水文地质学的形成与发展趋势的哲学思考

水文地质学的形成与发展趋势的哲学思考

赵顺阳

一、概述

人们在漫长的实践活动中，对地球的物质和结构以及他们变化的规律有了理性认识，于是形成了研究地球的基础学科——地质学。根据地质学的基本理论，地球是一个具有层圈结构的天体，从外向内大体上依次划分为大气圈、水圈、生物圈和陆圈（地壳、地幔、地核）。对每一层圈的物质及其运动形式的研究，构成相应科学的内涵。如研究大气圈的气象气候学，研究地表水圈的水文学等。专门研究地壳岩石中所赋存的水——地下水的科学，便是水文地质学。

水文地质学是一门逻辑性很强的技术学科，它在地质学的基础上，着重阐述了水这一重要的环境因素在自然界的形成、贮藏、运移及开发技术。地下水是一种宝贵的自然资源，具有分布广、水质优良、保证率高的特点。

水广泛地分布在地球的各个层圈中，并且处在不断的循环交替相互转化中。地下水是自然界全部水的一部分，是水循环过程中的一个环节。研究地下水要涉及到各个层圈以及各层圈中水的联系和转化，所以，水文地质学是研究在周围环境（岩石圈、大气圈、地表水圈、生物圈以及人类活动）的影响下，地下水数量和质量随时间和空间的变化规律，以及应用这些规律解决与地下水有关的实际问题（包括合理开发利用、调节控制和防范地下水的灾害及其他方面）的科学，以取得良好的经济效益、社会效益和生态效益。

水是人类生存和生活的重要因素，它来自于地球，地下水是自然界水的一部分，是人类生活环境的重要因素之一。水文地质学正是为了解决人类进一步发展而逐渐发展起来的。同其他学科一样，水文地质学的形成和发展也有一个历史过程，它是人类不断实践不断认识的结晶。

二、形成过程

我国考古发现最古老的水井，是浙江余姚河姆渡井，距今约5700年，这就说明当时人们对地下水的存在已经有了认识，从而可以在远离江河的广大地域定居生活。春秋战国时期的《管子·地员篇》，提到“庾（指泥沙混合沉积物）泥不可得泉”指出了地下水的存在与岩土性质有关。秦汉时期的《华阳国志·蜀志》，记录了当时四川人们在深达百米的自流井中提取卤水取盐的事实。南宋范成大曾生动地描述过长江三峡和桂林一带的峰林和岩溶洞穴，并指出钟乳石是“石液溶解所为”。这些记载表明，当时人们已经察觉到地下水内含有一些其他的物质成分。明代徐光启在《农政全书》中写道，“井与江河地脉贯通，其水浅深，尺度心等，今问凿井应深几何？宜度天时旱潦，河水所关，酌量加深几何，而为之度”。这些叙述表明，当时人们已经注意到河水和地下水的关系及地下水位和气候的关系。以上这些都说明我们的祖先在长期的生活生产实践中积累了丰富的地下水知识。但是，他们都是零散的，没有形成科学和系统。

第一次产业革命后，大工业开始兴起，它不仅需要大量的水，而且要求长时间连续稳定的供水，迫切需要凿井取水以及评价井的出水能力。1856年，法国水力学家达西通过渗透试验提出了著名的地下水线性渗透定律，它是地下水运动的基本规律，是现代水文地质学建立的标志。不久，裘布依以达西定律为基础，研究了单项和平面径向稳定水流运动，奠定了地下水稳定流运动的理论基础。也就是说现代水文地质学出现在第一次产业革命的后期到第二次产业革命的初期，是大规模经济发展对社会资源提出要求的情况下产生和发展的，反过来对科学革命的发展起到了促进作用。

