美國地質調查局環境地質科學現狀、戰略及啟示
美國地質調查局環境地質科學現狀、戰略及啟示
楊建鋒 張翠光
（中國地質調查局發展研究中心，北京 100037）
摘 要：近年來，美國地質調查局（U SG S）極大地拓展了其傳統的基礎地質、礦產地質和水文地質領域，形成了包含氣候與土地利用變化、自然災害、環境健康、水資源、生態（生物）系統等在內的廣義的環境地質領域。本文從觀測、機理研究、評估預測、信息傳播4個方面分析了U SG S環境地質科學研究工作現狀，概括梳理了未來10年在環境地質領域的科學發展戰略，勾勒出其根據國家需求由學科統領向重大問題統領工作格局轉變的發展路線和脈絡。在此基礎上，提出了對我國環境地質調查和研究工作的啟示：根據國家重大需求變化，加強面向生態管理的環境地質基礎研究；加強人-地界面地質過程研究，服務優化國土空間開發格局；夯實地質環境事件快速響應科學基礎，支撐政府應急管理。
關鍵詞：環境地質 水資源 自然災害 生態環境 戰略
黨的「十八大」報告把生態文明放在了前所未有的歷史高度，將其與經濟、政治、文化、社會並列為「五位一體」，形成了中國特色社會主義建設的總體布局 [1] 。
作為社會經濟發展的重要基礎性、先行性工作，地質調查如何服務和支撐生態文明建設，是當前和今後一段時期我國地質工作者需要認真面對和思考的重大課題。成立於1879年的美國地質調查局（USGS）經歷了美國工業化、城市化的各個階段，其使命從最初的找水找礦，幾經變化，調整為目前的為資源、環境和生態管理提供可靠的地球科學信息 [2] 。U SG S在地下水、地質災害、水土污染等環境地質領域科學研究方面做出卓越貢獻的同時，在服務政府、服務社會和促進生態管理方面也進行了成功的探索與實踐，有很多做法值得我們
學習和借鑒。
一、美國地質調查局科學戰略方向與內設機構調整
為響應國家需求和全球發展前沿的變化，U SG S於2007年發布了《直面明日挑戰——美國地質調查局2007～2017年科學戰略》報告。在報告中，USGS提出了今後10年美國地質調查局科學研究的六大戰略方向：提高對生態系統的認知水平，預測生態系統變化，保障國家經濟和環境的未來；氣候易變性與氣候變化，摸清過去，評估後果；美國未來的能源和礦產資源，為資源安全、環境健康、經濟活力和土地管理提供科學基礎；全國災害、風險和復原評估，保障國家長期生命和財產安全；環境和野生生物對人類健康的作用，建立影響公眾健康的風險識別體系；美國水資源調查，定量研究、預測並保障未來的淡水資源安全 [3] 。2009年10月美國科學院院士、著名地球物理學家麥克納特（M cNutt）被任命為美國地質調查局局長，成為USGS成立130年以來的首位女掌門。M cNutt上任後對USGS的科學工作進行了全面評估，發現其現有的管理
結構不利於科學家進行跨學科的科研工作，遂呼籲遊說改革和調整USGS內設管理機構，並得到了眾議院和內政部的支持。M cNutt認為，美國面臨的自然災害、水安全、能源資源需求、疾病控制、氣候變化等重大問題相互關聯、相互交錯，需要多學科、跨領域聯合攻關；U SG S必須適應這一形勢，打破傳統的學科界限，按照重大戰略問題組織開展科學研究工作。基於這一思想，M cNutt對USG S內設機構做了如下調整：撤銷按照傳統學科設置的業務管理機構，面向重大戰略問題，按照戰略方向設立新的業務管理機構；撤銷東部、中部和西部3個地區中心，原有的8個大區中心撤減為阿拉斯加、西北、太平洋等7個大區中心，推進業務扁平化管理；以《直面明日挑戰——美國地質調查局2007～2017年科學戰略》為基礎，按照戰略方向編製科學戰略規劃。
