【观点】杨建峰：美国环境地质科学发展战略
节选自《美国地质调查局环境地质科学现状、战略及启示》，作者杨建峰，研究员，中国地质调查局发展研究中心，从事水环地质战略研究。
2012年，USGS先后发布了其7个战略领域未来10年的战略规划。USGS在环境地质科学领域的战略重点如下：
1.扩展和强化地质环境监测网络
USGS强调，地质环境监测网络是科学研究的基石，所产生的监测数据对于解决重大战略问题至关重要。对于水文要素观测，通过3种方式扩展和强化水资源监测网络。在目前监测站基础上，设计、建设由联邦政府资助的全国统一的地表水、地下水、水质监测站组成的全国骨干网络，并与州、县及其他联邦机构运行的监测站网相互配合、相互补充。在重点监测站装备更加先进的监测设备，增加监测要素和数据参数种类，实现实时传输。与NOAA、州县应急管理部门等用户合作，针对其需求扩展监测网络，使其满足更多用户的需求。对于灾害要素观测，通过5项措施扩展和强化地震、滑坡、火山等地质灾害监测网络。强化和升级现有监测网络，保障现有监测站点不间断地产生可靠的监测数据。提高监测信息应用水平，重点监测站点实现实时监测，协调和创新目标灾害体多种传感器监测，扩展与其他监测网络的联系通道。充分利用先进的监测技术扩大和提高监测范围与能力，包括扩展获取、使用地球物理调查数据和遥感数据的途径，开发便携式、智能化、低成本灾害监测仪器等。提高灾中和灾后现场数据采集水平，及时获取灾害现场短时间可收集的数据。编制地质历史和人类历史上的灾害目录，包括古洪水、古滑坡、古地震以及火山爆发历史等。
2.建立地球表层三维地质框架模型
解决水资源、自然灾害、环境健康、气候变化等重大科学问题，首先需要了解水文过程、灾害过程、生态过程、生物地球化学过程等所依存的地球表层地质体。USGS认为，地球表面的地质信息必须与深部的地质、地球物理和地球化学信息整合在一起，才能准确地描述地球表层的地质体。
对于水资源研究，目标是建立不同尺度的3D/4D水文地质框架模型。3D框架模型在2D模型的基础上将体积和深度变量耦合进去。垂向上的范围，上限是岩石圈表面，下限是深部含水层的底板。与地质框架相对应的水文地质性质可能会随时间发生变化。例如，在页岩气开发过程中，由于水力压裂导致的深层岩石断裂，势必会影响深层地下水循环的深度。对于这种情形，需要建立4D水文地质框架模型。
对于地质灾害研究，目标是建立地球表层框架，包括地质、水文和生态框架。针对海岸侵蚀、地震、海啸、火山等灾害，加强基岩地质填图、陆地和洋底形态填图等基础工作。为了精细刻画地球3D结构，需扩大航空磁力调查和重力调查覆盖范围。为了加快灾害过程研究，还需要加强植被、土壤及地表地质体工程地质性质、土地利用等地表覆盖物的调查。意识到地质框架模型是其核心生命力所在，USGS在核心科学体系战略中提出了宏伟的地球表层框架远景目标：将数据、方法、模型组织到相应的时空框架之中，形成一个模块式整体，为资源管理、环境保护和防灾减灾提供全方位支撑（图1）。
图1 USGS地球表面框架远景目标（据Bristol等）
3.加强变化环境下水资源研究与预测
定量研究、预测和保障未来美国的淡水资源安全是USGS水资源科学战略的目标。围绕这一目标，首先需要推进决定水资源可利用性的过程机理研究，包括地质框架、气候变化和人类活动。利用历史数据，开展多时空尺度下气候变化对水资源可获得性的影响研究，查明水资源对长期气候变化的响应。系统研究农业发展、城市化、能源与矿产资源开发、废物处置等人类活动与水资源系统的相互作用过程。考虑经济社会和生态系统对水资源的需求，通过研发定量化模型，研究和预测不同气候、人口、土地利用和管理情景下的水系统变化及水资源数量和质量的变化。开展咸水、劣质水、再生水等可替代性水资源的可利用性研究，预测其开发利用对环境的潜在影响。
4.加强自然灾害机理研究
