水文地质调查技术方法发展与应用综述 |《测绘科学》“自然资源调查监测”专辑文章推荐

水文地质调查技术方法发展与应用

综述

郝爱兵^1,2,3，赵伟^1,3，郑跃军^1,3，刘明欢^1,3，

韩双宝⁴，解伟⁴，刘文波^1,3，王新峰⁴

（1.中国地质调查局 地质环境监测院，北京 100083；

2.中国地质调查局 自然资源综合调查指挥中心，北京 100055；

3.河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站，河北 沧州 061000；

4.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051）

摘要：面对地下水资源调查、监测、评价、保护及科学开发利用的需求，得益于水文地质学科理论的发展完善及多门类技术方法的融合应用，水文地质调查已建立起涵盖遥感、物探、钻探、场地试验、同位素分析、数值模拟及信息化集成的综合技术方法体系，成为深化区域水文地质认识、支撑水资源管理的重要基础。该文针对目前水文地质调查技术方法的基本原理和发展应用进行综述，可为相关技术人员提供一定参考。

关键词：水文地质调查；水文地质技术方法；水文地质条件；地下水资源；地下水管理

0 引 言

水是人类赖以生存的、不可缺少的资源。地下水作为水资源重要的组成部分，其分布广泛、水质良好、动态稳定、便于应用，是理想的饮用水源和重要的工业、农业、生态水源。水文地质调查是查明地下水赋存条件、循环规律、功能价值的重要技术手段，早期主要以打井取水为目的，注重于实现较高的单井出水量。工业革命后，全球对水的需求显著增加，对地下水赋存条件及运动规律更深刻认识的需求开始出现。1856年，法国水利工程师达西（Henry Darcy）通过室内试验建立达西定律，为水文地质调查从定性分析进入定量研究奠定了基础^[1]。20世纪中叶，随着地球系统科学的快速发展和地下水流系统理论的不断完善，水文地质调查的理论方法和技术手段也进入了新的发展时期，数值解析、同位素分析等技术方法相继引入水文地质调查，促进了水文地质问题的定量求解和地下水定年及来源确定^[2]。近30多年来，伴随对地下水超采、地下水污染、地面沉降、海水入侵、地下水依赖型生态系统退化等问题的高度关注，航空测量、卫星监测、多源地球物理探测、水文地质场地试验、同位素示踪、数值模拟模型等多技术方法的联合应用，成为水文地质调查技术的新发展方向，不断提升水文地质调查解决水资源—水生态—水环境问题、支撑地下水管理的能力。

1 水文地质调查类型

水文地质调查是按照一定工作精度要求开展的水文地质工作的统称。在广泛收集调查区基础地质、气象水文等资料基础上，通过遥感、物探、钻探、监测、分析测试、试验、模拟计算等技术方法，有效获取水文地质基础信息，深化区域水文地质条件认识，为地下水资源评价及开发利用、国土空间规划与用途管制、生态环境保护修复等提供调查成果及有关数据信息。按照调查精度和工作目的，水文地质调查可分为区域水文地质调查和专门水文地质调查。区域水文地质调查是以行政区或自然单元为工作对象，是以查明基本水文地质条件并对地下水资源及其开发前景进行评价和区划等为主要目的，公益性、基础性、综合性的水文地质调查工作。专门水文地质调查主要是针对特定目的或专门对象进行的水文地质调查评价工作，如供水水文地质调查、环境水文地质调查、污染水文地质调查、生态水文地质调查、农业水文地质调查、矿山水文地质调查、岩溶水文地质调查、地热水文地质调查等^[3]。

2 水文地质调查技术方法

2.1 水文地质遥感技术

遥感技术作为先进的对地观测手段，广泛应用于地质调查、矿产勘查、地质灾害监测预警等工作。水文地质遥感是通过解译遥感影像与多源数据融合，识别地表水系分布规律、断裂构造发育特征，探测大气降水量及反演地表蒸散发等，为分析大气水、地表水、地下水转化关系和地下水补径排条件提供数据支撑。20世纪70年代，遥感技术开始应用于水文地质领域并呈现快速发展态势。历经50余年的发展，遥感技术在水文地质调查中发挥了重要作用，逐渐发展成为一门独立的学科^[4]。

水文地质遥感调查的内容主要包括大气降水、蒸散发、水域空间、水储量/含水量、水体质量等，一般采用多光谱、高光谱和激光雷达卫星数据获取相关参数。目前主要使用Landsat系列、SPOT系列、ASTER、ALOS/AVNIR、MODIS、GF-1、GF-2、GF-4、资源三号等光学遥感数据监测地表水水体面积动态变化。除光学遥感数据外，雷达卫星数据也应用于地表水域空间识别^[5]。

早期的遥感降水反演主要依赖于地球静止(geostationary earth orbit，GEO)卫星和近地轨道(low earth orbit，LEO)卫星进行被动遥感。1997年，美国和日本合作发射的热带降雨观测卫星(tropical rainfall measuring mission，TRMM)搭载了世界上第一台星载主动式的相位数组降水雷达（precipitation radar，PR），开启了全球降水监测的新纪元。近几十年来，为高效利用搭载不同传感器的卫星数据，基于经验和物理原理等的降水反演算法大量涌现^[6]。目前，TRMM、全球降雨观测计划（global satellite mapping of precipitation，GSMaP）和全球降水气候计划（global precipitation climatology project，GPCP）数据集，已广泛应用于全球和区域尺度的降水监测与研究。

传统的蒸散发研究是直接使用蒸渗仪、大孔径闪烁仪等测量仪器对蒸散量进行直接观测，受时空尺度限制，无法满足大尺度大范围长时间序列的区域蒸散量观测要求。而遥感获取的气象数据覆盖范围较广、时间序列较长，通过建立不同的蒸散发遥感反演估算的方法，可对蒸散量进行估算，并在国内外得到广泛应用，且预测精度较高。

