船舶电力推进在国内外的现状及前景

船舶电力推进系统的现状与未来内容提要

�6�1 引言

�6�1 历史——回顾船舶电力推进的发展

�6�1 现状——船舶电力推进的主要形式

�6�1 未来——全电船的提出与发展

�6�1 新能源船舶与我们的研究工作

�6�1 结束语

1. 引言

�6�1 发展背景

�6�1 问题与挑战

研究背景

自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来，以热机（比如：柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为目前船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。

问题与挑战

（1）船舶内燃机机械推进系统仍存在噪音大、调速范围小和灵活性差等问题难以解决。

与机械推进系统相比，采用电动机直接驱动螺旋桨的船舶电力推进系统则具有调速范围广、驱动力矩大、易于正反转、体积小布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点。

（2）特别是近年来，随着电力电子器件、变流技术、传动控制系统以及新能源和新材料等高新技术的飞速发展，船舶电力推进系统正在经历着巨大变革。

而船舶电力推进系统作为大功率电力传动控制系统的重要应用领域之一，却由于其专业的特殊性未得到应有的关注和重视，致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差距更加明显。

（3）随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，人们必须在石油没有用完的约60年时间内找到新的能源及其动力装置。

这是人类在进入21世纪所面临的巨大问题和挑战之一，因此，人们一直在努力寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。

本文试图从系统结构、变流模式、控制方法和电力电子器件的应用等方面综述船舶电力推进系统的历史、现状与发展，并在此基础上，根据作者多次参加国际合作和交流的体会，提出了船舶电力推进系统未来发展中值得重视的一些问题，以便同行研究借鉴，并希望有更多的学者关注和投身到电力电子与传动控制这一新的研究领域中来。

2. 历史——回顾船舶电力推进的发展

�6�1 船舶电力推进的历史可以追溯到1860年，世界上第一艘以蓄电池为动力，电动机直

接驱动的电力推进潜水艇投入使用。

�6�1 进入20世纪，大部分潜水艇都采用电力推进方式。常规潜水艇在水面航行时由柴油机—发电机组给蓄电池充电，并向电动机供电驱动船舶；在水下航行时由蓄电池供电，电动机驱动船舶。核潜艇则采用原子能发电，电动机驱动的推进方式。

20世纪20年代，美国建造的6艘Mexico级战舰（40000HP）和2艘航空母舰（180000 HP）都采用了汽轮机—发电机—电动机驱动模式的电力推进系统。

在第二次世界大战期间，仅美国就建造了300多艘采用柴油机—发电机—电动机驱动模式的战舰和运输舰。

此后，在破冰船、科学考察船以及其他特殊用途船舶上也陆续装备了电力推进系统。在此期间的船舶电力推进系统一般采用Ward-Leonard直流调速系统，即G-M系统。

�6�1 70年代晶闸管变流装置取代了Ward-Leonard变流装置，成为船舶电力推进系统的主要调速方法。

自80年代以来，随着电力电子器件的不断进步，采用可关断半导体开关的交流调速系统正在逐步取代晶闸管直流调速系统，成为目前船舶电力推进系统的主要调速方式。

�6�1 在这期间，80年代的电力推进系统采用交—直—交变频器供电，感应电动机或同步电动机驱动的交流调速方式，90年代开始采用交—交变频器供电，同步电动机驱动的交流调速方式。

历史的启示

从船舶电力推进系统发展的历史轨迹可以看出，其每一次进步和突破都与电力电子技术与传动控制系统的发展基本同步和密切相关。

但由于船舶电力推进系统大多用于军事或特殊场合（虽然目前在大型渡轮和豪华客轮中有所应用），因此，这一重要的应用领域并不被广大从事电力电子与传动控制研究的学者所熟悉。

