生态水文地质

㈠ 主要调查内容

CO₂地质储存综合地质调查主要调查内容包括基础地质、水文地质、工程地质、生态环境与地质矿产调查五个方面，继承性与综合性较强，详述如下。

（一）野外踏勘

野外踏勘的目的是从整体上对目标区碳源概况、社会经济概况、地质概况进行了解，并对已收集的有关资料进行必要的验证。

野外踏勘在已有资料和遥感地质解译基础上，以专题踏勘和初步拟定的多个CO₂灌注场地踏勘为主，观察标准剖面、构造形迹及关键性地段，特别是对CO₂地质储存管道铺设、灌注设计有典型意义的地质现象进行观察研究。详细了解调查区有关人文、地理、气候、交通等野外工作条件，为野外工作开展提供必要的地形、道路、物资供应、营地设置、安全保障等背景资料。另外，调查区内土地利用、人口密度和城乡发展规划等社会经济因素资料。

参照《危险废物填埋污染控制标准》（GB18598—2001）选址规定，CO₂地质储存选址应符合国家及地方城乡建设总体规划要求；不应选在城市工农业发展规划区、农业保护区、自然保护区、风景名胜区，文物（考古）保护区、生活饮用水源保护区、供水远景规划区、矿产资源储备区和其他需要特别保护的区域内。选址时还应考虑当地有无国家重点保护植物和植被覆盖率大小，不能额外地清除植被，影响植物固碳。此外，《中华人民共和国城市规划法》（1989年12月26日中华人民共和国主席令，第23号）、《建设项目选址规划管理办法》（建设部、国家计委，1991年8月23日）、《建设项目用地预审管理办法》（中华人民共和国国土资源部令，第42号）对规定建设项目选址均有明确的要求。因此，野外踏勘必须从宏观上掌握调查区的基本情况，既能为下一步工作奠定基础，又能淘汰上述不适合地区，遵循低碳原则。

（二）基础地质调查

基础地质调查以复核、校验、修正前人成果为原则，调查路线以追索构造形迹和穿越地层界线为主，注重对已有岩心、样品等实物资料的搜集和分析，必要时采用地球物理技术开展深部地层特征的调查。遵循由表及里，由浅人深，由疏到密，由已知到未知的原则部署各项工作，研究深度应达到有CO₂储层或圈闭构造的底部，一般要求控制深度为800～3500m。在出露较好的地层开展实测工作时，做好各类岩石的取样、送样工作。原则上对地层逐层取样，尤其对CO₂地质储存主力储、盖层进行重点取样，样品数量和质量必须满足各项实验测试工作的要求。

基础地质调查过程中，宜利用3S技术等先进技术方法开展“地形地貌－地层岩性－地质构造”统一调查的方法，同时能够初步达到查明“圈闭－储盖层”调查目的。

1.地形地貌

调查地面高程及地貌单元间的接触关系，研究地形地貌对CO₂地质储存运移、泄漏的控制与影响。测绘中要以各种成因的微地貌调查为主，包括分水岭、山脊、山峰、斜坡悬崖、沟谷、河谷、河漫滩、阶地、剥蚀面、冲沟、洪积扇、各种岩溶现象等，调查其形态特征、规模、组成物质和分布规律。同时又要调查各种微地形的组合特征，注意不同地貌单元（如山区、丘陵、平原等）的空间分布、过渡关系及其形成的相对时代。

地形地貌的调查要充分利用遥感地质解译成果，开展必要的地质调查验证，能够提高调查工作效率与准确率。

2.地层特征

以多重地层划分为基础，通过研究各岩石地层单位的基本层序；较准确地描述沉积地层的组成、结构、变化和识别特征，通过正式和非正式岩石地层单位的填图，查明并具体表示其时空存在状况、纵横变化，以及与地质年代的相互关系，逐步建立和完善区域地层格架和区域地层模型；探讨和阐明各岩石地层单位的形成环境、沉积作用、区域地质发展史与自然资源的分布规律。

对CO₂地质储存具有特殊意义的储层、盖层岩层应单独划分，开展样品采集与测试工作，进而确定主力储、盖层。沉积岩应记录层序时代、岩性，颜色、粒度、成分、矿物组成、结构构造、孔隙和裂隙性、风化特征、地层厚度和地层接触关系等。对有利构造区与区域性储盖层，应用地球物理技术开展深部调查，查明区域性储盖层特征，为储盖层与圈闭评价奠定基础。在工程选址勘探井施工阶段，也应补充开展储盖层地质调查。

在各类调查技术基础上，根据层序旋回地层学原理，运用露头、岩心、测井资料和地震反射资料对作业区目标储层进行综合分析和描述，建立高分辨率的层序地层格架，查明储盖层空间几何形态和规模、岩石物性及非均质性特点，为目标靶区与场地选址奠定基础。

（1）储层

CO₂储层与油气储层的基本地质问题相同（孙枢，2006），需要对潜在储层的深度、岩性特征、厚度、物性参数、非均质性和沉积相等特征开展重点调查（刁玉杰，2012）。

