【深度】美国水文地质调查发展回顾及对我国的启示
摘要：美国水文地质调查经历了一百多年的发展，在该领域长期居于国际领先地位，影响和引导了国际水文地质学的发展方向。通过对美国水文地质调查发展历史的回顾，本文梳理出了美国水文地质调查发展的主要脉络，揭示了美国经济社会发展和水文地质调查之间的内在关系，总结了不同经济社会发展阶段水文地质调查的发展特点。文中还介绍了美国现阶段水文地质调查发展战略和实施情况，展望了美国未来的水文地质发展趋势。在分析美国水文地质调查发展正反两方面经验的基础上，提出了对我国水文地质调查工作的启示：把握经济社会需求，推进水文地质调查基础工作；加强地下水保护，遏制地下水环境恶化趋势；加快有害废物地质隔离和地下水污染治理技术的研究；建立高效的调查成果服务机制；推进地下水资源和地表水资源一体调查。
0前言
地下水是美国重要的自然资源之一。据美国地质调查局（USGS）统计，2000年美国总用水量为 5636 亿m3，其中地下水1167亿m3，占总用水量的20.7%；98.3%的家庭用水、57.4%的牲畜用水、41.5%的灌溉用水和 37.0%的公共供水来自于地下水（表1）。此外，地下水在维持生态系统方面也具有十分重要的作用，例如补给河流，维持河岸和湿地生态系统等。因此，美国政府历来重视地下水资源的开发利用，USGS成立专门的机构从事地下水调查和研究工作。USGS 自成立伊始即成为美国水文地质调查和地下水研究的主体，在地下水资源评价、地下水流定量研究、地下水化学分析等方面取得了世人瞩目的成就，在水文地质领域长期居于国际领先地位。
一、水文地质调查发展回顾
（一）水文地质学发展简史
美国水文地质学的发展历史，可划分为四个阶段：萌芽阶段（1910 年以前）；奠基阶段（1910-1940）；迅速成长阶段（1940-1976）；持续发展阶段（1976 年以后）。图1示意了水文地质学发展的几条脉络，包括重要事件、USGS 水文地质学家人数、地下水资源评价、地下水流定量研究等。
图1 美国水文地质学发展脉络示意图
1.萌芽阶段（1910 年以前）
自1776年美国独立至1865年，虽然同时期欧洲水文地质学取得了一系列进展，但是在美国水文地质学还处在蒙昧状态。19世纪60年代后期美国启动西部开发以后，农业和城市发展对地下水的需求不断增加。南方地区需要抽取地下水灌溉水稻、玉米和棉花，北方迅速发展的城市需要开发清洁、卫生的地下水来替代已遭受污染的地表水。经济发展对地下水的需求刺激了人们对水文地质学的研究。地质学家、土壤学家、陆军工程师、农业部、内务部和部分州地质调查部门在探查地下水自流井的同时，开始研究自流井的成因条件。那时，大多数人认为自流井的地下水是取之不尽、用之不竭的。1879年美国地质调查局成立。1903年美国地质调查局成立水文（地质）部，1908年更名为地下水部。自此以后，美国地质调查局成为美国水文地质学发展的主导力量，到 1910 年末即获得了国际水文地质界的广泛认可。
早期水文地质工作者主要关注的是自流井的开发。Wisconsin 州地质调查局的Chamberlin于1883 年出版了专著《自流井》，首次系统论述了自流井的成井条件和开发理论。随后，Chamberlin作为美国地质调查局的雇员重新修订和扩充了其专著，并更名为《自流井的成井条件》，这是美国地质调查局发布的第一份水文地质报告。1897年Iowa 州地质调查局Norton在《Iowa自流井》报告中首次使用“含水层”术语来描述自流系统。随着各个州自流井数量越来越多，Todd于1900年发出警告：过多的自流井将导致自流水量衰减。这个时期所出版的水文地质报告基本上是定性的和描述性的，缺乏对自流水量定量的尝试。
2.奠基阶段（1910-1940）
Meinzer是美国著名水文地质学家，1906 年成为美国地质调查局的雇员，1912年开始到他 1946 年退休一直执掌 USGS 地下水部。在此期间，在 Meinzer 的努力和领导下，USGS 确定了水文地质学的发展方向，奠定了水文地质学的理论基础，水文地质学发展成为地球科学的一门重要的分支学科。由于 Meinzer 的巨大贡献，他常被后人尊称为“地下水文学之父”。
