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水文地質指自然界中地下水的各種變化和運動的現象。水文地質學是研究地下水的科學。它主要是研究地下水的分佈和形成規律,地下水的物理性質和化學成分,地下水資源及其合理利用,地下水對工程建設和礦山開採的不利影響及其防治等。隨著科學的發展和生產建設的需要,水文地質學又分為區域水文地質學、地下水動力學、水文地球化學、供水水文地質學、礦床水文地質學、土壤改良水文地質學等分支學科。水文地質學與地熱、地震、環境地質等方面的研究相互滲透,又形成了若干新領域。

1 水文地質 -發展簡史

水文地質坎兒井
人們早在遠古時代就已打井取水。中國已知最古老的水井是距今約5700年的浙江餘姚河姆渡古文化遺址水井。古波斯時期在德黑蘭附近修建了坎兒井,最長達26公里,最深達150米。約公元前250年,在中國四川,為采地下滷水開鑿了深達百米以上的自流井。中國漢代鑿龍首渠,是一種井、渠結合的取水建築物。在利用井泉的過程中,人們也探索了地下水的來源。法國帕利西、中國徐光啟和法國馬略特,先後指出了井泉水來源於大氣降水或河水入滲。馬略特還提出了含水層與隔水層的概念。

1855年,法國水力工程師達西,進行了水通過砂的滲透試驗,得出線性滲透定律,即著名的達西定律,奠定了水文地質學的基礎。1863年,法國裘布依以達西定律為基礎,提出計算潛水流的假設和地下水流向井的穩定流公式。1885年,英國的張伯倫確定了自流井出現的地質條件。奧地利福希海默在1885年制出了流網圖並開始應用映射法。

19世紀末20世紀初,對地下水起源又提出了一些新的學說。奧地利修斯於1902年提出了初生說。美國萊恩、戈登和俄國安德魯索夫在1908年分別提出在自然界中存在與沉積岩同時生成的沉積水。1912年德國凱爾哈克提出地下水和泉的分類,總結了地下水的埋藏特徵和排泄條件。美國邁因策爾於1928年提出了承壓含水層的壓縮性和彈性。他們為水文地質學的形成作出了重要貢獻。

水文地質泰斯公式
泰斯於1935年利用地下水非穩定流與熱傳導的相似性,得出了地下水流向水井的非穩定流公式即泰斯公式,把地下水定量計算推進到了一個新階段。20世紀中葉,蘇聯奧弗琴尼科夫和美國的懷特在水文地球化學方面作出了許多貢獻。到第二次世界大戰結束時,在地下水的賦存、運動、補給、排泄、起源以至化學成分變化、水量評價等方面,均有了較為系統的理論和研究方法。水文地質學已經發展成為一門成熟的學科了。

20世紀中葉以來,合理開發、科學管理與保護地下水資源的迫切性和有關的環境問題,越來越引起人們的重視。同時,人們對某些地下水運動過程有了新的認識。1946年起,雅可布和漢圖什等論述了孔隙承壓含水層的越流現象。英國博爾頓和美國的紐曼分別導出了潛水完整井非穩定流方程。

由於預測地下水運動過程的需要,促進了水文地質模擬技術的發展。20世紀30年代開展了實驗室物理模擬。40年代末發展起來的電網路模擬,到50~60年代在解決水文地質問題中得到應用。

由於電子計算機技術的發展,70~80年代,地下水數學模擬成為處理複雜的水文地質問題的主要手段。同時,同位素方法在確定地下水平均貯留時間,追蹤地下水流動等研究中得到應用。遙感技術及數學地質方法也被引進,用以解決水文地質問題。對於地下水中污染物的運移和開採地下水引起的環境變化,引起廣泛的重視。20世紀60年代以來,加拿大的托特提出了地下水流動系統理論,為水文地質學的發展開拓了新的發展前景。