3. 现状——舰船电力推进的主要形式

�6�1 系统结构

�6�1 驱动模式

�6�1 调速方法

�6�1 控制策略

�6�1 系统举例

3.1 系统结构

船舶电力推进的基本结构：

电动机拖动螺旋桨

�6�1 使用高速不可逆的热力发动机，降低了船舶动力装置的重量和体积；

�6�1 可以方便的通过发电机连接获得所需的大容量供电，并提高了系统可靠性；

�6�1 允许选用船舶推进器的最佳转速和直径，缩短了连接轴的长度；

�6�1 在中、低速航行时和船舶经常停止开航时，有较高的经济性能；

可以获得所需的推进电机机械特性，满足不同航行条件要求；

�6�1 控制简单、机动性好；

�6�1 可以消除推进螺旋桨对热力发动机的振动和冲击。

3.2 驱动模式

�6�1 船舶电力推进系统分类

�6�1 多台电动机联合拖动方式

船舶电力推进系统分类

（1）变速电动机拖动定距螺旋桨（FPP）驱动模式，

（2）定速电动机拖动变距螺旋桨（CPP）驱动模式，

并根据船舶驱动所需的功率可选择一台电动机单独拖动或多台电动机联合拖动的方案。

多台电动机联合拖动方式又可分为串联驱动模式或并联驱动模式。

（a）为单桨双机串联驱动模式；

（b）为单桨双机并联驱动模式；

（c）为双桨双机串联驱动模式；

（d）为双桨双机并联驱动模式。

几种船舶电力推进模式这种分散驱动新模式的优点在于：

�6�1 推进器360°旋转，可以在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，极大地提高了船舶的操纵性和机动性；

�6�1 减少驱动系统（电动机和变流器）的单机容量；

�6�1 去除了尾轴、减速器和舵机等，简化安装和节省船舱空间，使船体设计和空间布置灵活；

�6�1 降低船舶振动和噪音；

�6�1 减少船体阻力5-10%，提高运输效率15%（包括：提高航速、降低油耗和减少造价）。

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国外已有多家工程设计公司致力于带式输送机设计系统的研究，并开发出各具特色的满足不同应用要求的设计系统。

美国 CDI 公司主要从事带式输送机的设计和咨询工作，在国际输送机设计领域处于领先地位，主要业务范围包括机械设计、水平曲线设计、动态分析和控制系统设计、设备调试及试运行等等。

澳大利亚的 Helix Technologies Pty Ltd 专门从事工程软件开发，已开发出一系列工程管理、投资分析的软件系统，如输送机设计、管道网络分析、泵的选型和 V 型输送带/链的驱动设计等。

二、国内带式输送机技术研究现状

近二十年来，我国带式输送机有了很大的发展，对带式输送机的关键技术研究和新产品开发都取得了可喜的成果。输送机产品系列不断增多，开发了大倾角、长距离新型带式输送机系列产品，并对带式输送机的关键技术及其主要部件进行了理论研究和产品开发，应用动态分析技术和中间驱动与智能化控制等技术，成功研制了多种软启动和制动装置及以 PLC 为核心的可编程电控装置。

目前，国内多所科研机构在进行带式输送机的研究，例如对托辊运行阻力随带速变化进行的实验研究，用于带式输送机设计和动态分析，分析转弯部分的导向力和阻力，得出转弯段输送带运行的阻力计算方法，采用离散模型建立系统的动力学方程，开发平面转弯带式输送机动态分析系统；以及在带式输送机纵向振动理论与横向振动理论的基础上，提出了带式输送机的动态设计方法以及该方法与计算机技术相结合的设计决策支持系统。

随着研究工作不断深入，带式输送机动力学性能研究积累了大量的宝贵经验和资料，利用新的设计手段研究带式输送机动力学模型的时机已经成熟。带式输送机的技术关键是动态设计与监测，它是制约大型带式输送机发展的核心技术。

1.3.1.1 深断裂与成矿

前苏联的M.A.法沃尔斯卡娅、И.H.托姆松和美国J.库廷纳等强调线性构造带和深断裂对成矿的重要控制作用［38］。主要是一些区域性的线性构造，包括深断裂或深部构造在地表的反映，组成区域性的聚矿构造带，具有全球性和深成性等特点，是地壳上一个高渗透带，多呈经向或纬向分布。这些深断裂不受大地构造单元的限制，可以穿切不同的大地构造单元，甚至在海上和陆上联成统一的构造体系。