1910年美国地质调查局开始在许多地区进行地下水调查，内容包括水流方程研究、地质调查、自流水流研究、示踪研究等。1910 年前后，欧洲和美国在地下水理论研究方面取得了一些突破。Dupuit, Thiem, Forchheimer等人在 Darcy 定律的基础上分别提出了地下水流运动的基本方程，Slichter 发展了水流方程应用的理论和方法。Chamberlin, Ellis, Darton,Fuller 和 Mendenhall 等人在水文地质系统方面做了大量卓有成效的工作。但是，这些工作多是相互独立的，部分工作是重复性的，缺乏系统完整的总结。二十世纪 20 年代中期，Meinzer 出版了系列专著，包括《美国地下水形成与理论探讨》（1923）和《地下水文学概要》（1923）等，系统地总结了水文地质学的研究工作和理论进展。
在水井水力学方面，稳定流理论居于主导地位，一些公式例如 Thiem 公式，一直到今天还在应用。1935 年，Theis 非稳定流公式发表并迅速推广，在许多实际问题中得到了令人满意的解析结果。在非解析定量研究方面，基于有限差分方程的非解析模型开始出现。数值分析和迭代方法的应用研究也已经出现，许多研究成果在第二次世界大战以后出版和发表。在地下水量平衡研究方面，Meinzer 于 1932 年出版了《地下水供水量评估方法概要》，总结了Theis公式出现之前在地下水平衡方面的研究成果。
在地下水开发方面，人们开始意识到地下水资源是有限的。期间的地下水资源评价工作不仅评估地下水的可开采量，而且评估地下水的质量变化。30 年代 Tolman及其同事发现了地下水开采所引发的海水入侵和地面沉降现象。含水层枯竭、地下水污染、海水入侵和地面沉降等问题的先后出现，使人们认识到开发地下水需要在收集和分析地下水数据的基础上进行合理规划和科学管理。为了实现这一目标，美国地质调查局启动了合作项目，国家、地方和私营部门共同参与，共享研究成果。
3.迅速成长阶段（1940-1976）
1941年12月日本偷袭珍珠港，美国随即加入第二次世界大战。在接下来的7年中USGS 调整战略部署以适应战争需要，完成了15000份专题报告，向政府提供军营、海军驻扎地、军事医院、训练场、飞机场、制造工厂等地方的地表水和地下水数量、质量与开采数据。在战争期间为满足战争需求，科学技术在各个领域得到了迅速发展，新出现的理论和方法在战后陆续被应用到水文地质领域中，以解决战前遗留的和战争中新产生的水文地质问题。
在这个阶段，地质学在地下水调查和分析中的应用不断深化，地球化学过程研究不断深入，地球物理方法和设备日趋成熟和完善。融合了地质学、物理学、水力学、化学和数学等多个学科的研究成果，水文地质学发展成为真正意义上的跨学科边缘科学。从事水文地质研究、教育和生产的人数急剧增长。USGS 从事地下水研究的科学家人数在1940年为80人，到1960迅速增长到420人。这个阶段的重要特点是：定量问题分析和预测方法迅猛发展，先后产生了实体模拟方法和系统分析方法。Bredehoef（t1976）把这个阶段的地下水定量研究划分为3个时期：早期（1935-1950）、系统分析发展时期（1950-1965）和数值分析发展时期（1965 年以后）。
4.持续发展阶段（1976年以后）
随着经济的持续增长和中产阶级的不断膨胀，人们对地下水资源的数量和质量要求越来越高，对生态环境的改善和保护意识也越来越强烈。这一时期的水文地质工作也开始由过去的以资源为重转变为资源和环境并重，近年来日益重视地下水的生态作用。在地下水资源评价方面，USGS 先后启动了“区域含水层系统分析项目（RASA）”和“地下水资源项目（GWRP）”两轮地下水资源调查，前一项目于1995年左右完成，后一项目目前仍在进行中。调查的范围从过去的以州为单位改变为整个含水层系统、水文系统、生态环境系统，所面对的问题由局部性的问题转向全局性的课题，由当前的问题转向长期的水资源可持续利用问题。与生态学、微生物学、土壤学等学科不断交叉渗透成为水文地质研究的重要特点。地理信息技术、遥感技术、同位素技术在水文地质调查中的应用发展迅速，并日趋成熟。
（二）地下水资源评价
