美国水文地质学百年回眸：100篇最有影响的文章

［美］William Back，Janet S.Herman

李　烨 译；冯翠娥、魏国强 校译

21世纪伊始之际，为了激励水文地质学在新的世纪能有新的发展，美国水文地质学者William Back和Janet S.Herman特选择了过去一个世纪里最具影响力的100篇文章（包括书籍），对美国水文地质学的发展历程进行了回顾。我们编译了全文，供我国水文地质工作者参考。

这些文章分成三类：（1）采用数学表达式（热流）来解释地下水，用瞬变流状态来确定含水层的特征（下文称作“井的非平衡水力学”）；（2）通过数学表达式来表示流体的分布，适合于通过不同的分析方法建立流动模拟模型（下文称作“地下水流动和模拟”概念）；（3）物理化学方面的理论，如质量（浓度）作用定律、能斯特方程、吉布斯自由能和同位素等，都可以用来识别地下水的矿物作用和地球化学作用（下文称作“水文地球化学”的概念）。

所选择的文章具有以下特点：（1）许多文章是对一种现象的识别或对概念的定义；（2）应用相应的概念来解决水文地质问题。对于年轻的科学家来说，重要的是学会如何把自己的研究融入到全球科学研究领域中。

尽管本文只列出了美国和加拿大的一些出版物，但是显然可以从中意识到其它国家水文地质学家对北美科学家的重要影响。另外，其它学科领域的科学家也对水文地质学家具有一定的影响，例如研究土壤力学的K.Terzaghi，研究孔隙介质气体流动的M.Muskat，研究高温地球化学的L.Barnes等。我们严格地选择了那些称为水文地质学家或先驱者们所写的文章，或那些特别强调研究地下水的文章。也就是说，不包括K.Terzaghi，因为尽管Terzaghi的文章为水文地质学家提供了研究地面沉降的基础，但他研究的重点并非针对地下水；相反，却包括另一位土壤力学方面杰出的专家A.Casagrande，因为他在1937年发表了关于地下水流动的文章。同样地，我们在地球化学研究领域也作出了类似的选择。

另外，并没有将最近一些不断发表文章的作者包括在内，主要是认为，将最近的文章作为“最具影响力”的文章有失客观。其中，仅有的一篇文章是来自北美的一位科学家的文章，这位科学家1996年已经从自己的研究岗位退出了，当年我们是在美国马里兰州的巴尔的摩（Baltimore）市举行的美国地球物理联合会（Back和Herman，1996）上推荐该篇文章的。我们选择的文章主要来自两本书：《Freeze and Back》（1983）和《Back and Freeze》（1983）。

一、水文地质学的发展

（一）目前的状况

美国和世界上其它国家的水文地质学家们已经为科学的发展作出了巨大的贡献，他们为人们通过获取更安全更充足的水资源来提高自己生活水准的追求提供了充足的科学知识。水文地质学是一门比较年轻的学科，是基于地下水在地质单元内运移时所发生的物理和化学变化而发展起来的。在过去的100年里，水文地质学领域产生了许多基本概念和原理。在将地下水作为供水水源进行开采、开发、调查和管理工作中，水文地质学家起着至关重要的作用。他们同时提供了解决工程问题所需的知识，如斜坡失稳，洞穴、隧道和矿坑的脱水，地面沉降等。水文地质学家对在地质领域工作的科学家也产生着一定的影响，如成矿作用、变质作用、成岩作用、地貌学和地热学领域。地下水与地质作用之间的关系，是许多关注地下水的学者最早研究的问题。事实上，我们所列出的100篇最有影响力的水文地质学文章中，最早（Chamberlin，1885）和最近（Heath，1984）的研究成果都是关于地下水的地质作用问题的研究。