在20世纪初，由于物理学革命引发了地质学、天文学、生物学等的现代科技革命。而在水文地质领域，地下水的起源问题引起不少学者的兴趣，先后提出了初生说，认为地下水来源于岩浆的凝结；埋藏说认为沉积岩沉积是颗粒间充满水，固结成岩后水便埋藏在岩石中；凝结说认为水汽凝结形成液态的地下水。关于地下水的化学成分，1930年前苏联学者伊里茵提出了潜水分带规律；随后伊格纳维奇提出了自流盆地的水化学分带；奥弗琴尼柯夫提出了水文地球化学的概念；凯尔哈克1912年对地下水和泉进行了分类。

20世纪30年代到50年代，水文地质学迎来了一个新的发展阶段。美国人泰斯、雅各布、汉土什提出和发展了非稳定流理论。

广泛的生产实践和专题研究，对地下水的起源、运动、水质、水量及其变化诸问题从理论上和方法上都做出了比较系统的阐述和论证，此时水文地质学便真正确立起来了。

20世纪60年代以来，随着电子计算机的出现和广泛使用，数值计算法在水文地质学中得到推广，解决了很多用解析法难以解决的复杂水文地质问题。这正是第三次科技革命对水文地质学的推动，同时，水文地质学的这些发展，也促进了第三次科技革命的深入。

20世纪90年代以来信息技术发展突飞猛进，在地质学领域，GIS技术应用广泛，引起了水文地质学科的进一步发展，出现了多种信息融合分析，表现形式灵活，重视地下水开发过程引起的环境问题等发展趋势。

三、学科结构

20世纪50～60年代，水文地质学已经发展到一个新的阶段，已具备比较完整的学科体系。它主要包括水文地质学基础、地下水动力学、水文地球化学、专门水文地质学等。其中水文地质学基础是研究地下水最基本的概念和原理；地下水动力学研究地下水的运动规律和各种水文地质计算理论和方法；水文地球化学研究地下水的水质及其变化规律；专门水文地质学以以上各学科的基本理论为指导，着重研究水文地质调查的理论和方法，解决地下水的实际问题。

在整个水文地质学中，水文地质学基础是与地质学紧密相连的部分，对地下水埋藏类型、基本运动形式、化学成分、补径排条件等基本问题进行了阐述，是整个水文地质学的基础；它和地下水动力学、水文地球化学构成了水文地质学科的科学内容，是属于经济基础层面的。专门水文地质学是属于上层建筑层面的，或者说是技术层面的。它又可划分为水文地质勘探、水文地质试验、矿井水文地质、供水水文地质、水文地质管理等许多次级学科。随着科学技术的发展，水文地质学科也出现了许多边缘学科，如遥感水文地质、环境水文地质、计算机水文地质等。

四、发展趋势

自第二次世界大战以来，随着科学技术和生产的发展，水文地质学经历了一个迅速发展的阶段，它已从传统的水文地质学的束缚中解脱出来，在理论、实用的深度与广度上都有了很大的发展。其发展趋势大致可以概括为：

1．由解决找水问题转移到解决地下水资源评价及与地下水有关的生态环境问题；随着城市人口的集中、工农业的发展和物质文明的逐步提高，人类活动面临的重要问题是水资源短缺。全球用水量迅速增大，据有关资料统计，从1900年到1975年全世界农业用水量增长了5倍。我国有一半的城市缺水，特别是华北、东北、西北的省会城市和大城市以及许多沿海城市。以往由于过量开采地下水已经在大多数城市出现了环境负效应，在一定程度上制约了当地的经济建设。如何协调好水资源与环境同社会经济可持续发展的关系，将是摆在我们面前的一项严峻的任务。