2 水文地質 -基本內容

水文地質水文地質
水文地質學是從尋找和利用地下水源開始發展的,圍繞實際應用,逐漸開展了理論研究。已形成了一系列分支。

地下水動力學是研究地下水的運動規律,探討地下水量、水質和溫度傳輸的計算方法,進行水文地質定量模擬。這是水文地質學的重要基礎。

水文地球化學是水文地質學的另一個重要基礎。研究各種元素在地下水中的遷移和富集規律,利用這些規律探討地下水的形成和起源、地下水污染形成的機制和污染物在地下水中的遷移和變化、地下水與礦產形成和分佈的關係,尋找金屬礦床、放射性礦床、石油和天然氣,研究礦水的形成和分佈等。

水文地質地下水動力學
供水水文地質學是為了確定供水水源而尋找地下水,通過勘察,查明含水層的分佈規律、埋藏條件,進行水質與水量評價。合理開發利用並保護地下水資源,按含水系統進行科學管理。

礦床水文地質學是研究採礦時地下水湧入礦坑的條件,預測礦坑涌水量以及其他與採礦有關的水文地質問題。

農業水文地質學的內容主要包括兩方面,一方面為農田提供灌溉水源進行水文地質研究;另一方面為沼澤地和鹽鹼地的土壤改良,防治次生土壤鹽鹼化等問題進行水文地質論證。

地熱是一種新的能源,如何利用由地下熱水或熱蒸汽攜至地表的地熱能,用來取暖、溫室栽培或地熱發電等,以及地下熱水的形成、分佈規律,以及勘察與開發方法等,是水文地熱學的研究內容。

區域水文地質學是研究地下水區域性分佈和形成規律,以指導進一步水文地質勘察研究,為各種目的的經濟區劃提供水文地質依據。

古水文地質學是研究地質歷史時期地下水的形成、埋藏分佈、循環和化學成分的變化等。據此,可以分析古代地下水的起源與形成機制,闡明與地下水有關的各種礦產的形成、保存與破壞條件。

地下水的形成和分佈與地質環境有密切聯繫。水文地質學以地質學為基礎,同時又與岩石學、構造地質學、地史學、地貌學、第四紀地質學、地球化學等學科關係密切。工程地質學是與水文地質學是同時相應發展起來的,因此兩者有不少內容相互交叉。

地下水積极參与水文循環,一個地區水循環的強度與頻率,往往決定著地下水的補給狀況。因此,水文地質學與水文學、氣象學、氣候學有密切關係,水文學的許多方法也可應用於水文地質學。地下水運動的研究,是以水力學、流體力學理論為基礎的,並應用各種數學方法和計算技術。

3 水文地質 -發展趨勢

由主要研究天然狀態下的地下水,轉向更重視研究人類活動影響下的地下水;由局限於飽水帶的含水層,擴展到包氣帶及「隔水層」;由只研究地殼表層地下水,擴展到地球深層的水。

今後的水文地質研究,在下列方面將有突破:裂隙水與岩溶水運動機制和計算方法;地下水中污染物和溫度運移機制和計算方法;粘性土的滲透機制;包氣帶水鹽運移機制;水文地球化學和同位素水文地質學,地下水數學模型;地球深層水文地質。

水文地質遙感技術
在60-90年代簡,遙感技術得到了迅速發展。空間對地觀測技術已經成功地應用於許多地球科學領域。毫無疑問,對這一新技術感興趣的科學家們會迅速將其應用到實際工作中。以衛星資料為基礎確定土地覆蓋和土地利用類型是從事遙感專業的地理學家們的基本工作。

地貌學家現在利用衛星觀測獲得地質結構資料,而海洋學家也可以根據色彩和波型對許多海洋參數進行監測和解釋。已經多次進行衛星發射對水循環中的不同環節進行研究。可以利用衛星觀測大氣中的水蒸汽、雲層覆蓋和大的開放水體的水位或者冰蓋的分佈範圍和地形等,這只是衛星觀測中的一部分內容。水文地質學家對這一技術的利用相對較晚,這在很大程度上是因為他們感興趣的對象是隱藏在地表以下的。大部分衛星感測器探測的物體發射和反射電磁波頻率只能穿透地球內部幾厘米。因此,通過衛星觀測不能直接對地下水進行測量。通過精確測量重力的變化情況,可以直接獲得關於地下水儲存量變化的相關資料(Tapley等,2004)。