地质作用对地下水的出现和运动起控制作用，在确定水文地质学基本原理时需要考虑这一因素。如果不把构造学、地层学、岩相学、矿物学、地貌学等学科进行综合考虑的话，观测到的地下水现象将仅仅是各自孤立事件的综合体而已，无法全面地了解地下水。对地下水基本概念进行总结的出版物主要是考虑地下水的地质特征。例如，美国第一位最有影响的出版物作者是Chamberlin（1885），尽管其报告主要是对自流井进行研究，但是同时也说明如果不了解当地的地质情况，就无法了解地下水的出现和运动。美国对地下水原理进行总结的第二位作者是Meinzer（1923），他编著了一本包括地下水在内的地质教科书。约在40年后，Maxey（19），Davis和DeWeist（1966）在他们的地质学出版物中对地下水的原理进行了总结。在美国，Bredehoeft等（1982）对不同地区地下水流动研究情况进行了回顾，这些作者都强调了地质作用对水文地质系统和水文地球化学的作用。关于最新的将地下水与地质控制和过程进行综合分析的文章是由美国地质学会（GSA）和《Hydrogeology Journal》出版的。水文地质方面的文章是由大约100名来自美国、加拿大和墨西哥的高级水文地质学家总结得到的（Back等，1988）。大部分水文地质学问题的解决都是将物理和化学原理应用到地质问题当中，并通过数学语言表达出来。

我们选择的术语是“水文地质学”而不是“地下水科学”、“地下水地质”和“地下水水文学”等。近几十年以来，美国对“水文地质学”这个概念的应用比以前更普遍了，如1959年美国地质学会的水文地质部，以及Davis和DeWeist（1966）在《Hydrogelogy》发表的文章都提到了这一概念。长期以来，这一术语已经在国际上得到了公认，例如，1802年Lamarck的教科书《Hydrogeology》出版发行。相信不会有人质疑Domenico和Schwarta（1990）对水文地质学的定义：水文地质学是研究地下水的运动，水与多孔渗水介质之间在物理、化学、能量方面的相互作用过程，以及能量和化学组成随水流运移规律的科学。

对水文地质学的理解是通过收集水文地质资料，并对资料进行解释和理解来实现的。其中，基于物质运移现象的研究已经非常成熟。其中一部分包括了地下水系统中势能、动能、化学能和热能分布方面的理论。根据这些知识就可以对地下水系统进行定量描述，甚至可以对其中的一些部分进行预测，如地下水水质和运动速率，无机组分和部分有机组分的来源、归宿和行为，溶质运移速率，溶质随地质环境和时间变化的分布规律等。

在20世纪70年代，随着有机污染物的广泛分布，人类逐渐开始关注环境污染问题，在分析这些问题时就用到了质量运移等式，于是，就增加了新的研究领域。在此之前所考虑的地下水污染问题有一定的局限性，主要是考虑咸水入侵、对放射性物质的管理、煤矿酸性废水的排放等。现在，地下水调查和研究工作主要是针对有机污染而开展的。这些有机污染问题相当复杂，远不止我们所了解到的产生、运移和化学变化等现象的规律。所以，地下水中有机污染物的出现成为人类获取和管理供水水源的最大障碍。

随着人口的增加和人们对生活质量要求的提高，现在的水文地质问题要远比过去复杂得多。在今后几十年，水文地质学家需要加强以下几方面的研究，以满足社会的需求：（1）安全而又充足的地下水供给；（2）处理具有放射性等其它有害废物；（3）城市地区的岩土工程工作；（4）对自然灾害进行风险评价；（5）从点到地区和区域范围进行环境评价工作。其中有一些问题相对比较新颖，也有一些问题对水文地质学而言是老生常谈。过去，农户们可以很容易从自己住所附近的水井中获取充足的供水。但是，“这些地下水作为饮用水是否安全”的问题至今仍然悬而未决。我们已经意识到家庭日常生活、农业灌溉和工业生产对供水需求的增加。在许多地区，我们甚至可以看到水资源管理方式已经发生了变化，从对水资源的供给转向为需求。为了维持生态系统的多样性，人类还需要有湿地、河流、湖泊和海岸线等生态环境。对于某些人而言，他们的饮用水来源于将咸化的地下水脱盐后形成的水源，这样就面临着对能源和咸水淡化处理技术需求的问题。