聚矿构造带的主要标志是发育深断裂带、岩浆杂岩带。沿聚矿构造带伴随多期次的岩浆活动，构成一些岩浆杂岩活动中心和矿化中心，由于构造带每次活动下切深度不同，因而成岩成矿特点也有不同。

区域上主要的内生矿化特别是组分复杂的大型、特大型矿床，都集中在聚矿构造带与其他线性构造的交汇处，尤其是不同级别、期次断裂构造的交叉点上，是矿带中矿结、矿田有利分布区。

J.库廷纳对美国西部内生矿产研究表明：西太平洋底有一些纬向深断裂延伸到大陆基底，其中重要的是门多西诺（Mendocino）、默里（Murray）及先锋（Pioneer）深断裂，它们与其他方向线性构造的交叉点是铜、铅锌矿的产出部位［39］。E.拉德克维奇、И.H.托姆松和M.A.法沃尔斯卡娅等对苏联外贝加尔和远东多金属矿带的研究表明，基底构造中的隐伏断裂在上部构造层中表现为密集的线性裂隙带，一些大矿集中在聚矿构造带与NE、NW、SN三个方向断裂的交叉点上［40］。据И.H.托姆松的资料［41］，美国西部几个重要成矿带，大矿也集中在NE向与纬向构造的交叉点上。在南美安第斯山有五个聚矿构造带，控制着秘鲁、智利、玻利维亚和阿根廷境内的铜、锡和稀有金属矿床。

1.3.1.2 板块构造与成矿

国外对于巨型构造与成矿作用的研究，目前最流行的是板块构造与成矿［42］。以H.A.Hess、A.H.Mitchell、R.H.Sillitoe为代表，提出了全新的板块成矿理论体系［43～51］。这一成矿理论体系，能较好地解释了山东胶东金矿主要成矿动热地质背景，也就是太平洋板块运动对欧亚大陆中生代地质变革与演化起着极其重要的作用。

（1）太平洋板块运动对中国东部地体的影响

太平洋板块运动对中国东部地质构造演化的影响深远。上田诚也［52］研究提出主要有三个阶段的演化（S.Uyeda，and A.Miyashiro，1974）：早期阶段约120 Ma，大洋中脊正靠近亚洲大陆；第二阶段90 Ma，洋脊紧靠大陆，库拉板块俯冲，大陆板块厚度减薄，火山活动增强；第三阶段约40 Ma，洋脊俯冲在大陆板块之下，厚度减薄，大陆板块靠近海一侧破碎移动，日本岛弧形成。总之，太平洋板块由东南向北西向欧亚大陆俯冲。中国东部处于压扭性应力场环境，上部地壳以左旋平移构造为主。太平洋中脊逐渐靠近大陆，以较大的角度向日本岛俯冲，出现三波川高压低温变质带［53，54］，日本岛火山活动加强。北部为库拉板块，南部为太平洋板块，由于太平洋内有两条扩张脊，南部没有消减带，迫使库拉板块高速度消减于亚洲大陆之下，温度升高，地幔物质融熔并上涌，大量花岗岩侵位。这时板块运动受到来自大陆北西向的对抗挤压，致使出现了NE-NNE向压性左旋平移构造体系；在郯庐断裂带以东地区有向北平移的现象，太平洋板块俯冲在中国东部大陆地壳下（120 Ma）。

与板块活动相应的地质构造特征，以NE-NNE向压扭性左旋剪切断裂为主体。在中国东部出现一系列大陆隆起、坳陷和左行平移带。规模巨大的郯庐断裂东侧发育着北东向褶皱和断裂，它们以北东向为主，和郯庐大断裂以小角度斜交，包括三山岛断裂、焦家断裂、招平断裂等，这些断裂具有控、容矿构造之特征［55］。

