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中国地下水科学的机遇与挑战 Opportunities and Challenges in Chinese Groundwater Science 中国地下水科学战略研究小组 Committee on Chinese Groundwater Science 国家自然科学基金委员会 地学部 中国地质调查局 水文地质环境地质部 2008 年 3 月 1 日 中国地下水科学的机遇与挑战 Opportunities and Challenges in Chinese Groundwater Science 中国地下水科学战略研究小组 Committee on Chinese Groundwater Science 资助单位 国家自然科学基金委员会地学部 中国地质调查局水文地质与环境地质部 2008 年 3月 1日（最终稿） i 中国地下水科学战略研究小组中国地下水科学战略研究小组 负责人 郑春苗（美国阿拉巴马大学；北京大学） 万 力（中国地质大学－北京） 成员（以姓氏笔划排列） 王焰新（中国地质大学－武汉） 冯夏红（美国达特矛斯学院） 任 理（中国农业大学） 吴吉春（南京大学） 张仁铎（中山大学；原美国怀俄明大学） 张幼宽（美国依阿华大学） 李广贺（清华大学） 李文鹏（中国地质环境监测院） 葛社民（美国科罗拉多大学） 董海良（美国俄亥俄迈阿密大学） ii 前言前言 地下水资源在地球上分布极为广泛。它对许多地区的社会经济发展具有举足轻 重的作用。对地下水资源的不合理开发利用，会引发一系列区域性的环境问题。同 时，地下水作为一种赋存于地下的流体，对人类活动，如采矿等，会造成了巨大的危 害。地下水科学是研究存在于地质介质中水的运动规律及其与地质介质相互作用的学 科。地下水科学的发展不仅有利于保证人们对水资源的需求、保护和改善环境、促进 生态系统良性循环，而且可以揭示人类活动与自然环境之间的关系。 目前，在中国社会的发展过程中存在着四方面与地下水有关的问题一是对地 下水资源的过量开采使得水资源短缺矛盾加剧，并引发出一系列危及人类生存的环境 问题；二是人类活动产生的大量废弃物处置不当，致使地下水普遍受到不同程度的污 染；三是中国广大的干旱半干旱地区，除水资源贫乏外，地下水水质很差，从而引起 许多环境问题；四是矿产和能源资源的大量开采，以及人类大型工程建设中，遭遇的 灾害性地下水环境问题。这些问题向地下水科学提出了新的挑战，也为地下水科学的 发展提供了前所未有的机遇。 近几十年来，美国以及其它发达国家的地下水科学取得了巨大的进展。无论地 下水科学的理论方法，还是技术手段，均有很大的突破。如何将国外水文地质学的先 进理论方法与中国地下水的实际问题相结合，准确地把握中国地下水学科发展的脉络 和趋势，促进学科健康发展，是当前中国地下水科学界十分关注的问题。 中国国家自然科学基金委员会是资助地下水科学基础研究的主要部门。中国地 质调查局负责全国范围内的地下水调查和监测工作。许久以来，这两个部门皆希望开 展一项中国地下水科学的战略研究。2004 年 11 月，中国自然科学基金委地学部的柴 育成、姚玉鹏、王广才，中国地质调查局水文地质环境地质部的武选民，和美国阿拉 巴马大学的郑春苗，在北京就此问题进行了讨论，认为有必要成立一个由海内外专家 组成的研究小组，开展中国地下水科学的战略研究。2005 年 4 月，成立了由中国和美 国大学及科研机构 12位成员组成的“中国地下水战略研究小组”。考虑到地下水科学 多学科交叉的特点，小组成员的背景和科研领域包括水文地质、水资源、水文地球化 学、地质微生物、土壤物理等。2005 年 6 月，小组成员在中国地质大学（北京）参加 了由自然科学基金委地学部主办的，万力和郑春苗主持的“中国地下水科学的机遇与 挑战”的学术研讨会期间举行了第一次会议。之后，又分别于 2006年 2月在美国科罗 拉多大学以及 2006年 7月在北京召开了两次小组会议。 iii 在两年多的时间里，中国地下水战略研究小组拟写了这本“白皮书”。本书的 目的是客观地总结中国地下水科学的研究现状，清楚地认识当前国际地下水科学研究 的前沿问题，紧密地结合中国地下水科学领域中的实际问题，深入地探讨中国地下水 科学所面临的问题。