自核废料生成之日起，放射性废物的管理就已成为一个重要的水文地质问题。随着城市化的发展，水文地质和岩土工程问题引起人类广泛的关注，其中包括供水分布状态、污水处理、基坑降水、基础稳定性、建筑工程和植被退化引起的土壤侵蚀、酸雨、斜坡失稳和补给水源减少等一系列问题。为了保护公众尽可能少受自然灾害的影响，水文地质学家在制定减少飓风、地震和洪涝灾害方面的规划时提供了重要的信息。尽管水文地质学家提供了大量关于地质作用的知识，但对于地震、火山、滑坡和飓风的产生、风险和后果方面的知识仍了解甚少。另外，公众对污染场地和潜在污染源的污染程度进行评价的要求也在不断增加。

（二）历史回顾

水文地质学在美国和其它一些国家得到了发展。随着对水的特定需求，不断产生新的水文地质问题；在求解这些问题的过程中，积淀了丰富的水文地质知识。由好奇心产生的水文地质难题促使科学家们进行基础研究，并取得学术上的突破。例如，达西在确定法国第戎市（Dijon）过滤供水时所需砂箱尺寸的过程中建立了达西定律。20世纪30年代，美国许多地区受到了干旱的影响，C.V.Theis建立了瞬时流等式来评价可利用的地下水。O.E.Meinzer等人在尝试解决承压含水层下游产生的水量比进入上游补给区的水量要多的问题时，提出了压缩性的概念。

美国水文地质学的发展与文化和人口统计学的历史关系相当密切。在美国，主要是利用天然雨水、湖泊和河流。利用和管理水资源的不同技术对于文化的多样性具有重大影响（Back，1981）。由于美国东部潮湿，早期居住在此的居民仅通过湖泊、河流、泉和比较浅的水井就可以获得足够的用水。

美国当地居民不仅将泉做为供水水源，几千年来，他们还一直将泉作为医疗用途。后来，当欧洲居识到了泉水的医疗功效以后，开始对水的化学成分进行分析。在19世纪，围绕着泉的医疗功效展开了对水的化学成分的分析，随着分析技术的发展，就逐渐形成了地下水地球化学这门科学。因为水要被人体摄入，所以对水的化学成分进行定量化分析就显得特别重要。在18世纪的化学文献中，有相当多一部分是关于对矿泉水的成分进行分析和研究的，在这期间提供了关于天然水中溶解性物质的极具价值的资料。

在美国，水文地质学最初的发展动力，是向干旱的“无人居住的”西部进行开发和拓展。西部开发始于1849年，当时人们渴望在加利福尼亚发现黄金，许多淘金者发现未开发的土地比黄金更具吸引力，因此他们在此建立了家园。美国在1862年通过了宅地法（Homestead Act），之后横贯美洲的铁路建成，加速了向西部移民的进程。在随后的30年里，又修建了数千英里的铁路，土地开发者和铁路拥有者使数百万欧洲、德国、爱尔兰、斯堪的纳维亚（Scandinavia）半岛和俄罗斯的移民移居到此。他们的主要目的是将天然资源和农产品运往东部，将农业用具和设备运往西部来获取利益。

铁路对水文地质学的另一个直接影响，是需要为蒸汽机车的锅炉寻找到化学成分适当的用水，而且还需要不断（相当短的时间间隔内）地补充锅炉用水。因此，希望获取一些矿化度较低的水资源，因为要从硬度大的水中祛除沉淀的费用相当高。这一需求激发了水井勘察和水化学成份分析技术的发展。

在美国，主要的农业耕作区都位于湿润的东部地区，干旱的西部主要是进行放牧。美国南北战争结束后的20年时间里，西部降水充足，也出现了许多湿润的农业区。美国地质调查局的第二任John Wesley Powell将土地重新分割成块，引起了人们的争议。因为这样小的土地不足以维持家庭生活。人们最想得到的是靠近河流的土地，这样牛可以沿着河吃草饮水。到1880年，随着风车的出现，可以抽取大量的地下水成为可能，这样可以在远离河流的地方进行放牧，也可以抽取地下水作为家庭用水和农业用水。

