水文地球化學基礎課程存在的問題及建議

史浙明

摘? ?要：水文地球化學是水文地質學專業的三大主干專業課之一，是我校水文與水資源工程及地下水科學與工程專業的專業核心課程。我校作為水文地球化學的發源地，過去幾十年來在該學科上培養了大批人才。然而，隨著經濟社會的發展，目前水文地球化學領域也面臨許多新的困難和挑戰，主要表現在教材、教學內容和方法、水文地球化學新方向、教師能力等方面。本文對我校的水文地球化學現狀進行了介紹，同時針對存在的問題進行了探討，希望能夠促進水文地球化學課程的教學和學科發展。

關鍵詞：水文地球化學? 教學? 問題? 建議

Abstract： Hydrogeochemistry is one of the main specialty courses of hydrogeology， and it is the core course of the major of hydrology and water resources engineering. As the origin of hydrogeochemistry in China， our university has trained a large quantities of students. However， with the development of economy and society， the field of hydrogeochemistry also faces with many difficulties and challenges， which are mainly in textbook， teaching contents and teaching method， the new direction of hydrogeochemistry， the ability of the teacher. This paper introduce the present situation of hydrogeochemistry， and discuss the existed problems， we hope it can help to improve the teaching and science progress of hydrogeochemistry.

Key Words： Hydrogeochemistry; Teaching; P roblem; Suggestion

水文地球化學是水文地質學的一部分，它是以地下水化學成分的形成及各種化學元素在其中的遷移規律為主要研究對象的一門學科，是探索地球殼層各帶地下水的地球化學作用的一門新興學科。我國從20世紀80年代起出版了一系列水文地球化學方面的教材及專著，對培養我國的水文地球化學人才起到了重要的作用。目前我國主要的水文地球化學方面的教材有沈照理等編寫的《水文地球化學基礎》[1]、李學禮等編寫的《水文地球化學》[2]，以及錢會編寫的《水文地球化學》[3]。隨著社會經濟發展，這門課程也越來越受到水文、地質及環境專業的重視，國內有多所學校開設了該門課程，然而對于該課程的教學研討方面的文章十分稀少，這一現象并不利于該課程的良性發展。經過近幾年的教學，筆者發現目前”水文地球化學基礎”課程教學面臨一系列問題和挑戰，一些教學內容沒有及時更新，一些手段較為落后，不能完全滿足新時代一流本科教學要求。因此，總結目前教學過程中的經驗和教訓，提出新的改進措施和建議，無疑對于提升水文地球化學課程的整體質量具有重要意義。

1? 我校水文地球化學基礎課程教學現狀

中國地質大學（北京）水資源與環境學院作為國內最早開展水文地質人才培養的機構之一，水文地球化學的課程在沈照理先生的領導下創立，至今已有近70年歷史。目前我校水文地球化學課程主要面向水文與水資源工程。該課程選用沈照理先生1993版《水文地球化學基礎》以及李學禮先生《水文地球化學》兩本經典教材作為主要參考教材。課程內容由緒論，水化學基礎，地下水化學成分的組成，地下水化學成分的形成及其影響因素，水的地球化學循環及水文地球化學分帶，地下水的水文地球化學分類，水文地球化學的應用幾部分組成。其中水化學基礎、地下水化學組成、地下水化學成分的形成及影響、水的地球化學循環等內容主要取自沈照理先生的《水文地球化學基礎》教材，而水文地球化學分帶、地下水的水文地球化學分類則主要取自李學禮先生的《水文地球化學》教材。水文地球化學應用部分主要介紹地下水污染的基本類型及特征以及初步介紹地下水環境和現狀評價。該門課程為40學時，安排在大三秋季學期的后半學期，在先修課程《水文地質學基礎》結束后再進行。近幾年來每學期上課的學生為一個班，人數40人左右。在具體講授過程中，主要基于多媒體PPT進行，在教材內容的基礎上結合一些教師在實際工作中的案例以及一些文獻中的典型案例來進行講授，結合隨堂練習，課后作業等方式進行。