（2）盖层

盖层封闭机理研究表明，只要某套岩层中流体的排替压力大于注入下伏储层中超临界状态CO₂的压力均可作为盖层。常见的盖层主要为页岩、泥岩、盐岩、石膏和硬石膏等。良好的盖层是实现CO₂长期、有效封存于地下的基本前提。

盖层安全性调查主要内容包括岩性特征、厚度和分布连续性、塑性及沉积成岩阶段、断裂发育特征和盖层封闭指数等，详见本章第四节地质安全性专项调查。

3.地质构造

1）应用构造解析方法，对各种规模大小不等的构造变形形迹（包括褶皱、断裂、韧性剪切带以及各种面理、线理等）的产状、性质、规模、位态及有关运动学特征等资料进行详细收集，查明其区域分布特点和组合规律；研究其构造层次及构造变形相，建立区域构造变形序列，为探讨认识区域地质构造演化奠定基础。

2）应用现代造山带研究的理论和方法，开展对不同类型造山带的地质调查。着重查清造山带三维空间的物质组成、结构构造特征，研究造山带旁侧盆地形成与发展演化的地层层序构筑特征和物源成分特点，为盆地、山脉转变演化的研究奠定基础。同时注意对卷人造山带不同大地构造单元构造变形特征进行系统调查，查明各类构造变形的运动学特征，为建立造山带形成演化过程中构造运动体制的演化转变，探讨造山作用产生的地球动力学机制提供依据。对造山带基底形成阶段、洋陆转化阶段、陆内造山阶段和后造山隆升－剥蚀阶段的物质建造、变形、变质特点进行系统调查，重塑其地质构造演化历史。

3）对新构造运动的表现及特点进行调查，广泛收集资料，研究新构造运动的时期和类型。地质灾害多发地区，应查明引起灾害的地质构造背景及具体构造部位。地震发育地区，应收集有关地震方面的资料，对活动性断裂应尽量查明其延伸、规模、性质、产状及运动学特征，为分析研究区域地质灾害规律和环境工程评价提供依据。

地质构造特征是影响CO₂地质储存地质安全性的主要因素，详见本章第四节地质安全性专项地质调查。

（三）水文地质调查

水文地质调查目的是查明天然条件下地下水的形成、赋存及运移特征以及地下水水量、水质的变化规律，以路线调查、测绘为手段，为CO₂地质储存工程场地选址、运输管线铺设及运行期间提供地下水资源保护以及防治环境问题所需资料。水文地质调查以调查区所在的水文地质单元为对象，以控制地下水出露点及地表水体为原则。同时，应在资料搜集与整理的基础上，对深部咸水层的CO₂地质储存条件展开调查。

水文地质观测点应布置在地下水天然露头、人工露头、地表水体分布的地点以及对水文地质单元界线有控制意义的地点，不应平均布置。

1）调查地下水系统边界条件，包括对区域性地下水系统的空间分布，外部边界和内部边界的类型、性质与位置，人类活动对边界条件的影响。重点调查深、浅部地下水埋藏条件、含水层岩性、导水性及水力性质、地下水水质，各含水岩（组）物理性质、水力联系及水化学变化规律，区域性隔水层的分布、埋深和厚度变化规律，深部咸水体空间分布范围、咸水层与上部淡承压水、潜水接触关系与水力联系，包气带的厚度、岩性、孔隙特征、含水率及地表植被状况等。

2）调查深、浅部地下水补径排条件，包括补给来源、补给方式或途径、补给区分布和补给量，地下水的径流条件、径流分带规律和流向，地下水的排泄形式、排泄途径和排泄区（带）分布，以及不同含水层之间、地下水和地表水之间水力联系。

3）对于区域储水构造，调查充水断裂带和裂隙密集带的导水性、深循环上升泉的分布、断层脉状水的富水地段，以及岩溶层的空间分布与富水性，盐卤水、地热水资源分布等。调查管井、民井的位置、地面高程，井的深度、结构、地层剖面、开采层位，水位、水量、水温、水质及其动态变化等。场地域内天然泉的类型、位置、出露条件、含水层、补给来源，以及泉的流量、水温，水质，对于大泉（岩溶泉、溢出带泉群等）应调查泉域范围或主要补给区（或补给源）。

（四）工程地质调查

1.岩体工程地质

岩体工程地质调查，应在掌握区域地层及岩相变化的基础上，突出岩体工程地质特征的研究。要抓住岩体不同结构面及组合关系的分析，要注意研究那些连续性强和性质软弱的结构面，同时应调查易溶成分及有机物，成岩程度及坚实性，岩石风化程度，不同岩性的组合关系等。调查地层的岩性岩相变化特征，层理（平行层理、斜层理、波状层理、交错层理）和层面构造（波痕、泥裂、 缝合线等）特征，结核、化石及沉积韵律，岩层间的接触关系；碎屑岩的成分、结构、胶结类型、胶结程度和㬵结物的成分：化学岩和生物化学岩的成分，结晶特点、溶蚀现象及特殊构造（鳞状、竹叶状等）；软弱岩层（页岩、泥岩、岩盐、石膏、白垩、泥炭、煤层等）和泥化夹层的岩性、层位、厚度及空间分布等。