1885年，美国出现了大面积干旱。在随后的90年代，连续三年降雨量低于正常年降雨量；到14年和15年，缺水现象更为明显，造成了粮食完全欠收和灾害。在一些地区，约有90%的居民离开了家园，扔下了土地（Tannehill，1947）。在这一干旱期，湖水位下降，径流量减少，于是人们开始大量利用风车。但是通过风车只能获取少量的用水。只有通过深井才可以获取大量的地下水，于是在1910～1930年，深井涡轮抽水机得到了充分的利用（Davis和DeWeist，1966）。随着城市发展和农业灌溉对用水量需求的增加，水文地质学家开始对承压含水层进行研究。对承压含水层的研究意义重大，张伯伦（Chamberlin）在1885年的报告中就曾经将这作为美国水文地质学的开端。

随着人口的不断增加，特别是在东部沿海地区，引起科学家们关注的水文地质问题之一是海水入侵。这一问题最早是1824年在新泽西被认识到的（Carlston，1963），在沿海地区，只要钻井取水，就会出现淡水咸化问题。沿海地区咸化的地下水是1910年S.Sanford研究的主要课题，之后成为一个活跃的研究课题。随着对海水入侵问题和沿海含水层研究的深入，水文地质学在物理和化学方面的研究得到了发展。早期主要是由化学家和工程师研究天然水的化学成份，但是海水入侵问题使得水文地质学家也加入到研究水化学成分的行列中来。

干旱期过后，平均年降雨量有所增加，在1905～1915年相对比较湿润。第一次世界大战导致食物价格暴涨，造成了农业区的扩张，同时也引入了拖拉机和其它一些劳动力的机器。由于全国降水充足，因此，美国地质调查局地下水分部的O.E.Meinzer却很难获得公众和资金方面的支持，以开展对地下水的研究工作（Rosenshein等，1986）。然而，在1917年，农民和牧场主们又不得不面临比较干旱的气候，而且大面积的干旱现象延续了很长时间。水井钻得越来越深，到最后，在某些地区已经到了需要消耗一加仑汽油才可以获取几加仑地下水的境况。很深的地下土壤中的水分都被耗竭（Tannehill，1974）。在干旱灾害袭击的年代里，引进了深井涡轮抽水机，最终导致在东部的大平原区和西部的冲积扇（如加利福尼亚圣华金谷（San Joaquin Valley））地区大量抽取地下水。

广泛地利用深井涡轮抽水机抽取地下水进行灌溉，引起了地下水水位的下降，从而造成了地面沉降。在20世纪40年代，开始意识到这一严重的问题。以K.Terzaghi（Terzaghi，1943；Terzaghi和Peck，1948）在土壤物理学方面的工作为基础，在Poland和Davis（1969）的引导下，水文地质学家在加利福尼亚首次开展了地面沉降研究工作。他们将抽水量和地面沉降之间建立了直接的联系。在休斯顿、德克萨斯州、拉斯维加斯、内华达州、亚利桑那州、中国上海、意大利威尼斯、墨西哥城等地都出现了由抽取地下水引起的地面沉降现象。研究这一问题是水文地质学家的任务之一。

20世纪30年代，美国的干旱灾害给人们留下印象最深的是引发了大规模的沙尘暴。1933年11月在平原区出现了第一次大的沙尘暴，沙暴中的粉尘在随后的几年被不断地携带到了大西洋。沙尘暴除了造成地表土壤流失和庄稼损失以外，还引发了一些其它问题，如出现了蝗虫灾害等。干热的气候有利于蝗虫的生长和繁殖，它们对庄稼和其它植物造成的经济损失达到了数百万美元。随着植被的退化，土壤更易遭受侵蚀，贫瘠的土壤有利于沙尘暴的出现。由于气候干旱，人们开始进一步关注地下水。C.V.Theis曾经被委任对平原地区含水层的潜力进行评价，Theis在研究过程中建立了Theis公式， Davis和DeWeist等学者也认为这是美国水文地质学的第一个性的理论。到1940年前后，干旱期结束，平原地区的降水又开始能够满足农业生产的需求。然而，干旱年份的经验表明，需要了解水文地质学的基本原理，这样可以更好地对水资源进行评价。