從USGS的科學戰略和機構調整可以看出，服務與支撐生態系統管理是其環境地質科學研究的基本出發點和落腳點。與工業化時期相比，U SG S極大地拓展了
其傳統的基礎地質、礦產地質和水文地質領域，形成了包含氣候與土地利用變化、自然災害、環境健康、水資源、生態（生物）系統等在內的廣義的環境地質領域。這是USGS在度過20世紀90年代中期危機之後，根據國家需求變化主動做出的又一次重大調整。
二、環境地質科學研究現狀
按照M cNutt的改革方案，USGS環境地質科研工作是以重大科學問題為單元進行部署和實施的（表1）。環境地質科學以地質環境與經濟社會的相互作用為研
究對象，通過研究地質環境過去的變化、當前的狀態和未來的趨勢，評估地質環境變化對經濟社會的影響，為資源環境管理決策提供科學依據 [4] 。基於此，USG S環境地質科學研究活動可概括為逐級遞進的4個方面：地質環境觀測、機理研究、評估和預測、信息傳播。
1.地質環境觀測
USG S歷來重視地質環境觀測設施建設和數據積累，觀測內容包括水文要素監測、地震監測、地質災害監測、災後現場數據採集、Landsat連續土地衛星遙感
觀測等。截至2012年，USGS的水文監測網路包括8000個河流水文測量站、22180個地下水觀測井（含1416個實時觀測井）、1900個水質連續監測站、250個降水監測站。自然災害監測網路包括150個全球地震監測站、90個國內地震監測站、5個火山觀測台、14個地磁觀測台、太平洋沿海地區與石山地區15個滑坡監測點等 [5] 。U SG S是Landsat遙感衛星的管理者，對地表要素進行連續觀測，積累形成了世界最長時間序列的連續土地遙感影像數據。通過長期的監測和觀測，USG S積累了大量的基礎數據。例如，地下水資料庫包含有85萬個
觀測井、時間序列最長可達100多年的地下水位觀測數據，為USGS開展科學研究奠定了堅實的基礎。
2.機理研究
USG S對全國、區域、局域等不同尺度的水資源問題開展了大量基礎研究工作。以水資源可利用性為核心，地下水科學研究涉及的問題包括：城市化和市郊化對地下水的影響；海岸帶土地利用和人口增長對地下水的影響；地下水資源的可利用性和可持續性；廢物隔離和污染地下水系統的恢復機理；地下水和地表水相互作用；控制地下水資源和危險有害廢物隔離的水文地質框架調查與研究等 [6] 。USG S的自然災害研究包括風暴引發的海岸過程、地震、地磁暴、滑坡、地面沉降、火山噴發等，地質災害研究主要集中在3個方面：通過野外分析，研究泥石流侵蝕流經通道和向下運移過程；變化的地理、地形、地震和氣候條件下滑坡沉積物活動的條件和活動過程；岩崩對土地的影響過程 [7] 。根據
應對全球變化的需求，開展了地質環境中的碳循環過程研究，包括地質環境CO 2 作用的地球化學過程、地質碳封存與存儲的關鍵問題、影響CO 2 儲存性能的地質控制因素等。2010年，研究提出了地質固碳潛力評估方法，為美國地質固碳潛力評估奠定了基礎 [8] 。
3.評估和預測
基於長期的觀測數據、資料積累和過程機理研究成果，U SG S開發了各種數學模型，預測未來在不同情景下水資源、自然災害、氣候要素等短期和長期的變