不過,隨著將衛星探測儀器和遙感觀測技術以及水文地質學聯繫起來的模型的發展,衛星觀測技術正在回答水文地質學中的一些重要的問題。地表可能會阻礙衛星觀測,但它也是水文地質過程中的一個重要邊界。了解地表和地下的相互作用是水文地質學的關鍵問題之一。利用物理模型評價水資源管理中地下水的利用情況,一般都需要詳細而完整的地表參數資料,以限制邊界條件,如蒸發蒸騰等。區域和大範圍內日益完善的水文地質模型的出現已經使得利用遙感數據創建邊界條件變的切實可行。衛星覆蓋範圍的增加和解析度的提高使得這些水文地質模型更加切合實際情況,這也為了解水文地質系統的非均質性提供了新的視角。

水文地質水文地質
土地覆蓋、地表水體或河網的分佈範圍和動態變化的專題地圖通常都來源於衛星圖像(Prigent等,2001;Schultz和Engman,2000)。土壤濕度是地表水熱通量建模中一個重要的變數,現在可以通過無源微波儀器進行大陸和區域範圍內的測量(Jackson等,1999);一些研究表明,對於植被稀疏區,有源雷達系統能以更好的空間解析度提供合理的評價(Oldak等,2003)。利用衛星資料可以識別數字高程模型(DEM)中分水嶺和流域邊界的位置(Rabus等,2003)。另外,高解析度的地形觀測或用於地貌製圖的其它衛星.觀測經常可以探測出能將地下水盆地細分的斷層(Butler和Walsh,1998)。在乾旱地區,衛星雷達信號可以穿透地面一定深度,某些地下特徵甚至可以直接成像(Elachi等,1984;Robinson等,1999)。

當物理模型被應用於地下時,可以通過衛星觀測獲得更多的水文地質數據。根據遙感圖指示的植被變化,可以推斷水位的變化情況。根據衛星觀測資料可以評價土壤濕度(Hajnsek等,2003;Nolan等,2003)和溫度、灌溉面積或農作物類型圖的空間變化等(Schultz和Engman,2000),還可以減少蒸發蒸騰量評價的不確定性。儘管根據衛星資料確定土壤濕度最多可以指示土壤頂部幾厘米的變化情況,但是利用按照時間序列觀測的資料可以模擬較大深度內土壤濕度的變化。

比較受關注的另一項技術是利用干涉測量合成孔徑雷達(InSAR)對含水層系統壓實造成的地面沉降進行填圖(Galloway等,1998)。隨著這項技術的成熟以及更多觀測資料的利用,可以實現從空間和時間尺度上來監測地面位移(Bawden等,2001;Amelung等,1999)。將這些方法與水頭變化的地面觀測技術相結合,可以確定儲存參數(Hoffmann等,2001,2003a)。儘管InSAR技術已用來進行地面沉降監測,但它在水文地質、地形或水資源研究中的應用潛力仍有待於進一步挖掘(Smith,2002)。

二、加強學科間的交流

水文地質領域中衛星觀測技術的發展面臨的主要障礙,是儀器開發和運行的研究機構與水文地質學的研究機構之間的相對獨立。水文地質學家可能沒有意識到現有的手段或已獲取的數據在水文地質工作中具有潛在的實用性;另一方面,開發新感測器的工程師和技術人員一般不知道他們研製的儀器有助於解決水文地質問題。基於地面的感測器主要是針對特定目的和需要而設計的,而衛星感測器通常具有多用途。在選擇最佳方案以及針對某一問題對獲得的數據進行解譯時,有必要跨越傳統學科的邊界,進行緊密協作。

隨著遙感數據在水文地質中越來越廣泛的應用,越來越多的研究人員具有分析遙感數據的經驗,並藉助這些數據解決他們在水文地質工作中遇到的問題。毫無疑問,這些技術的發展將會促進衛星資料在水文地質中應用潛力和創新性應用的研究。