2.地质灾害

地质灾害是指包括自然因素或者人为活动引发的危害人民生命和财产安全的山体崩塌、滑坡，泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等与地质作用有关的灾害（国务院令第394号）。地质灾害易发区：是指具有地质灾害形成的地质地貌条件和在自然、人为等营力作用下，容易产生地质灾害的区域。

《地质灾害防治条例》（国务院令第394号）和各省（自治区）地质灾害危险性评估规程规定，在地质灾害易发区内进行工程建设，必须在可行性研究阶段或者在申请核准、备案前进行地质灾害危险性评估。因此，在CO₂地质储存工程实施前，必须委托有相关资质的单位对场地进行地质灾害危险性评估，详细调查方法本书不再赘述。

CO₂地质储存宜选择在场地地质灾害易发性比较低的地区选址，同时参照《危险废物填埋污染控制标准》（GB18598—2001）选址规定，CO₂地质储存选址应处于一个相对稳定的区域，不会因自然或人为的因素而受到破坏；必须位于百年一遇的洪水标高线以上，并在长远规划中的水库等人工蓄水设施淹没区和保护区之外；场地的地质条件应符合下列要求：位于地下水饮用水水源地主要补给区范围之外；地质结构相对简单、稳定，没有断层；场地选择应避开下列区域：破坏性地震及活动构造区；海啸及涌浪影响区；湿地和低洼汇水处；地应力高度集中区，地面抬升或沉降速率快的地区；石灰岩溶洞发育带；废弃矿区或塌陷区；崩塌、岩堆、滑坡区；山洪、泥石流地区；活动沙丘区；尚未稳定的冲积扇及冲沟地区：高压缩性淤泥、泥炭及软土区以及其他可能危及填埋场安全的区域。

（五）生态环境调查

生态环境调查应严格按照《建设项目环境保护管理条例》中对建设项目的明确要求，执行调查工作程序、工作内容。根据所界定的环境敏感目标（表3-2），调查其地理位置、规模、与工程的相对位置关系、所处环境功能区及保护内容等。

表3-2 生态敏感目标一览表

1）调查目标区生态状况，珍惜动植物和水生生物的种类、保护级别和分布状况、鱼类三场分布等。

2）拟建储存工程占地情况调查，包括临时占地、永久占地、列表说明占地位置、用途、类型、面积、取弃土量及生态恢复情况等。

3）拟建储存工程影响区域内水土流失现状、成因、类型，所采取的水土保持、绿化及措施的实施效果等。

4）对于拟建工程影响区域内的《建设项目环境保护分类管理名录》列举的需特殊保护地区、生态敏感与脆弱区、社会关注区，提供适当比例的保护区位置图，注明工程相对位置、保护区位置和边界。工程影响区内的植被类型、数量、覆盖率的变化情况。如需进行植物样方、水生生态、土壤调查，明确调查范围、位置、因子、频次，并提供调查点位图。

（六）地质矿产调查

蕴矿状况亦称压覆矿产资源，是指因CO₂地质储存工程实施后导致矿产资源不能开发利用的现象。但是建设项目与矿区范围重叠而不影响矿产资源正常开采的，不作压覆处理。矿产资源是指国家规划矿区、对国民经济具有重要价值的矿区和《矿产资源开采登记管理办法》附录中34个矿种的矿床规模在中型以上的矿产资源。

1.地热、油气、煤炭等矿产资源

调查地热、油气、煤炭等矿产资源时空分布规律，并调查采空区的范围、深度等特征。在垂向上对CO₂地质储存可能压覆的矿产资源资源进行调查评价；在水平方向上，通过资料搜集、矿权登记查阅对相邻区块各类资源进行了解。

2.其他矿产资源

1）对已经或正在普查的矿床（点），应搜集矿床地质评价方面的成果资料，进行综合研究。为了掌握矿床特征，应选择典型矿区进行现场观察。

2）对新发现的矿点、前人研究程度较差的矿点和群众报矿的矿点要进行调查：①进行地表地质调查和追索，了解矿点（体）及含矿岩系（体）的地表分布范围和地质条件；②了解含矿岩石（体）的含矿性及矿石质量；③提供进一步工作的依据和意见。

3）对区域成矿特征有代表性的国家急缺矿种的矿点要进行重点检查或评价。重点检查的矿点，视工作需要对有代表性的矿体用轻型山地工程进行揭露，了解其延展情况，圈定出露范围，系统采集各类样品，了解矿石质量；图上应详细填绘有关矿产内容。

㈡ 地质统计学理论在水文数值模拟中的应用

邢永强¹李金荣²杨振放²

（1.河南省国土资源科学研究院，郑州 450016；2.郑州大学环境与水利学院，郑州 450001）

《安徽农业科学》，文章编号：0517-6611-(2007)-14-04101-02

摘要 在地下水资源评价中，用数值方法进行水流模拟时，需要给出每个节点上含水层底板标高值。将地质统计学应用于空间分析学科，已被越来越多的学者所利用。文中着重阐述了地质统计学的基本原理及它们在含水层底板标高估值中的应用，通过计算结果可以得出克立格方法是进行含水层底板标高估值的空间最优估计方法。