化。利用數學模型和預測工具，對以後的地質環境形勢進行了評估，為資源管理、環境保護、生態管護、災害防治等提供決策依據。開發了M ODFLOW 模型，用於模擬、預測地下水與地表水-地下水相互作用過程，得到了國際同行的廣泛認可。PH R EEQC模型用於模擬地下水中溶質化學反應和運移過程，可以評估地下水污染治理效果。用於研究包氣帶水、溶質、熱運移過程的V S2D I模型不僅考慮了非吸附性溶質運移，而且也考慮了溶質與固相之間的吸附、解吸和離子交換過程、溶解和沉澱過程、氧化和還原過程以及一些生物化學過程 [9] 。G SFLOW 模型於模擬和預測降水和複雜流域過程條件下河流非穩定響應過程。與國家海洋與大氣局（NOA A）合作開發了洪水和泥石流早期預警系統，在加利福尼亞州南部8個縣開展了示範應用。
4.信息傳播
USG S積累了海量的地質、水資源、自然災害和土地利用數據，形成了大量經過同行評審的調查報告和研究報告。USGS非常重視信息傳播，在數據、圖件和成果傳播方面形成了全面、實時、高效的服務體系。USGS通過「全國水信息系統」為社會提供了獲取水資源數據的互聯網入口，包括覆蓋全國50個州150萬個地點的河流湖泊流量與水位、地下水位、水質、用水量等數據。
據統計，用戶通過該系統獲取在線水資源實時數據每月高達2000萬次。通過「全國地震系統」，公眾可獲得各個地震監測站的觀測數據。2012年11月，USG S與谷歌開展合作，通過谷歌在線工具（含G oogle Earth）在全球範圍內發布地震、極端惡劣天氣等最新信息，擴大災害信息的傳播範圍。針對不同用戶需要，U SG S將研究成果編製形成了不同類型的產品：面向公眾的公報（簡報）；音像、照片資料庫；地質圖集；水文圖集；公開文件報告；專題論文與報告；科學調查報告；數據集；信息與技術報告；學術論文等。90％以上的研
究報告可以直接從互聯網下載，實現了研究成果的在線共享。
三、環境地質科學發展戰略
2012年，USG S先後發布了其7個戰略領域未來10年的戰略規劃 [10~16] 。USGS在環境地質科學領域的戰略重點如下。
1.擴展和強化地質環境監測網路
U SG S強調，地質環境監測網路是科學研究的基石，所產生的監測數據對於解決重大戰略問題至關重要。對於水文要素觀測，通過3種方式擴展和強化水資
源監測網路。在目前監測站基礎上，設計、建設由聯邦政府資助的全國統一的地表水、地下水、水質監測站組成的全國骨幹網路，並與州、縣及其他聯邦機構運行的監測站網相互配合、相互補充。在重點監測站裝備更加先進的監測設備，增加監測要素和數據參數種類，實現實時傳輸。與NOA A、州縣應急管理部門等用戶合作，針對其需求擴展監測網路，使其滿足更多用戶的需求 [17] 。對於災害要素觀測，通過5項措施擴展和強化地震、滑坡、火山等地質災害監測網路。強化和升級現有監測網路，保障現有監測站點不間斷地產生可靠的監測數據。提高監測信息應用水平，重點監測站點實現實時監測，協調和創新目標災害體多種感測器監測，擴展與其他監測網路的聯繫通道。充分利用先進的監測技術擴大和提高監測範圍與能力，包括擴展獲取、使用地球物理調查數據和遙感數據的途徑，開發攜帶型、智能化、低成本災害監測儀器等。提高災中和
災後現場數據採集水平，及時獲取災害現場短時間可收集的數據。編製地質歷史和人類歷史上的災害目錄，包括古洪水、古滑坡、古地震以及火山爆發歷史等。
2.建立地球表層三維地質框架模型
解決水資源、自然災害、環境健康、氣候變化等重大科學問題，首先需要了解水文過程、災害過程、生態過程、生物地球化學過程等所依存的地球表層地質
體。USG S認為，地球表面的地質信息必須與深部的地質、地球物理和地球化學信息整合在一起，才能準確地描述地球表層的地質體。