为了提高灾害评估的质量和预警的及时性，USGS明确要大力加强灾害机理研究。推进自然灾害启动过程的靶向性研究，包括灾害事件的启动、持续时间、类型和规模的控制因素等；利用第四纪地质、冰芯分析等手段开展极端灾害事件研究，确定极端灾害发生机制和影响因素，推断发生极端灾害的高风险区域；促进自然灾害脆弱性和风险评估研究，包括如何将机理研究成果转化为脆弱性和风险分析信息，如何评估灾害事件的环境、经济和社会后果，如何将灾害脆弱性和风险信息有效地传达给有关部门以采取适当行动；加强灾害过程中的流体研究，包括岩浆系统和火山过程中多相流体的作用，火山、地震、滑坡和地面沉降相关的地下水文过程，断层流体在启动地震中作用，风化碎屑流和火山碎屑流的坡面流动过程；开展多种自然灾害链的诱发和作用机制研究。
5.加强环境污染物对环境健康影响研究
USGS认为，自然环境、生物环境健康与人类健康不可避免地相互联系在一起，并受人类活动、生态过程和地质过程的影响。在这一思想的指导下，USGS确定要加强环境污染物对环境健康的影响研究。重点包括：识别、探测引发环境健康的污染物，对有机污染物、化学合成物、碲、镓、稀土元素等致病污染物进行调查和监测，确定其引发环境健康问题的阈值和风险；系统调查环境污染物的来源、发生、迁移和归宿，评估污染物对环境、生物和人类健康的威胁程度，确定人类暴露在污染物中的健康标准；探明人类暴露于污染物的复杂作用和耦合效应，识别环境疾病和致病因子，开展致病污染物的毒理学研究；开展自然因子和人类活动诱发的灾难可能产生的环境影响与健康威胁研究，建立灾难诱发环境健康风险多学科快速评估机制，研究提出识别未来灾难诱发环境健康问题的方法。
6.加强全球变化的地质过程研究
2008年美国国会批准USGS成立了全国气候变化与野生动物科学中心，承担气候变化对美国水、土及其他自然资源和人文资源的影响研究任务。按照规划，根据全球变化研究的需要，在环境地质方面重点开展两方面的研究工作。一方面是开展全球碳循环研究，包括研发地质碳封存潜力评估方法和地质碳储存脆弱性评估方法，开展石油、天然气矿床和渗透性地质体注入液体CO2的地质、水文和地球化学过程研究，定期开展全国碳封存潜力和碳储存脆弱性评估，开展碳封存评估与监测方法技术研究，开展土壤、沉积物和农田碳储存过程机理研究，开展水分迁移和沉积物搬移过程的碳流研究等。另一方面是开展海平面上升和气候变化对海岸带的影响研究，包括海平面上升对海岸带影响过程，不同情景下海平面上升引发的海岸带后退、土地流失预测模型，淡水排泄、沉积物和营养物质流入对海岸带的影响等。
7.加强能源资源及其开发利用废弃物的环境效应研究
提升对能源与矿产资源及其开发利用废弃物的环境效应的认知，是USGS能源与矿产资源科学战略的重要目标之一。重点包括：开展与能源、矿产资源开发过程中的碳源与碳汇调查，包括石灰岩开发中的CO2排放、地热水开发中的CO2排放、页岩气开发中的甲烷泄漏等；开展闭坑矿山和正在运营的矿山矿产资源开发对自然景观的影响过程研究；开展气候变化对矿产资源环境背景和废弃物环境行为的影响研究；对能源与矿产资源生产和加工过程中产生的废弃物特征进行研究；开展废弃物深部地质处置研究，包括铀污染地下水、油气开发产生的高盐水和劣质水等；开展页岩气开发水力压裂技术、油页岩现场转化技术、天然气水合物开发技术等资源开发新技术的环境地球化学研究；研发与资源相关的地质环境模型。
8.建立完善地质环境紧急事件快速响应体系
针对突发性的灾害事件和环境事件，USGS规划继续完善和加强其快速响应体系。对于与水相关的突发性事件，主要包括：通过数据和信息综合分析，识别当前和今后社区面临的水相关灾害威胁，包括洪水、河岸与海岸侵蚀、干旱、泥石流与碎屑流、火山泥流等；开发和部署观测系统，识别和跟踪水文灾害，在极端水文事件期间制定可操作性方案；通过缺水导致冲突的条件研究，为社区提供冲突发生时的科学解决预案；针对水质退化问题，开发决策支持工具，为管理者应对石油泄漏、有毒水藻暴发、有毒物质污染水源等突发性水质问题提供支撑。对于突发性地质灾害，主要包括：开发下一代灾害探测与响应工具；提高数据采集和传输系统性能，例如提升监测设备的可靠性和准确性，扩充网络提高数据的时空密度等；实施并保障关键监测设施24小时×7天不间断运行；提高灾害事件发生期间科学技能的应用水平；提高国内灾害协作应对水平；对灾害预警和响应产品进行严格评估。