固态地表水主要包括冰川和永久积雪，其空间分布的位置、边界和面积主要采用光学遥感卫星数据获取，技术较为成熟。主要采用高程测量卫星（ICESat）上搭载的地学激光测高卫星，而极地冰冻圈目前主要采用欧洲航天局发射的Cryosat-2测高卫星确定地球大陆冰盖和海洋冰盖厚度的变化。陆面水域空间动态变化主要通过卫星平台上搭载的激光测高仪、雷达高度计等设备进行测量^[7]，水体深度监测则是通过建立水深与光谱反射率的解析模型，利用辐射传输方程进行反演^[8]。

区域地下水储存量变化空间探测主要采用重力卫星数据，陆域水储量包括地下水、土壤水、地表水储量。重力卫星可以实现200 km分辨率的地下水储量动态监测，可作为传统地下水储存量评估的重要补充和验证手段。目前，全球主要的重力卫星包括德国发射的CHAMP卫星，欧洲航天局于发射的GOCE卫星，以及美国、德国合作发射的GRACE和GRACE Follow-On卫星^[9]。

水质遥感方面主要是通过卫星和航空遥感技术监测叶绿素-a、悬浮物、浊度、总磷、溶解性有机质、水温、透明度、重金属污染等水质参数。自Landsat系列卫星发射以来，采用卫星遥感分析评估水质参数的工作日益增加^[10-12]。水体中不同的沉积物浓度可以通过最大反射率来确定^[13]，水体表面的油膜污染可以通过水面反射的紫外线辐射进行监测^[14]，而叶绿素-a、悬浮物、溶解性有机质及其他水质参数等可以通过可见光不同的吸收和反射类型来确定^[15]。近年来，多源数据融合的水质监测方法正在探索中，通过获取更高的空间分辨率和波谱分辨率，能够更加准确地监测水体质量^[16]。

2.2 水文地质物探

水文地质物探是一项综合性的物探技术方法，利用地下岩层在物理性质上的差异，借助物探仪器，通过测量其物理特征的分布及变化规律来辅助解析调查区基础水文地质条件，具有成本低、速度快、用途广泛等特点，是当前水文地质调查中不可缺少的勘查手段^[17]。按照水文地质物探的观测空间，可划分为地面地球物理勘探、地下地球物理勘探以及航空地球物理勘探。

1）地面地球物理勘探

地面地球物理勘探主要包括电阻率法、自然电场法、充电法、时间域激发极化法（time-domain induced polarization，TDIP）、相位激发极化法（phase induced polarization，PIP）、频谱激发极化法（spectrum induced polarization，SIP）、音频大地电场法（audio telluric，AT）、音频大地电磁法（audio magnetotelluric，AMT）、可控源音频大地电磁测深法（controlled-source audio magnetotelluric，CSAMT）、瞬变电磁法（transient electromagnetic，TEM）、探地雷达法（ground penetrating radar，GPR）、地面核磁共振法（surface nuclear magnetic resonance，SNMR）、浅层地震勘探（shallow seismic exploration，SSE）、放射性找水法等。其中，电阻率法在查明不同类型含水层系统结构及断裂系统方面有广泛应用^[18]；自然电场法和充电法多用于地下水渗流及流动规律研究和岩溶管道位置及深度探测方面；以高密度电阻率法、探地雷达法和电磁感应法为代表的地球物理方法，凭借多尺度适用性和微扰动原位监测的优势被广泛用于土壤水文学研究；核磁共振测深技术是目前唯一直接找水的物探新技术，结合高分辨率浅层地震技术，可为地下水勘查提供构造、地层划分、地层富水性和岩性对比等资料^[19]；时间域激发极化法、相位激发极化法、频谱激发极化法用于断层富水性判别和岩溶管道充填物性质判别等具有较好的效果^[20-22]。

2）地下地球物理勘探

地下地球物理勘探主要包括电阻率法测井、感应测井、自然电位测井、声波测井、放射性测井等，用于划分钻孔地质剖面、判别岩性、识别含水层、确定含（隔）水层位置和厚度、判断含水层性质（咸水或淡水层；冷水或热水）、计算含水层的参数、确定各涌（漏）水部位的涌（漏）水量，估算单井涌水量、地下水的流速、流向等，为研究钻孔技术状况、开展区域性地层对比提供基础数据^[23]。

3）航空地球物理勘探

我国航空地球物理勘探工作始于1953年，经过50多年的发展，航磁测量从方法理论、仪器研制、系统集成、数据采集、数据处理、数据解释与应用等已形成具有我国特色的完整的技术体系^[24]。航空地球物理勘探主要包括航空瞬变电磁和航空放射性测量等，可用于不同比例尺的区域地质和水文地质特征研究，在浅层淡水调查、地下水储量评估、海水入侵及盐渍化调查、冻土层探测、陷落柱定位断裂带判别等方面有较好的探测能力。

2.3 水文地质钻探

水文地质钻探是利用专门机具在岩层钻进孔眼，直接获取目标点位及目标深度水文地质资料的技术方法，可有效查明含水层的岩性、层次、构造、厚度、埋深分布及水量、水质、水温等水文地质条件、特征和参数，解决和验证水文地质测绘、物探和遥感工作中难以直接观测含水层及包气带特征的问题，同时也是发现和利用地下水的重要技术手段^[25]。此外，在钻探过程中采集的岩芯样本，对确定含水层岩土体物理化学性质、分析地下水水文地球化学演化过程具有重要意义，并且钻探孔还可保留作为开采井或长期观测孔使用。目前，在国内应用较为先进的水文地质钻探技术主要包括钢丝绳冲击钻进、常规回转钻进、气动潜孔锤钻进、气举反循环钻进以及泵吸反循环钻进。

1）钢丝绳冲击钻进

钢丝绳冲击钻机是一种以动荷载方式破碎孔底岩石的钻进方法，主要用于在粒径较大的砂卵砾石层、漂砾及风化基岩中钻进，其中，冲击钻头底部形状有一字形、工字形、十字形和圆形，口径规格有305、350、400、450、508、550、610 mm等，需根据地层及井径选用。