本书针对中国地下水学科的科研、教育和数据等方面的问题，提 出了一系列具体建议，包括近期目标和长远规划。旨在为中国广大地下水科学工作者 和学生提供一本参考书，帮助他们了解国内外地下水科学研究的现状以及发展趋势， 选择合适的研究方向，以便有力地推动中国地下水科学的研究和教育。 本书的结构安排如下。第一章“地下水”简要地叙述地下水在水循环过程中的 作用以及地下水对于人类生存的重要性。第二章“中国地下水科学的现状”从几个方 面综述中国地下水科学的发展和研究现状，指出目前存在的主要问题。第三章“国际 地下水研究前沿”介绍国际上地下水科学的演化过程和发展趋势，概述当前国际地下 水研究的一些前沿问题。第四章“地下水数据”介绍获取地下水相关基础数据的一些 新手段和技术以及国际上基于互联网的水文信息系统赛百结构（cyberinfrastructure） 的发展情况，探讨建立和发展全国性观测联网的必要性。第五章“教育与人才培养” 总结中国地下水学科的教育体制的演化过程以及和欧美国家的差别，提出改进大学生 和研究生教育的一些具体设想。第六章“优先研究领域”根据中国地下水科学的特 点，结合国际地下水研究的发展趋势，提出中国地下水科学的优先研究领域。第七章 “推动中国地下水科学发展的建议”在前述章节的基础上，提出加强地下水科研、教 育和数据共享的策略和具体措施。附录中列出了中国地下水研究一些重要信息，包括 政府管理机构、资助单位、高等院校、研究结构、和主要重点实验室。附录中还列出 了“地下水战略研究小组”成员的简历以及对本书作出贡献的人员名单。 致谢致谢 我们首先感谢中国自然科学基金委地学部柴育成主任、姚玉鹏博士、和王广才 博士对这项工作的大力支持。没有他们的支持，便没有本书的出版。我们同样感谢中 国地质调查局水文地质环境地质部武选民博士、文冬光博士、和殷跃平主任对本项工 作的支持。我们的工作还得到了海内外许多同行的大力帮助。在此我们深表谢意。 中国地下水科学战略研究小组 2008 年 3月 1日 iv 目录 序序 前言前言 目录目录 详细摘要详细摘要 1. 地下水地下水 1.1 地下水与水循环 1.2 中国地下水概况 1.3 中国地下水问题 2. 中国地下水科学的现状中国地下水科学的现状 2.1 水文地质调查 2.2 区域水文地质 2.3 水文地球化学 2.4 地下水污染 2.5 地质微生物与生物修复 2.6 生态水文地质 2.7 地下水模拟与随机方法 2.8 地下水管理模型 2.9 非饱和带水文学 2.10 存在的问题 3. 国际地下水研究前沿国际地下水研究前沿 3.1 地下水科学的演化与趋势 3.2 区域水文地质 3.3 水文地球化学 3.4 地下水污染 3.5 地质微生物与生物修复 3.6 生态水文地质 3.7 地下水管理优化模拟 3.8 非饱和带水流与溶质运移 3.9 随机水文地质学 3.10 地下水定量计算与模拟 4. 地下水数据地下水数据 4.1 地下水研究的数据需求 v 4.2 获取地下水数据的新技术 4.3 基于互联网的信息存储、发布、共享系统 4.4 在中国建立全国性监测联网的必要性 5. 教育与人才培养教育与人才培养 5.1 人才培养体系的建立 5.2 人才培养模式的特点 5.3 大学生教育 5.4 研究生教育 6. 优先研究领域优先研究领域 6.1 引言 6.2 区域水文地质与地下水管理 6.3 地下水水质与水化学 6.4 地下水污染与含水层修复 6.5 地质微生物与生物修复 6.6 生态水文地质 6.7 非饱和带研究 6.8 随机水文地质 7. 促进中国地下水科学发展的建议促进中国地下水科学发展的建议 7.1 加强科研的建议 7.2 加强教育的建议 7.3 加强基础数据共享的建议 附录附录 A. 中国有关地下水科学的政府管理机构 B. 中国有关地下水科学研究的资助单位 C. 中国有关地下水科学的高等院校 D. 美国有关地下水科学的高等院校 E. 中国有关地下水科学的主要研究机构 F. 中国有关地下水科学的主要重点实验室 G. 中国地下水科学战略研究小组成员介绍 H. 为本书作出贡献的个人和单位名单 vi 详细摘要 详细摘要 中国地下水科学面临严峻的挑战 中国地下水科学面临严峻的挑战 水是生命依存的最基本要素。没有水，便没有生命。地下水是水资源的重要组 成部分。全世界 15 亿以上的人口主要以地下水作为饮用水。中国人均占有水资源量仅 为世界平均水平的四分之一。