現(xiàn)代科技革命與水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展

水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水的數(shù)量和質(zhì)量隨空間和時間變化的規(guī)律,以及合理利用地下水或防治其危害的學(xué)科,經(jīng)歷了長期的發(fā)展過程。人們早在遠古時代就已打井取水。中國已知最古老的水井是距今約5700年的浙江余姚河姆渡古文化遺址水井。古波斯時期在德黑蘭附近修建了坎兒井,最長達26km,最深達150m。但水文地質(zhì)學(xué)直到19世紀末才逐漸成為獨立的學(xué)科。恩格斯在一個多世紀前寫成《自然辯證法》標志著自然辯證法的確立。為自然科學(xué)工作者提供了有力武器,其基本思想和基本觀點越來越顯示出強大的生命力。水文地質(zhì)學(xué)每一次較大的進步與發(fā)展,都滲透著辯證的哲學(xué)觀。

1古代哲學(xué)與水文地質(zhì)學(xué)

《周易》是自西周至東周不斷充實才完成的重要文獻,所引用的人事活動和自然現(xiàn)象的描述蘊含了人類早期科學(xué)萌芽和對自然現(xiàn)象的哲學(xué)思考。《周易》八卦中的坎代表水,兌代表澤,艮代表山,坤代表地。這些組合而成的彖、彖恰好表征了地下水的循環(huán)過程,當代水文地質(zhì)學(xué)家以圖來詮釋,與水文學(xué)的描述相當吻合。公元前7世紀的泰勒斯被稱為人類歷史上的第一個水科學(xué)家與第一個哲學(xué)家。泰勒斯認為水與人與萬物的存活如此息息相關(guān),水的背后有些更深的法則與目的,他直接指出人可以思考有關(guān)水的“看不見”的意義,而非只是在“看得見”的使用,也許“看得見”的部份只是暫時的、多變的,而“看不見”的部份是永存的、不變的。

2近代水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展

自十九世紀末,水文地質(zhì)學(xué)成為一支獨立的學(xué)科以來,在多位水文地質(zhì)學(xué)家和水文地質(zhì)工作者的不懈努力下,水文地質(zhì)學(xué)從幼稚逐漸變得成熟,從單純的現(xiàn)象描述發(fā)展到定量化的理論研究上[1]。泰斯于1935年利用地下水非穩(wěn)定流與熱傳導(dǎo)的相似性,得出了地下水流向水井的非穩(wěn)定流公式即泰斯公式,把地下水定量計算推進到了一個新階段。20世紀中葉,蘇聯(lián)奧弗琴尼科夫和美國的懷特在水文地球化學(xué)方面做出了許多貢獻。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時,在地下水的賦存、運動、補給、排泄、起源以至化學(xué)成分變化、水量評價等方面,均有了較為系統(tǒng)的理論和研究方法。水文地質(zhì)學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門成熟的學(xué)科了。20世紀70～80年代,由于電子計算機技術(shù)的發(fā)展,地下水數(shù)學(xué)模擬成為處理復(fù)雜的水文地質(zhì)問題的主要手段。同時,同位素方法在確定地下水平均貯留時間,追蹤地下水流動等研究中得到應(yīng)用。遙感技術(shù)及數(shù)學(xué)地質(zhì)方法也被引進,用以解決水文地質(zhì)問題。隨著地下水污染、海水與咸水入侵淡含水層等問題的不斷產(chǎn)生,與地下水中溶質(zhì)遷移有關(guān)的問題開始受到重視。許多水文地質(zhì)學(xué)家正在通過室內(nèi)試驗、野外試驗與建立數(shù)學(xué)模型的辦法去解決有關(guān)問題。