2）常规回转钻进

常规回转钻进主要依靠回转器或孔底动力机具转动钻头破碎孔底岩石的钻进，常用的主要为刮刀钻头钻进和牙轮钻头钻进。刮刀钻头钻进一般用于可钻性1级～4级的松软岩层，经结构优化并镶焊高强度切削具的钻头可用于5级～7级的中硬岩层。牙轮钻头钻进是水文地质钻探最常用的钻进方法，适用于第四系松软地层、卵砾石地层及完整、破碎、致密等基岩地层，具有适用范围广、效率高等特点。根据岩石性质、钻孔口径等有多种牙轮钻头种类可供选择，中硬以下岩石选用铣齿牙轮钻头，中硬以上岩石选用镶齿牙轮钻头，坚硬岩石还可以选用与牙轮钻头类似的滚刀钻头钻进。

3）气动潜孔锤钻进

气动潜孔锤钻进是以压缩空气作为循环介质又同时作为驱动孔底冲击器动力的钻进方法，是一种高效率的优良钻进方法。一般情况下，气动潜孔锤钻进主要用于硬岩和坚硬岩层钻进。由于硬岩和坚硬岩层的脆性大，在冲击载荷作用下，除局部岩石直接粉碎外，在钻头齿刃接触部位岩石将产生破裂形成一个破碎区，钻进速度远高于常规回转钻进。气动潜孔锤针对容易孔斜的岩层，诸如片理层理发育、硬度不均匀以及多裂隙的岩层等，能有效防止或者减少孔斜，同时还能克服卵砾石层、漂砾层钻进困难等问题。

4）气举反循环钻进

气举反循环钻进是指将压缩空气沿双壁钻具输气管道送入井内一定深度经混合器注入管内与循环液体混合，由于混合液的密度小于冲洗液的密度，在井筒内与排渣管间产生压差，并在井筒液柱压力作用下使排浆管内混合的气液以较高的速度向上流动，从而将孔底的岩心或岩屑连续不断地排出地表。该钻进方法具有排岩屑能力强、不易堵塞、设备磨损小、钻进效率高、在松散地层钻进中不易发生孔壁坍塌事故等优点，但在黏土层不宜使用。

（5）泵吸反循环钻进

泵吸反循环钻进适用于孔径较大的第四系松散地层潜孔钻进，孔深在100 m之内效果较好。该技术通过利用砂石泵在钻杆内腔造成负压产生的抽吸作用，使钻杆内腔液体上升而形成循环的钻进方法，具有钻进效率高、钻进安全、成本低廉、成井后易于洗井等优点。

2.4 水文地质试验

水文地质试验是对地下水动力学条件进行定量分析的重要技术手段，主要包括抽水试验、压水试验、钻孔注水试验、渗水试验、地下水流速测定及连通试验和野外弥散试验等。该项工作是在现场对探测目标层位进行直接测试，其结果能够较为真实地反映地下水的径流特征^[26]。

1）抽水试验

抽水试验是以地下水井流理论为基础，通过在井孔中进行抽水和观测，可直观反映目标含水层的富水性，有关试验数据可用于计算含水层水文地质参数、推断和计算井（孔）最大涌水量和单位涌水量，为评价地下水资源、预测矿坑涌水量、确定矿坑疏干排水方案等提供技术依据，该项试验可用于各类水文地质条件及不同工作阶段。抽水试验有多种分类方法，目前较为普遍的是按照抽水孔与观测孔数量进行划分（见表1）。

表1 抽水试验类型划分

Tab.1 Classification of Pumping Test

分层抽水试验是目前抽水试验中较为高效的技术方法，主要依托新型地下水分层抽水系统实现，该器具的基本原理是通过封隔器将抽水目标层段两端隔离，直接对目标层段进行抽水，并利用设置在抽水目标层位的自动监测仪器实时监测记录水位、水温动态变化，从而获取抽水层段水文地质参数，同时可在抽水试验过程中完成分层采集水样。新型地下水分层抽水系统可实现1 000 m以内的松散层和基岩井孔的分层抽水试验与采样，井内封隔可靠，能够便捷获取高精度水文地质参数，实现分层构建含水岩组模型，对于准确评价地下水资源、合理开发和利用地下水具有重要意义。

2）压水试验

压水试验主要用于基岩裂隙含水系统的渗透性测定，属于钻孔内进行的一种裂隙含水岩组原位渗透试验。该试验通过利用水柱自身压力或采用机械（泵）压力，将水压入到钻孔内含水岩组裂隙系统中，在一定条件下测定单位时间内水的压入量来判断岩体裂隙连通程度及渗透能力。

3）钻孔注水试验

钻孔注水试验是野外测定岩土层渗透性的一种较为简单的技术方法，其基本原理与抽水试验相同，通过钻孔向试段注水，保持固定水头高度测定目标岩土层的注水量或者测定水头高度与试验时间的变化关系，以确定岩土层的渗透系数。可分为钻孔常水头注水试验和钻孔降水头注水试验。

4）地下水流速测定、连通试验

地下水流速测定与其流向测定是密切相关的，在测定地下水实际流速前，应先利用示踪剂确定或测定地下水流向。地下水实际流速是判断水流为层流或紊流、研究化学物质弥散特征、确定含水层有关参数的重要依据，可直接用于地下水断面流量计算，主要通过示踪剂试验法和物探方法进行测定。

连通试验主要应用在地下水水平运动为主的裂隙、岩溶含水层中，用以确定各含水层的水力联系、分析矿井充水水源等，技术方法主要包括示踪法和水位传递法。其中，水位传递法是通过在一些水点上突然改变水位（流量），观测另一些水点上的水位（流量）响应，确定水点间的水力联系。

5）地下水弥散试验

地下水弥散试验是分析溶质在地下水运移机理的重要方法，是进行水资源水质管理的必要技术手段，用于确定溶质弥散系数、预测地下水污染扩展过程。按试验时的渗流动态，可分为天然渗流场试验和人工渗流场试验。其基本原理是在钻孔中投放示踪剂，通过合理布置观测井，监测示踪剂在地下水主径流方向及周边的浓度变化，该试验的关键是要保证示踪剂无毒、价廉、易识别，可随地下水运移，不改变流场的性质，且对吸附现象反应最小^[27]。