为了更好地研究地下水，1932年，O.E.Meinzer为美国地质调查局的地下水部门引进了29名地质学家、化学家和工程师，他们成为了美国研究地下水科学的核心力量，在1949年，地下水部门更名为地下水分部。美国经济大萧条出现于1929年，第二次世界大战后结束。由于在经济萧条期许多工厂都被关闭，水文地质学家需要为许多新的军工厂和军事基地提供用水建议。他们从美国和其它国家，特别是在太平洋环岛地区获得了大量的经验。例如，Theis本人就在1943～1944年对沿阿拉斯加建立的50多个军事基地和飞机场从事供水研究工作（Clebsch，1944）。

第二次世界大战后的50年代和60年代，美国经济的发展需要大量的水文地质工作者，这可以通过美国地质调查局人员的增加反映出来，美国地质调查局与各个州合作，对全国的地质情况和水资源进行研究。这一项目起因于工业发展、城市扩张、郊区和城镇的发展。由于需要获取安全的供水水源，研究人员开始对含水层的物理化学性质进行研究。根据地下水流模型，可以很好地了解地下水的埋藏、流动和储量，这是美国水文地质学的第二个性理论。也是在上个世纪的60年代，随着对地下水化学成分的关注，在地下水系统的研究过程中，引入了化学热动力学，这是水文地质学的第三个性的理论。

随着农药和石油产品的广泛使用，废物处置等这些由于人为活动引起的环境污染问题备受关注，1962年Rachel Carson在《寂静的春天》一文中首次提出这一问题。在20世纪60年代，污染最为明显的是大气，美国于1963年颁布了《清洁空气法》，制定出了污染物排放标准，这样减少了废物的焚烧和其它直接排放到大气中的废气量。随后水体的污染也越来越明显，相关的法律也相应地出台，如1972年美国颁布了《美国清洁水法》。该法案严格将污染物排放到地表水体，从而使许多废物被丢弃在地表。之后，工业废水排放、垃圾和深井注入等都进一步加重了土壤和地下水污染。

地下水中不同类型的化学污染物包括：人工使用的有机化学物质、碳氢化合物、无机离子（包括金属离子、阴离子）、放射性元素、生物体（如病原体和病毒等）。尽管许多化学物质和生物物种是天然来源，但是主要还是来自人为作用污染源问题。1974年制定的《安全饮水法》，要求为公众提供的饮用水其中的化学物质含量必须达到标准。有些法律，如1976年颁布的《资源修复法》（RCRA）和1980年颁布的《全面性环境应变补偿及责任法》（CERCLA），规定废物和其它物质的排放标准。这些法规的颁布，使得联邦在清理和恢复污染场地的工作中起着极为重要的作用。地下水最主要污染来源是农业化学物质、垃圾、地表积水、化粪池、污水坑、地下储油罐和注入井。

最早始于1980年，水文地质学家尝试解决地下水污染问题。在20世纪80和90年代，他们进行了许多水文地质工作，来评价和修复被污染的含水层，通过这些研究，发现需要将对地下水运移的了解与对含水层以及地下水的化学性质的了解相结合起来。最近，发现在地下有积极的微生物活动，因此在最近的研究中，考虑采用微生物方法来治理受污染的含水层。当前进行水文地质学研究和应用的基础就是推动水文地质学发展的三个性的理论。

二、三个性理论的发展

尽管将以上提到的三个理论分开来讨论，但是在形成这些理论的过程中具有某些共性。例如，如果不了解水流特征，以及通过含水层试验和区域含水层研究了解水力传导系数和导水系数的空间分布，就无法进行解释化学成分区域分布的地球化学研究。三个理论均与对区域和地方水流系统的了解程度有关，对水流系统的研究始于对控制承压含水层的地质条件的研究。如果不能根据Theis等式确定水文传导系数或导水系数，以及储水系数，就无法进行模拟和建立数字模型。水文地质仍以这三个理论为基础。例如，水流模拟模型通常会用于环境问题的研究工作中，特别是那些与地下水污染有关的研究工作。根据这些成熟的模型，可以评价含水层承受的压力，对不同组分的流量进行定量化，以及确定渗透性不同的含水层的相互作用。

