根据泥土颜色及植物种类来判断地下水的深浅和水质，以及根据岩石性质来判断有无地下水，如“庚泥（泥沙混合沉积物），不可得泉”、“炎壤（即红土），不可得泉”等等。

随着地下水开发经验的积累，明朝徐光启的《农政全书》中（1639年）对地下水开发的技术做了较为深入的科学归纳，如“凿井之处，山麓为上，蒙泉所出。凿井者，察泉水之有无，斟酌避就之”。判断地下水埋藏深浅的方法则是“井与江河地脉贯通，其水浅深，尺度必等，今问井应深几何?宜度天时旱潦，河水所关；酌量加深几何，而为之度，去江河远者不论”。由此可知，当时已经知道泉是地下水的天然露头，故凿井时一方面要考虑地貌形态，另一方面要根据泉的出露情况来选择水井位置。同时指出，在江河附近，地下水与河水有紧密联系，故可用河水水位推测地下水埋深。

而在有着古老文明历史的欧洲，产业革命前的自然科学家和一些哲学家对地下水的认识，则主要集中在自然界的水循环和地下水的起源方面。

公元前15世纪，罗马人Marcus Vitruvius（马尔古斯维查奥斯）第一个提出了水循环的概念，他认为：水通过融雪渗入到山区地下，并在低处出露成泉。到公元前4世纪，对地下水的认识有了很大的进步，如古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle）认为地下水产生于一个复杂的像海绵似的地下空隙系统中，且从空隙中排泄到泉水中，亚里士多德正确认识到某些洞穴水来源于雨水。

从纪元初到西欧文艺复兴时代之前的这一时期，国外学者对于水文地质学形成提出了以下一些比较有意义的观点。伊朗著名的哲学家和科学家Sheikh Abu Raihan（973～1048年）第一个对自流井的形成机理给予了正确解释。但真正论述自流井的文献，则是出现在1715年Autonio Vallisnieri（意大利Radua大学校长）有关意大利北部自流井的论文中，论文中附有最早的关于自流井的地质剖面。其次需指出的是中世纪杰出的乌兹别克斯坦学者阿布尔-拉依，阿拉-毕鲁尼（数学家、天文学家、物理学家，公元937～1048年）正确地指出静水压力对地下水运动所起的作用，并解决了一些实际的用水问题。还需要提出的是17世纪末叶一些关于地下水的科学试验。法国科学家Pievre Perrault（1608～1680年）所做的蒸发和毛细上升高度试验，证实了毛细上升的水在水位之上，不是一个自由体，它在砂层内的高度小于1 m。Edme Mariotte（1620～1684年）在巴黎观测站测量了雨水的入渗量，因此两人都认为泉水是由降雨渗入地下而补给的。Mariotte这一论点发表在他死后的1690年巴黎出版的书中。

水文地质学的真正形成，可以认为主要是在18世纪末期到20世纪初（20世纪20年代）这一段人类步入工业化社会的过程中。随着工、农业的迅速发展和城市扩大与人口的增加，需水量急增，使更多的开采矿床，与矿坑地下水进行斗争的问题也提到了日程上。因此工业化的过程促使科学家必须关注地下水的研究，水文地质学随之而诞生。

关于地下水起源和地下水赋存的地质条件的研究，是水文地质学的基础理论。它是在许多学者对各种专门问题取得研究成果的基础上逐渐积累而成的。关于地下水起源的争论，实际上自18世纪许多欧洲科学家通过各种实验和水均衡计算后，地下水的降水入渗补给学说已为多数学者认同，除此之外人们也注意到了凝结、埋藏、初生论等地下水起源的学说。

关于地下水和地质条件的关系，是许多关注地下水的学者最早研究的问题。许多地质学家对专门性问题都有贡献，例如许多荷兰地质学家对沿海砂丘地区地下水的认识有过贡献；俄罗斯的地质学家对永冻层地区地下水的起源有深入的研究；日本地质学家和地球物理学家对热泉进行过研究；法国的A.Daubree很早就发表了关于地下水地质方面论文；地质学家H.T.Stearns在其有关夏威夷岛的地质专著中，深入论述了火山岩和地下水起源的关系；W.M.Davis和J.H.Bretz发表了很多关于石灰岩溶洞和地下水关系的论著；南非地质学家Dutoit发表了南非基岩区地下水的专著；美国地调所的O.C.Meinzer于1923年对美国地下水做了总结性描述，同时他明确地将水文地质学列为地球科学的一个新分支。

在水文地质学的形成过程中，在19世纪末叶以来俄罗斯学者的贡献也功不可没。19世纪末叶，俄国成立了地质委员会，A.N.卡尔宾斯基、H.A.索科洛夫等学者做了一系列的水文地质调查，奠定了区域水文地质学基础；1880～1890年索科洛夫等写出《俄南部自流井》的第一篇综合著作，尼基廷发表了《俄罗斯平原的潜水和自流井》专著；1914年莫斯科水利工程学院工程系成立了俄国第一个水文地质教研室；十月革命后的1920年在莫斯科矿业学院开设了俄国第一个水文地质专业；1925年A.H.谢米哈托夫发表了《苏联地下水》专著，该书标志着苏联水文地质学的正式形成。

地下水的运动理论则主要是由许多水力学家及供水工程专家开创的。在这方面贡献最大的首先是法国水力学家达西（Henry Darcy）。他根据所进行的实验，于1856年发现了水在砂土中渗透的层流运动定律，奠定了地下水在孔隙岩层中运动理论的基础。7年之后的1863年，法国另一个水力学家裘布依（Jubs Dupuit）在达西定律的基础上，提出了地下水流向水井的运动公式，从而奠定了地下水稳定流理论的基础。1876年德国Adolph Thiem 改进了裘布依公式，改进后的公式可以精确计算出当含水层中一口水井抽水时，在临近水井中产生的水位效应。1886年奥地利人Philip Forchheimer 在研究含水层中地下水运动时引进了等势线和流线的概念，他第一个应用拉普拉斯方程和映象方法于井流理论的计算中。1934年俄罗斯学者卡明斯基出版了第一部《地下水动力学》专著。1935年泰斯（C.V.Theis）在热传导理论的基础上建立了的非稳定井流公式，至此，标志着地下水动力学理论已基本形成。

地下水水质或者说水化学理论的建立相对较晚。尽管对矿水、矿泉水的研究早在人类利用地下水的初期即已开始，但主要局限于水的物理性质与医疗疗效的认识，真正的水化学和水文地球化学，是在19世纪后期才开始发展起来的。早期的水化学研究是由德国的B.M.Lersch于1864年以及加拿大的T.S.Munt于1865年进行的，Munt做了一些早期的地球化学解释。在北美，现代水文地球化学研究始于F.W.Clarke，他在1910～1925年之间出版了较系统的水化学研究专著，专著中包括了大量的水分析和地球化学解释。同一时期内俄罗斯学者格拉西莫夫于1920年出版了《俄国的矿水》的专著，1948年苏宁对油田水水化学进行过深入研究，并提出了地下水化学类型分类，而阿列金1953年出版的《水文化学原理》则是俄罗斯水文地球化学科学正式形成的标志。

我国的现代水文地质科学相对来说发展较晚，直到20世纪30年代，才有梁津、谢家荣、王钰、马振图等人于南京、河南安阳等地开展了零星的地下水调查，而水文地质学的真正发展则是在新中国成立之后。