美国地质调查局始终把地下水资源评价作为优先进行的重点工作。早期在一些地区进行的地下水调查工作成为全国地下水调查的起点。典型的开创性工作包括Darton（1905,1909）在中部大平原（Central Great Plains）的地下水调查、Mendenhall（1905）在加利福尼亚州洛山机地区的地下水调查、Ventch（1906）在纽约 Long Island 的地下水调查。Meinzer 自 1923 年开始陆续出版了一系列报告，系统总结了美国地下水发生、补给、排泄、径流、数量、质量、开发利用和地下水区划等各个方面，首次对全国地下水资源进行了定性评估。
二十世纪 30 年代至 60 年代中期，USGS 与全国 50 个州、波多黎各、维尔京群岛、关岛、萨摩亚群岛等地方部门合作，以州为单位先后对各个州地下水资源进行了调查，采用均衡法对各个州地下水资源进行了初步估算。1963 年 McGuinness 总结了各个州及地区地下水资源评价研究成果，列出了在地下水资源评价方法和技术方面的研究成果。在 70 年代 USGS 对全国 21 个区域开展了水文地质调查和地下水评价工作，在对区域地质、水文地质条件调查和地下水区划的基础上，对地下水补给（包括降水补给、河流补给等）、地下水排泄（包括蒸腾蒸发、河流排泄、湿地排泄、人工抽取等）等地下水均衡要素进行了估算，分析了在地下水利用中存在的问题，提出了地下水优化管理的对策。
1977年美国发生了特大干旱，地表水严重匮乏，使政府意识到了地下水资源的宝贵性。1978 年受国会委托 USGS 启动了“区域含水层系统分析项目（RASA）”，目的是摸清全国含水层系统的水文地质条件、含水介质的水力性质、区域地下水流系统和水文地球化学特征，为地下水资源开发、规划与管理提供依据。RASA 项目历时近 20 年，调查和研究了全国 28 个以流域为单元的含水层系统。该项目在综合集成和分析历史数据的基础上，结合补充勘探，采用三维有限差分地下水流数值模型，通过模拟地下水开发前后地下水动态变化，确定了地下水补给、排泄和均衡要素的变化，使地下水资源的评价精度得到显著提升。以 RASA 项目成果为基础，从 1990年到 2000 年先后编制出版了各个含水层系统的地下水图集。美国地下水图集采用不同的比例尺（1：250 万～1：10 万）集中展示了地下水调查和研究成果，包括水文地质单元的地质背景、含水层分布、等水位线、水质变化等各个方面。
（三）地下水流定量研究
在起初很长时间里，人们认为地下水在岩石孔隙中的流动只与孔隙的大小、孔隙度的多少、压力差有关，而与时间无关。不随时间发生变化的地下水流，后来被命名为稳定流。这一时期的地下水流定量研究主要是在实验的基础上，采用势能理论对地下水一维流动、二维流动和向井流动做定量分析，推导得出了一些地下水稳定流公式。Slichter 是这一时期著名的学者，他在1899年、1902年和 1905 年出版了关于地下水运动的专著《地下水运动理论调查》、《地下水运动》和《地下水运动速率的野外测量》，有力地推动了地下水稳定流理论的发展。他推导出的地下水向水井运动的公式在实质上与 Dupuit公式、Thiem公式是一致的。他还指出，地下水运动问题的解决需要求解拉普拉斯方程。
在二十世纪 20 年代，人们意识到地下水流动是不稳定的，稳定流理论的应用有很大的局限性。解决地下水流动的不稳定性需要引入全新的水力运动参数，而探求和鉴别这样的参数花费了人们三十多年的时间。著名的土力学家 Terzaghi（1923）在研究排水过程中一维粘土固结问题时发现土壤水流和热流有很大的相似性：温度与孔隙压力相似，热量与含水量相似，热导系数和粘土渗透性相似、比热和粘土压缩性相似。于是，他成功地把非稳定热流方程引入，用来定量描述粘土中的水流运动。受此启发，Theis 认为在含水层中运动的地下水与固体中热传导是相似的，并且地下水存储是水流系统的一个重要因素。1935 年 Theis 将热流方程引入地下水流定量研究，提出了地下水向井流动的非稳定流公式。Theis 公式的提出是地下水流定量研究的里程碑，在此后近半个世纪内非稳定流理论一直是业内研究的主流。1940 年Jacob采用含水介质的垂向压缩性和水的压缩性对Theis公式中的储存系数提出了合理的解释，认为 Theis 公式适用于承压含水层，而不适用于潜水含水层。随后 Jacob和 Hantush 把非稳定流理论推广到了多层含水层系统。这些研究成果有力地推动了地下水流偏微分运动方程的求解。
