美国地质调查局在水文地质研究工作中的贡献

一、概　述

美国地质调查局(USGS)成立于1879年3月3日，是国际上著名的地质研究机构，是美国资源管理和信息整合的国家机构，收集包括美国国土资源、矿产资源在内的相关资源。到2004年3月为止，USGS已经成立了125年，借此对USGS在水文地质研究方面所做出的贡献进行简要地总结。

水文地质研究包括应用研究和理论研究两部分，前者需要对资源进行记载，后者需要对资源进行分析和了解。水文地质学是一门不断发展的科学，因此不可能把 USGS所做出的全部贡献都进行总结。USGS为不同领域的科学家提供了一个合作的机会，这些科学家们不但可以朝着同一个目标奋斗，并且可以单独发表他们的研究成果。这种对资源的综合利用和崇尚知识自由的做法对社会和水文界都做出了重要的贡献。

之后，根据不同的主题，分别对USGS在水文地质工作中所做出的贡献进行简要的总结。所讨论的技术方面的主题大部分被限制在对国家资源的评价和地下水理论的发展上，当然，很少涉及到天然水质的化学问题，也不深入讨论有关地下水的污染、微生物学、非饱和带流动、地球化学和其它一些专业主题。

USGS 的工作任务是提供地质学、生物学、地形学和水文学信息，促进国家自然资源的管理，提高公众健康、公共安全和社会福利(USGS，1986)。USGS的研究强调对相关物理和化学过程进行客观地分析，而非直接进行工程设计、建筑和水资源管理。与过去相比，现在从事地下水研究的USGS科学家的数量也有了很大的变化，在1900年，USGS只有3位地下水方面的科学家，到了1932年，发展到了32位，1960年达到了420名(仅指地下水领域的专家，还不包括从事水质研究的专家)，目前已经拥有500名。由于学科交叉的原因，这一数据并不准确，但是通过这些数据可以看出USGS在水文地质领域的发展情况。

二、全国和地区研究成果

在对全国的水资源进行分析研究时，USGS具有独一无二的优势;在进行全国和区域性水资源评价时，USGS也具有优先权。USGS早期所做的一些区域性研究工作，有助于当前对全国地下水系统的了解。其中一些具有开创性的工作包括：Darton(1905，1909)在大平原中部地区(central great plains)所作的工作，Mendenhall(1905)在加利福尼亚洛杉矶地区所作的工作，以及Veatch等人(1906)在纽约长岛(Long island)所作的工作。USGS早期完成的工作为后人的研究提供了基础，Meinzer(1923)在此基础上首次对全国的地下水资源进行了评价。

在 Meinzer之后的几十年，学者们陆续对各个州的地下水资源进行了评价(McGuinness，1952，1963)。在20世纪70年代，USGS的 813号专题报告公布了全国21个地区的水资源评价结果;在1984年，公布了全国水资源的评价结果;另外，区域含水层系统(RASA)项目对全国最重要的25个区域的地下水系统进行了评价，USGS的1400-1425号专题报告对评价结果进行了公布(Sun和Johnston，1994)。RASA计划主要是采用数值模拟的方法进行定量化评价，这一研究使地下水系统的模拟工作在一定程度上得到了改进，同时，对全国地下水资源也进行了记载。

USGS进行的全国和地区性研究成果，为全国地下水资源的评价工作提供了基础，而且，随着对水资源了解的不断深入，工作的重点也有所改变。美国的地下水图集(Miller，2000)提供了全国地下水资源的水文信息框架。

三、地下水流动系统定量分析的进展

定量分析方法的发展是USGS的另一项重要贡献。在此将主要介绍USGS在控制方程、水井水力学、系统分析等其它一些技术方面的贡献。

(一)地下水流动系统控制方程的发展

C.S.Slichter 是最早进行定量化研究的学者之一，他最初是一位数学教授，后来成为威斯康星州大学研究生院院长(Wang，1987)。Slichter利用位势理论定量化地描述了稳定流场对排泄井所作出的响应(Slichter，1899)。他是最早认识到“解决地下水运动的问题最终都要归结到求解拉普拉斯等式问题”的学者(Wang，1987)。

上世纪30年代以前，关于地下水系统的稳定状态或平衡状态的研究很少，C.V.Theis是率先进行研究的学者之一。Theis(1935)在对热流进行模拟的基础上，建立了非平衡态等式，首次实现了受时间控制的地下水系统对抽水井所作出的响应情况的分析。随着Theis对这一等式的发展，实现了对地下水系统的定量化计算，从而促进了对水资源的进一步了解和管理。