关键词 数值模拟 区域化变量 变差函数 克立格方法

人类的各种活动使地表水或地下水的水质和水量发生很大的变化，因此为保护水环境我们需要进行水资源评价。水流模拟是水资源评价的一个核心内容，往往采用有限元或有限差分法（李俊亭，1989）进行评价，但是由于实际条件的限制，我们掌握的节点数据往往是有限的，因此需要根据已知点的数据来求未知点的资料信息。传统的插值方法是根据已知测量值按人工线性插值查出其他节点上的变量值，其速度慢且精度低，况且没有考虑研究对象的空间变异性，而地质统计学中的克立格方法正好克服了这一缺点（孙洪泉，1990）。

克立格方法最初是由南非矿山地质工程师D.G.Krige（克立格）于1951年提出并以他的名字命名的方法，随后由法国学者完善并发展形成目前的地质统计学理论（孙洪泉，1990）。地质统计学最早应用于脉状矿山品位、储量研究；随着研究的深入，该方法广泛应用于矿产资源评价、钻探工作、采样工作；另外，还应用于化探、冶金、土壤（李恩羊等，1989）等研究领域。20世纪80年代之后，克立格方法在水文地质学领域得到了广泛应用（许多项，1993）。李金荣等（2003，2002）采用克立格法对含水层底板标高进行估值，得出克立格方法是对空间变量进行估值的一种较好的方法。

1 地质统计学的基本理论

1.1 区域化变量

区域化变量理论是地质统计学的理论基础。它的定义（孙洪泉，1990）是：以空间点x的3个直角坐标x_u，x_v，x_w为自变量的随机场Z（x_u，x_v，x_w）=Z（x）称为一个区域化变量。区域化变量在观测前，可以看做是随机场；观测后就得到Z（x）的一个实现，每一个实现Z（x）就是一个普通的三元实函数（或空间点函数）。它的显著特征是具有随机性、结构性。

含水层底板标高可以看成是区域化变量，它具有随机性和结构性。所谓随机性是指空间点x固定后，Z（x）为一随机变量，所谓结构性是指不同点x与x+h 处的 Z（x）与Z（x+h）之间具有空间相关性。

1.2 变差函数

变差函数是克立格方法计算的基础。它描述区域化变量的空间结构性，也描述其随机性。我们把区域化变量Z（x）在x和x+h两点处样本值之差的方差之半定义为Z（x）在x方向上的变差函数（又称变异函数），记为γ（x，h），即

环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践

实际工作中我们用实验变差函数γ^*（h）的公式计算：

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式（2）中N（h）为相对于空间向量h、区域化变量Z（x）变异的统计点对数。对于不同的h可计算出相应的γ^*（h）值。

为了对区域化变量的未知值作出估计，还需要将实验变差函数拟合成相应的理论变差函数模型。拟合的模型有多种，其中常用的模型为球状模型（孙洪泉，1990）：

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式中：C₀为块金常数，由微观结构变化和观测误差所决定的一种随机变化成分；C为拱高，Z（x）结构变化的最大值；C₀+C为基台值，反映一定方向上Z（x）结构变化与随机变化的总的变化幅度；a为变程，反映Z（x）变化的影响范围或变异速度。

1.3 克立格方法

从数学上讲，克立格法是一种对空间变量分布数据求最优、线形、无偏内插估计量的方法。它是以反映变量空间结构特征的变异函数为基础，以取得估计方差最小为目标，在无偏性约束条件下求优的一种估计方法。无偏性消除了系统误差，估计方差最小则表明有较高的精度，所以称最优估计。从水文地质角度讲，它根据已知观测点上水文地质变量（本文中针对含水层底板标高）的实测数据，对水文地质变量进行结构性（变差函数的模型确定）分析之后，为了对待估点作出一种线形、无偏、最小方差的估计，而对周围已知点的测量值赋予一定的权系数，进行加权平均来估计待估点水文地质变量的方法。

令区域化变量底板标高为B，设位于x₀点处含水层底板标高变量的待估值B^*（x₀）是周围全部已知的测量值B（x_i）（i=1，2，…，n）的线形组合，则：

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式中：λ_i为克立格权系数（i=1，2，…，n）；n 为已知观测点总数。

式（4）中待定权系数λ_i（i=1，2，…，n）的确定应满足无偏性条件和最优性条件，才能保证估计量B^*（x_i）的线形、无偏、最优估计。

假定区域化变量底板标高B满足本征假设（孙洪泉，1990），即

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（1）根据无偏性条件

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经推导可得

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（2）根据最优性条件（即估计方差最小条件）

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欲使得式（8）估计方差

在满足无偏性条件下达到极小，就要利用求条件极值的拉格朗日乘数法，即要求：

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达到极小时的诸λ_i（i=1，2，…，n）和μ。式（9）中F是n个权系数λ_i（i=1，2，…，n）和μ的（n+1）个元函数；μ 是拉格朗日乘数。