研究人员发现，许多研究结果只限于均匀介质、简单的地质体和边界条件，而实际的含水层比理想的含水层复杂得多。例如，潜水含水层有来自上覆非饱和区的随时间不规则变化的水分补给，水流问题的求解非常困难。1950 年至 1965 年，研究人员采取了一种称为“系统分析”的技术，试图深入研究复杂抽水条件下不规则边界条件、各向异性复杂含水层系统的地下水流动问题。“系统分析”技术包括物理模拟方法和电模拟方法。40 年代 Bennett 采用电阻型电模拟方法研究稳定流问题。50 年代 Skibitzke 研制了一种电阻-电容网络模拟装置，用来研究地下水非稳定流方程的求解问题。1960 年美国地质调查局在亚利桑那州首府 Phoenix 市组建了一个电模拟实验室，研究大尺度的地下水流问题。随着计算机技术的逐渐成熟，越来越多的研究人员开始转而采用数值模拟方法，到 1976 年电模拟装置已无人问津。
1965年以后，数值模拟方法被引入到地下水流计算领域，并迅速推广开来。数值模拟方法从模拟单层含水层地下水流问题开始，随着计算机性能的改善和计算速度的提高逐渐开始模拟越来越复杂的地下水流问题。最早模拟二维地下水流的计算机数值模型是由 Pinder 于 1970 年开发出来的。最早模拟三维地下水流的计算机数值模型是由 Trescott 于 1975 年研制成功的。经过许多学者使用、改进和发展，该模型逐渐成熟，于 1988 年发展成为著名的地下水流模拟软件 MODFLOW。MODFLOW 采用模块式结构，非常有利于修改和改进，迅速被水文地质界所接受。该模型的最新版本是 2000 年发布的 MODFLOW2000。
二、不同经济社会发展阶段水文地质调查发展特征
图2表示了美国不同经济社会发展阶段经济社会发展特点和同时期水文地质调查发展特点，清晰地揭示了经济社会发展和水文地质调查之间的内在联系。根据中国现代化战略研究课题组，美国自工业化以来经济社会发展大致经历了四个阶段：以发展资源密集型和劳动密集型工业为主要内容的第一次现代化前期；以发展汽车等技术密集型工业为主要内容的第一次现代化中期；以发展原子能技术、宇航技术和电子计算机技术等高科技产业为主要内容的第一次现代化后期；以信息技术代表的服务业为主导的第二次现代化时期。经济社会发展的不同阶段，对资源的需求和环境的需求不同，相应地水文地质调查的重点和技术也不相同。比较经济社会发展历程和水文地质调查发展历程，可以知道水文地质调查发展具有以下几个特征：
数据来源：USGS1950～2000 年用水量统计报告；李庆余等《美国现代化道路》；中国现代化战略研究课题组《2005 中国现代化报告》
（1）经济社会发展对地下水资源和健康生态环境的需求是水文地质调查不断向前发展的主要驱动力。尽管在19世纪以前，有一些学者纯粹出于对自然的好奇而对一些水文地质现象做了零星的研究和探索，但是，有意识的、系统的地下水研究是在人类经济活动的持续刺激下不断延展和深化的。随着社会经济活动范围的日益扩大和对地质资源开发强度的不断增强，水文地质学理论从观察和解释水循环现象开始先后提出了地下水稳定流理论、非稳定流理论、地下水系统理论、地下水模型理论、地下水信息系统理论等，水文地质应用从井、泉取水发展出了供水水文地质学、矿床水文地质学、农业水文地质学、城市水文地质学和污染水文地质学等各种专门水文地质学。
（2）为经济社会提供可持续利用的地下水资源一直是水文地质调查的重要内容。从表2可以看出，地下水开采量从1950年的469.7亿m3增加到 2000 年的 1167.4亿 m3，地下水占总用水量的比例基本维持在 20％左右。由于地下水不易遭受污染，并且含有一些对人体有益的矿物质，地下水在公共供水中的比重不断增加，从 1950年的 26％提高到 2000 年的 37％。为了满足人们对地下水资源的需求，对地下水资源进行评价历来是水文地质调查的重要任务之一。在前期，由于经济活动的规模不大，地下水资源评价主要是对自留井的出水量进行调查；后来，对水井的出水量开始进行定量研究，发展出了稳定流理论和非稳定流理论；随着地下水开发利用程度的提高，人们开始采用均衡法对区域地下水进行定量评价；地下水开发引发了海水入侵、地面沉降等环境问题，人们开始采用更精确的数值模拟方法研究地下水，对地下水资源进行精确评价，对地下水的合理开发提出优化管理方案。