（2）板块运动与成矿作用

鲍曼（Boman，1987）提出板块运动演化与成矿作用主要有四个阶段［42］：早期地拱-裂谷阶段，主要形成超镁铁质岩、暗色岩、深源岩石及有关矿产，如金伯利岩金刚石矿，金-铀、铅锌矿床等。第二阶段，大洋中脊及大洋板块扩张阶段，形成大洋拉斑玄武岩建造、蛇绿岩套，相伴矿产有塞浦路斯型块状硫化物矿床，“黑烟囱”钼-锌矿床。第三阶段，俯冲消亡阶段，大洋板块消亡于大陆壳下，大陆板块增生，洋壳及地幔楔在大陆下部分熔融，发育巨大规模构造-岩浆带，伴生有重要的金属矿产，有铜、金、钼、铅、锌等。第四阶段，地壳固结成稳定地块阶段，这个时期会出现隆起和坳陷相间格局，该阶段存在时间可能较短；由于地幔物质上涌，地拱-裂谷作用再次活化，又回到裂谷作用阶段。

（3）大陆内部热点成矿作用

大陆内部热点及其附近的火山作用和深成岩浆活动，通常以富含碱质并具有环形构造发育为其特点，喷出岩以流纹岩为主，含少量粗面岩，有时尚见玄武岩，侵入岩有碳酸盐岩、过碱性花岗岩、不饱和碱性岩。据Burke和Dewey［43］的研究，在大陆裂谷发育之前，地幔柱的上部有不少非造山型花岗岩体侵位。Sillitoe［49～51］指出，有些锡矿床的形成与该类花岗岩有关。广泛被引用的实例是尼日利亚约斯高原的锡矿。在巴西与地幔热点有关的含锡花岗岩产于朗多尼亚的花岗岩体中。据普里姆（Priem）等研究，它们均属产于稳定克拉通内部的非造山岩体。

（4）大陆裂谷及拗拉槽的成矿作用

裂谷是地球表面的重要构造现象，它是在引张背景下形成的断陷带，由于地幔上隆而形成主动型裂谷，也可由于应力场中的不均衡拉张形成被动型裂谷。沙茨基（1947）曾注意到，苏联许多地堑的端部常呈高角度与造山带衔接。Burke&Dewey［43］认为，许多元古宙和显生宙的地堑，与东非裂谷系有着相似的成因，它们是未能发育成洋盆的夭折裂谷。裂谷带不仅有独特的岩浆岩组合和沉积建造，而且还赋存特殊的矿产，较重要的类型有：①碳酸盐岩中的矿化；②碱性杂岩中的矿化；③含Cr-Ni-Pt-Cu矿化的裂谷带基性、超基性岩体；④斑岩型钼及铜-钼矿床；⑤层控的铜矿床；⑥层控银-铅-锌矿床。

1.3.1.3 走滑断裂与成矿

众所周知，走滑断裂是标志大陆地壳水平运动最好的典型构造之一。自1913年Reid等提出走向滑动断层以来，对于走滑断裂在地壳表层的变形和动力学研究已趋完美，例如表示走滑断裂的构造型式的雁列褶皱、拉分盆地，表现纯剪和简单剪切的断裂系统等。20世纪80年代以来，随着岩石圈动力学GGT大断面研究成果的积累，使走滑断裂在地壳深层次图像及其动力学方面的研究成为可能，并提出著名圣安得烈斯走滑断裂底部可能是一拆离带［56，57］，与之有关的矿床有铅锌矿、铜矿和银金矿。中国东部GGT地学断面的成果也支持了与郯庐断裂带相连东侧存在多层低角度拆离带的认识［7，58］，与郯庐断裂带呈“入”字型相交的次级构造是金矿赋集的场所，而在其内部与同构造期相伴的岩浆-火山活动则发育有铜、铅锌矿化，它与走滑断裂的成生具有一定的联系。沂沭断裂带与胶西北地区多级“入”字型NNE-NE向构造的交汇部位，构成了胶西北大型、特大型金矿富集区多级构造控矿格局。

钻探技术起源于我国,后至海外。17～18世纪,欧洲工业革命促进了钻探技术的发展。18世纪中叶出现了人力推动的岩心钻机和天然金刚石钻头19世纪末出现了蒸汽动力驱动、人力给进的钻机20世纪初出现了螺旋给进钻机20世纪30～40年代,液压技术开始用于钻进给进系统20世纪60～70年代出现了全液压驱动和控制的动力头式钻机,从而开辟了岩心钻探的新天地。