2? 存在的問題

水文地球化學作為一門理解地下水水質隨時間和空間的演化規律[4]，其在地下水專業人才的培養具有不可替代的地位。正如水文地球化學這門學科的發展歷史沿革，水文地球化學的研究內容、研究范疇在不斷擴展，因此也要求我們不斷更新教學內容及教學方法。與此同時，許多新的新的技術和手段也在不斷引入地下水研究領域，從而使得我們這一課程也面臨一系列的問題和挑戰。

2.1 教材問題

最為突出的問題是教材問題，由于我校主要采用沈照理先生1993版的教材，該教材至今已有26年歷史，自1993年出版后，該教材再無更新版本，目前該版本教材也不再印刷，所以目前也無出版社可供學生購買。這種情況也造成我們在教學過程中一定的困難。由于教材中的許多內容是20多年前的內容，而教師講稿中的除了一些基本知識點，還有許多近些年來教師從事工作的案例以及許多近十幾年來新的一些知識。筆者在近幾年教學工作中也發現許多學生有不少困惑，不知道該如何利用教材和講稿。因此，盡快更新一版新的高質量水文地球化學教材是當務之急，對于提高水文地質相關領域的專業學生培養質量具有重要意義。

2.2 教學內容和學時

目前我校水文地球化學課程主要側重的傳統水文地球化學內容，即熱力學基礎內容;地下水化學成分的形成及演化及其遷移規律;水文地球化學的分類和分帶。然而，隨著科學技術和社會經濟的高速發展，出現了許多新的水文地球化學問題，如人類活動對地下水化學組分的影響如人類活動引起的地下水污染;采礦活動引起的天然地下水水質變化;頁巖氣開采對地下水水質的影響[5];深部流體的地球化學特征，地熱勘探開發過程中水文地球化學技術和方法的應用;一些新技術手段的發展：如稀有氣體的應用[6];一些新的統計方法和手段如多元統計分析、機器學習[7]等新技術手段在水文地球化學研究中的應用;一些新的地球化學模擬程序的應用等等。上述變化均反映了水文地球化學學科發展的生命力，也要求我們適時地、恰當地將這些內容加入我們的課程，讓學生能夠了解學科前沿動態，激發對專業的學習熱情。

課時方面，由于教育部對于大部分專業課課時的壓縮，導致許多課程的課時十分緊張。水文地球化學基礎作為地下水專業學生三大主干課程之一，目前僅有40學時。要在40學時內將諸多內容進行透徹講授，具有較大難度。緊縮的學時只能讓教師針對學校的特色，甄選一部分內容進行重點講解。比如筆者在講授的時候側重熱力學、天然地下水化學成分特征、形成及影響因素，元素在地下水中的遷移和沉淀等部分內容。目前對于一些新的技術方法在水化學中的應用涉及不足。如何進一步優化調整課程內容，盡可能全面而又不失重點地講授是需要進一步探討的問題。