（3）水文地质调查从以资源为重逐渐转变为资源、环境、生态并重。工业化时期，地下水大规模开发引发海水入侵、地面沉降等环境问题，同时工业和经济活动产生的废弃物不合理排放污染了地下水，保护地下水资源和治理地下水污染开始得到人们的关注。1972～1977 年美国联邦政府制定了多项环境保护法规，提高了污水排放标准，鼓励提高用水效率。同时，农田灌溉推广采用节水灌溉方式，到 2000 年喷灌、微灌面积占总灌溉面积的 52％，亩均灌水量比 1950 年减少了 30％左右。美国地质调查局启动了地下水质项目，调查地下水质变化、污染机理，对污染的地下水提出治理对策。随着人们对生态环境要求的提高，水文地质工作者开始深入调查地下水对生态系统的维持作用和工业垃圾和有毒物质（包括核废物）进行隔离的地质条件。
（4）政府地质调查部门是水文地质调查和研究的主体。最早是家庭或者企业根据自身需要取用地下水，后来随着美国领土的扩张和工业的迅速发展，军事部门成为地下水研究和调查的主体力量。1879 年美国地质调查局成立后，美国地质调查局成为美国水文地质发展的主体力量，水文地质调查和研究的资金主要来源于政府财政。
（5）水文地质学理论和水文地质调查技术是在充分吸收和借鉴其它学科研究成果的基础上发展和完善起来的。也就是说，地下水系统的定量研究充分汲取和借鉴了现代物理学、化学、数学、系统论、计算机科学等学科的最新研究成果，从而形成了一门全新的独立的以地下水系统为主要研究对象的边缘学科。例如，Terzaghi（1923）通过把地下水流与热流进行对比，认为孔隙压力与温度相似、含水量与热量相似、粘土渗透性与热导系数相似、粘土可压缩性与比热相似，成功地把非稳定热流方程引入水文地质学，来定量描述粘土中的水流运动规律。
三、水文地质调查发展现状
（一）现阶段水文地质调查发展战略
负责美国水文地质调查工作的部门主要是美国地质调查局的水资源部和地质部，水资源部侧重于地下水资源的调查研究工作，地质部侧重于水文地质系统地质实体的调查研究工作。1998年地质部发布了《美国地质调查局地质部 2000～2010 年科学战略》，1999 年水资源部发布了《水资源部 1998-2008 年发展战略》，确定了现阶段美国水文地质调查和研究工作的发展战略。
1.战略目标
（1）最大限度地减少地面沉降、海水入侵等与地下水相关的自然灾害所造成的
生命和财产损失；（2）为了保证生活、农业、商业、工业、娱乐和生态系统用水，有效管理地下水和地表水资源，以水资源的合理利用保障经济社会的可持续发展；（3）保护和改善地下水资源，保障人类健康、水生生物健康和改善环境质量；（4）查明控制地下水资源和危险有害废物隔离的地质条件。
2.重点任务
（1）开展城市化和市郊化对地下水的影响调查和研究。城市化和市郊化改变了原来的地下水流过程和地下水补给条件，将一些营养物质和污染质排入地下水中导致地下水发生污染，加剧了当地的淡水供水压力。主要内容包括：开发包括地理信息数据库在内的管理工具，详细了解流域内地下水资源的相关信息，为有效管理流域水资源提供帮助；确定各种土地管理措施和水资源管理措施对地下水数量和质量的影响，就设置地下水源缓冲区、农药和化肥使用管理等各种实际问题向决策者提供决策依据。
（2）开展海岸带土地利用和人口增长对地下水的影响调查和研究。专家预测到2010 年美国人口的 75％将居住在沿大西洋、太平洋和五大湖 50 英里以内的海岸带。面临的问题包括生活用水的不断增长、生活和工业废物的安全处置和海岸带生态系统的维护与改善。主要内容包括：地下水重要化学物质（特别是营养质和污染质）的来源、数量和时空变化；含水层海水入侵；地下水资源开发对海岸带湿地的影响等。
（3）开展地下水资源的可用性和可持续性研究。城市和农业之间的水资源争夺将加剧，地下水的开发利用可能对水生生物产生不良影响。未来水资源的安全供给需要实时监测和改善地下水水质、保护地下水源。主要内容包括：开发地下水质模型模拟不同管理和增长情景下地下水质量的变化；对地下水质进行脆弱性评估。
（4）开展废物隔离和污染地下水系统的治理研究。目前美国有几十万个过去工业、采矿、军事、农业和商业等活动造成的污染场地，治理和恢复这些污染场地的成本高达上万亿美元。同时，工业、生活垃圾以及放射性废物填埋也将耗费巨额的资金。主要内容包括：污染质运移机理研究；不同地质体对污染的脆弱性研究，为废物处置场地提供基础数据；评估治理和恢复措施的有效性。