令

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由此推导可得普通克立格方程组：

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式（11）共包含了n+1个方程，可求解出n+1个未知的λ_i（i=1，2，…，n）和μ。

根据求出的λ_i（i=1，2，…，n）和μ，则可得到普通克立格方差表达式：

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值得注意的是，式（11）和式（12）均只取决于变差函数及信息点与待估点之间的相对几何特征，而与信息样品数据B（x_i）（i=1，2，…，n）无直接关系，故它能够预测估计精度。

最后根据求出的λ_i（i=1，2，…，n）和μ，根据式（4）可计算出任一点的含水层底板标高值B，根据式（12）可得出任一点的估计方差。

2 应用

以陕西省咸阳某一水源地地下水资源评价为例。该研究区处于冲积平原上，评价的目的层为第四系含水层。用有限元法对该区地下水进行数值模拟，采用不规则三角形网格剖分，将全区剖分成674个单元，共382个节点，总面积为203km²（图1）。根据野外实测资料，取得含水层的底板标高系列数据n=68，作为含水层底板标高等值线图的绘制依据，利用前面所述的地质统计学方法理论，编制了相应的计算机程序，用该方法理论可计算出各节点的含水层底板标高估值和克立格估计方差，绘制了含水层底板标高等值线图（图2）。

图1 研究区单元剖分图

Fig.1 The unit analysis map of research area

从计算模拟结果（由于计算较多，这里不再一一列出）可以看出，用地质统计学方法计算出来的底板标高值与其实测值误差较小，最大达10.82m，最小为0.07m，平均为3.47m。用克立格方法计算的各实测点上的估计方差较小，最大达1.394 2，最小为0.003，平均为0.301 6。其绝对误差和相对误差值也很小。因此说克立格方法是一种较好的空间模拟方法。

图2 用克立格方法模拟的底板标高等值线图（单位：m）

Fig.2 The isoline map of lower bed level estimation simulated by Kriging method

3 结论

（1）区域化变量理论能够反映变量空间分布的随机性与结构性特征，变差函数是地质统计学的基本工具，是对变量空间分布特征估计最为有效的方法之一。从模拟计算的结果可以得出克立格法是一种最优、线性、无偏的模拟空间变量的方法。

（2）含水层底板标高这一变量具有明显的空间变异性。对这种变量的最优估计方法是以能反映含水层底板标高空间分布的随机性与结构性特征的克立格方法的基本理论为基础，在无偏性约束条件下寻求估计方差最小的一种克立格方法。

（3）由于克立格方法有不依赖于信息样品数据（含水层底板标高）的特征，在事先不知道待估点实际值的情况下，直接给出估计精度，且估计精度较高。

参考文献

李俊亭.1989.地下水数值模拟.北京：地质出版社.

孙洪泉.1990.地质统计学及其应用.北京：中国矿业大学出版社.

李恩羊，袁新.1989.作物需水量的最优估计.水利学报，（10）：45～49.

许多项.1993.数学插值方法在水文地质学中的应用探讨.长春地质学院学报，（10）：423～429.

李金荣，杨振放，李云峰，李金玲.2003.两种方法在地下水位估值中的应用.水文地质工程地质，（3）：42～46.

李金荣，杨振放，郭建青.2002.变差函数在地下水位估值中的应用研究.西北水资源与水工程，13（4）：6～9.

Utilization of Geostatistics in Hydrologic Numerical Simulation

Xing Yong-qiang¹Li Jin-rong²Yang Zhen-fang²

（1.Sciencial Researchinstitute of land and resource of Henan Province，Zhengzhou 450016；2.College of Environment and Water Conservancy，Zhengzhou Univ.，Zhengzhou 450001）

Abstract：In many cases of water resource assessment.，When numerical method is oftenadopted in groundwater flow modeling，lower bed level value of aquifer on each node should be given.The geostatistics is used in spatial analysis，it has been advocated by more and more experts.The geostatistics method and their basic application in estimating lower bed level value of aquifer is expounded.Through the result，the author can draw an important conclusion：Kriging method is spatial optimal estimation one in estimating lower bed level of aquifer.

Key words：Numerical Simulation；regionalized variable；variogram；Kriging method

㈢ 考二级建造师的条件

理由五：为跳槽

新版资质标准实施，建造师需求增加。想跳槽提升自己，考取一、二级建造师资格证书，会更顺利的在建筑行业内找到理想的工作，实现自己更高的人生目标和价值！

理由六：为竞争

人生充满竞争，弱肉强食，没证书你拿什么跟别人比？不甘心？考个证书，帮你在竞争较量中赢得更多机会。

理由七：为升职

一、二级建造师是建筑类职业资格考试，是上岗从业必备证书，建造师是不仅要有理论水平，也要有丰富的实战经验和较强组织能力的复合型人员。建造师注册受聘后，可以建造师的名义担任大中小型建设工程项目施工的项目经理，从事其他施工活动的管理。拿到一、二级建造师，升职之路能够迅速迈向新一个台阶新境界。