3? 改進建議

首先是盡快對沈照理先生1993版《水文地球化學基礎》進行再版，解決教材匱乏問題。在教材編寫過程中，要注重傳承與創新。新增的部分可以重點增加人來活動對地下水環境的影響：如地下水污染防治、地熱資源勘探開發、頁巖氣開采對環境影響，含水層回灌對地下水環境影響方面的內容。其次，教學過程中應盡可能多地設計隨堂練習和隨堂討論，盡可能讓學生更加積極主動地參與課程中。比如在講解piper三線圖時，可以提供不同水樣水質測試結果，讓學生練習如何將水樣測試結果投影至piper圖，并且讓學生解讀圖中的數據點的含義。同時，可讓學生在投完數據點后進行討論其中可能發生的水文地球化學過程，以提高學生綜合利用知識的能力。同時，許多數學方法目前已經廣泛地應用于水文地球化學中，在課程講解中可以更多地融入一些應用較多的方法，如多元統計中的聚類分析、因子分析、主成分分析等常用的分析手段。在開展多元統計教學中，由于多元統計所需的數學要求較高，可直接利用成熟的數學應用軟件如常用的SPSS。在給學生介紹完多元統計方法的基本原理后，則可以給學生介紹SPSS的操作，然后講解SPSS結果的意義。采用的案例可以選取煤礦水源識別的案例，人類活動地下水污染識別等案例[8]。這類內容可以給學生布置大作業，讓學生2～3人一組進行完成，如此可以更大程度地訓練學生的動手能力以及對知識的應用。另外一個重要的內容是地球化學模擬方面，地球化學模擬作為利用熱力學、反應動力學方法定量計算天然地下水中組分分布及水巖相互作用及物質轉化的有效方法，學生需要對其具有初步的了解并能簡單地進行應用。以往的教學中我們只是介紹水文地球化學模擬的概念以及現存的模擬程序及每個程序的優缺點，然而并沒有讓學生進行實際操作。未來，我們將在此基礎上，選定PHREEQC為教學對象，該程序免費且具有操作界面，易于學生進行學習。在實際教學過程中，指導學生掌握基本的混合、飽和指數計算、反向地球化學模擬等內容，并安排合適的案例供學生進行練習。最終，在課程末期，可以安排一次綜合性的大作業，比如選擇某個研究較為成熟、現象較為典型的盆地，收集從補給區到排泄區各個不同部位的地下水化學分析資料，要求學生進行地下水水文地球化學演化的分析，要求運用多元統計方法、地球化學模擬方法來進行水巖作用的分析，大作業的成績作為平時成績重要的參考資料之一。

4? 結語

水文地球化學作為中國地質大學（北京）的校級精品課程，且是我國水文地球化學學科的起源地，提高我校水文地球化學教學質量對于培養高素質的水文地質類專業人才具有重要意義。本文從水文地球化學課程教學現狀、存在問題及改進措施等方面進行了闡述，希望對水文地球化學課程的教學能夠起到一點參考價值。同時，由于水文地球化學內容包羅萬象，提高教學質量也必然要求教師具有全方位的素質，需要教師刻苦鉆研專業基礎知識，在水文地球化學專業領域不斷創新，提高教師的自身素質。

參考文獻

[1] 沈照理，朱宛華，鐘佐燊.水文地球化學基礎[M].北京：地質出版社，1993.

[2] 李學禮，孫占學，劉金輝.水文地球化學[M].北京：原子能出版社，2010.

[3] 錢會.水文地球化學[M].北京：地質出版社，2005.

[4] 孫紅福，顏瑞雯.水文地球化學課程面臨的問題與挑戰[J].中國現代教育裝備，2019，311（7）：59-60，63.

[5] Huang， T.， Pang， Z.， Zhenbin， L.， Yiman， l.， Hao， Y. A framework to determine sensitive inorganic monitoring indicators for tracing groundwater contamination by produced formation water from shale gas development in the Fuling Gasfield， SW China. 2019. Journal of Hydrology， 124403.

[6] Kreuzer， A.M.， von Rohden， C.， Friedrich， R.， Chen， Z.， Shi， J.， Hajdas， I.， Kipfer， R.， Aeschbach-Hertig， W. A record of temperature and monsoon intensity over the past 40 kyr from groundwater in the North China Plain. 2009. Chemical Geology，2009（259）：168-180.

[7] Choi， B.-Y.， Yun， S.-T.， Kim， K.-H.， Kim， J.-W.， Kim， H.M.， Koh， Y.-K. Hydrogeochemical interpretation of South Korean groundwater monitoring data using Self-Organizing Maps.Journal of Geochemical Exploration.，2014（137）：73-84.

[8] 孫林華. SPSS 在地球化學課程教學中的應用[J].宿州學院學報，2013，28（7）：119-122.