對於水資源研究，目標是建立不同尺度的3D/4D水文地質框架模型。3D 框架模型在2D 模型的基礎上將體積和深度變數耦合進去。垂向上的範圍，上限是岩石圈表面，下限是深部含水層的底板。與地質框架相對應的水文地質性質可能會隨時間發生變化。例如，在頁岩氣開發過程中，由於水力壓裂導致的深層岩石斷裂，勢必會影響深層地下水循環的深度。對於這種情形，需要建立4D水文地質框架模型。
對於地質災害研究，目標是建立地球表層框架，包括地質、水文和生態框架。針對海岸侵蝕、地震、海嘯、火山等災害，加強基岩地質填圖、陸地和洋底形態填圖等基礎工作。為了精細刻畫地球3D 結構，需擴大航空磁力調查和重力調查覆蓋範圍。為了加快災害過程研究，還需要加強植被、土壤及地表地質體工程地質性質、土地利用等地表覆蓋物的調查。意識到地質框架模型是其核心生命力所在，USGS在核心科學體系戰略中提出了宏偉的地球表層框架遠景目標：將數據、方法、模型組織到相應的時空框架之中，形成一個模塊式整體，為資源管理、環境保護和防災減災提供全方位支撐（圖2）。
3.加強變化環境下水資源研究與預測
定量研究、預測和保障未來美國的淡水資源安全是U SG S水資源科學戰略的目標。圍繞這一目標，首先需要推進決定水資源可利用性的過程機理研究，包括
地質框架、氣候變化和人類活動。利用歷史數據，開展多時空尺度下氣候變化對水資源可獲得性的影響研究，查明水資源對長期氣候變化的響應。系統研究農業發展、城市化、能源與礦產資源開發、廢物處置等人類活動與水資源系統的相互作用過程。考慮經濟社會和生態系統對水資源的需求，通過研發定量化模型，研究和預測不同氣候、人口、土地利用和管理情景下的水系統變化及水資源數量和質量的變化。開展鹹水、劣質水、再生水等可替代性水資源的可利用性研究，預測其開發利用對環境的潛在影響。
4.加強自然災害機理研究
為了提高災害評估的質量和預警的及時性，USGS明確要大力加強災害機理研究。推進自然災害啟動過程的靶向性研究，包括災害事件的啟動、持續時間、類型和規模的控制因素等；利用第四紀地質、冰芯分析等手段開展極端災害事件研究，確定極端災害發生機制和影響因素，推斷髮生極端災害的高風險區域；促進自然災害脆弱性和風險評估研究，包括如何將機理研究成果轉化為脆弱性和風險分析信息，如何評估災害事件的環境、經濟和社會後果，如何將災害脆弱性和風險信息有效地傳達給有關部門以採取適當行動；加強災害過程中的流體研究，包括岩漿系統和火山過程中多相流體的作用，火山、地震、滑坡和地面沉降相關的地下水文過程，斷層流體在啟動地震中作用，風化碎屑流和火山碎屑流的坡面流動過程；開展多種自然災害鏈的誘發和作用機制研究。
5.加強環境污染物對環境健康影響研究
USG S認為，自然環境、生物環境健康與人類健康不可避免地相互聯繫在一起，並受人類活動、生態過程和地質過程的影響。在這一思想的指導下，U SG S確定要加強環境污染物對環境健康的影響研究。重點包括：識別、探測引發環境健康的污染物，對有機污染物、化學合成物、碲、鎵、稀土元素等致病污染物進行調查和監測，確定其引發環境健康問題的閾值和風險；系統調查環境污染物的來源、發生、遷移和歸宿，評估污染物對環境、生物和人類健康的威脅程度，確定人類暴露在污染物中的健康標準；探明人類暴露於污染物的複雜作用和耦合效應，識別環境疾病和致病因子，開展致病污染物的毒理學研究；開展自然因子和人類活動誘發的災難可能產生的環境影響與健康威脅研究，建立災難誘發環境健康風險多學科快速評估機制，研究提出識別未來災難誘發環境健康問題的方法。
6.加強全球變化的地質過程研究
