《地下水科学专论》教材浅析

周 训，金晓媚，梁四海，沈 晔，张红梅

中国地质大学(北京）水资源与环境学院,北京 100083

《地下水科学专论》教材浅析

周 训，金晓媚，梁四海，沈 晔，张红梅

中国地质大学(北京）水资源与环境学院,北京 100083

《地下水科学专论》本科教材介绍地下水科学在遥感、同位素、地下热水、地下卤水、矿泉水、海岸带地下水、干旱地区地下水以及冻土地区地下水等专门领域的基本概念、基本原理和应用。该教材有助于为学生构建新的专业知识结构,拓宽专业知识面,提高科学研究能力,符合专业人才培养定位,是水文学及水资源重点学科建设和地下水科学与工程特色专业建设及课程建设的重要成果,有利于培养专业人才。

课程教学;教材建设;地下水科学与工程;水文学及水资源

一、教材的地位

我国于2006年新增设地下水科学与工程本科专业并于2007年开始招生,为了满足该专业开设“地下水科学专论”课程的教学需要,我们编写《地下水科学专论》教材(另编写《地下水科学习题集》作为该教材的配套教材）。“地下水科学专论”课程是地下水科学与工程本科专业课程体系中的主干课程,是该专业课程教学的最后一门专业课程,是在学习了“地下水科学概论”等若干专业基础课程和主干课程之后的必修课程。通过该课程的学习,可以使学生初步了解和掌握地下水科学在现代技术方法、特殊类型地下水、特殊地区地下水等方面的基本知识和基本理论,掌握相关的基本概念、基本结论和基本专业技能,提高科学研究能力,为今后继续学习和开展科学研究与生产工作奠定重要基础。因此,《地下水科学专论》教材在地下水科学与工程本科专业人才培养中处于十分重要的地位。

二、教材的内容设置

《地下水科学专论》教材是我国第一本具有其现有的内容体系和以此书名出现的教材,国外都尚未见到过类似的教材。自20世纪50年代以来,地下水科学在现代技术方法、特殊类型地下水、特殊地区地下水等若干专门领域的研究取得了迅速的发展,在基本概念、基本原理及应用等多个方面都取得了重要的进展。该教材阐述和介绍地下水科学在这些专门领域的基本知识及其应用。它是进一步深入开展相关领域的科学研究和生产工作的重要基础。通过阅读该教材,学生有望了解和掌握这些专门领域的基本内容,拓宽专业知识面,增强专业兴趣,有助于进一步深入开展相关的科学研究。在编写该教材的过程中,我们汇集在上述专门领域的经典内容,同时尽可能补充在这些领域获得的新成果,形成了完整的教学内容体系。

1.教材内容涵盖了地下水科学的现代技术方法

遥感是最近几十年里发展起来的一门现代技术。遥感为人们提供了从空中观察地球表面的能力,对于那些人类难以进入的自然条件恶劣地区的调查和观测尤其能显示其优越性。在已进入航空航天时代的今天,遥感技术已广泛应用于水文、气象、地理、地质、资源、环境等领域,成为一门先进的空间探测技术。遥感技术在研究水资源与生态植被变化的关系、估算地表蒸发量等方面具有重要作用。随着遥感技术的发展,遥感将继续在自然资源调查研究中发挥越来越重要的作用,其应用领域也会越来越多。该教材第2章介绍遥感原理在生态水文学中的应用,着重介绍遥感在生态植被与地下水关系和植被与河流流量关系中的研究,以及遥感在蒸发量估算中的应用。

地下水在其形成演化过程中形成大量微观的同位素踪迹,应用现代测试技术测试地下水中的同位素组分,包括稳定同位素和放射性同位素,可以分析地下水的起源和循环的历史过程,提供地下水及其与环境介质之间的相互作用的重要信息,是在原子核层次上研究和追踪物质世界运动的过程。应用同位素理论与方法来研究某些水文地质问题具有一定的优越性,例如查明地下水的起源和不同含水系统的水力联系,示踪地下水的迁移,测定地下水年龄等。同位素方法结合传统的研究方法,可以深入研究地下水形成和演化的许多具体问题。教材第3章介绍同位素的基本知识及其在地下水科学研究中的应用,重点介绍氢、氧、碳、硫稳定同位素,和3H、14C放射性同位素以及地下水年龄测定的基本原理。