2.5 同位素技术

20世纪50年代后，水文地质调查开始关注水化学观测和研究，同位素地球化学和核物理理论的引入，推动水文地质工作者对水文循环过程的理解从水分子深化进入原子核层面，开辟了环境同位素分析技术应用于水文地质研究的学科方向。自1963年起，国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，AEA）以4年为周期在全球组织召开一次以同位素水文学为主题的学术研讨会，极大地推进了同位素水文学的研究与发展。中国于1984年加入IAEA，1985年首次参加该项学术活动，同位素水文分析技术也开始在我国水文地质调查中不断应用推广^[28-30]。

环境同位素具有明确的标识特征，通过测定及对比分析水中各类环境同位素构成，同时结合水文地质条件和水文气象资料，可定量反演大气水补给形式、地表水与地下水补排关系、地下水径流过程，对分析“三水”转化规律、解析地下水循环机制、确定地下水污染来源、验证地下水数值模型等具有重要意义^[31-32]。水文地质调查中，同位素技术主要应用于3个方面，包括：利用放射性同位素的天然半衰期，测定地下水年龄，判断地下水循环能力；根据稳定同位素的天然分馏现象，作为推断、识别水文系统或反演水文过程的重要依据^[33-34]；运用同位素的可迁移特性，示踪地下水及包气带水运动过程，反演水文地质参数、揭示污染物迁移过程等^[35]。

1）放射性同位素测定地下水年龄

查明地下水年龄及其分布是水文地质调查的重要任务，也是分析地下水更新能力的重要内容。地下水按年龄可分为现代水（modern water）和古地下水（old groundwater）两大类，对应于相应年龄的地下水，依靠不同放射性同位素的半衰期确定所选用的环境同位素。222Rn、4He、85Kr、3H等同位素常用于现代水测年，最佳测年周期在60 a之内；32Si、39Ar等同位素适用于30~1 000 a的地下水年龄测定；14C、81Kr、234U/238U、36Cl等同位素用于古地下水测年，最佳测年时段在1~2 000 ka之间^[36]。一般来说，地下水年龄在60 a以内，表示可以接受地表水或大气降水的有效补给，地下水循环积极且可更新能力较强；地下水年龄在百年尺度，表示地下水与地表水、大气降水具有一定的水力联系，在增加地下水开采强度等条件下，可激发地下水系统的补给作用，具有一定的更新恢复能力；地下水年龄在8 000~10 000 a以上，说明地表水和现代大气降水非该地下水系统的直接补给来源，属于难以更新的地下水储存量，仅可作为战略储备资源。通过测定地下水年龄，可有效评估地下水更新速率和恢复能力，为科学合理开发利用地下水资源提供依据^[37]。

2）稳定同位素解析水循环过程

大气降水中的氢氧稳定同位素天然分馏作用，贯穿于水汽在海洋—大气界面的蒸发、水汽传输中的大气环流和局地降水全过程，使得同位素可作为水汽来源及运动路径的天然示踪剂，是分析水循环的重要理论基础，其具有全球特征、也存在区域的演化分异特性。因此，对水中氢氧稳定同位素关系的解析与验证，可以反演识别大气水—地表水—地下水循环过程。1958年，IAEA与世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）共同组建了全球大气降水同位素监测网络(Global Network of Isotopes in Precipitation，GNIP)，在全球范围内对降水中稳定同位素成分进行连续监测，积累了50余年的全球降水同位素数据。通过拟合分析GNIP提供的氢氧同位素数据，建立起全球大气降水线(global meteoric water line，GMWL)和区域大气降水线(local meteoric water line，LMWL)，为分析降水规律、水汽来源以及水循环机制提供基础数据和标准参考依据。我国自1988年1月，加入到GNIP监测体系中，并于2004年以中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）为基础，建立起中国大气降水同位素网络（Chinese Network of Isotopes in Precipitation，CHNIP），为我国水循环研究提供大气降水的背景值数据^[38]。

3）同位素示踪地下水运移规律

单井同位素示踪测井技术是近年来发展较快、应用较广的新型水文地质测井方法，能够准确、高效测定地下水流向、流速以及垂向流速等水文地质参数，有助于定量分析确定地下水的补径排关系。采用同位素示踪测井时，合适的同位素有助于提高示踪结果的准确性，半衰期较短的113mIn、131I、131Ba、65Zn、110mAg是目前较为常用的测井示踪同位素^[39]。

地下水运移规律同位素示踪技术方法始于20世纪60年代^[40-41]，主要方法包括人工示踪与天然示踪两种类型。人工示踪方法是通过加入人工同位素，测定各时刻地下水流动系统中放射性同位素的浓度分布特征来解析地下水流动过程。天然示踪方法是选择天然同位素作为示踪剂，如利用20世纪60—70年代的全球核试验所产生的高氚值大气降水作为示踪元素，通过测定地表水及不同层位地下水样品中氚的含量，确定含水层的渗透能力和地下水的运移速率^[42]。

目前，同位素技术已形成了相对完善的理论体系，在水文地质调查中广泛采用，在流域水平衡分析、地下水污染源监测、人类活动对地下水动态影响识别等方面具有广阔的应用前景，有助于从宏观和微观上厘清水循环过程，为区域水资源合理利用和水环境保护管理提供科学依据和技术支撑。

2.6 水流数值模型模拟技术

以大量观测数据为基础构建的各水文要素之间的经验关系或基于各水文过程相互作用的物理机制构建的水流数值模拟模型，以其经济方便的优点得到广泛应用，逐步发展成为了流域水资源管理的重要工具。数值模拟模型主要包括水量平衡模型和基于动力学机制与物理基础的水流数值模型。水量平衡模型以质量守恒为基础，计算过程和模型结构简单、需要的参数少、模型稳定性好，不存在计算和数值问题，广泛应用于大尺度水文循环过程模拟。然而，水量平衡模型在刻画水流运动时对水流剖面进行了过度简化，因而难以真实反映和精细刻画复杂水转化断面的水流运动过程。