2008年美國國會批准U SG S成立了全國氣候變化與野生動物科學中心，承擔氣候變化對美國水、土及其他自然資源和人文資源的影響研究任務。按照規劃，根據全球變化研究的需要，在環境地質方面重點開展兩方面的研究工作。一方面是開展全球碳循環研究，包括研發地質碳封存潛力評估方法和地質碳儲存脆弱性評估方法，開展石油、天然氣礦床和滲透性地質體注入液體CO 2 的地質、水文和地球化學過程研究，定期開展全國碳封存潛力和碳儲存脆弱性評估，開展碳封存評估與監測方法技術研究，開展土壤、沉積物和農田碳儲存過程機理研究，開展水分遷移和沉積物搬移過程的碳流研究等。另一方面是開展海平面上升和氣候變化對海岸帶的影響研究，包括海平面上升對海岸帶影響過程，不同情景下海平面上升引發的海岸帶後退、土地流失預測模型，淡水排泄、沉積物和營養物質流入對海岸帶的影響等。
7.加強能源資源及其開發利用廢棄物的環境效應研究
提升對能源與礦產資源及其開發利用廢棄物的環境效應的認知，是U SG S能源與礦產資源科學戰略的重要目標之一。重點包括：開展與能源、礦產資源開發
過程中的碳源與碳匯調查，包括石灰岩開發中的CO 2 排放、地熱水開發中的CO 2 排放、頁岩氣開發中的甲烷泄漏等；開展閉坑礦山和正在運營的礦山礦產資源開發對自然景觀的影響過程研究；開展氣候變化對礦產資源環境背景和廢棄物環境行為的影響研究；對能源與礦產資源生產和加工過程中產生的廢棄物特徵進行研究；開展廢棄物深部地質處置研究，包括鈾污染地下水、油氣開發產生的高鹽水和劣質水等；開展頁岩氣開發水力壓裂技術、油頁岩現場轉化技術、天然氣水合物開發技術等資源開發新技術的環境地球化學研究；研發與資源相關的地質環境模型。
8.建立完善地質環境緊急事件快速響應體系
針對突發性的災害事件和環境事件，USGS規劃繼續完善和加強其快速響應體系。對於與水相關的突發性事件，主要包括：通過數據和信息綜合分析，識別當前和今後社區面臨的水相關災害威脅，包括洪水、河岸與海岸侵蝕、乾旱、泥石流與碎屑流、火山泥流等；開發和部署觀測系統，識別和跟蹤水文災害，在極端水文事件期間制定可操作性方案；通過缺水導致衝突的條件研究，為社區提供衝突發生時的科學解決預案；針對水質退化問題，開發決策支持工具，為管理者應對石油泄漏、有毒水藻暴發、有毒物質污染水源等突發性水質問題提供支撐。對於突發性地質災害，主要包括：開發下一代災害探測與響應工具；提高數據採集和傳輸系統性能，例如提升監測設備的可靠性和準確性，擴充網路提高數據的時空密度等；實施並保障關鍵監測設施24小時×7天不間斷運行；提高災害事件發生期間科學技能的應用水平；提高國內災害協作應對水平；對災害預警和響應產品進行嚴格評估。
四、對我國的啟示
1.根據國家重大需求變化，加強面向生態管理的環境地質基礎研究
USGS 130年的發展歷史表明，地質調查戰略重點必須根據國家需求的變化進行及時調整，才能持久地保持旺盛的生命力。黨的「十八大」提出的全面建成小康社會的目標，對地質調查工作提出了新的更高要求。地質調查工作必須準確把握國家重大需求，與時俱進。
推進工業化、信息化、城鎮化和農業現代化同步發展，意味著我國對能源和礦產資源的需求將繼續保持高位增長，服務和支撐找礦突破仍然是地質調查工作
的重要任務。大量實例告訴我們，一個地區找到豐裕的礦產資源，不一定會帶來經濟的快速健康發展，甚至可能陷入「資源詛咒」而停滯不前 [18] ，部分原因是資源開發造成了嚴重的環境破壞。對於找礦地質調查工作，亦應資源與環境並重，加強資源的環境作用調查與評估，在提供礦產地資源評估報告的同時，也應提供礦產地環境作用評估報告。