了解和監測全球水文循環意識的逐漸增強,促進了土壤濕度測量專項技術的發展。歐洲航天局(以下簡稱ESA)計劃在2007年發射能夠測量土壤濕度和海水含鹽量的衛星—SMOS,它使用一種成像輻射計測量地表的亮度溫度。這一溫度可以用來判斷大多數地表的土壤濕度。這樣,SMOS將以35km的解析度每隔三天就提供全球土壤濕度的評價。美國航空航天局(簡稱NASA)計劃於2009年執行HYDROS發射任務,衛星將攜帶一個解析度大約為40km用以測量亮度溫度的輻射計和L波段雷達系統,據此可以獲得10km空間解析度的土壤濕度衛星產品。

水文地質NASA
衛星感測器的用途日益廣泛,德國宇航局(DLR)與美國航空航天局(NASA)共同研製的的GRACE衛星就是一個極好的例子。GRACE是第一顆用以監測地球重力場的衛星,自運行以來不僅提供了覆蓋全球而且精度極高的重力場衛星圖,而且仍可以監測重力場的微小變化。這些變化可能與許多時間變化過程有關,例如地球和海洋洋流,大氣水、地表水以及地下水的循環運動等(Rodell和Famiglietti,1999)。

可以用地球物理模型來校正受這些因素影響的重力觀測。校正信號可以以400km的空間解析度解釋陸地水儲存量的變化(Tapley等,2004;Thompson等,2004;Wahr等,2004)。儘管這種測量的空間解析度很低,但是這種新方法為從流域尺度上研究地下水系統帶來了新契機,而且也有助於提高對全球水循環的認識。GRACE甚至還可以在大尺度內進行水資源評價。

四、遙感技術在水文地質學中的發展前景

衛星遙感技術過去、現在和未來的發展,對水文地質研究和應用的影響表現在以下兩個方面。首先,衛星觀測更精確地刻畫了地表特徵,有助於進行水文地質研究,特別是從區域到全球尺度上的應用研究得益於新型的調查和服務。SMOS和HYDROS衛星將會對較大尺度上的水文地質研究產生巨大的影響。大範圍的土壤濕度第一次從空間上並以較短的時間間隔得到觀測。現在廣泛應用的理論模型最終要利用這些觀測數據進行檢驗。其次,衛星技術使建立更為複雜的水文地質模型成為可能。較好的應用實例就是DEM、土壤濕度和地面沉降,它們都得益於衛星觀測對地表特徵的刻畫。

以衛星資料為基礎的DEM,其實用性,地形信息的準確性和詳細性已經有了顯著的提高。現在,出色的空間解析度會逐漸提供更小尺度上的地形信息。這為濕地或泛濫平原的研究創造了新機遇。工作在L波段的InSAR測量方法已被用來測量大區域內的水位動態變化,如亞馬遜河流域(Alsdorf和Lettenmaier,2003)或美國的佛羅里達濕地(Wdowinski等,2004)。

對裸地進行觀測有時有助於這一描繪。在乾旱區,特別是波長較長的SAR感測器可以監測地表以下超過1米的地質特徵。這些特徵可能與斷層或古河道有關,據此可以確定以前未能識別出的水資源(Robinson,2002)。

衛星測量土壤濕度的技術引起了廣泛關注。在較大的尺度範圍(幾十千米)內,SMOS和HYDROS輻射計能很快提供精確而頻繁的測量。為了獲得能夠應用於農業生產、洪澇和火災減災方面的更為詳細的信息,提出了幾種方法以便從SAR資料中獲取土壤濕度信息。一種方法是將反向散射強度與土壤濕度聯繫起來,建立不同的模型(Dubois等,1995;Fung等,1992;Oh等,1992),另幾種方法則嘗試使用偏振信號(Hajnsek等,2003)或干涉測量法(Gabriel等,1989;Nolan和Fatland,2003)。無論是採用哪一種技術,都可以獲得可靠的高解析度的土壤濕度信息,通過空間和時間上的詳細觀測最終可以解決一些具有爭議的帶有不確定性的問題。

如上文提及的一些感測器,可以提供詳細的時空觀測資料,從而支持模型在定量和校正方面的發展。例如,較好的觀測資料可以確定區域地下水流動模型的邊界條件,能夠減小水均衡預算中的不確定性,從而提高預測能力。衛星測量方法對水文地質模型的發展產生的影響是不可估量的。與水文地質調查相關的其它地表參數,包括鹽化、凍結/解凍狀態和溫度等,將來也可以根據衛星觀測資料獲得。