理由八：为获取知识

新版资质标准实施，建造师需求增加，很多时候工作中也会用到管理和实务的知识，多学习知识能带给你很多意外的惊喜。

㈣ 生态水文学与生态水文地质学

万力

人类进入21世纪后，淡水资源短缺已成为仅次于石油资源短缺的全球性战略问题，而水资源的可持续利用则是保持经济发展和维护社会稳定的关键。生态水文学是都柏林国际水环境会议（1992）提出的一门独立的学科，人们希望通过该学科的研究和发展，探索出一条人类走出水资源短缺困境的道路。目前，联合国教科文组织国际水文计划也将水文生态学作为重要研究领域之一。该学科的最终目标是在保持生物多样、保证水资源数量和质量前提下提供一个环境健康、经济可行和社会可接受的水资源持续管理范式^［1］。在这可持续发展理念的影响下，各国学者开始从不同的角度和视野探寻水文学及其子学科与生态之间的相互作用关系。

当一种理念关系到人类的生存乃至社会的发展时，也就是新学科的诞生之际。我国拥有广大的干旱半干旱地区，地下水在整个水资源中占有极高的比率，实现地下水资源可持续利用已成为整个社会可持续发展中的重要组成部分。近几年，生态调查已是国土资源调查的内容之一，但在具体实施过程中，明显感觉缺少理论和学科基础。本文从生态水文学学科的发展过程入手，对生态水文地质学的研究对象、内容和方法进行了初步探讨，提出了现阶段我国社会发展中生态水文地质学研究的主要任务。

1 生态水文学

目前，生态水文学（Eco-hydrology）的定义较多，不同的学者从各自研究的角度给出了生态水文学多种定义。该学科最初（20世纪70～80年代）源于湿地生态学中的湿地生态系统的管理和恢复领域。Wassen（1996）认为生态水文学是一门旨在帮助更好地理解湿地生态系统自然发育以及评价湿地生态系统价值、保护和恢复湿地生态系统的应用学科^［2］。Baird（1997）则认为生态水文学是研究水文过程与植物分布、生长相互作用的水文学与生态学相互作用的一门交叉学科，其研究对象不仅包括湿地生态系统，而且还涉及干旱地区生态系统、森林和疏林生态系统、江河生态系统、湖泊生态系统及水生生态系统等^［3］。

生态水文学已成为当今热门的学科。其主要研究内容为陆生环境与水生环境植物与水分关系，阐述和探讨不同环境中植物-水分的各种相互作用问题；在流域尺度上研究水文和生物相互功能关系；在生态模式和生态过程的基础上，探讨影响植被变化的水文学机制；在质量守恒和能量守恒的基础上，在周围环境不同的情况下，研究生态变化过程的机制；研究水文循环与生态系统之间的相互作用机理和过程^［4］。

从波兰（1998年）召开的生态水文学专项研究会议（UNESCO/IHP）也可看出该学科的研究主题：①水文格局的生态效应。Wangner I.等研究了一低地水库恢复过程中支流水文格局对生物过程的影响；Brinkman W，L.F.等对波兰Plock附近Vistula河洪泛平原结构和功能的研究。②对尺度效应的进一步探索。Kemp J.L.等对生境尺度的河流生态水力学进行了研究；Schuller D.等使用“斑块网络概念”对德国西南部滥用土地的恢复进行了研究。③水文过程的生态环境效应。Biawas S.P.等研究了布拉马普特拉河（雅鲁藏布江）对喜马拉雅山东北部渔业生态的影响；④模型与制图的研究。Tatrai K.等研究了Kis-Balaton水保护系统在水质控制中的应用；Timchenko V.等研究了第聂伯河河口带生态现状和水质模型；Witte J.P.M.研究了利用生态群组进行生态系统类型图的制作；Thiele Michael 研究了垂直土柱中溶质运移的Park分析方案。此外，1998年9月和2000年分别在捷克的Liblice、比利时Gent召开了ERB的第7次和第8次研究会议，都也都强调了以上主题研究。

在我国，生态水文学方面研究起步较晚。2000年以后我国学者才开始重视，并将生态水文学介绍到国内来，目前尚处于起步阶段。我国是一个水资源贫乏的国家，随着国民经济快速增长和生活水平的提高，水资源的需求日益增加。与此同时，生活污水和工业废水污染造成的水污染日趋严重。清洁淡水的短缺对我国国民经济持续发展的瓶颈作用日显突出。目前，为解决我国能源短缺，几乎所有可建水电站的大小江河都已建成或正在拟建不同规模的水电站。水电站建成必然会改变江河、湖泊的水文过程及与其有联系的地下水的水文地质条件，对流域内生态环境将产生重大影响。迄今为止，各流域尚未做过系统的生态水文学的研究和调查。显然在一定经济条件下保持生物多样性、水质、水量和谐平衡，实现淡水资源的可持续利用，我国还有许多研究工作要做。这种实际的需求背景将为生态水文学在国内的发展提供一个巨大的发展平台。