（5）开展地下水和地表水相互作用研究。传统的水资源管理把地下水和地表水作为两个独立的实体实施管理的，实际上河流、湖泊、湿地等地表水体与地下水有着密切的关系。地表水的开发利用会影响地下水的数量和质量，反之亦然。主要内容包括：地下水开发对河流流量、地表水位、水生生态系统的影响研究；地表水对地下水的补给作用研究；气候变化对浅层地下水系统的补给影响研究；湿地地表水和地下水相互作用研究，为湿地恢复或建设提供依据；人类活动影响下地表水和地下水相互作用模拟研究。
（6）查明控制地下水资源和危险有害废物隔离的地质条件（比例尺 1:2.4 万）。地下水的质量、可用性和对污染的脆弱性评估需要全面了解控制地下水系统的地质条件，包括地质体的地球物理特征和地球化学特征。除了获得地质体的水力参数以外，还需要了解地质体的水力性质空间变异特征，预测含水层、隔水层的水力性质随时间的变化，研究有毒废物在地质体中随时间的降解和衰减过程。主要内容包括：重点地区地质填图、地球物理成像、地球化学测试和钻孔测量，揭示地质结构、岩石和沉积物的矿物和物理特征、裂隙和断层的几何特征和水力特性、水-岩作用机制与速率等；沉积盆地沉积环境、成岩过程、变形过程对含水层透水能力和储水能力的影响，调查控制地下水流动的主要地质因素；裂隙和断层系统的发生、发展和水力性质特征多学科综合研究；地球化学过程、生物（微生物）过程和水文地质过程相互联系研究。主要成果包括盆地尺度三维水文地质图、危险废物填埋场（包括高低放射性核废物、工业化学品泄漏）和海水入侵地区三维水文地质图和地下水污染概念模型。
3 保障措施
（1）改进和提高野外和室内试验技术和仪器设备。为了保证战略目标的实现和主要任务的完成，需要对水文地质调查技术进行改进和提高。例如，在地下水质研究方面，需要研究快捷廉价的取样方法和微量污染物质的实验室分析方法，包括地下水微量元素液态固态分离标准程序、农药和农药降解产物的分析方法等。
（2）增强公众获得和使用水文地质图件和数据的能力。水文地质调查和研究成果包括纸媒质成果和电子媒质成果。美国地质调查局需要保证所有的新旧资料以电子媒介的形式向公众提供服务。采取的措施包括：实现不同数据库系统的无缝整合；扩充国家地质图数据库；推进所有成果和图件数据结构和标准的统一；推动美国地质调查局与其他政府机构、私营部门在资料存档和发布方面的合作；增强电子地图的功能，满足科学家、决策者、管理者和公众的需要。
（3）充实研究队伍、增强研究人员的活力和流动性。由于水文地质调查和研究对象的复杂性，需要各种专业背景的研究和技术人员。除了传统专业的研究人员，水文地质调查和研究还需要微生物学、生物化学、土壤学和经济学等专业的研究人员。建立一支充满活力、具有较强适应能力、流动的研究队伍和支撑队伍对于如期完成调查任务是十分重要的。采取的措施包括：建立由永久性人员、短期人员和临时雇员组成的研究队伍；建立正规的博士后研究制度；对永久性研究人员进行培训，推动不同学科间研究人员的合作；平衡研究人员和支撑人员的数量，提高调查和研究效率；建立与其他联邦机构、州、学术机构、工业部门科学家交流的机制。
（4）完善内部同行和外部同行评审制度。在调查局内部和外部聘请同行专家对项目的进展和是否实现目标进行评估，及时根据同行意见对项目进行调整。主要的活动包括定期召开专家咨询会议；邀请其他联邦机构、州、学术机构、工业部门科学家参与调查和研究工作。
美国地质调查局水文地质调查发展战略的实施是通过设置和安排相关项目来实现的。目前，涉及水文地质调查和研究的项目主要包括：地下水资源计划（GWRP）、国家地质绘图计划（NCGMP）、国家水质评估计划（NAWQA）和国家研究计划（NRP）等，表3列出了计划的主要内容。地下水资源计划（GWRP）：是美国地质调查局区域尺度地下水资源研究的主要项目，是继区域含水层系统分析项目（RASA）之后于 1998年启动的新一轮地下水资源调查。项目任务是对区域地下水资源进行多学科综合研究，评估地下水的可更新能力，为保障国家地下水资源可持续利用提供科学依据。图 3 给出了地下水资源计划 2005 年度在全国的部署情况。国家研究计划（NRP）主要涉及的是水文地质学的基础研究。
四、水文地质调查发展展望