全国 500 个城市中 400 个缺水或严重缺水。尤其在华北 和西北地区，水资源短缺的矛盾更为突出。在这些地区，地下水利用率往往超过供水 总量的 50％，许多城市高达 80％以上。 近几年，中国的废水排放量每年约 480 亿吨，其中大部分未经处理或处理后尚 未达标即被排入江河湖泊或直接用于灌溉，导致地下水污染。在一些经济发达的地 区，地下水污染已经相当普遍和严重，从而加剧了地下水资源的短缺。 在中国现阶段的社会经济发展过程中，地下水资源普遍过量开采，水资源短缺 矛盾加剧并引发出一系列危及人类生存的环境问题；地下水普遍受到不同程度的污 染，加之很多地域存在天然劣质地下水，直接威胁供水安全；矿产资源的大量开采和 人类大型工程活动带来了一系列灾害性的地下水问题。如何保证地下水资源的可持续 利用、保护我们的生存环境、促进人与自然的和谐发展，已经成为地下水科学当前及 未来所面临的严峻挑战，同时也为地下水科学的发展提供了前所未有的机遇。 中国地下水科学研究急需加强 中国地下水科学研究急需加强 社会需求是中国地下水学科发展的动力。20 世纪 50 年代，大规模的经济建设 迫切需要足够的地下水资源，寻找优质地下水是学科发展的主要方向；60 年代后期， 大规模地开发利用地下水，使许多地区出现了地面沉降、地面塌陷和水质恶化等一系 列地质环境问题，大范围区域地下水资源评价及合理开发成为学科的重要研究内容。 90 年代中期，随着社会经济的发展和生活水平的提高，与环境和生态有关的一系列地 下水问题愈来愈受到人们的关注。 全国性的水文地质调查工作是水文地质学科建设和发展的基础，也是中国水文 地质学的特色。该项工作从 1955 年始，历经 40 多年，不仅提高了全国区域水文地质 研究程度，而且为国民经济建设和社会发展提供了系统完整的水文地质基础资料。区 域水文地质学是研究区域地下水空间分布规律的学科。几十年来，中国水文地质工作 vii 者在此领域进行了大量基础性研究，其理论成果主要表现在对中国区域地下水分布规 律的认识和表述，以及在长期实践过程中形成的基岩地下水找水理论。 中国水文地球化学的发展可分为两个阶段20 世纪 50 年代到 80 年代为第一阶 段，80 年代以后为第二阶段。在第一阶段中，从前苏联引进了水文地球化学学科，经 历引进吸收、创新发展的历程，形成了具有中国特色的水文地球化学理论和方法体 系。水文地球化学第二阶段的发展是全面吸收和引进国外先进的理论、技术和方法。 在水文地球化学理论与方法上，形成了地下水系统中化学组分迁移形式评价的热力学- 水化学-数学模型体系，确立了地下水化学场演化的定量评价技术与方法。 中国水文地质学者早在 20 世纪 80 年代即开始关注地下水污染问题。最早期的 研究与污水灌溉、污水土地处理、矿坑废水排放等实际问题有关。主要研究的污染物 包括氮的化合物、磷酸盐、硫酸盐、重金属、酚、氰化物等。研究方法多为区域性的 调查工作，有机污染物的研究基本空白。90 年代以前，在国家“六五”和“七五”等 攻关项目的支持下，广泛开展了地下水系统中污染物的存在形态、迁移规律和污染趋 势预测的试验、模拟研究。90 年代以来，随着环境问题的日趋严重和测试技术的进 步，中国地下水污染研究进入新阶段，相继开展了地下水脆弱性评价理论方法与案例 研究；地下水有机污染调查、评价；垃圾场渗滤液导致的地下水污染与防治；污染含 水层修复理论与技术研究等；核废料地质处置也开展了部分基础研究和场地尺度的试 验。 20 世纪 90 年代以前，中国的地质微生物研究尚处于初始阶段。由于认识水 平、研究手段和方法的限制，地质微生学的研究仅限于水－岩作用、地质风化、变价 元素输移过程中的生物作用现象，对于地质微生物群落结构与演化的认识基本属于空 白。90 年代至今，由于对地质作用过程中微生物研究的迫切需要，以及污染地下水系 统功能恢复技术研发的极大需求，尤其是现代微生物学研究方法与手段的不断发展， 在国家自然基金、国家高技术研究（“863”）、国家攻关等项目的资助下，大大推动 了中国地质微生物学和污染地下水系统（非饱和带和含水层系统）生物修复的研究进 展。 与生态水文地质学密切相关的生态水文学研究在中国始于在 20 世纪 90 年代。 研究侧重在流域或区域尺度上的“大气-土壤-植物”系统的水分能量交换模型、森林 对降水-汇流过程和土壤侵蚀过程的影响、进行了水分与热量交换为核心的地气相互作 用野外观测、流域植被系统的水文过程响应规律等方面。