总之，生态水文学是一门年轻的学科，它从生态水文过程着手研究水环境系统的演化和演变对生态系统的现在及潜在影响和作用，以期实现对淡水资源（包括江、河、湖泊、湿地、地下水）全过程的管理，实现社会、经济可持续发展的目的。由于生态环境和水环境的多样性和复杂性，因此到目前还未形成完整的系统理论框架和方法体系。生态水文学涵盖范围广，研究内容弹性极大。大尺度的可从全球性的视角来研判水文系统变化对生态系统的耦合作用，小尺度可深入到微生物的级别来探寻生物个体水质代谢过程等。从研究范围和内容来看，生态水文学本身可分为一系列的子学科，如水文学包括有河流、湖泊、湿地和地下水等子学科，当它们与生物种群、生物群落、生态景观等，便构成一个多层次的完整学科群。随着不同层次上的生态水文学的发展和完善，许多子学科也会逐渐成熟，从而带动整个学科的发展。

2 生态水文地质学

俄罗斯学者V.N.Ostrovski（1991）提出了“生态水文地质学”的概念，将水文地质的概念引入生态系统中。他认为，生态水文地质学研究的目的是控制地下水圈的体制以防止发生一些不可逆转的对生态环境不利的影响；一方面要预防人类活动对生态环境产生不利的影响；另一方面要科学地预测人类活动对生态环境所产生的影响^［5］。

美国《地下水》杂志2003年第三期社论指出，社会上关心的问题不仅仅局限在水文学上。比如说，对泉、湖、河流、湿地抽水会有什么影响？面对这样的问题，水文学家通常收集大量的水文地质资料，建立一个模型，然后得出关于水位下降、流量减小的精确估计。但是，这并不是公众所关心的。公众关心的是，抽水会对与该系统相关的植物、鸟类、鱼类以及其他一些感兴趣的动物产生什么影响？为了让“生态水文学”不只是一个时髦名词，水文学家必需参与交叉学科的研究。不仅涉及解释水文原理和概念，而且包括学习和了解生态原理和概念。这将意味着新的研究中，往往是用定性的语言和统计数据来描述，而不是传统水文学上的定量方程和确定性模型^［6］。

目前，国外从事地下水研究的学者开始关注地下水与生态环境之间的内在关系。学科领域间的拓展与融合向从事地下水研究工作的水文地质、地下水管理方面的学者提出了新的要求。社会公众需要从事地下水文学工作的学者将生态学纳入到今后的研究和调查工作中，回答开采地下水可能引发的各种生态问题，并有效地回避由此带来的风险。

作者认为，生态水文地质学是一门研究地下水与陆生植被生态间相互作用过程和机制的学科。阳光、大气、土壤和水是生命存在的四个基本要素，在地球表面后两个要素的时空变化差异性最大，对植被生长的影响也最大，大气降雨和地表水体也必须进入土壤后才会对植被的生长发挥作用，而水与土壤的相互作用正是水文地质学的研究领域。因此，有理由相信生态学与水文地质学的交叉必将加深人们对生态系统演变和演化过程及其机理的认识。

借助生态学和水文地质学的研究方法，融合两个学科的研究成果，在保持生态多样性的基础上维持地下水水量和水质的均衡，预测地下水水文过程对生态环境的影响效应，实现地下水资源可持续利用的目的，是生态水文地质学当前的主要任务。地下水与地表水的水文过程有很大的区别，而且也不尽相同。地下水的水文过程除受控于地形、地貌、植被、气候、降水等因素外，还受控于地质条件、水文地质条件即含水系统结构及其补给、径流、排泄条件等，并且地下水与地表水有着一定的联系。因此，水文过程远比地表水复杂。地下水水文学与生态水文学相互融合所涉及的学科，有地质学、地貌学、水文地质学、地下水动力学、植被生态学等。随着研究的深入，该学科将逐步形成自己特有的知识结构和理论体系。

近几十年来，随着我国经济发展和人口增加，出现了许多与不合理利用水资源有关的生态环境问题。西北地区干旱内陆盆地水资源综合利用问题。内陆盆地中生态需水大部分靠注入盆地的内陆河流来水量维系。由于绝大部分天然绿洲沿河分布或位于洪冲积扇前缘的地下水排泄区，生态环境十分脆弱。近几十年来，因上游修建水库、中游农业用水、生活用水量剧增，引起下游地区来水量减少，地表水、地下水水文过程发生改变，导致绿洲和荒漠植被系统因缺水而退化乃至消亡，大面积的荒漠化，成为沙尘暴源区。我国西部著名的额济纳旗和河西走廊西部两个沙尘暴源区形成与内陆河流水文过程变化和地下水文过程变化有密切关系。在保护好生态环境基础上，实现干旱内陆盆地水资源综合利用是顺利进行西部大开发的首要问题之一，不仅关系到西部大开发的成败，也是关系到西北沙尘暴的治理。