把生態文明建設放在更加突出的位置，意味著服務和支撐生態管理成為地質調查工作的又一項重要任務。自然營力和人類活動雙重作用下的地質環境變化，
是長期的、緩慢的、漸進的、隱蔽的地質過程與突發的、快速的、災難性的、不可逆轉的地質過程共同作用的結果。地質調查既要重視顯而易見的地質災害和地質環境問題，更要重視發生在地質環境中的地質過程、水文過程和生態過程。因此，地質環境調查首先需要擴展和強化地質環境監測，形成覆蓋範圍廣、控制程度高、測量精度高的地質環境監測網路。其次，應加強重要經濟區、城市群、海岸帶、地質災害易發區等重點地區中大比例尺地質環境調查，建立三維地質框架模型。針對地下水資源、地質災害、水土污染、地熱等科
學問題開展機理研究，建立數學模型，加強預測預警系統研發。
實施創新驅動發展戰略，意味著我國把科技創新擺在國家發展全局的核心位置，在創新和推動環保技術應用與產業化方面地質調查工作應有所作為。水土
污染生物修復技術、二氧化碳地質封存技術、工業廢物地質填埋技術、廢液深部地層注入技術、頁岩氣開發環境保護技術等地質環境保護或整治技術有著廣闊的應用前景，產業化潛力巨大。
2.加強人-地界面地質過程研究，服務優化國土空間開發格局
人-地界面是地質環境與人類活動相互作用最直接、最顯著的地球表層部分。USG S認識到這一圈層對於調節自然生境、維持社會經濟資源供給至關重要，將之列入核心科學體系研究的關鍵靶區，稱之為關鍵帶或臨界帶 [19] 。隨著我國優化國土空間開發格局的深入推進和國土綜合整治需求的日益強烈，亟需加強關鍵帶地質過程的研究。加強土壤地質過程研究，在土壤地球化學背景調查的基礎上，開展土壤中污染物遷移過程研究，服務於農業種植結構優化調整。向土地利用調查與研究領域拓展，加強土地利用與地質環境相互作用研究，服務於土地利用規劃編製。加強包氣帶地質調查，開展包氣帶水、鹽、污染物遷移變化過程研究。開展地質環境與社會經濟系統之間的物質流和能量流調查與分析，揭示區域經濟發展對地質環境的影響機制。加強城市地質調查，開展城鎮化對地質環境變化的驅動過程研究。加強礦山地質環境調查與監測，開展能源和礦產資源開發對地質環境的影響機制研究，特別是新能源開發和資源開發新技術對地質環境的影響。加強原生地質環境問題和次生地質環境問題調查，開展化學物質、污染物遷移轉化過程與地方病及新發疾病空間布局的關係研究。關鍵帶地質過程研究，需要地質學、地理學、土壤學、水文學、生態學進行交叉滲透、聯合攻關。
3.夯實地質環境事件快速響應科學基礎，支撐政府應急管理
及時、準確、可靠的科學信息是政府啟動和實施突發性地質環境事件應急管理的基礎。開展突發性環境事件和自然災害監測、科學研究和預警技術研發，是USGS根據政府需求提出的重要戰略任務之一。近年來，我國在突發性地質災害快速響應體系建設方面取得了顯著進展，但是在地質環境事件快速響應基礎研
究方面還很薄弱，亟待加強。通過梳理分析過去地質環境事件，研究地質環境事件的時空分布規律和發生機制，提升地質環境事件識別能力，提出啟動快速響應的條件。建立完善氣象、水文、地下水、地質災害等監測點組成的地質環境監測網路，研判主要地質環境要素變化趨勢和發生地質災害的可能性，提高突發性地質災害預警能力。應對石油泄漏、有毒物質污染、自然災害誘發的飲用水源水質退化事件，建立完善合作快速響應機制，推進信息共享，協同行動。加強災中和災後現場數據採集，及時獲取災害現場短時間可收集的數據，為編製災害治理方案提供科學依據。
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