美国水文地质发展历程及启示

美国水文地质发展历史及启示

地下水是美国重要的自然资源之一。据美国地质调查局(以下简称USGS)统计，2000年美国总用水量为5636亿m，其中地下水1167亿m，占总用水量的20．7％；98．3％的家庭用水、57．4％的牲畜用水和41．5％的灌溉用水来自于地下水。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。

1、美国水文地质学发展简要回顾

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

19世纪60年代后期，农业和城市发展对地下水的需求不断增加，刺激了人们对水文地质学的研究。这一时期水文地质工作者主要关注的是自流井的开发，研究基本上以定性和描述性为主，缺乏定量的尝试。1879年USGS成立。1903年USGS成立水文部。自此以后，USGS成为美国水文地质学发展的主体力量，到1910年末即获得了国际水文地质界的广泛认可。

1910--1940年是美国水文地质学的奠基阶段。在此期间，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。在20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》和《地下水文学概要》等，系统地总结了水文地质学的研究工作和理论进展，同时首次对全国地下水资源进行了定性评估，阐述了地下水补给、排泄、数量、质量、开发利用等各个方面。在水井水力学方面，稳定流理论居于主导地位。1935年，Theis非稳定流公式发表并迅速推广。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，含水层枯竭、地下水污染、海水入侵和地面沉降等问题先后出现，使人们认识到开发地下水需要进行合理规划和科学管理。为了实现这一目标，USGS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。

1940--1976年是美国水文地质学的迅速成长阶段。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。20世纪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、水文地质条件调查的基础上，对地下水补给、地下水排泄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。提出了地下水管理对策。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。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。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、系统分析方法和数值分析方法。

1978年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。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，地下水资源的评价精度得到显著提升”。以区域含水层系统分析项目成果为基础，1990--2000年先后编制出版了各个含水层系统的地下水图集，比例尺为1：250万一1：10万。随着经济的持续增长，从20世纪80年代开始人们改善和保护生态环境的意识不断增强。水文地质工作开始由过去的以资源为重逐渐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。USGS启动了新一轮地下水资源调查“地下水资源计划(GWRP)”，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、遥感技术和同位素技术在水文地质调查中的应用发展迅速。

2、不同经济社会发展阶段水文地质调查发展特征

图2列出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。根据中国现代化战略研究课题组的研究，美国自工业化以来经济社会发展大致经历了4个阶段：第一次现代化前期、中期、后期和第二次现代化时期。

2.1第一次现代化前期

这个时期，美国经济发展由近代农业逐渐向现代工业过渡。到19世纪末，美国已基本成为一个工业部门齐全、现代工业体系初步形成的国家，从农业社会进入工业社会，国家经济开始以工业为主。1869—1899年，工业产值从33％上升到53％，农业的绝对产值虽然有所增长，但其在国民经济中所占比重却由53％下降到33％。在北方，城市化发展迅速，欧洲来的移民每年达30万人，一般留在城市或他们到达的港口；在南方，农业灌溉面积不断扩大。起初，农业和工业所需的水资源以地表水为主，随着工农业的发展，南方地区需要抽取地下水灌溉水稻、玉米和棉花；北方城市地区地表水遭受到严重污染，需要开发未受污染的地下水。这一时期由于地下水开采历史很短，开采规模较小，在适宜的条件下揭穿含水层后地下水可自流。因此，该时期的水文地质调查主要集中于自流井的探查，研究自流井的成井条件，研究报告以定性描述为主，缺乏定量的尝试。虽然有研究者指出，过多开采地下水将可能使自流井流量衰减，但是水文地质调查人员并未重视此问题。

图2 美国不同经济社会发展阶段水文地质发展特点

2.2第一次现代化中期

进入第一次现代化中期以后，美国化学工业、电气设备与汽车工业快速发展，到20世纪20年代，工业产品和出口商品日益变成技能或技术密集型产品，经济基础开始从自然资源的优势转向劳动技能的优势和特殊技术的优势。到1940年在整个国民经济产业结构中，工业比重增加到35％。与此同时，乡村人口不断流向城市，新城市大量兴起。1910年，美国的城市人口占总人口的1／2，到1930年则跃升到2／3。随着工业的发展和城市化进程的加快，美国公共供水设施迅速发展起来，到1930年公共供水设施供水人口达到7500万，占总人口的61％，其中约有2000万人口主要依靠地下水供水。包括铁路系统、制造工厂、金属和石油冶炼厂、电厂、公共机构和旅馆等在内的大量的工商业企业通过水井采用地下水。在灌溉农田中，大约有11％的农田采用地下水进行灌溉。据1929年统计，农田自流井涌水量为332万m3／d，抽水井供水能力为17696万m3／d。

这一时期地下水开采规模的日益扩大对水文地质调查提出了新的任务：对水井涌水量进行定量预测；对地下水形成条件进行调查，评价地区地下水数量。为此，USGS以地理分区为单元，对各个地区的含水层进行调查，初步揭示了各个地区地下水的赋存条件和含水层分布特征；通过设置地下水观测孔，了解了地下水位的变化波动特征；对地下水补给、排泄、径流进行了初步量化，采用均衡法对地下水资源进行了初步评价。该时期水文地质调查的重要特点是水文地质调查范围由原来的开采区向区域发展，地下水评价由原来的定性评估向定量评价发展，水井水力学由稳定流理论向非稳定流理论发展。

2.3第一次现代化后期

这一时期，以原子能技术、宇航技术、电子计算机技术发展为标志的新科学技术革命，推动了美国经济高度现代化的发展。到1970年，整个国民经济产业结构中，农业比重为2．9％，工业比重为33％，服务业比重为64％。自20世纪40年代起，城市郊区人口增长异常迅速，其增长率大大高于城区，美国人口布局发生了很大变化。随着工业化进程的加快和人口的增长，用水量急剧增加，从1950年的2486．7亿m3增加到1970年的5111．6亿

m3，其中地下水用水量从1950年的469．7亿m3增加到1970年的953．2亿m3。农业开