水文地质条件的发展过程

虽然水文地质学这个术语在19世纪就开始使用了，但直到20世纪初，科学家米德才给这个术语赋予了广泛的含义:水文地质学是研究地下水的发生和运动的学科。从20世纪50年代末到80年代初的近30年间，水文地质学突然成熟，成为地球科学的正式成员。1960以前，水文地质学主要是地质学家的领域。作为一名自然科学家，他对控制地下水流的因素和规律毫无兴趣或知之甚少，让差分方程来描述。另一方面，工程师在估算井的单位出水量和总出水量时，只需计算，处于“可渗透”和“不可渗透”岩层之间的灰色地带，无所适从。两种分叉的、几乎完全独立的方法沿着平行的路径研究地下水；受科学家好奇心的驱使；另一方面是工程师的务实精神推动的。两个分支的演变在时间上也可以分为两个阶段:理论和假说的定量表达和数学上的严格推导为界限(图1)。

17世纪正处于“自然科学分支”的“猜想”阶段，关于泉水的成因和水循环，已经出现了第一批有记载的问答。伟大的思想家，从公元前8世纪的荷马开始，包括亚里士多德、泰勒斯、柏拉图，甚至笛卡尔、开普勒(17世纪)，都曾推测泉水来自海洋中挤出的水，或者凝结在洞穴中的水；雨水不足以保持河水的流动。然而，在另一个阵营中，马库斯·维特鲁威·波洛(Marcus Vitruvius Pollo)认为春天来自雨水的渗透，这一观点得到了达芬奇和帕利西(16世纪)的支持。定量水文观测开始于17世纪。皮埃尔·佩罗(1608-1680)测量了塞纳河流域三年的降水量，发现降水量是河流流量的六倍。马里奥特(1620-1684)验证了佩罗的观测结果，哈雷(1656-1742)证明了注入地中海的径流不足部分被蒸发消耗。梅瑟利(1791)开始测量岩石的渗透性，将入渗水分为地表径流和深层储存，于是初步形成了水平衡的概念。

虽然第一口自流井建于1126年的阿图瓦，但第一个有记载的对自流井现象的解释出现在17世纪。卡西尼和瓦里斯·内利正确地指出，承压含水层中的高水压是自流的原因。进一步试图将概念精确化的结果是强化了绝对防水的概念。而对广泛分布的区域性含水层和隔水层的研究，很可能形成地下水盆地的概念。在这方面，赫伯特的《地下水运动论》(M.King Hubbert，1940)是最基础、最有影响的著作。19世纪末到20世纪初开始地下水化学的研究，不是为了实用目的，主要集中在分类(帕尔默，朔勒)和化学成分演化的影响因素分析(切博塔列夫，朔勒，回)。

“工程科”第一阶段，从很久以前到1856，主要集中在开发经验的、实用的方法和技术，建造地下水收集设施，从泉、井、坎儿井等水源中提升和输送地下水。第二阶段是“定量评价”阶段，以1856年达西定律的发表为标志。达西方程引发了人们对根据地下水位变化预测水井出水量的兴趣；后面是一系列众所周知的计算公式:秋布衣，苔丝，雅各布，Unzer等。讨论了地下水位和理想承压含水层的定量预测。它可以看作是研究地下水的自然科学和工程科学两个分支的融合，进而进入了当代水文地质学发展的成熟阶段。地球科学的这一新成员不仅是一门基础学科，也是一门专门的分支学科。为了更好地了解几乎所有的地质活动，熟悉当代水文地质学的基本理论是绝对必要的。同时，需要培养具有独特教育和专业背景的专职水文地质学家。

当代水文地质学有以下三个主要的特征概念:①地下水流系统发育的空间尺度，变化很大；(2)地下水流系统发育的时间尺度变化很大；(3)流动的地下水是一种无处不在的地质力量，它可以到达地下很深的地方，对广泛的自然过程和现象具有控制性的影响。

水文地质学将向何处发展？作为一门成熟的科学，它建立在工程师的数学严谨和科学家的自由想象的基础上，建立在相关学科的技能、方法和技术上。在可预见的未来，水文地质学的理论和技术方法不可能有新的突破。相反，预计会有各种“名副其实”的学科分支，如环境水文地质学、污染水文地质学、农业水文地质学、石油和天然气水文地质学等等。

就中国而言，水文地质学的发展史与新中国的建立和发展密不可分。半个世纪以来，水文地质学的成长和发展大致可分为两个阶段:20世纪50年代至70年代中期，可称为奠基阶段，主要受前苏联学术思想的影响，基本上是按照前一种模式。70年代末至90年代，可称为发展阶段。这一时期，由于实行改革开放政策，国内外学术交流日益频繁，因而受到西方学术思潮的极大影响，特别是系统科学、环境科学、现代应用数学、计算机技术等新思想、新理论、新技术的输入，极大地改变了水文地质学的基本概念和研究领域。水文地质学从定性研究进入定量研究阶段，被纳入系统工程的轨道，与现代科学结合更加紧密。因此，我们把50-70年代基础阶段的水文地质学称为传统水文地质学，而把70-90年代发展阶段的水文地质学称为现代水文地质学(图2)。

现代水文地质学的基本特征是:①与现代科学的新理论、新学科紧密结合，如系统论、信息论、控制论及相应的系统科学、环境科学、信息科学等，对水文地质学的发展产生了重大影响；②现代应用数学与水文地质学的结合，特别是数值模拟方法得到广泛应用，模型研究成为水资源研究的主要内容，使水文地质学从定性研究向定量研究发展；(3)从研究地下水系统与自然环境系统的关系转向研究与社会经济系统的关系。地下水资源的研究也从数学模型发展到管理模型和经济模型；④区域水文地质学、岩溶水文地质学、遥感水文地质学、环境水文地质学、医学环境地球化学、污染水文地质学、数学水文地质学和水资源水文地质学等许多新的分支学科的产生和发展；⑤新技术、新方法的应用，除计算机技术外，遥感技术、同位素技术、自动监测技术、室内模拟技术、高精度水质分析技术等都得到了广泛应用，促进了水文地质学的发展。

需要强调的是，水文地质学领域的很多研究都是由水文地质学家、地质学家、水文学家、气象学家等多个学科的专家学者共同完成的(图3)。