2.教材内容反映了特殊类型地下水的客观规律

受大地热流的差异性影响,在地球表层的一些地下水分布区分布有地下热水,或者在地表出现各种地热显示(例如温泉、间歇喷泉等）。地下热水可以用于发电、供暖、洗浴、疗养和保健、洗涤和烘干以及温室养殖和种植等。同时由于它在深循环过程中经历了各种水-岩作用和水-热交换过程,能给人们带来许多有关地球深部的信息,包括热水所处的区域地质背景,控热构造的性质、规模、深度及其活动性,围岩性质,以及地震、岩浆活动、蚀变、矿化等。研究地下热水的分布和形成,具有重要的实际意义和理论意义。教材第4章阐述地热系统和地下热水的基本知识,包括地下热水的分布、形成等以及泉华等特殊现象。

沉积盆地常常分布有石油、天然气、盐类矿床和某些金属矿床,也分布有地下卤水。在地表盐湖附近、滨海地区松散沉积层、平原地区下伏凹陷盆地等处也都分布有卤水。地下卤水矿化度高,富含多种微量组分(如 Br-、I-、Sr2+、Ba2+等）,并在某些层位和部位富集。从地下卤水可以提取石盐及多种有用组分,人类具有悠久的卤水开采历史。地下卤水的分布、迁移和水化学特征及卤水的形成问题引起人们的关注。沉积盆地地下卤水的富集和演化,对盆地内矿产的形成特别是石油和天然气的运移和聚集起到重要的作用。教材第5章介绍地下卤水的储集、富集特点、水化学特征、形成机制和有关研究方法。

天然矿泉水在近几十年里得到了开发利用。由于含有某些特殊化学成分或气体成分,天然矿泉水对人体健康有一定益处。天然矿泉水可以作为绿色饮品,随着生活水平的提高,人们对绿色饮品的质量要求日益增加。我国天然矿泉水资源十分丰富,全国各省、自治区、直辖市都赋存有丰富的天然矿泉水资源,矿泉水类型齐全,可采资源量也比较充足。天然矿泉水的开发利用在饮用、医疗保健等方面形成了相应产业,获得了明显的社会经济效应。教材第6章介绍矿泉水的国家标准、类型、特征、形成机理和若干实例。了解天然矿泉水的基本特征和形成机理,是开发利用天然矿泉水的基础。

3.教材内容关注特殊地区地下水的特点及其开发和保护

在天然条件和人为因素影响下海岸带咸淡水界面位置、滨海含水层地下水向海洋的排泄量和海潮潮汐效应的分析和预测计算是海岸带地下水动力学研究的重要内容。海水入侵是沿海地区常见的和深受关注的环境地质问题。了解确定海岸带咸淡水界面位置的方法并利用这些方法进行天然条件和人为因素影响下海岸带地下淡水排泄量计算,以及进行海潮潮汐效应下海岸带地下水流动和水文过程的计算,以便掌握海岸带水动力场和水文过程的特征,有助于科学地认识、评价和合理开发利用滨海含水层地下水资源和防治海水入侵。教材第7章介绍海岸带地下水的基本知识,着重介绍咸淡水突变界面位置的确定方法,介绍地下淡水排泄量、海水入侵以及潮汐效应地下水位变化特点和计算方法等。

水是人类赖以生存和发展的物质基础,在干旱半干旱地区水资源尤为宝贵。随着世界人口的激增,粮食危机、能源和资源危机、环境危机问题不断被提到议事日程,世界上越来越多的研究者和舆论界的注意力逐渐转向干旱半干旱地区。在环境条件脆弱的干旱区,水资源已成为制约这些地区资源开发、经济发展、生态环境保护乃至人类生存的关键因素。干旱区水资源分布不均匀、地表水和地下水多次转化等,与其他地区极不相同。了解干旱区地下水资源的分布、形成和循环特征,有助于干旱区地下水资源的保护和可持续开发利用。教材第8章介绍干旱区的分布、干旱地区地下水的基本特征,包括内陆流域水资源的形成和多次复杂转化的特点,并用实例加以说明。

地球上现代多年冻土分布面积占全球陆地面积的1/4,我国国土面积的22%分布有多年冻土。多年冻土区地下水分为冻结层上水、冻结层间水和冻结层下水,在冻结层上水以上还存在包气带水。多年冻土的分布影响着地下水的埋藏条件、分布范围、水力联系及水化学特征等。受全球气候变暖的影响,多年冻土区冻土的温度普遍升高,出现了冻土区下界升高、面积减小,上表面埋深增加、饱冰冻土退化成少冰冻土等现象。了解多年冻土区地下水的特征和变化,有助于多年冻土区地下水的合理开发利用和生态环境保护。教材第9章分别介绍多年冻土的分布,冻土地区地下水的分布、水循环、水化学的基本特点,冻土的退化及其生态水文学意义。