另一个重要研究方向是生态 需水量的计算和评价，在国内已经形成了很有影响的水文学科前沿领域。此外，中国 地质调查局开展了一系列旨在以生态环境保护为目的的地质调查工作，包括大江大河 流域、沿海地区、北方荒漠化和西南岩溶石山地区石漠化等环境地质调查，为今后生 viii 态水文地质学的研究奠定了基础。 中国地下水数值模拟的发展始于70年代初。80年代初，多位学者相继出版了水 文地质数值法的专著和教材，标志着中国地下水数值模拟应用的推广。目前，地下水 数值模拟的应用己遍及与地下水有关的各个领域和各个产业部门。总体来讲，中国地 下水数值模拟领域的应用水平较高，但理论研究较少、软件开发明显落后。地下水定 量计算的另一关键领域，随机水文地质学的研究在中国起步较晚，且从事该领域研究 的中国学者不多，与国际先进水平相比，还存在着较大的差距。数量不多的研究一般 都以跟踪研究为主。 20 世纪 80 年代中后期，中国开始了地下水管理模型的研究与应用。在不长的 时间里，几乎所有以地下水为主要供水水源的大城市，针对不同的问题，都建立了地 下水管理模型。一些典型地区还建立了区域地下水管理模型，如河北平原、河西走 廊、柴达木盆地等。但由于建模所考虑的因素多为水力要素，模型结构也比较简单， 多归结为求解线性规划问题，大大限制了模型的实用性和可操作性。20 世纪 90 年代 以来，随着可持续发展理论的引入，人们对环境问题的重视以及运筹学算法的发展， 地下水管理模型无论从管理的内容还是建模的方法上都有了很大的发展，在研究内容 上更多地涉及社会、经济、环境等因素，在模型结构上以多目标和非线性为研究热点 和难点问题。 非饱和带水文学在中国的起步较晚。20 世纪 70 年代以来，随着土壤水分能量 概念的引进和较先进的测试手段的应用，中国的非饱和带水文学在土壤水分运动和溶 质运移、土壤－植物－大气连续体（SPAC）系统水分循环等方面的研究取得了长足的 进展。但与国际先进水平相比，中国的非饱和带水文学研究还存在着较大的差距。 总之，中国的地下水科学的研究和应用在过去 50 年里取得了巨大成就，为国民 经济的发展作出了巨大的贡献。但总体来说，中国地下水学科的进一步发展还面临着 不少困难。比如，中国政府对地下水科研项目的资助缺乏连续性和足够的力度，从而 未能对一些重大科学问题进行长期、深入的研究；地下水学科的基础研究仍较为薄 弱，特别是与野外试验和室内实验相结合的基础研究亟待加强。学科交叉不够，地下 水、地表水、非饱和带水的研究基本“分家”；缺少鼓励多学科交叉和不同背景科学 家之间实质性合作的经费资助体制和学术激励机制；地下水监测数据共享不够，部分 数据质量较差，严重地制约了科研的进展；由政府资助项目所得的地下水定量计算和 模拟软件缺乏共享机制。如果形成“给资助软件被引用再给资助”良性循环，对 推动地下水模拟软件产业发展定有好处；新技术、新方法、新手段的研发和推广需要 大大加强。 ix 国际地下水科学研究发展迅速 国际地下水科学研究发展迅速 自 20 世纪 70 年代末以来，美国等发达国家的地下水科学研究取得了巨大进 展。无论是理论方法，还是技术手段，均有重大的突破。地下水科学的研究呈现多学 科交叉、大空间尺度、长时间序列的趋势。非均质性、尺度效应和耦合过程等重要科 学问题的深入研究需要大规模的野外监测和海量数据。可以说，多数前沿问题及研究 热点都与以下三方面相关 非均质性普遍存在的物理、化学和生物的非均质性如何影响地下水资源的 分布、循环、水质及其可持续性 尺度效应水文和生物地球化学循环的控制过程在多空间尺度（从分子到全 球）和多时间尺度（从秒到数十年）上如何变化 耦合如何综合考虑各种不协调的、复杂的过程，包括人类活动，并反映到 政策制定者和决策者使用的预测模型里 区域水文地质研究的前沿问题可以概括为如下五个方面。（1）如何定量描述区 域尺度非均质性，尤其是对断层带渗透性的野外试验方法的研究，以及对不同应力条 件下断层水文地质特性的刻画。在数值模型中如何考虑区域尺度渗透性，并将其应用 于解决流域水资源管理和流体、溶质、能量运移等问题。（2）目前，尚缺乏野外直接 测量大尺度范围内地下水补给量的方法。利用地热和地球化学数据，通过数值模拟反 求的补给量往往不够准确。