基于动力学机制并有着良好物理基础的水流数值模型的开发，有效地帮助研究者刻画各水文过程，例如基于Richards’ 方程开发的SWAP和HYDRUS模型可以很好地刻画土壤水在不饱和带的运动^[43-44]；以圣维南方程组为基础的河道推演模型可以很好地描述洪水在天然河道中的演进过程，河道渗漏项的引入，进一步拓宽了圣维南方程组的适用区域^[45]；以大量田间试验为基础获得的阿维里扬诺夫公式是地下水潜水蒸发代表性计算公式，GIS的引入将其由点尺度扩展到区域尺度^[46-47]；基于三维地下水运动方程和连续性方程开发的MODFLOW模型和FEFLOW模型已广泛应用于各特征条件下的地下水流模拟^[47-48]。

近年来，由于地下水在农业、社会经济和生态系统中的重要作用和其与大气水、土壤水、地表水的频繁交换、转化，涌现出了越来越多的以地下水流动为核心水文过程的耦合模型。例如ParFlow、SWAT-MODFLOW、GSFLOW和MIKE-SHE用于实现大尺度地表水文过程和地下水流动的耦合模拟^[49-51]，SWAP-MODFLOW和HYDRUS-MODFLOW用于改善农业活动密集区不饱和带水文过程的模拟^[52-55]。多过程、多模型的耦合使模型对水文过程的刻画变得更加细致，极大地提高了模型的可靠度和模型模拟结果的准确性。数据驱动模型的引入进一步提高了模型的模拟精度，已经成为近年来研究的热点议题^[56-58]。

2.7 水文地质信息化

随着信息与网络技术高速发展，水文地质信息化进入到全新阶段，系列化的数字信息技术已成为野外数据获取、地下水动态识别、地下水流场分析与预测、地下水资源在线化评价的重要手段。新的水文地质信息化呈现出物联网与互联网紧密连接、桌面应用发展到移动应用、平面浏览发展到时空三维可视化、静态浏览发展到动态可算等特点。

1）调查监测数据采集信息化

近年来，实时采集—实时传输成为全国地下水动态监测的主要手段，物联网等技术发展促进了这一监测模式形成。水文地质野外调查移动终端（APP）成为1:50 000图幅为主的调查过程中不可或缺的手段，与20世纪1:200 000图幅调查及区域调查工作过程相比^[59]，能极大提高调查任务调度、路线规划、调查点精确定位、数据实时采集共享及原始数据管理的效率。

2）水文地质数字时空三维可视化

水文地质三维建模和数据可视化展示越来越受到重视^[60]。通过将水文地质调查数据及有关成果与数字空间建设相结合，形成网络三维可视化信息系统，成为政府与有关职能部门实施“三区三线”划定、城市群及水源地建设等决策部署的参考依据。基于可变尺度的逐级流域水文地质结构、水资源数量、质量、动态及环境变化的可视化建模，将有效支撑国土空间规划与用途管制实施和生态环境保护修复的开展。

3）评价计算与智慧服务在线化

地下水资源数量评价、质量评价、地下水流动态模拟、地下水污染物运移监测等正逐步从电子表格等桌面应用转移到数字云端，实现图属联动、三维展示及云端计算。目前，由中国地质调查局建立的“全国地下水资源在线评价系统”，通过微服务技术、数据湖技术、云计算技术、区块链技术等，实现了全国—流域—省级地下水资源的在线协同评价计算^[61]。

3 水文地质调查技术方法综合

应用示范

江西省兴国县西霞村位于兴国盆地西缘丘陵山区，全村19个村民小组中有3个小组超过1 200人在旱季时面临饮水困难。2010年，原国土资源部组织中国地质调查局有关技术力量，在此开展抗旱打井找水工作。通过开展基础水文地质测绘，综合运用遥感、地球物理勘探、水文地质钻探等多项技术成功打井，有效解决当地居民的饮水困难问题。本文以该地区地下水勘查为例，介绍水文地质调查技术方法在实践中的运用。

1）水文地质测绘初定找水方向

通过基础水文地质测绘发现，西霞村位于区域旋卷构造内圈层的近南北向的挤压带，地层力学性质不稳定，构造关系复杂。山区基岩为加里东期斑状花岗岩，表层全风化程度较高，易于大气降水入渗，且构造断裂、裂隙发育，易于形成张性或张扭性断裂组成的裂隙导水系统。裂隙水向下游径流过程中，受弱透水的白垩系红层阻滞，可形成阻水型蓄水构造。因此，探查连通性、导水性较好的花岗岩风化壳裂隙发育带是寻找地下水的关键。

2）遥感、物探技术联合应用圈定找水靶区

在水文地质测绘基础上，采用遥感和地球物理勘探方法，进一步确认区域水文地质结构以及白垩系红层与花岗岩的交接关系，以查明花岗岩裂隙含水系统的连通条件和贮水构造分布特征。勘查结果显示，白垩系红层与花岗岩的交接关系为断裂与超覆共存，位于盆地东缘红层超覆之下的花岗岩是构造裂隙水与花岗岩古风化壳裂隙水共生汇聚处，为极富供水潜力的找水靶区。

3）钻探、抽水试验保障供水稳定

在圈定找水靶区选择合适井位，应用气动潜孔锤正循环快速钻探技术，成井深度155.5 m，采用三落程定流量抽水试验测定稳定单井涌水量432 m³/d，可满足西霞村正常生活供水。水化学测试分析显示水中锂离子含量达1.58 mg/L，为天然优质的锂矿泉水，证实了靶区井位属于典型的山盆边缘蓄水构造类型。

4 结束语

水文地质调查技术历经半个多世纪的系统发展，从传统的水文地质地面勘查（察），到数值解析计算、同位素示踪、航空测量、卫星监测及地理信息系统等技术方法的相继引入，已经形成了较为完善的技术方法体系，并积累了丰富的实践应用经验，对地下水系统的客观认识和对地下水资源科学利用能力显著增强。伴随水资源一体化调查、自动化地下水动态监测网络建设、水资源大数据融合以及大气水—地表水—土壤水—地下水耦合智能模拟等各项新技术方法不断应用，进一步提升对岩石圈、水圈、大气圈、生物圈和人类活动相互作用的认识，水文地质调查技术将从提供基础调查监测数据和技术成果，向提供面向不同门类需求的智慧服务产品转变，为实现水资源精细化、集约化管理和利用，支撑水资源确权登记和权益管理，服务国土空间规划、用途管制和生态环境保护修复贡献新的力量。

参考文献

[1] 张人权，梁杏，靳孟贵.水文地质学基础[M].7版.北京：地质出版社，2018. (ZHANG Renquan，LIANG Xing，JIN Menggui.Fundamentals of hydrogeology[M].7th Ed. Beijing：Geological Publishing House，2018.)