综合学科本身、实践应用、发展驱动力以及与社会的关系等四个方面，美国水文地质调查可能将呈现以下几个趋势：
（1）资源和环境、生态并重的地下水资源可持续管理是水文地质学的重要应用研究主题。地下水是水资源的重要组成部分，尤其是在地表水资源相对缺乏的干旱半干旱地区，地下水具有不可替代的作用。地下水管理既要保障社会稳定的水供给，又要不影响未来长远的水资源利用，避免可利用地下水资源在数量和质量上大幅度降低。这项重要的主题包括很多内容，例如地表水和地下水的联合调蓄和协调开发，使地下水库确实发挥调丰补欠的重要功能；地下水含水层获得补给的途径和机制，加强地下水补给管理；近河岸带和生物栖息地地下水水质保护，恢复由于人类影响而退化的地下水含水层；影响地下水资源利用和分配的社会－经济规律和管理模式；地下水疏干区的定量跟踪和调控；岩溶含水层和基岩裂隙水的保护性开发等。
（2）近地表水文地质过程成为水文地质学与其它学科交叉渗透的重点理论研究主题。近地表地质圈包括土壤、包气带、浅层地下水、生物栖息地、湿地、河溪下层区和农业用地等。包气带是介于潜水面和地表之间的多孔介质，化学风化、有机质分解、氮素固定等其它化学物质循环过程均发生在包气带，也是地下水补给、污染物向地下水运移的必经之路。包气带中所发生的物理、化学和生物过程引起了水文地质学、土壤学、生态学和环境学领域学者的关注。湿地和河溪下层区是水生生态环境向陆地生态环境的过渡区，是生物地球化学、生态学和水文地质学的交叉领域。农田是深受人类活动影响的生物栖息地，农田灌溉所引起的负效应主要包括土壤肥力和地下水质量的退化。以前灌溉工作者所采取的措施集中于局域尺度，如提高水利用效率、修建排水设施、利用化学试剂改良土壤等。但是由于盐分从农田排出不仅成本高昂，而且会产生严重的环境问题。因此，灌溉农业管理应从区域水文地质系统的尺度着手，而实现这一目标需要水文地质学与土壤学、地貌学、农学、生态学进行交叉渗透。
（3）利用新技术进行地下水系统监测、调查和研究成为水文地质学技术方法发展的重要主题。无论是对水文地质系统进行更加完善的管理和调控，还是及时发现和预测社会经济活动对水文地质系统所产生的不良后果，都需要对水文地质要素进行长期准确的监测。水文地质要素动态监测网的优化设计和自动化实时监测技术的发展，是地下水调查、研究和管理的重要基础设施。同位素技术和遥感技术将继续发展，越来越多的用于地下水调查和研究。基于 GIS 的模型技术将进一步推动水文地质系统的定量化研究，成为水文地质工作者工作和研究的重要工具。
（4）水文地质系统微生物研究和海洋水文地质研究成为水文地质学自身发展的重要前沿领域。已有的研究成果表明，在化学风化、土壤形成、石油沉积、物质循环等水文地质过程中，微生物有着不容忽视的作用。然而关于微生物作用的机理至今尚不清楚。目前，微生物在用于治理土壤和地下水有机污染方面显示出了广阔的前景。海洋水文地质是一个新兴的研究领域，其主要目的在于更多地了解海洋海底岩层中的流体－岩石作用机制，揭示地壳作用机理，目前尚处在探索阶段。
五、对我国的启示
美国水文地质调查经历了一百多年的发展，在该领域长期居于国际领先地位，影响和引导了国际水文地质学的发展方向。美国在水文地质调查领域的成功经验值得我国参考和借鉴，所经历的曲折和教训也值得我国汲取和防范。
（一）把握经济社会需求，推进水文地质调查基础工作
从人均 GDP 而言，我国 2005 年人均 GDP 约为 1700 美元，相当于美国 1947 年的水平，落后于美国 50 多年；从现代化水平而言，我国目前处在第一次现代化发展期，相当于美国十九世纪末的水平，落后于美国 100 多年。经济社会发展的不同阶段，对水文地质工作的需求重点也不相同。在制定我国水文地质调查发展战略时，应全面分析我国经济社会对水文地质工作的需求，有针对性地制定发展规划，而不应盲目跟从国外发展潮流，也不应过分强调跨越发展。美国水文地质调查历史长达 100多年，我国的水文地质调查历史不过 50 年左右。目前，虽然在理论水平和技术发展方面我国与美国的差距日益缩小，但是在基础地质调查、地下水监测网建设、地质环境监测网建设、水文地质野外试验基地建设、水文地质调查和研究队伍能力建设等基础工作方面我国还有漫长的路要走。
（二）加强地下水保护，遏制地下水环境恶化趋势