三个理论的重要性随时间的推移也在发生变化。在相当长一段时间内，非稳定流水井水力学方法极为重要，主要是用于评价含水层性质和设计供水系统。之后，随着钻井者和工程师们对这一方法知识的掌握，水文地质学家很少涉及这一工作，他们对水流模拟模型更为关注。在20世纪70年代，地下水系统模拟模型对水文地质学的贡献最大。之后，在80年代，地下水的地球化学性质引起了广泛的关注，成为了许多水文地质研究工作的动力，因为只有了解了含水层的地球化学性质，才能恢复受污染的含水层。在此情况下，需要重新应用“井的非平衡水力学”方法。例如，在含水层修复工作中通常会将地下水抽取到地表，采取一些处理措施，为了有效地修复污染场地，需要了解含水层对地下水瞬时状态的响应。为了评价和修复污染场地，需要进行学科交叉研究，包括物理学、化学和生物学。因此，目前研究的重点，是需要将不同学科的原理融入到水文地质学领域中。

（一）水井的非平衡水力学

自从1856年Henry Darcy描述地下水通过孔隙介质的流动以来，水文地质学的第一个性理论是于1935年发表的进行热流研究形成的Theis公式。在此期间，美国的水文地质学家开始意识到采用稳定流描述地下水系统不足以对含水层进行准确评价。Theis研究了排泄井周围形成的暂时沉降漏斗，提出了用数学方法，根据抽水后水位降低速率来确定导水系数和储水系统。根据这一方法可以在原位确定含水层的水力性质，并预测含水层的响应，如抽取地下水时，随时间和距离的水位降低量。采用这一方法，水文地质学家可以对瞬变流条件进行定量分析。于是就形成了现代水文地质学的基础。用Theis等式可以解释含水层抽水试验的结果，并为地下水开发和管理提供基础，同时还可以确定水井的位置和抽水方式等。随着人口的增加和工业的发展，寻找供水水源地成了水文地质学家的一项重要工作，引用Bredehoeft（1984）的话：“1935～1962年是地下水水文地质学的黄金年代，Theis最初的工作为后来学者的研究奠定了基础”。

C.V.Theis的研究对含水层的认识具有以下两方面的贡献。第一是Theis证实了可以通过描述物理现象的分析模型来研究水文地质问题；第二是对水井水力学的贡献，C.E.Jacob、M.S.Hantush和H.H.Cooper，Jr等人的研究都是在C.V.Theis的工作基础上进行的。另外，Theis也提出了储水系数（认为岩体是可以压缩的）的概念，并且得到了广泛的应用。在提出Theis等式之前，无法对地下水的埋藏和运移进行定量分析，因为含水层并非处于静止的平衡状态（Wenzel，1936）。如表1所示，Theis等人在许多研究领域都作出了重大的贡献，包括地下水水位与降水和洪涝的联系，地下水在越流含水层的运移、塑性承压含水层的压缩作用、越流含水层的供水和地面沉降等。

表1　在井的非平衡水力学领域最具影响力的研究人员

（二）地下水流动和模拟

第二个性理论是通过数学公式计算水位差，并且根据不同的方法建立水流模拟模型。通过大量的区域野外调查，可以了解水位差的分布，并绘制水位差图来描述流动势能，通常称为水头，可以表示水位或测压管液面。Hubbert（1940）指出，“测压”这一术语用词不当，因为该术语来自拉丁文的“压力”，而压力显然不是驱动力，因此，“压力”现在通常指水头或水位差。水流模拟模型用于计算水头分布。

如表2所示，Chamberlin（1885）最先对地下水的区域流动进行了研究，他对渗透性不同的介质的作用进行了说明；Darton（17）绘制了达科他（Dakota）承压含水层的补给和排泄区域分布图。

表2　在地下水流动领域最具影响力的研究人员