[2] 陈梦熊.现代水文地质学的演变与发展[J].水文地质工程地质，1993，20(3)：1-2. (CHEN Mengxiong.Evolution and development of modern hydrogeology[J].Hydrogeology and Engineering Geology，1993，20(3)：1-2.)

[3] 国家技术监督局.水文地质术语：GB/T 14157—1993[S].北京：中国标准出版社，1993. (State Bureau of Quality and Technical Supervision of the People's Republic of China.Hydrogeologic terminology：GB/T 14157—1993[S].Beijing：Standards Press of China，1993.)

[4] 巨天乙.遥感水文地质回顾与展望[J].水文地质工程地质，1998，25(3)：26-29. (JU Tianyi.Review and development of remote sensing hydrogeology[J].Hydrogeology and Engineering Geology，1998，25(3)：26-29.)

[5] 黄萍，许小华，李德龙.基于Sentinel-1卫星数据快速提取鄱阳湖水体面积[J].水资源研究，2018(5)：483-491. (HUANG Ping，XU Xiaohua，LI Delong.Rapid extraction of water area in Poyang Lake based on sentinel-1 satellite images[J].Journal of Water Resources Research，2018,7(5)：483-491.)

[6] 刘元波，傅巧妮，宋平，等.卫星遥感反演降水研究综述[J].地球科学进展，2011，26(11)：1162-1172. (LIU Yuanbo，FU Qiaoni，SONG Ping，et al.Satellite retrieval of precipitation：an overview[J].Advances in Earth Science，2011，26(11)：1162-1172.)

[7] 李国元，唐新明.资源三号02星激光测高精度分析与验证[J].测绘学报，2017，46(12)：1939-1949. (LI Guoyuan，TANG Xinming.Analysis and validation of ZY-3 02 satellite laser altimetry data[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2017，46(12)：1939-1949.)

[8] 金建文，李国元，孙伟，等.卫星遥感水资源调查监测应用现状及展望[J].测绘通报，2020(5)：7-10. (JIN Jianwen，LI Guoyuan，SUN Wei，et al.Application status and prospect on water resources investigation and monitoring by satellite remote sensing[J].Bulletin of Surveying and Mapping，2020(5)：7-10.)

[9] 岩腊，龙笛，白亮亮，等.基于多源信息的水资源立体监测研究综述[J].遥感学报，2020，24(7)：787-803. (YAN La，LONG Di，BAI Liangliang，et al.A review on water resources stereoscopic monitoring systems based on multisource data[J].Journal of Remote Sensing，2020，24(7)：787-803.)

[10] ALPARSLAN E，AYD?NER C，TUFEKCI V，et al.Water quality assessment at ?merli Dam using remote sensing techniques[J].Environmental Monitoring and Assessment，2007，135(1/2/3)：391-398.

[11] BHAVSAR P D.Review of remote sensing applications in hydrology and water resources management in India[J].Advances in Space Research，1984，4(11)：193-200.

[12] DEKKER A G，PETERS S W M.The use of the Thematic Mapper for the analysis of eutrophic lakes：a case study in the Netherlands[J].International Journal of Remote Sensing，1993，14(5)：799-821.

[13] RITCHIE J，SCHIEBE F R，MCHENRY J.Remote sensing of suspended sediments in surface waters[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1976, 42(12):1539-1545.

[14] SEYHAN E，DEKKER A.Application of remote sensing techniques for water quality monitoring[J].Hydrobiological Bulletin，1986，20(1/2)：41-50.

[15] B?TTNER G，KOR?NDI M，GY?M?REI A，et al.Satellite remote sensing of inland waters：lake Balaton and reservoir Kisk?re[J].Acta Astronautica，1987，15(6/7)：305-311.

[16] GHOLIZADEH M H，MELESSE A M，REDDI L.A comprehensive review on water quality parameters estimation using remote sensing techniques[J].Sensors (Basel，Switzerland)，2016，16(8)：1298.

[17] 西安地质学院.水文地质物探方法[M].北京：地质出版社，1981. (College of Xi’an Geology. Hydrogeology geophysical prospecting method[M].Beijing：Geology Press，1981.)

[18] ANOMOHANRAN O，OFOMOLA M O，OKOCHA F O.Investigation of groundwater in parts of Ndokwa District in Nigeria using geophysical logging and electrical resistivity methods：implications for groundwater exploration[J].Journal of African Earth Sciences，2017，129(5)：108-116.

[19] 孟宪玮，朱庆俊，彭成，等.综合物探在罗布泊地下水勘查中的应用[J].工程地球物理学报，2004，1(4)：344-348. (MENG Xianwei，ZHU Qingjun，PENG Cheng，et al.Application of comprehensive geophysical prospecting techniques for groundwater prospecting[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics，2004，1(4)：344-348.)

[20] 中华人民共和国国土资源部.时间域激发极化法技术规程：DZ/T 0070—2016[S].北京：中国标准出版社，2016. (Ministry of Land and Resources of the People's Republic of China.Technical specifications for time domain induced polarization method：DZ/T 0070—2016[S].Beijing：Standards Press of China，2016.)

[21] 中华人民共和国国土资源部.相位激发极化法技术规程：DZ/T 0281—2015[S].北京：中国标准出版社，2015. (Ministry of Land and Resources of the People's Republic of China.Technical regulation for phase induced polarization method：DZ/T 0281—2015[S].Beijing：Standards Press of China，2015.)

[22] KOCH K，KEMNA A，IRVING J，et al.Impact of changes in grain size and pore space on the hydraulic conductivity and spectral induced polarization response of sand[J].Hydrology and Earth System Sciences，2011，15(6)：1785-1794.