Jacob(1940)在此基础上对Theis等式进行了改进，其中包括对特定贮量的严格界定。在上世纪60年代初，就Jacob等式是否有效的问题引发了一场争论，因为人们开始关注抽取地下水后，所引发的孔隙介质变形问题。Cooper(1966)对Jacob等式进行了深入研究，结果表明，如果忽略某些不重要的因素，可以应用 Jacob等式(通常采用标准的三维瞬时流动等式)解决地下水流动系统的问题。这样就结束了这场争论，而且证实了控制方程的正确性。另外，关于瞬时水井水力学的分析方法也随着时间的变化在不断地发展。

(二)水井水力学

USGS 在水井水力学领域做出了巨大的贡献。在分析地下水流动系统对水井的作用研究中，最重要的贡献可能要属Theis等式，这一等式说明了均质含水层对完全渗透抽水井的瞬时响应(Theis，1935)。不过，随着时间的延续，分析方法的贡献也发生了变化，从最初的分析方法发展到针对不同水井的水力学问题上来 (Jacob，1940;Hantush和Jacob，1955;Cooper等，1967;Papadopulos和 Cooper，1967;Weeks，1969;Moench，1997)。另外，采用模拟(Stallman，1963;Bennett等，1967) 和数值模型(Reilly，1984;Rutledge，1991;Reilly和Harbaugh，1993)方法来分析水井的流动问题，可以研究更为复杂的含水层情况，这些方法随着时间的延续得到了深入发展。Ferris等人(1962)和Lohman(1972)发表的一些成果，对于USGS研究水井水力学问题极为重要，同时也是水文学家研究含水层性质的重要参考。

(三)系统分析方法

Theis(1940) 的研究成果为深入了解含水层和排泄井的相互作用提供了重要的基础，然而，在当时，几乎没有合适的系统分析手段。在上世纪50～60年代，Robert R. Bennett和他的同事将系统分析方法应用到了对地下水的研究中，首先进行流网分析，之后进行电模拟，最后进行数值模拟。这些方法在相关的领域都已经得到了应用，特别是在工程渗漏研究和石油贮量分析领域，而将这些方法应用于区域地下水研究领域，标志着地下水研究的一次重要的转变，在这一转变过程中，USGS起着极为重要的领导作用。Bennett和Myer(1952)采用流网方法对区域地下水进行了分析;H.E.Skibitzke等 (Skibitzke，1960)将电模拟方法引入到水文学研究中;Pinder和Bredehoeft(1968)最早采用计算机模型来模拟地下水流动问题。

USGS最初是利用计算机对地下水进行二维模拟的 (Pinder，1970)，USGS最早的三维模型(Trescott，1975)是为了满足调查人员的特殊需要而被发展起来的。根据不同学者的研究成果，USGS开发了模拟软件MODFLOW(McDonald和Harbaugh，1988)。由于MODFLOW的模块结构允许被修改和再次开发，因此最初被称为模块模型。USGS采用非线性回归方法对模型进行校准(Cooley，1977)，而且也将这一方法引入到了MODFLOW当中。目前，MODFLOW已经被公认为世界上最有效的对地下水流动系统进行定量分析的工具，MODFLOW的计算机模型仍在不断地发展(Harbaugh 等，2000;Hill等，2000)。

在上个世纪70年代初也开始了对溶质运移的模拟(Bredehoeft和Pinder，1973;Rubin和James，1973)。Konikow和 Bredehoeft(1978)最早建立了溶质运移模型，这一模型不断发展完善，最后发展为三维模型，而且与MODFLOW兼容。针对变密度流体运移建立的二维模型(Voss，1984)，是分析咸水入侵的重要方法，而且最近已被发展为三维模型。Pollock(1989)建立了三维径迹计算模型，并与MODDLOW兼容。(详细信息可见：http://water.usgs.gov/software/index.html。)

(四)其它方法

　尽管作者尽可能对USGS在水文地质工作中所做出的贡献进行分类，但是仍未能涵盖其中的几类主题。在上世纪60年代，Cooper，Henry，Glover，Kohout，Lusczynski和Swarzenski在研究海滨地区变密度地下水系统的工作中取得了巨大的进展(Cooper等，1964;Luszynski和Swarzenski，1966)。Poland(Tolman和Poland，1940) 对地面沉降进行了研究、分析和记载，之后Poland与USGS的其他研究人员，如Davis(1956)和Ireland(1984)等，共同对这一问题进行了深入探讨。Rorabaugh(1964)对由于河流消退造成的地下水补给问题的研究取得了一定的进展，而且Rutledge(1993)将这一研究成果应用到了野外工作中。USGS早期在人工补给领域的研究，主要是通过将理论分析和野外工作相结合的方法，这样可以验证理论的可行性，并可以为水资源管理部门提供适当的管理措施，在这一领域具有代表性的研究人员有Sniegocki(1965)、Brown(1978)、Vecchioli和 Ku(1972)等。Busenberg和Plummer(1992)开始采用含氯氟烃(CFCs)来确定地下水的形成年代，USGS的研究人员将这一方法应用于野外的实际工作，研究表明，这一方法有助于了解浅层地下水流动系统的情况。