“十五”以来，我国资源消费结构呈逆转趋势，资源消费增长率大大超过了经济增长率，2003 年和 2004 年的能源弹性系数分别上升到 1.6 和 1.3，标志着我国进入了重化工业阶段。在未来 5～15 年我国面临的一个主要矛盾就是：资源供需矛盾日益凸现，环境压力不断增加。据估计，美国在工业化时期由工业、采矿、军事和商业等活动造成的污染场地，目前遗留下来的多达几十万个，治理和恢复这些污染场地的成本以万亿美元计。由于地下水埋藏隐蔽，流动缓慢，一旦被污染就很难治理，而且治理和恢复成本巨大。“先污染、后治理”这一模式对治理地下水污染代价极其高昂。我国应汲取美国这个教训，及早、尽快着手加强地下水保护工作，水文地质调查工作由以资源为重转变为资源和环境并重。
（三）加快有害废物地质隔离和地下水污染治理技术的研究
1978年美国纽约州尼亚加拉瀑布市拉伍运河事件后，美国对全国有害废物进行全面调查，结果发现全国约有 2 万多个地方有可能因有害废物的不恰当处理而对人体和环境造成危害，治理和恢复这些地方所需费用高达 100～1000 亿美元。80 年代开始，美国地质调查局启动了多个项目，开始对有害物质水文过程和地质隔离技术进行深入研究。随着我国居民收入水平的提高，居民对住房、汽车等新一代高档耐用消费品的需求日益增加，不断刺激化学工业、制造业的迅猛发展，城市化速度加快，工业垃圾和城市垃圾也随之大量增加。据世界银行估算，目前我国制造业每年产生约55亿吨无害废物和7亿吨有害废物；因环境污染所造成的经济损失相当于GDP的 3.5%～8％。有害废物和地下水污染形势日趋严峻，在个别地方已威胁到了当地居民的身体健康。另外，放射性废物地质隔离技术也应及早进行储备，加快我国对中低放废物和高放废物地质处置场地可行性研究。
（四）建立高效的调查成果服务机制
美国地质调查局自成立伊始，即把向社会提供地下水信息服务作为其主要职责之一。在 Meinzer 执掌地下水部时期，明确指出要及时向公众提供准确的数据和信息。自 1883 年美国地质调查局公布第一份水文地质报告以来，USGS 每年按照不同类别向社会提供调查报告和研究报告，主要类别有：面向普通群众的公报，包含音像、计算机程序和照片的数据库，水文地质调查数据库，水文地质项目介绍，水文地质图集，公开文件报告，专题论文与报告，水文地质数据收集、分析、处理技术与方法，水文数据报告，水资源调查报告，供水报告等。目前，90％以上的水文地质报告可以直接从美国地质调查局网站上下载，公众可以在线了解美国地下水动态变化和地下水资源开发利用状况，实现了水文地质调查成果全国共享。水文地质调查属于公益性的国家事业，由国家财政出资所得到的成果理应为全社会所共享。这样不仅可以扩大地质调查局在公众中的影响，而且可以避免不必要的工作重复，最大限度地发挥水文地质调查成果潜在的社会和经济效益。
（五）推进地下水资源和地表水资源一体调查
在美国，水资源管理和水资源调查分由不同的部门负责。美国没有统一的水资源管理法规，水资源管理基本以州为主进行，州以下往往分成若干个水务局，对供水、排水、污水等水务进行管理。水资源调查则由美国地质调查局承担，负责收集、监测、分析、提供全国的地表水和地下水资料，并在四大河流域设立办事处，为政府、企业、居民提供客观、详尽、准确的地表水地下水资料，为水利工程建设、水资源开发利用提出政策性建议。地表水和地下水是整个水系统的两种表现形式，有着不可分割的密切的联系，地表水和地下水的相互作用是以地质体为介质进行的。因此，地下水和地表水由同一部门负责调查是符合客观规律的，并且水资源管理与调查分由不同部门负责，既可以保证水资源调查信息的客观性、公正性和准确性，而且可以使水行政管理部门提高工作效率，更好地管理全国的水资源。在我国，水资源管理由水行政部门负责，但是地表水调查也由水行政部门负责，地下水调查则由地质部门负责，在保证水资源信息的客观、公正和真实方面有体制上的欠缺。在这方面，我国有必要借鉴美国的成功经验和运行模式。
（文章来源：杨建锋, 冯艳芳. 美国水文地质调查发展回顾及对我国的启示[J]. 中国地质矿产经济学会青年分会2006年学术交流论文汇编, 2006.）
（作者简介：杨建锋；冯艳芳（中国地质调查局发展研究中心））
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