2．研究范围由饱和带的含水层扩大到包括非饱和带和相对隔水层在内的水文系统；进而扩大到可以超出地质边界的地下水流动系统，以及把地表水和地下水联系在一起的水文系统。地下水圈是与地表水圈、大气圈、生物圈、地幔相互作用的一个特定的物质系统，水文地质学需要研究地下水圈的形成条件、演化历史及其在人类活动的影响下的变化的一般规律，以便预测其在未来的发展趋势。在未来的岁月中，在研究普遍存在的地下水在控制各种地质过程中的作用、流体梯度与区域构造应力场的关系、饱和及非饱和系统中水岩之间的相互化学作用、化学成分在不同介质中的迁移以及由于水动力驱使而引起的能量迁移等方面的研究有望得到加强。通过研究大型盆地的演化发展和古水文地质条件，可以指导油气藏的勘查和开发。具有商业价值的地下热水、地下卤水、矿泉水的分布、形成条件的研究及开发利用将更加引起人们的重视。在固体废物、核废物地质处置中遇到的水文地质问题，将促进这些使用领域的水文地质研究。(www.xing528.com)

3．大流域地下水资源可再生及跨流域调水的重大水文地质和环境地质问题。黄河下游断流次数和时间逐年增大，小浪底水利枢纽截流后下游径流逐年减少，引起黄灌区地下水的循环系统和动态发生明显变化。长江流域在1998年发生罕见的全流域洪灾，以及三峡大坝建成后，将对库区和下游水资源和环境产生很大的影响。跨流域调水也会导致区域性水文地质条件发生明显的变化。如何结合社会、经济、生态等因素研究这些问题，预测其变化，使之朝着有利于社会经济的方向发展，是我国科技工作者面临的艰巨任务。

4．研究对象由饱水带岩石空隙中的水扩展到地下水圈。地下水是整个水循环的一个环节，它与大气降水、地表水、土壤水存在着密切的联系，他们互为依存，互相转化。以前仅局限于饱水带岩石空隙是一种狭义的理解，现在对地下水的概念的内涵进行了深挖，使之更切近自然界的实际情况。

5．理论研究、试验研究与技术方法的应用相结合，从而推动水文地质学由定性分析逐步向严密的定量分析方向发展。21世纪，随着学科之间相互渗透的加速，其他学科领域的新理论将会更加迅速地在水文地质领域得到应用。先进的测试手段和仪器设备可为研究地下水提供更加丰富和准确的观测数据。研究手段从过去单一化向着多样化、综合化的方向发展。地下水模拟软件得到进一步的开发，使之功能更强大、操作更方便。水文地质信息库将得到进一步完善并被充分利用。水文地质研究成果的展示方式也由过去的图示化（各种不同类型不同比例尺的挂图）发展到数字化（计算机数据库和图形库）再发展到网络化（通过主页在网络上发布），有利于研究成果服务于社会。

五、哲学思辨

水文地质学是自然科学中一门逻辑性很强的技术科学，它以地质学的基本理论为基础，研究地下水在自然界的形成、贮藏、运移及开发利用技术。

1．水文地质学是在生产大规模需要的基础上逐渐形成和发展起来的，在古代只有极少量的关于水的一些认识，没有形成系统的科学；在第一次产业革命中逐渐形成，随着社会的发展而发展，在第二次产业革命中全面发展，到第三次产业革命已经有了比较完整的学科体系，在信息化飞速发展的第四次产业革命的今天，水文地质学科的发展更是突飞猛进。水文地质学的整个发展过程是工业社会发展带来的，是在为解决大规模高度生产必须的水这一要素中形成和发展起来的，并随着社会化生产的发展而逐渐成熟。

2．从学科体系上，它属于地质学的范畴，研究赋存于地质体中地下水的存在和运动规律。水文地质学基础是它的基础，主要包括一般性的水文地质概念和规律，是研究水文地质问题的基石。地下水动力学是研究地下水运动规律的科学，它用数学模型来简化概括水流，用渗流来表述现实中不规则的水流，因为它可以用数学语言描述，这争相力学中质点的概念，也类似于哲学中物质的范畴，他们都是各学科的基本概念，是建立其他许多理论的基础。

