美国地质调查局地下水科学跨学科的研究机遇

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1、美国地质调查局地下水科学的跨学科研究机遇[美]W.E.Sanford,J.S.Caine等魏国强译；冯翠娥、田芳校译一、前　言在地下水水文学和地质学研究领域中，美国地质调查局（USGS）一直享有非常高的声望，提供了前沿的科学知识与先进的技术手段，并长期处于该领域的领导地位。本报告介绍了USGS地下水科学研究机遇中的六个跨学科主题，为USGS继续保持这种科学领导地位搭建了一个框架。这些主题是基于美国国家研究理事会（2000）的提议而确立的，提议包含在名为“区域和国家尺度上的地下水调查系统”的报告中，并指出跨学科主题的研

2、究将受益于美国各方面的综合能力。认识地下水与含水层地质特征之间的关系、地下水和地表水资源与陆地和水生生物群落之间的关系越来越重要，这为整个美国综合利用专业知识（包括生物学、地理学、地质学和水文地质学等）创造了一个相当大的机遇。美国国家研究理事会（2000）也强调指出美国区域和国家尺度上的地下水资源评价应将工作重点放在能够促进地下水资源实现可持续利用方面。我们需要足够可用的地下水来维持我们的生活、经济和水生生态系统，因此需要一个全面的计划来解决地下水资源的可持续利用问题。尽管社会对高质量、客观的地下水科学的需求在不断增

3、加，但目前用于USGS区域地下水计划的资金大约只占20到25年前可利用资金的40%。本报告提出了一系列非常灵活的研究主题，在目前预算受到限制的情况下，能够使USGS集中有限的财政资源发展地下水科学领域中的技术手段和方法，以提供高质量、客观的科学信息。二、地下水研究机遇科学家一般关注现在、过去以及过程，而社会更想知道未来。由市民、市政规划机构或者政府管理机构提出的地下水问题几乎都始于“如果……，将会怎么样？”。“如果……”往往包含一种令人担忧的状况，比如过度抽水、长期气候变化与多年干旱之间的关系、城市化的影响以及地表污

4、染等。USGS必须要基于对现在、过去以及过程的认识给出科学预测，满足社会需求。美国很多地区的地下水资源受到人类活动的严重影响。例如，在美国的西南部，大量抽水导致地面沉降和水资源短缺。在沿海地区和某些内陆地区，抽水导致咸水入侵淡水含水层。在全国范围内，即使水资源非常丰富的地区，也因水不足以满足每个人的需求，而使地下水受到人们的竞相使用。化粪池、垃圾填埋、农药、化学和放射性废物的处理以及其它土地利用活动将化学物质释放到地下水中，潜在地限制了地下水的饮用，污染了河流、湖泊和湿地中的生态系统。而且在干旱时，为满足供水需求，经

5、常要用地下水来补充地表水，这样就减少了未来地下水的可利用量。本报告介绍的地下水科学研究机遇中的六个跨学科主题的开展，将极大提高我们预测维持人类使用并支持水生生态系统的地下水可利用量的能力。这些主题可简单归结如下：j通过开发三维（3D）制图和可视化工具，并应用新的地球物理方法，提高对地下水系统地质结构的认识；k提高对松散含水层、基岩裂隙含水层和岩溶含水层非均质性的刻画；l提高补给评价，重点是跨地区的补给；m提高评价地下水和地表水关系（包括从地下水系统的流入与流出）的能力；n提高对地下水与水生生态系统关系的认识；o改进地

6、下水流动和运移的计算机模型，重点是发展并应用新的反演方法和不确定性分析。前两个主题侧重于水资源、制图、地质和地球物理特征的综合研究。接下来的三个主题强调突出了量化地下水与生物圈的相互关系以及将生物学与水资源研究结合起来的重要性。第六个主题则起到了一种重要的纽带作用，连接着基于其它主题获得的认识所建立的方法与提高预测能力的最终目标。本报告所讨论的这六个地下水研究主题并没有涵盖USGS地下水科学的所有方面，而只是将重点放在了重要的长期性的跨学科研究任务上，以促进学科进步，提供必要的信息来支持国家地下水资源的可持续利用。U

7、SGS在地下水研究中发挥着重要作用，是唯一负有地表水文和地下水文评价使命的联邦机构。评价国家的地下水资源，需要（1）研究跨州和跨国界的全部的含水层系统；（2）使用全国统一的数据收集方法；（3）使用并改进现有的监测设施；（4）进行基础研究，认识国家珍贵的地下水资源。USGS为州政府和地方机构管理水资源提供科学的信息。此外，USGS支持美国内政部土地管理局、美国鱼类和野生动物管理局、美国国家公园管理局、美国森林管理局和国防部管理各自所辖的土地，以及内政部管辖的印第安人保留地内的土地管理。本报告所阐述的几个主题（如关于岩溶

8、含水层和地下水对生物资源影响的主题）也是内政部其它机构特别关注的问题。报告中阐述的研究机遇引起了大学的学者、其它机构和私人机构的兴趣。因此，在这些主题研究中，我们看到了很多潜在的参与者。（一）三维制图——地质和地球物理1、问　题三维空间中的岩性分布和地质结构是地下水流动和溶质运移的主要控制因素。但是，这些物理特征通常非常复杂，难于刻画，更难于实