耦合模拟热量传输和溶质运移过程，进而得到地下水的补 给量，是一个值得进一步探索的方向。（3）地震会导致地下水位、地下水温度和溶质 浓度出现异常变化。因此，地震诱导的液流可以作为天然的水文地质测验。（4）在地 壳内，地下流体的运动是矿物和石油重新分配的重要动力。因此，恢复古流体场、温 度场和化学场的演化过程，是今后值得注意的研究方向。（5）海陆交界带的水文系统 是全球水循环的一个重要组成部分。地下水向海岸地带的排泄对海水的营养物和溶质 平衡有重要作用。海陆交界带正在成为区域水文地质研究的一个热点。 水文地球化学的研究加深了人们对水－岩相互作用、地下水的化学演化、矿化 过程、石油地质以及地下水溶质运移方面的理解和认识。全球性的人口、气候、植 被、土地利用和污染等环境要素的变化都会造成水质的变化，引发新的环境问题。另 一方面，新技术、新方法的涌现，交叉学科的产生，为水文地球化学的进步和发展提 供了新的机遇。当前水文地球化学的前沿研究着重于水文、化学、生物过程的耦合， 特别是水文、生态和气候条件对养分循环的联合影响及反馈作用；地下水测龄的新理 论、新技术、新应用；多种同位素的综合使用以揭示污染物的来源和水－岩相互作用 x 的过程和机制；发展水文和地球化学过程的计算机模拟技术与软件以增加可模拟的过 程、时空尺度和计算精度。 在美国和西方发达国家，公众对地下水污染的关注促使政府为保护地下水和修 复污染的含水层制定了许多严格的法律和管理条例，极大地推动了对地下水污染机理 和修复技术的研究。目前，地下水污染和修复的前沿研究有以下几个方面。（1）利用 布有密集监测网的大规模野外试验来验证和进一步改进污染物迁移理论和模型。（2） 定量描述含水层渗透系数的空间变异性，特别是由极端非均质性造成的优先流通道， 为模拟污染物迁移和修复过程奠定理论基础。（3）在污染物迁移和转化的模型中综合 考虑物理、化学和生物过程的非均质性。（4）研究新近凸现的污染物（药物和病源 菌），提高分析技术的灵敏度、分析污染源和污染路径、模拟这些污染物在地下水中 迁移转化规律、评价这些污染物对生态的影响。（5）在强放射性废料的地质处置的研 究中，考虑裂隙岩层的水文地质非均匀性、非饱和双重介质中的水流和核素迁移机 制、长时间尺度迁移模型的不确定性和可靠性、以及通过同位素和环境示踪剂的方法 寻找潜在迁移通道等。 地质微生物学是目前地球科学研究最为活跃的交叉学科之一。微生物作用对地 下水水质起着重要的影响。微生物治理水体污染物方法日趋成熟。在利用微生物修复 地下水有机污染物方面，当前的前沿研究主要集中于寻求各种野外条件下最有效的降 解路径。已经发现的、有降解污染物能力的微生物的数量和功能在不断增加。基因工 程可以把具有某种特定功能的基因引入到微生物。难降解化合物的生物降解已经成为 可能。地下水中重金属和放射性核素微生物去污的机遇和挑战是找出影响污染物在地 下水中运移和转化的主要控制因素，以开发新的生物降解技术和长期监测方案，从而 更加合理地评估风险。地下水中的病原菌迁移转化机理及其修复策略也将是今后的一 个重要研究方向。此外，微生物修复的野外应用必须配备有先进的检测技术。尽管近 些年来这方面的进步迅速，包括分子方法、稳定同位素方法、地球物理方法的发展， 但大量研究工作尚需进一步开展。 生态水文学已成为当今热门的研究领域，其主要研究内容为陆生环境与水生环 境植物与水分的关系，阐述和探讨不同环境中植物－水分的相互作用；在流域尺度上 研究水文和生物功能相互关系；在生态过程和生态模式的基础上，探讨影响植被变化 的水文学机制；遵守质量守恒和能量守恒的原则，在周围环境不同的情况下，研究生 态变化过程的机制；研究水文循环与生态系统之间的相互作用机理和过程。当今的一 些前沿问题包括土壤蒸发与植被蒸腾的定量化；土壤中水分与养分间的相互作用； 植被对河川径流的影响；植被与地下水的补给关系；水文变化与植被的相互影响等。 xi 许多水文地质的核心问题，如地下水资源管理、地下水质管理（包括修复系统 设计）、监测网设计以及含水层参数估计等，都需要地下水模拟－优化耦合模型。当 前，模拟－优化耦合模型的前沿研究方向包括发展基于启发式搜索的全局最优化方 法并减轻全局最优化方法对高计算量的要求；定量分析模拟模型固有的不确定性对最 优解及管理决策的影响；通过大尺度实地示范证明模拟－优化方法在野外条件下的适 用性和有效性。