水文地球化学是研究水中化学成分形成、变化的规律的科学。着重解决水质问题，因为只有干净卫生的水，对于生活和生产才有意义。它与水文地质基础、地下水动力学一块构成了水文地质学的经济基础，属于科学层面，发展相对缓慢，但它的突破必然带动学科的巨大发展。

专门水文地质学是为解决供水而形成的，它以以上的经济基础为指导，采用工程技术的方法将存在于地质体中的水变为可以利用的水。它是本学科的上层建筑，属于技术层面，与人们生活和生产息息相关，发展和变化也较大。

环境水文地质学主要研究开采地下水带来的环境负效应。因为需水量随生产发展急剧增大，水这一环境因素的快速改变引起沙漠化、盐渍化、塌陷、地震等破坏。这正验证了水文地质学科学的双面性。环境污染和生态破坏是人类面临的全球性问题，已经引起了国际社会的普遍关注。水对于生态的重要性不言而喻，地下水是分布最广泛的水，在某些干旱地区地下水是惟一的水源，在开采前不做好影响预测将对生态造成严重破坏。

3．地下水的运动是永恒的，静止是相对的。稳定流运动类似于匀速运动，非稳定流类似于变速运动。运动随着所选参考系的不同其运动表达式也不同。地下水运动具有系统性，系统输入是各种地下水的来源（补给项），输出是利用或自然排出（排泄项），系统内部就是各种各样的地下水作用（迳流项），系统输入和输出相对清楚，水文地质学重点研究地下水系统内部地下水的水量、水质、存在部位和形式。水文地质系统是一个多级嵌套系统，多以水文地质单元来划分，水文地质单元是多级的，大单元一般包括几个次级单元，次级单元根据某些条件又可以划分为更次级的单元，一般根据研究问题的需要划分，它的目的是在一个单元内地下水条件均一，便于研究。地下水系统与地表水、大气、岩石系统是互相关联的，它们之间存在着物质和能量的交换，地下水也属于一种地质营力，它在岩石空隙中运动的同时也改造了岩石的性态。

地下水运动的平衡状态也是相对的，无论在天然或人工开采状态下，地下水总是趋于一个平衡状态，在外界条件保持不变的，长期运动必然可以达到平衡的稳定运动，但外界条件的轻微改变，使得平衡状态偏移，这又促使地下水向着另外一个平衡状态运动，如此周而复始，地下水处于不断运动中。

4．水文地质的发展趋势都是符合历史潮流的，也是有其哲学意义的。①首先将原来狭隘的地下水的概念（外延）扩展为水资源，认为地下水是水资源的主要部分，其他水资源形式对它的存在和运动影响很大；其次重视由于水资源开发引起的环境问题，认识到水资源的宝贵性，在满足现在需要的前提下，达到可持续发展的要求。②重大水文地质问题是在社会化程度发展到今天才逐步出现的，并将在以后越来越多，和其他学科一样，水文地质也必须解决实际问题。③将地下水的内涵进一步精确，水与其赋存的地质体是一个有机整体，构成一个多级水文系统，地下水是这个系统中我们关心的主要目标，但系统的其他要素制约了它的成生和状态。④结合现代科技的发展，特别是信息化，水文地质的分析技术和表现形式不断发展，紧跟历史形势。同时水文地质注意吸收其他学科的研究成果，出现多种边缘学科。这是一个软化度不断提高的过程。

六、结语

1．水文地质学是在人类实践基础上产生的，在科技革命的推动下逐步完善，随着科技的发展而发展。

2．水文地质学科的未来发展趋势必然在其内涵和外延以及与其他学科的结合方向，其软化度必然逐步提高。

3．越来越重视利用水后带来的负环境效应和解决重大水文地质问题。

参考文献

［1］刘吉发．当代马克思主义科技观的多维透视．西安：西北大学出版社，2002

［2］黄麟雏，孟宪俊．现代科学技术革命与社会．西安：陕西人民出版社，1993

［3］区永和，陈爱光，王恒纯．水文地质学概论．武汉：中国地质大学出版社，1987