[23] 骆淼，潘和平，黄东山.地球物理测井在水文地质勘察中的应用综述[J].工程地球物理学报，2004，1(2)：136-145. (LUO Miao，PAN Heping，HUANG Dongshan.Overview of the application of geophysical well logging in hydrogeologic survey[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics，2004，1(2)：136-145.)

[24] 熊盛青.我国航空重磁勘探技术现状与发展趋势[J].地球物理学进展，2009，24(1)：113-117. (XIONG Shengqing.The present situation and development of airborne gravity and magnetic survey techniques in China[J].Progress in Geophysics，2009，24(1)：113-117.)

[25] 中华人民共和国国土资源部.水文水井地质钻探规程：DZ/T 0148—2014[S].北京：中国标准出版社，2014. (Ministry of Land and Resources of the People's Republic of China.The specification for hydrogeological well drilling：DZ/T 0148—2014[S].Beijing：Standards Press of China，2014.)

[26] 中国地质调查局.水文地质手册[M].2版.北京：地质出版社，2012. (China Geological Survey.Hydrogeological manual[M].2nd Ed. Beijing：Geology Press，2012.)

[27] 吴耀国，田春声，李俊亭.对弥散试验的几点新认识[J].西安工程学院学报，1995，17(4)：37-40. (WU Yaoguo，TIAN Chunsheng，LI Junting.Some new views on dispersion test[J].Journal of Xi'an Engineering University，1995，17(4)：37-40.)

[28] AGGARWAL P K, GAT J R, FROEHLICH K . A Review of isotope applications in catchment hydrology[EB/OL].(2005-01-10) [2022-08-20]. https://www.researchgate.net/profile/Jeffrey-Mcdonnell-3/publication/227185206_A_Review_of_Isotope_Applications_in_Catchment_Hydrology/links/0f317532c4171d0840000000/A-Review-of-Isotope-Applications-in-Catchment-Hydrology.pdf.

[29] 吴锦奎，杨淇越，叶柏生，等.同位素技术在流域水文研究中的重要进展[J].冰川冻土，2008，30(6)：1024-1032. (WU Jinkui，YANG Qiyue，YE Baisheng，et al.Important progresses on the use of isotope techniques in catchment hydrology[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2008，30(6)：1024-1032.)

[30] 顾慰祖,庞忠和, 王全九, 等.同位素水文学[M].北京：科学出版社，2011. (GU Weizu, PANG Zhonghe, WANG Quanjiu, et al.Isotope hydrology[M].Beijing：Science Press，2011.)

[31] 李文鹏，郝爱兵.中国西北内陆干旱盆地地下水形成演化模式及其意义[J].水文地质工程地质，1999，26(4)：28-32. (LI Wenpeng，HAO Aibing.The formation and evolution model of groundwater and its significance in inland arid basin，northwest China[J].Hydrogeology and Engineering Geology，1999，26(4)：28-32.)

[32] 汪集旸，陈建生，陆宝宏，等.同位素水文学的若干回顾与展望[J].河海大学学报(自然科学版)，2015，43(5)：406-413. (WANG Jiyang，CHEN Jiansheng，LU Baohong，et al.Review and prospect of isotope hydrology[J].Journal of Hohai University (Natural Sciences)，2015，43(5)：406-413.)

[33] 郝爱兵，李文鹏，梁志强.利用TDS和δ18O确定溶滤和蒸发作用对内陆干旱区地下水咸化贡献的一种方法[J].水文地质工程地质，2000，27(1)：4-6. (HAO Aibing，LI Wenpeng，LIANG Zhiqiang.A method to determine contribution of Lixiviation and evaporation to groundwater salinization in arid river basins using TDS and δ~(18)O[J].Hydrogeology and Engineering Geology，2000，27(1)：4-6.)

[34] ZHAO W，LIN Y Z，ZHOU P P，et al.Characteristics of groundwater in Northeast Qinghai-Tibet Plateau and its response to climate change and human activities：a case study of Delingha，Qaidam Basin[J].China Geology，2021，4(3)：377-388.

[35] 段磊，王文科.水同位素技术示踪地下水活动[J].地下水，2006，28(2)：33-36. (DUAN Lei，WANG Wenke.Water isotope technology for tracing groundwater movement[J].Ground Water，2006，28(2)：33-36.)

[36] 孙继朝，贾秀梅.地下水年代学研究[J].地球学报(中国地质科学院院报)，1998(4)：383-386. (SUN Jichao，JIA Xiumei.Chronologic study of groundwater[J].Acta Geoscientia Sinica-Bulletin of the Chinese Academy of Geological Sciences，1998(4)：383-386.)

[37] 李文鹏，郝爱兵，郑跃军，等.塔里木盆地区域地下水环境同位素特征及其意义[J].地学前缘，2006，13(1)：191-198. (LI Wenpeng，HAO Aibing，ZHENG Yuejun，et al.Regional environmental isotopic features of groundwater and their hydrogeological explanation in the Tarim Basin[J].Earth Science Frontiers，2006，13(1)：191-198.)

[38] 宋献方，柳鉴容，孙晓敏，等.基于CERN的中国大气降水同位素观测网络[J].地球科学进展，2007，22(7)：738-747. (SONG Xianfang，LIU Jianrong，SUN Xiaomin，et al.Establishment of Chinese network of isotopes in precipitation (CHNIP) based on CERN[J].Advances in Earth Science，2007，22(7)：738-747.)

[39] 叶合欣，陈建生.放射性同位素示踪稀释法测定涌水含水层渗透系数[J].核技术，2007，30(9)：739-744. (YE Hexin，CHEN Jiansheng.Measurement of permeability coefficient in gushing aquifer by radioisotope tracer dilution[J].Nuclear Techniques，2007，30(9)：739-744.)

[40] ZIMMERMANN U，M?NNICH K O，ROETHER W，et al.Tracers determine movement of soil moisture and evapotranspiration[J].Science，1966，152(3720)：346-347.

[41] BLUME H P，MUENNICH K O, ZIMMERMANN U.Tritium tagging of soil moisture：the water balance of forest soils[EB/OL]. (1968-10-31) [2022-08-20]. http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/44/075/44075457.pdf.