近年来，随着水文科学领域越来越强调水资源利用的可持续性，发展 盆地尺度的水资源可持续性管理模型成为一个新的重要研究课题。一般来说，正是在 河流盆地尺度内，水文、农业和经济之间的关系才能够融入一个综合的模型框架里， 进而寻求更合理、更经济的利用水资源的政策手段。在不久的将来，改进的盆地尺度 水政策模型将成为水管理非常重要的研究方向。对于许多河谷盆地来说，利用高效全 面的分析工具才能得到合理的水分配决策，以达到水资源可持续利用的策略。未来建 模将综合考虑经济、农业、工业、生态和水文等因素，建立基于 GIS（地理信息系 统）的决策支持系统。 在过去 30 年中，水文地质学的一个重要进展是随机方法（包括地质统计学方 法）在非均质含水层中地下水渗流和溶质运移研究中的应用。应用随机方法所取得的 研究成果加深和改变了我们对非均质介质中流体流动和溶质运移的认识。随机方法在 水文地质学中的应用正在逐渐广泛和深入。目前的前沿研究方向集中于两个方面水 文地质参数的空间变异性及尺度效应，以及水文地质参数的时间变异性及尺度效应。 具体来讲，前沿问题包括利用非平稳理论来描绘含水层介质和参数的时空变异性， 利用野外实验来检验随机理论的研究成果，以及多尺度作用下的溶质运移的随机理 论。 非饱和带水分和溶质运移已成为地下水科学最具挑战的前沿领域之一。非饱和 带是固体介质、水、气三者并存的一个复杂系统。由于非饱和带是植被生长的基础， 上通大气，接受降水补给，下与饱和地下水系统相通。因此，非饱和带水分的运动是 水循环中的关键一环。非饱和带中的水流与溶质运移直接影响到地下水的水流与溶质 运移。另外，人类活动（如农业耕作、工程建设、城市化等）首先直接影响非饱和 带，然后通过非饱和带间接影响地下水系统。地下水系统对地表水和生态系统的影响 也必须通过非饱和带。因而，非饱和带是地下水系统不可或缺的研究领域。非饱和带 中水流与溶质运移研究的一个挑战性问题是尺度问题。其它重要前沿问题包括非饱 和带中水流和溶质运移、转化过程和机理以及数学建模；土壤物理性状和过程的观测 与定量化；非饱和带中物理、以及化学过程与生物过程的耦合。 xii 数据是中国地下水科学发展的瓶颈 数据是中国地下水科学发展的瓶颈 可以说，中国地下水研究的最大障碍是缺乏足够的、可靠的、可以共享的基础 数据。系统地改变资助政策和管理措施，以鼓励大量基础数据的采集、积累、和共享 是发展中国地下水科学发展的当务之急。近年来地下水科学的进步在很大程度上是由 水文地质数据获取的革命性新手段和新技术带动起来的。 互联网的普及和其它新技术的发展，尤其是遥测传感器的无线和声波传输，加 之传感器的成本不断降低、其尺寸和重量的微量化，正在为环境监测和环境科学研究 带来根本的变化。大范围的、多变量智能传感器阵列构成的智能网络，正在成为研究 复杂现实世界的全新工具。这一技术使得在时间和空间上进行密集监测成为可能，有 望揭示以前难以监测到的现象。廉价的测量地下水位、湿度、温度、溶解氧、CO2、盐 度、营养物等参数的传感器已经渐渐普及。充分有效地利用传感器网络进行数据的连 续收集和监测，将需要新的赛百结构、方法、中间设备、基础设施配置及多学科科学 家和工程人员的协作。大量、高质量的数据有助于新的科学问题的提出。中国的地下 水研究者和工程人员应该充分利用这些新兴的测量技术和手段。 由于地下水系统非均质性的普遍存在，含水层中地下水流动和污染物运移的三 维模拟需要大量的水文地质数据。虽然传统的监测手段和抽水实验可以估计含水层的 水力特征，但费用很大，而且只能取得研究区内有限点上的数据。与传统的水文地质 方法不同，地球物理方法（包括电阻率法、电磁法、地面穿透雷达、地震、交叉测井 电阻率/雷达/地震层析成像）的覆盖密度大，可以迅速获得大量的数据，且花费较 低。虽然在某些情况下，可以建立地球物理数据与水文地质特征之间的定量关系，但 需要指出的是，地球物理数据仅能间接表征含水层的水文地质特征，例如渗透系数、 孔隙度或污染羽的移动。地球物理方法作为估算水文地质参数的补充或替代方法，用 于地下水模拟颇具吸引力。 多参数水质监测系统是一种新兴的、获取大量现场水质数据的方法，正逐渐为 水文地质学者所熟悉。所谓的“数据探测器”包含多种探头或传感器，以便同时测量 各种不同的参数。将数据探测器与数据记录系统相连接，可以实现数据的连续收集； 与数据读取仪表相连接，可以实现原位数据采集。