4.教材内容重点介绍和阐明地下水科学上述8个专门领域的基本概念、基本结论、基本原理

地下水科学深入研究地下水科学专门领域的基本概念、基本结论、基本原理以及将它们灵活运用于分析和解决实际问题,是地下水科学与工程专业培养目标的重要内容。例如遥感原理在研究地下水位埋深的变化、河流流量的变化和估算地表蒸发量;应用同位素技术辨别地下水的起源和测定地下水的年龄;地下热水的分布、形成和循环,钙华的形态特征和形成;地下卤水的储集富集特征和水化学特征及其形成机理;矿泉水的类型和形成机理;海岸带咸淡水界面位置和地下淡水排泄量的计算方法以及潮汐效应地下水位变化特征和参数计算;干旱区水资源的特征和形成转化;多年冻土区地下水的基本特征等,都是需要详细阐述和重点理解的内容或知识。本教材对它们进行了系统阐述和介绍,有助于学生把握地下水科学8个专业领域的基本知识和研究方法,提高专业素养。

三、教材的创新

1.教材内容尽可能吸收地下水科学8个专门领域的先进成果，具有前沿性

教材介绍的利用遥感原理确定西北地区黑河下游河流流量的滞后时间和估算太原盆地地表土壤的蒸发量,我国地下热水中同位素2H和18O的分布特征,四川盆地高矿化度富钾地下卤水的特征,海水蒸发轨迹线的应用,海岸带咸淡水界面位置的确定方法,以及用海岸带潮汐效应地下水位观测资料估算含水层参数,西北地区黑河流域水资源的分布和循环特征,黄河源区多年冻土地下水的特点等等,都是前沿性成果。特别是海岸带地下淡水流动满足Dupuit假设时咸淡水界面位置的确定方法,是笔者近年来取得的最新成果,是对前人经典的咸淡水界面的发展。将这些新成果编写到教材中,迅速转变为专业知识,为学生所学习和吸收。它们既符合认知规律,又丰富了本教材的内容体系。

2.教材章节安排更能反映地下水科学8个专业领域的内在联系和发展规律

教材共分9章,第1章为绪论;第2、3章阐述和介绍地下水科学的现代技术方法,包括遥感原理在生态水文学中的应用和同位素原理在地下水科学中的应用;第4～6章为特殊类型地下水,介绍地下热水、地下卤水、矿泉水的基本概念和基本原理;第7～9章为特殊地区地下水、海岸带地下水、干旱地区地下水以及冻土地区地下水的基本知识及其应用。显然,这样的现代技术方法在前、专门领域地下水在后的章节安排顺序反映了上述地下水8个专门领域理论知识的内在联系和发展规律。该教材的内容体系有利于学生对地下水科学8个专门领域基本知识和整体内容的把握。

3.教材整体上的创新性

与本教材同类的教材在国内没有出现过(仅有部分内容在一些教材中有所介绍）,本教材精心选编的地下水科学8个专门领域的基本知识和基本理论及其应用的内容,构成了一个完整的知识体系,整体上具有创新性,填补了国内在该教材领域的空白。

四、教材的特色

1.教材体现了本校学科优势和特色

中国地质大学(北京）水资源与环境学院地下水科学与工程专业前身为水文地质及工程地质专业,在1952年建立北京地质学院时,是当时我国第一个含有地下水科学专业的学科点,首批我校(原北京地质学院)水文地质专业研究生和本科生在1956年1月和8月相继毕业。我校水文地质及工程地质专业1981年成为全国首批硕士、博士学位授权点,1997年专业调整调整后成为水文学及水资源专业,2007年新增的地下水科学与工程专业开始招生。经过60年的教学、科研和生产实践,形成了以研究地下水为主要对象,以探讨地下水的形成、循环、资源评价和开发利用为特色的地下水科学与工程学科点,成为国内地下水类专业科技人才的重要培养基地,也是我校的优势学科。《地下水科学专论》教材是最具有本学科优势和特色的教材之一。

2.教材反映了重点学科建设与特色专业建设的成果

中国地质大学(北京）的水文学及水资源学科在2008年被评为北京市重点学科,地下水科学与工程专业在2009年被评为国家级第一类特色专业,在2010年又被评委北京市特色专业。在开展重点学科和特色专业建设中,建设地下水科学系列教材是重点建设的内容,《地下水科学专论》教材是该系列教材中的一本,该教材的出版成为该重点学科和该特色专业建设的重要的和标志性成果,是最具有专业特色的教材之一。

3.教材反映了课程建设和教学方法改革的成果

近几年来我们以“地下水科学概论”和“地下水科学专论”课程为重点,开展课程建设、教学内容和教学方式的改革与实践,创新部分课堂教学内容,新建成一个地下水渗流与循环实验室,增加新的实验教学内容,采用实践参与式的教学方式,发表多篇教育教学类论文,指导本科生开展创新性实验计划项目并发表学术论文,及时将教育教学改革研究成果运用到课程教学和《地下水科学专论》等教材的建设中。