三江源是我国长江、黄河和澜沧江的发源地，是世界上海拔最高、面积最大、湿地类型最丰富的地区，同时也是世界上高海拔地区中生物多样性最集中的地区，被誉为“高寒生物自然种质资源库”。目前，出现了一系列极为严重的生态水文环境退化现象。湖泊和湿地面积缩小或干涸，河流量减小。特别是黄河源区的断流，尤其是20世纪90年代后期连续三次断流，更是引起了全社会的广泛关注。源区水土流失严重，土地沙化面积仍在不断扩大；荒漠化和草地退化问题日益突出；虫鼠害加剧，黑土滩遍布；受威胁的生物物种占总类的20%以上。若源区的生态环境恶化持续下去，不仅会导致源区水源涵养功能丧失，而且因失去植被覆盖形成高海拔的沙源区，将严重威胁到源区下游的安全。因此，如何运用生态水文地质学结合冻土学、高原植被生态学等有关学科，对源区生态恶化原因进行研究，制定切实可行的生态修复方案是十分紧迫的任务。

生态水文地质学尚有许多领域有待开发和探索。目前，在我国开展生态水文地质学研究，可以考虑以下几个方面：

（1）区域尺度陆生生态状况的定量描述。该问题是研究生态与土壤和水之间相互关系的基础，也是生态水文地质调查的主要任务。生态状况的变化在空间上有巨大的差异性，在时间上又有周期性、趋势性和随机性的特点。以研究地下水运动的尺度定量刻画地表生态状况的时空变化，从理论和方法上都需新的探索。

（2）区域水文地质条件及其变化与植被生态格局的关系。研究不同尺度地下水系统的补给、径流、排泄条件对植被生态格局的控制及其相互影响，尤其要研究在人为作用干扰下，地下水水文过程发生变化对植被生态系统的影响。

（3）包气带多重界面水分水质转换机制及其生态效应。包气带是地下水与地表水系统、大气圈以及植被生态系统相联系的重要纽带，包含水分转化、水质转化等多重界面。大气降水一部分通过包气带渗入补给地下水，另一部分为包气带持有，供给植物生长，通过蒸发和蒸腾作用与大气进行水量交换。虽然水文地质学家已对包气带中饱和水、非饱和水以及毛细水的运移规律曾做过较为详细的研究，但对包气带中气态水通过蒸发与凝结作用所引起的水分分布变化研究较少，这对查明我国西北荒漠植被生长的水环境却显得十分重要。

（4）包气带的生物和地表生态对水的净化机制。孔隙介质组成的包气带具有对渗入水有过滤、吸附、离子交换和生物化学降解作用，尤其是含有粘粒的亚砂土、亚粘土构成的包气带，颗粒比表面积大，孔隙多，具有微生物生长良好的水、热、气条件和繁衍空间，在一定条件下，包气带的生物降解作用不容忽视，而表层土壤中的植物根系对进入土壤中的水也有净化作用，两者共同构成包气带对水的生物净化功能，功能的强弱取决于包气带的岩性、结构、植被类型和覆盖率。

（5）潜水含水层中地下水各种物理化学过程的生态效应。地下水运动过程中各种物理量（流量、水位、水量等运动要素）和化学成分的变化，会很大地影响土壤性质，导致植被生长条件的变化。如土壤盐碱化、沙漠化和荒漠化就是该过程的具体表现。

（6）高寒地区气候变化对地下水的影响及其生态响应。高寒地区通常是生态脆弱地区，对气候变化的反应最为敏感，是研究全球变暖对人类生存环境作用机制的理想区域。

（7）陆生生态系统分布与地下水系统之间的相互作用及反馈机理问题。生态系统与地下水资源有着密切的关系，完好的生态系统对地下水资源有良好的涵养作用，同时地下水系统也滋养着生态系统，两者间存在密切的依附关系。目前1：20万水文地质调查范围覆盖我国大部分地区，基本查明了区内地下水系统的结构和特征，若查清生态系统与地下水系统之间的相互作用及反馈机理问题，将有利于从大尺度的角度对地下水资源的可持续利用，做出合理决策。

以上问题的研究将会大大促进生态水文地质学的发展，为解决当前许多已经出现的生态问题奠定基础。

3 结语

生态水文地质学是一门生态学与水文地质学交叉渗透后形成的学科，是地下水可持续利用的理论基础。其中地表生态系统与地下水系统之间的相互作用过程和机理是该学科的核心研究问题。随着知识结构和理论体系的不断完善，该学科必将在我国实施可持续发展战略的过程中发挥巨大的作用。

参考文献

［1］严登华，何岩，邓伟等.生态水文学研究进展［J］.地理科学，2001，Vol.21，No.5：467～473

［2］Wassen M J.Groutjans A P.Ecohyrology：an interdisciplinary approach for wetland management and rescoration［J］.Vegetation，1996，126：1～4

［3］Baird A J.Wilby R I.Ecohyrology：Plants and water in terrestrial and aquatic environments［M］.London：Routledge，1998.346～373

［4］夏军，丰华丽，谈戈等.生态水文学-概念、框架和体系［J］.灌溉排水学报，2003，Vol.22，No.1：4～10

［5］Evgeni V.Pinneker：水文地质学的新概念及其生态问题［J］.地学前缘，1996.Vol.3.No.12，49～55

［6］Randall J H and Douglas A W.Ecohydrology-Why Hydrologists Should Care［J］.Groundwater，1998.Vol.41.No.3：12