[42] 张之淦 ，刘芳珍 ，张洪平 ，等.应用环境氚研究黄土包气带水分运移及入渗补给量[J].水文地质工程地质，1990，17(3)：5-7. (ZHANG Zhigan，LIU Fangzhen，ZHANG Hongping，et al.Study of soil water movement and recharge rate of rainfall infiltration in aeration zone of loess by measuring natural tritium[J].Hydrogeology and Engineering Geology，1990，17(3)：5-7.)

[43] KUMAR P，SARANGI A，SINGH D K，et al.Simulation of salt dynamics in the root zone and yield of wheat crop under irrigated saline regimes using SWAP model[J].Agricultural Water Management，2015，148(1)：72-83.

[44] SIMUNEK J, GENUCHTEN M T V, SEJNA M. Recent developments and applications of the HYDRUS computer software packages[J]. Vadose Zone Journal, 2016, 15(7): 33.

[45] 武桂芝，杨帆，黄明翔.耦合渗漏项的季节性河道洪水演进模型研究[J].南水北调与水利科技，2018，16(3)：33-37. (WU Guizhi，YANG Fan，HUANG Mingxiang.Study on seasonal channel flood routing model coupled with leakage term[J].South-to-North Water Transfers and Water Science ＆ Technology，2018，16(3)：33-37.)

[46] 罗玉峰，毛怡雷，彭世彰，等.作物生长条件下的阿维里扬诺夫潜水蒸发公式改进[J].农业工程学报，2013，29(4)：102-109. (LUO Yufeng，MAO Yilei，PENG Shizhang，et al.Modified Aver'yanov's phreatic evaporation equations under crop growing[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29(4)：102-109.)

[47] 罗玉峰，郑强，彭世彰，等.基于GIS的区域潜水蒸发计算[J].水利学报，2014，45(1)：79-86. (LUO Yufeng，ZHENG Qiang，PENG Shizhang，et al.Calculating regional groundwater evapotranspiration based on GIS[J].Journal of Hydraulic Engineering，2014，45(1)：79-86.)

[48] HARBOUGH A W. MODFLOW-2005: the U.S. Geological Survey modular ground-water model: the groundwater flow process[EB/OL]. (2005) [2022-08-20]. https://doi.org/10.3133/tm6A16.

[49] LI J，MAO X M，LI M.Modeling hydrological processes in oasis of Heihe River Basin by landscape unit-based conceptual models integrated with FEFLOW and GIS[J].Agricultural Water Management，2017，179(1)：338-351.

[50] MANGHI F，WILLIAMS D，SAFELY J，et al.Groundwater flow modeling of the Arlington Basin to evaluate management strategies for expansion of the Arlington desalter water production[J].Water Resources Management，2012，26(1)：21-41.

[51] ROSSI P M，ALA-AHO P，DOHERTY J，et al.Impact of peatland drainage and restoration on esker groundwater resources：modeling future scenarios for management[J].Hydrogeology Journal，2014，22(5)：1131-1145.

[52] ZHANG Z，HU H，TIAN F，et al.Groundwater dynamics under water-saving irrigation and implications for sustainable water management in an oasis：Tarim River Basin of Western China[J].Hydrology and Earth System Sciences，2014，18(10)：3951-3967.

[53] XIONG L Y，XU X，ENGEL B，et al.Modeling agro-hydrological processes and analyzing water use in a super-large irrigation district (Hetao) of arid upper Yellow River Basin[J].Journal of Hydrology，2021，603(Pt.B)：127014.

[54] 高志鹏，郭华明，屈吉鸿.卫河流域河流-地下水流系统氮素运移的数值模拟[J].地学前缘，2018，25(3)：273-284. (GAO Zhipeng，GUO Huaming，QU Jihong.Numerical simulation of nitrogen transport in river-groundwater system in the Weihe River Basin[J].Earth Science Frontiers，2018，25(3)：273-284.)

[55] XU X，HUANG G H，ZHAN H B，et al.Integration of SWAP and MODFLOW-2000 for modeling groundwater dynamics in shallow water table areas[J].Journal of Hydrology，2012，412-413(1)：170-181.

[56] SUN J C，HU L T，LI D D，et al.Data-driven models for accurate groundwater level prediction and their practical significance in groundwater management[J].Journal of Hydrology，2022，608(5)：127630.

[57] ELBELTAGI A，PANDE C B，KOUADRI S，et al.Applications of various data-driven models for the prediction of groundwater quality index in the Akot Basin，Maharashtra，India[J].Environmental Science and Pollution Research International，2022，29(12)：17591-17605.

[58] RAHMATI O，POURGHASEMI H R，MELESSE A M.Application of GIS-based data driven random forest and maximum entropy models for groundwater potential mapping：a case study at Mehran Region，Iran[J].CATENA，2016，137(2)：360-372.

[59] 母海东，陈辉，张志飞，等.全国1：200000区域水文地质图空间数据库[J].中国地质，2021，48(S2)：124-138. (MU Haidong，CHEN Hui，ZHANG Zhifei，et al.Regional hydrogeological spatial data bank in China at 1:200000 scale[J].Geology in China，2021，48(S2)：124-138.)

[60] 吴冲龙，何珍文，翁正平，等.地质数据三维可视化的属性、分类和关键技术[J].地质通报，2011，30(5)：642-649. (WU Chonglong，HE Zhenwen，WENG Zhengping，et al.Property，classification and key technologies of three-dimensional geological data visualization[J].Geological Bulletin of China，2011，30(5)：642-649.)

[61] 李文鹏.“水文地质与水资源调查计划”进展[J].水文地质工程地质，2022，49(2)：1-6. (LI Wenpeng.Achievements of investigation program on hydrogeology and water resources of CGS[J].Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2022，49(2)：1-6.)

作者简介：郝爱兵（1965—），男，河北河间人，教授级高级工程师，博士，主要研究方向为水文地质工程地质、地质环境与自然资源综合。

E-mail：haoab@cigem.cn

基金项目：中国地质调查局地质调查项目（DD202217499）

通信作者：赵伟 博士

E-mail: zwcugb2006@163.com

（最终版以出刊内容为准）