4.教材反映了科研工作成果

多年来我们承担大量国家级、省部级等科研项目,取得了不少高水平的科研成果,并将其中具有典型意义的成果和最新研究实例编写到《地下水科学专论》教材中。例如利用遥感原理分析西北地区黑河下游绿洲植被面积变化与河流径流量变化的关系,我国地下热水中同位素2H和18O组成表明它们大多起源于大气水且没有18O漂移现象,四川盆地高矿化度地下卤水以蒸发浓缩成因的同生沉积水为主,利用海岸带同一垂直线在界面之上和之下的水头和压力确定海岸带地下淡水流动满足Dupuit假设时咸淡水界面位置的确定方法,利用海岸带潮汐效应钻孔地下水位变幅随距海岸的距离呈负指数衰减和地下水位变化的滞后时间随距海岸的距离呈线性增加的原理估算含水层参数等等。

5.教材符合本校人才培养定位

地下水科学与工程专业是以地球科学基本理论为基础,以地下水为主要研究对象,系统学习地下水的形成、分布、运动和变化等方面的专业知识和技能,并将其应用于地下水资源的勘查、评价、开发、管理,地下水环境和地质环境的调查、监测、评价和治理。培养学生具有扎实数理基础和地球科学基本理论,受到应用基础研究和技术开发方面的科学思维和科学试验训练、具有良好的科学素养,掌握地下水形成和演化机理、地下水及其环境调查、监测、评价、开发、治理等基本知识和技能,具有独立获取知识、综合分析与解决问题的能力和开拓创新的精神。该教材是适合该专业人才培养的一门重要的专业主干课程使用的教材。

五、结束语

自2010年出版后,该教材经过本校2个年级本科生课程教学使用,在人才培养中发挥了重要作用。该教材除了被指定为本校“地下水科学专论”课程的使用教材以外,还被一些地学类院校相同或相近专业的课程教学定为教学参考书,同时许多研究生和科技人员也以此书为重要的专业参考书。本教材对读者在拓宽专业知识面、增强专业兴趣、提升科研能力等方面尤有帮助。师生和读者对本教材的评价可以概括为:(1）概念清晰;(2）知识点多;(3）叙述清楚,层次分明;(4）内容丰富、系统和完整;(5）知识新、理论先进;(6）实例典型和新颖;(7）插图经典并富有启发性;(8）极具实用性。该教材除了成为我校地下水科学与工程专业本科专业课程“地下水科学专论”的指定教材以外,许多研究生和校外读者也以此书为重要的专业参考书,其在国内影响正在逐渐扩大。

在过去的几十年里,地下水科学在上述专门领域取得了很大的进展,形成了各自领域的基本知识和理论。《地下水科学专论》教材阐述和介绍这些专门领域的基本知识和理论,有利于构建学生在新时代的专业知识结构,提高学生的专业素养,更加适合用人单位对本专业人才的需要。在未来的岁月里,随着研究方法的丰富和研究课题的深入,地下水科学在上述专门领域的理论知识将会得到不断丰富、完善和发展,随着地下水科学的服务和研究领域的不断扩大和深化,在其他专门领域也会取得丰富的成果,该教材的内容也会得到不断地丰富和完善。

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[4] 周训,金晓媚,梁四海,等.地下水科学专论[M].北京:地质出版社,2010.

Discussion on Textbook of Special Topics on Groundwater Sciences

ZHOU Xun, JIN Xiao-mei, LIANG Si-hai, SHEN Ye, ZHANG Hong-mei
China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Textbook of Special Topics on Groundwater Sciences for undergraduates introduces basic concepts, principles and their application of groundwater sciences in specialty fields, such as remote sensing, isotope, thermal groundwater, subsurface groundwater, mineral spring water, groundwater in coastal zones, groundwater in arid areas and groundwater in cryolithozones.The contents of the textbook are helpful in establishing new structure of specialty knowledge, widening scope of specialty knowledge,and increasing ability of scientific and technological researches.The textbook satisfies the requirements of cultivating professionals in the related specialties and is thought to be an important achievement in construction of the key subject-Hydrology and Water Resources and the unique specialty --Groundwater Science and Engineering and related courses.It has played an important role in the cultivation of professional persons.

courses teaching ; construction of textbooks; groundwater science and engineering; hydrology and water resources

G640

A

1006-9372(2012）02-0103-05

2012-03-10。

周 训,男,教授,主要从事水文地质、环境地质的教学和研究工作。