解决“大视野”科学问题，要求我 们监测并观察各种尺度（区域尺度、大陆尺度乃至全球尺度）内的水循环。卫星遥感 逐渐成为研究区域和全球范围水循环的重要工具。遥感可以提供大量的数据，其采集 成本远远低于地面数据。收集全球尺度内的水文数据，遥感或许是唯一可行的方法。 遥感技术的进步将为水文学（包括地下水文学）的发展带来新的机遇。 xiii 在过去的 10 多年里，信息技术得到了迅猛发展。计算速度、存储容量和网络基 础设施的飞速进步，使得我们可以进行海量的科学和工程数据的收集、存储和计算。 信息学科出现于大气学、生物多样性、生物医学、地球科学和海洋学等学科有关的子 领域。为了满足科学研究的需要，美国联邦政府和有关组织增加了资助基金的数量， 以支持各学科之间新的信息技术的发展。例如，美国自然科学基金会于 2000 年设立了 信息技术研究计划，鼓励信息技术在科学、工程及教育领域中的应用，以及创新的基 础设施的发展，以支持信息技术研究和教育。这些行动被称为“美国未来科学的先期 投入”。中国水文学的计算机信息基础设施与美国等一些发达国家之间还存在着很大 的差距。科技部、国家自然科学基金委和中国地质调查局应该继续加大投入，发展计 算机信息基础设施和信息技术研究，以促进水文数据在互联网上的存储、发布和共 享。 地下水资源的严峻形势，与之相关的生态环境问题和地质灾害日趋严重，已成 为制约经济社会全面、和谐、可持续发展的重大战略问题。中国地下水监测现状难以 满足经济社会发展的需求，迫切需要健全完善地下水监测网络。因此，中国急需建立 国家级长期地下水监测网，收集稳定、可靠、大空间尺度、长时间序列的数据。这些 数据的获取将有利于实现区域地下水开采总量控制，有效地防治跨省（区、市）地质 灾害，有助于提高全国地下水资源评价程度，为国民经济和社会发展规划以及国家重 大战略部署提供科学依据。再者，地下水监测是一项服务于全社会的基础性、公益性 工作，地方监测网难以起到国家级监测网的作用。美国、荷兰等发达国家都建立了国 家级的地下水监测网络。这些网络的建立和数据的获取在提高区域地下水资源调查、 评价，制定合理利用方案和科学保护措施，避免出现灾害性或灾难性后果等方面发挥 了重要作用。国内外的经验也表明，在为政府、社会公众和科学研究提供信息服务与 决策支持等方面，国家级地下水监测网具有地方监测网无法比拟的优势。 中国地下水科学的教育体制亟待改进 中国地下水科学的教育体制亟待改进 加强地下水学科本科和研究生教育是推动中国地下水科学发展的首要任务。地下 水资源具有一般地质矿产资源和地表水资源的双重属性研究地下水运动需要运用水 力学和流体力学的基本原理；研究地下水的区域水量均衡、资源保证率以及地下水径 流特征时，需要借助于水文学和水资源学的基本理论；研究地下水的埋藏分布特征、 水量、水质形成条件以及地下水的各种区域性规律乃至环境地质效应则必须依靠地质 学的理论。此外，地下水不仅是一种资源，同时又是一种重要的地质营力、地球环境 的一个重要组成部分和地质环境信息的一种重要载体。片面地用地质学或水文学来覆 xiv 盖或替代其它学科的主张或做法既不利于这门学科的成长，也不符合科学发展取向的 自然客观规律。 在目前中国本科专业体系中与地下水科学相近的专业为“水文与水资源工 程”。地下水科学与水文与水资源工程在培养目标、学科定位等方面存在很大的区 别。前者的突出特点是培养的专业人才必须具有坚实的地质理论基础，而后者则隶属 传统面向地表水的一级学科“水利工程”。因此，设立“地下水科学与工程”或恢复 “水文地质”本科专业，既可以解决就业市场对学生的需求，又可以避免目前在“水 利工程”一级学科名义下培养水文地质专门人才所遇到的尴尬局面。这种局面的产生 是中国学术界习惯性将“水文学与水资源”理解为主要面向地表水研究，即该专业主 要是培养从事地表水资源工程和水利施工中相关问题的设计、评价、开发、管理与保 护的教学、基础研究和应用的高级工程技术人才，学科门类上属于水利工程。而水文 地质专业面向的是地下水研究，学科归属为地质科学。 近几年，中国地质大学、南京大学、吉林大学、长安大学均设立了“地下水科 学与工程”硕士、博士招生点。中国的地下水科学领域的研究生尤其是博士生的培养 质量亟待加强，从论文选题的前沿性、研究手段的先进性、研究的学科跨度和发表成 果的国际性等方面与发达国家尤其是北美仍有较大差距。