水文地質InSAR
促進水文地質發展的另一種遙感數據產品就是利用InSAR進行地面形變監測,這使得水文地質學家再次對含水層的力學機制產生興趣。一些研究已經證明,地面形變與地下水開發之間具有密切的關係,並且可以從空間上進行詳細測量(如Galloway等,1998;Hoffmann等,2001;Watson等,2002)。根據地球物理模型可以求解水文地質參數,如儲水係數(Hoffmann等,2003a),這一參數能夠改進地下水流動和含水層壓實模型。在某些地區,地面沉降已經成為限制地下水開發的因素之一,同時也是地下水管理比較關注的問題(Wilson和Gorelick,1996)。監測和模擬技術的提高,有助於優化管理方法。根據詳細的衛星地圖獲得的其它參數,也有助於改進地質力學模型,促進對含水層壓實過程的認識。例如,與沉積物壓實有關的地面水平變形,通常都被忽略了(例如Hoffmann等,2003b)。一些研究者認為這樣可能會造成解譯的偏差(Burbey,2001),還沒有將含水層系統的基本性質與形變觀測聯繫起來的成熟的理論模型,因為仍無法得到能約束其它模型參數的形變觀測資料。

可以對將來的一些發展趨勢進行預測。雖然一些自然因素最終會影響從衛星上獲取地表和地下條件的信息,但是技術的進步將會不斷提高遙感數據產品的數量、質量和多樣性。光學感測器的高解析度和多頻率觀測會越來越普遍;雷達感測器將會獲得完全極化的圖像。這些觀測方法對產生新認識和促進實際應用具有非常重要的意義。

將會越來越普及的「高水平」的數據產品有助於促進這些新認識和新應用。所謂「高水平」數據產品,是指從一次或多次衛星觀測中得到的信息層。這些信息由空間機構和國家數據中心進行發布。這就使得科學家們能夠專註於自己主要的研究領域,只需利用衛星觀測資料即可,而無需關注許多細節問題,例如如何從原始信號中獲取土壤濕度或地面沉降信息。這一進步使得衛星數據得以更加廣泛的應用,同時更多的科學家能夠使用這些數據,尤其是那些從事應用科學研究的科學家們。例如,針對大區域的不同觀測結果,對支持地下水管理實踐已經是非常必要的了。隨著應用手段和模型越來越先進,對於更高解析度的空間觀測的需求也在逐漸增加。

水文地質學家最為關注的一個問題就是未來地下水資源的貧乏。優化利用、可持續管理和解決不同用戶或國家在地下水資源共享中的利益衝突,是今後幾十年內科學家和政治家面臨的主要挑戰。前文已經強調了衛星遙感技術在建立地下水流動模型中的重要性,而衛星遙感技術在協議執行時同樣也具有重要意義。例如,限制地下水開採量的協議可能要通過監測沉降量或灌溉面積、農作物類型才能得以執行。類似的方法也可以在全國範圍內加以採用,執行限制地下水開採量的協議,以保護水資源。

水文地質水文地質
除了這些現有的發展之外,衛星遙感技術還有其他一些尚未發現的用途。新的觀測技術帶來了令人興奮的新發現,出現了許多在以前認為是根本不可能的發展。SAR干涉測量法就是近年來才出現的技術。由於缺乏詳細、準確和完整的地形信息,影響了包括水文地質學和生態學在內的許多領域的研究。另外,完整地記錄了許多造成地面變形(包括構造運動和土壤壓實)的現象(Massonnet和Feigl,1998),使人們重新關注這些現象,同時,在某些情況下也有助於研究者更好地了解地下的變化過程。

衛星遙感技術將會繼續提供新的觀測資料,也將被更多地應用來解決水文地質問題。但是只有水文地質學家才能確定需要什麼樣的遙感數據產品才能解決他們面臨的重要問題。因此,就這些需求進行溝通交流,對認識衛星遙感技術在水文地質中巨大的應用潛力起到很關鍵的作用.

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