3現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)科技革命

3.1 科學(xué)技術(shù)革命對水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的影響

水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展過程中的歷次革命都是在科學(xué)技術(shù)革命及其產(chǎn)物的支持下完成的。首先對水文地質(zhì)學(xué)形成和發(fā)展具有重要意義的Darcy定律是H.Darcy受到電學(xué)中的歐姆定律和固體介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)定律的啟發(fā)并通過試驗驗證得到的,三個定律的數(shù)學(xué)表達式完全相似,而歐姆定律和熱傳導(dǎo)定律早在Darcy定律出現(xiàn)之前就分別由歐姆和福里哀建立。其次對現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展和研究具有劃時代意義的Theis公式和描述滲流的基本微分方程也都是從熱傳導(dǎo)理論中演繹過來的。另外,目前在滲流理論中廣為應(yīng)用的數(shù)值法是在新科學(xué)技術(shù)革命的產(chǎn)物之一—— 計算機的促進下才得以蓬勃發(fā)展的,尤其是20世紀70年代末微型計算機的普及使得數(shù)值法在研究滲流問題時表現(xiàn)出了更大的靈活性和優(yōu)越性。現(xiàn)在計算機已滲人到水文地質(zhì)研究的各個領(lǐng)域,如勘查、編圖、開發(fā)、評價和管理等,正是在計算機幫助下,一些數(shù)學(xué)方法才得以用來解決水文地質(zhì)問題。在地下水的勘查和研究中,當今廣泛使用的技術(shù)和方法如電法、磁法、遙感、放射性測量、同位素、Υ-Ν等均是科學(xué)技術(shù)革命的產(chǎn)物。這些方法和傳統(tǒng)方法結(jié)合起來,借助計算機,不但解決了許多原來無法解決的問題,而且使水文地質(zhì)學(xué)理論更豐富、更完善,并形成了多種交叉學(xué)科。

3.2 水文地質(zhì)學(xué)今后發(fā)展方向

水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展到今天,經(jīng)歷了近150年,現(xiàn)在人們在解決滲流問題時基本上都按照這一模式進行:定性分析→建立水文地質(zhì)模型→建立數(shù)學(xué)模型→求解數(shù)學(xué)模型,這一模式通常稱為數(shù)學(xué)模式[3]。目前在世界范圍內(nèi)正興起一場以微電子技術(shù)和信息處理技術(shù)為中心的科學(xué)技術(shù)革命。新科學(xué)技術(shù)革命的主攻方向是智能信息科學(xué)技術(shù),主要歷史使命是建立智能科學(xué)理論,其核心是智能化,其科學(xué)、社會、經(jīng)濟效果將對人類產(chǎn)生巨大的沖擊,將變革現(xiàn)在科學(xué)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。受新科學(xué)技術(shù)革命的影響,水文地質(zhì)學(xué)理論也將發(fā)生革命,解決水文地質(zhì)問題的智能信息模型和混沌模型將代替現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型;同時受新材料、光導(dǎo)纖維、新能源、空間、電子和計算機等多項新技術(shù)革命的影響,在地下水的勘查和研究方法上也將發(fā)生根本的變革,屆時目前水文地質(zhì)學(xué)上的一些難題將迎刃而解。

為了更好地發(fā)展當代水文地質(zhì)學(xué),需要特別重視以下各類的學(xué)科交叉滲透:第一,根據(jù)研究目標的需要,開展相關(guān)學(xué)科與水文地質(zhì)學(xué)相結(jié)合的研究;第二,將橫斷科學(xué)(系統(tǒng)論、信息論、控制論、超循環(huán)理論、耗散結(jié)構(gòu)理論、混沌學(xué)、分形理論等)全面引入水文地質(zhì)學(xué),充實與發(fā)展水文地質(zhì)學(xué)的理論與方法;第三,將水文地質(zhì)學(xué)與社會人文科學(xué)結(jié)合,加強軟科學(xué)研究。目前,第一類學(xué)科交叉的研究,已經(jīng)開始受到重視,但是,離開學(xué)科的真正融合,還有較大距離;第二類學(xué)科交叉的研究,已有不少探索性成果,但是,如何將橫斷科學(xué)全面系統(tǒng)引入水文地質(zhì)學(xué),要走的路還很長;第三類的學(xué)科交叉,則至今尚未引起足夠重視。

加強水文地質(zhì)學(xué)與社會人文科學(xué)的結(jié)合,其重要性如何強調(diào)也不為過。任何自然科學(xué)技術(shù)問題的解決,都無法回避人們的價值判斷與利益協(xié)調(diào)。因此,自然科學(xué)技術(shù)成果,需要借助于社會人文學(xué)科的支撐,逾越種種利益門檻,才有可能被社會所接受,否則,只能停留在紙面上,無法轉(zhuǎn)化為實實在在的生產(chǎn)力。

參考文獻

[1] 王大純,張人權(quán),史毅紅,等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社,1995.

[2] 張人權(quán),梁杏,靳孟貴,等.當代水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展趨勢與對策[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2005(1):51～56.

[3] 科學(xué)技術(shù)革命對水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的影響[J].焦作工學(xué)院學(xué)報,1998,17(6):454～456.