应当大力加强研究生导师队 伍建设，重视并切实加强基础研究，通过承担基金项目、开展国际合作、实施国际同 行的学术评价标准等方式，提高研究生的培养质量。 中国地下水科学的优先研究领域 中国地下水科学的优先研究领域 考虑到中国地下水科学的现状和当前国际地下水研究的趋势，结合中国社会经 济发展和环境保护的需求，本书提出了推动中国地下水科学发展的优先研究领域，供 资助地下水研究的政府部门和与地下水有关的科研人员和学生参考。这些优先研究领 域包括（重要性与排列顺序无关） 人类活动、气候变化、土地使用变化对地下水循环的影响 区域尺度含水层系统三维表达与耦合过程的数值模拟 地下水可持续利用与科学管理模型 地下水过量开采及水质污染引起的区域环境地质问题 岩溶地区地下水系统运动机理与可持续开发利用 区域地下水监测网的建立、完善与管理 地下水同位素示踪剂的发展与应用 xv 生物过程动力学以及对水化学的影响 特殊环境下水文地球化学问题的研究 与地下水污染、修复有关的行政管理与法律框架 地下水污染现状的系统客观评价 含水层物理及化学非均质性对污染物归宿运移的影响 经济、高效的地下水污染修复方法与技术 地下水中的病菌及其控制因素 地质微生物群落结构、代谢能力与物质循环对生物修复的影响 区域水文地质条件及其变化与植被生态格局的关系 陆生生态系统分布与地下水系统之间的相互作用及反馈机理 潜水含水层中地下水各种物理化学过程的生态效应 高寒地区气候变化对地下水的影响及其生态响应 水文地质参数非平稳场的时空变异性和尺度效应 随机水文地质学理论在实际工作的应用 非饱和带多重界面水分水质转换机制及其生态效应 非饱和带的生物和地表生态对水的净化机制 非饱和带中的多相流问题、时空变异性和尺度转换 农业可持续发展中的土壤特性变化、土壤污染问题 促进中国地下水科学发展的建议 促进中国地下水科学发展的建议 本书的最后一章列出了我们对促进中国地下水科学发展的一些想法和建议，包 括科研、教育、和数据问题。 为了提高中国地下水科学的研究水平，我们建议中国自然科学基金委和其它与 地下水有关的政府部门大幅度增加对上述优先研究领域的资助强度，鼓励地下水科学 和其它相关领域的交叉，以便推动中国地下水科学研究整体水平的提高。作为地学的 一个基础和骨干学科，我们认为地下水科学在基金委地学部的地位应该进一步提高， 建议地学部成立一个与“地质学”学科相同等级的“水文科学”或“水科学”学科管 理组。尽管中国的地下水科研与实际工作为解决公众的饮水问题和推动国民经济建设 做出了巨大贡献，但中国地下水科学基础研究的现状与美国和其它西方国家相比，还 比较落后。这种状况与地下水对中国社会经济发展所发挥的重要作用很不相称。我们 认为，改变这种状况的一个有效办法是针对中国地下水的特点，由基金委牵头设立一 个重大的科研计划，提出关键科学问题和预期目标。通过该计划的实施获得一批系统 xvi 的重要成果，在国际一流水科学类杂志上发表一批有代表性的论文，从而提高中国地 下水科学在国际上的地位。在重大科研计划的基础上，我们建议建立一个以地下水为 主题的国家重点实验室。这一科技平台将有利于提高地下水科学在中国学术界的地 位，建立一个能够攻克与地下水相关的重大科学问题的综合团队。同时有利于吸引海 外人才回国参与中国的地下水科研工作，从而加强与国际水文科学界的合作和交流。 要促进中国地下水科学的发展，首先要加强地下水学科本科和研究生的教育。 我们建议第一，重视本科生教育知识的全面性。除了最基本的地下水理论和实践 外，本科生教育还应加强数理化、地质学基础和相关领域的课程，包括地表水文学、 水化学、气候学、生态学、地质微生物等等。第二，注重硕士、博士研究生的独立思 考能力和实践能力的培养。特别是博士生，应该选择能够为地下水及相关科学做出原 始贡献的题目。鼓励研究生将研究成果发表在国际水资源刊物上。第三，加强国际交 流。研究生在读期间，应争取国家资助到国外高水平大学学习访问，以开阔科研视 野，丰富国际经历。同时应鼓励研究生在读期间参加国际会议，宣讲他们的论文。我 们建议基金委或其它部委设立资助杰出研究生自主选题的“博士生创新基金”。 缺乏可靠的、可以共享的基础数据是阻碍中国科学，特别是地学发展的瓶颈。 要想从根本上解决这个问题，需要中国政府的决心和相应的政策。我们建议第一， 将在中国政府直接拨款资助的生产性调查项