四、天然水质及其化学成分分析工作进展

USGS在水化学、溶质运移和污染水文学领域做了许多工作，贡献很大。污染水文学不是本文要讨论的问题，但是作为一名水文学家，应该对USGS在水化学和水质研究方面的贡献进行讨论。目前仍采用Piper图来分析水的化学性质，这是早期重要的研究成果之一(Piper，1944)，40多年来，“研究和解释天然水的化学性质”(Hem，1985)一直是水文地质学家进行这方面研究的宗旨。计算机模型WATEQ(Truesdell和Jones，1973)和 PHREEQE(Parkhurst等，1980)，有助于后来的学者对天然地下水进行分析和对全国不同的地下水系统进行研究。随着时间的发展，PHREEQE得到了不断的改进，这也是了解天然水化学成分的重要工具(Parkhurst和Appelo，1999)。此外，NETPATH(Plummer等，1991)是一种交互式的计算机程序，可以用来分析流动通道中可能发生的各种地球化学反应。

五、地方研究

USGS 的许多工作都是在所谓的“合作项目”的基础上完成的。“合作项目”始于1929年，这使国家和地方政府共享USGS的研究成果和经费。USGS在“合作项目”中所做的工作对于科学的进步无疑起了极大的推动作用，因为这些工作主要是针对亟待解决的问题而开展的。在USGS的历史上，这些地方研究(通常指上世纪50年代和60年代在各个县郡开展的工作)成果提供了许多水文系统的细节问题，据此可以很好地进行区域研究。USGS的地方研究成果同时也为当地提供了详细的水文信息。

六、地下水资料的搜集和存档

USGS 通常优先进行野外观测资料的搜集和存档，水位资料正被定期进行归档和公布。随着计算机的出现，USGS于上世纪60年代建立了一种标准的存贮水位资料的方法，然而，直到1974年，才建立起标准化的计算机数据库，被称为地下水定点信息目录(GWSI)(Mercer和Morgan，1982)。几乎全部现有的USGS地下水水位资料都由GWSI进行存贮和维护，GWSI是USGS全国水信息系统(NWIS)数据库的组成部分。现在，在USGS的GWSI数据库中，约有85万口水井和监测孔的资料可以利用。(可以在线获取这些资料：http://waterdata.usgs.gov/nwis/gw，另外，也可以在线实时获取USGS的一些监测井资料：http://waterdata.usgs.gov/nwis/rt。)

七、培　训

培训和教育是USGS的重要工作之一，USGS的培训项目提供了一种合作的工作环境，而且也有助于许多有经验的学者对新技术和新理论进行试验、批评和验证。 USGS开展一些地下水相关专题的短期培训，主要是针对其内部的成员而设的，但也对合作机构开放。首次培训始于1951年，在60年代一直延续下来。当时，要求新成员在工作之前，都需要接受为期6个月的培训。在上世纪60年代以后，课程设置更为专业。在70年代，数值方法和系统分析也成为培训的主要内容。当时，许多USGS成员都成为许多大学的客座教员，对高等教育做出了一定重要贡献，例如，John Ferris于1959～1965年在亚利桑那大学任职，帮助该校设立了水文学的课程。USGS也出版了一些有关教育和培训方面的书籍，Bennett(1976)、Heath(1983)、Hem(1985)和Franke(1990，1991)等人的出版物尤为重要。另外，Ferris(1962)和Lohman(1972)等人的出版物也是重要的教育资源。

八、结　语

本文提到的一些成果可见http://water.usgs.gov/pubs/和http://infotrek.er.usgs.gov.pubs/。USGS近来关于某些专题发表的一些成果，也可以在线查阅：http://water.usgs.gov/pubs/circ/。USGS对早期的研究成果进行详细的分析后，定期补充到在线出版物网站上，读者可以通过网络免费获取USGS的报告。

USGS提供了极好的合作环境，科学家们可以通过相互的交流和合作，不断拓宽自己的知识面。USGS的地下水委员会会不断地进行多学科交叉研究、培训和指导，希望USGS将来能为水文地质研究做出更大的贡献。

译自《Ground Water》2004年第4期