在岩石破碎磨料方面,从1862年天然金刚石取心钻头问世以来,1899年铁砂(钢粒)钻进被发明,1916年硬质合金开始用于钻探1954年世界第一颗人造金刚石制造成功,并用于制造金刚石钻头。钻探经历了从天然金刚石表镶钻头到钢粒钻头、硬质合金钻头和人造金刚石孕镶钻头时代,至今进入了人造复合超硬材料钻探时代。

人造金刚石等新材料和机械电子等新技术在钻探中的大量应用,进一步推动了世界钻探技术的发展。如1990年苏联在科拉半岛完成了12262m深的科学钻探孔,创岩心钻探世界最深纪录1988年加拿大在南非金矿完成了5423m深的小直径地质岩心钻孔,创小口径绳索取心钻探世界纪录2012年日本用“地球”号勘探船分别在宫城县近海(水深6883.5m)和青森县八户市近海(水深1180m)钻成了7740m深水钻探孔及海底进尺2132m的钻探孔,创世界纪录1980年意大利在拉德瑞罗钻成4092m深的地热井,最高井温达500℃日本在葛根田钻成3729m深的井温500℃地热井美国和丹麦在卡塔尔AIShaheen油田海上钻成了12289.57m深的石油勘探井2012年俄罗斯在萨哈林岛创造了12376m深的石油勘探井世界纪录。国外钻孔(井)深度纪录见表1-1,金刚石绳索取心孔深纪录见表1-2。

在定向钻探技术方面,首先是美国和苏联于20世纪初开始把孔底动力马达(涡轮钻、螺杆钻、电钻)用于石油钻井,固体矿产定向钻探技术到20世纪30年代以后才开始起步。近百年来,定向钻探技术的发展经历了4个阶段:20世纪50年代以前凭经验钻探,称之为“摸着钻”阶段50年代至80年代初开始采用多种力学模型及计算机辅助设计,钻探进入“算着钻”阶段80年代至90年代采用随钻测量技术(MWD)显示钻孔轨迹及钻进参数,称之“看着钻”阶段80年代后期至20世纪末,可实现不起钻遥控孔底钻具组合及方向,精确控制钻孔轨迹,称为“变着钻”阶段21世纪,随着现代科技的进步,开始向钻孔(井)轨迹自动控制方向发展,进入“自动钻”阶段。

表1-1 国外钻探孔(井)深纪录概况

表1-2 国外部分金刚石绳索取心钻探纪录概况

近年来,定向钻进技术在油气田勘探和开发、固体矿产勘探方面获得了巨大进步。如BP公司1999年在英国 WytchFarm油田完成的大位移井——1M-16SPZ井,水平位移达10728m,创世界纪录挪威国家石油海德罗公司2008年在北海Gullfaks油田完成的世界最深海上丛式产油井——Gulltopp井(井深9910m),丛式井口数量最多:在海上平台有96口,人工岛上有170口。

钻探技术不仅在陆地、海洋、南北极硕果累累,而且在宇宙探测中也取得了长足进步。如美国“好奇号”火星探测器(图1-1)于2013年在火星表面钻成了一个直径1.52cm、深约6.35cm的孔,并采取了火星表层岩样(图1-2)。

图1-1 “好奇号”火星探测车

图1-2 “好奇号”所钻的钻孔及岩心

国际油气与固体矿产资源领域最重要的发展趋势就是全球资源一体化、市场一体化。因此，在能源战略甚至是国家发展战略中，必须把开发利用海外资源作为核心内容，建立相应的信息库、决策方法库和动态分析模型。

很多发达国家、石油跨国公司和国际组织，以及一些有影响力的研究机构，很早就已经认识到建立全球资源开发利用的数据库和决策支持系统的重要性。比如埃克森公司、道达尔公司和壳牌公司都具有这些数据库和风险管理系统。其中，埃克森公司的全球油气系统最为著名。这些数据库和评价技术在公司范围内，是核心技术和资源，不会与别的公司和国家共享。同时，有许多权威的国际咨询公司开发出了类似的数据库和风险管理体系，比如著名的IH S公司就具有非常详细的数据库，对外服务中价值极高。

国外一些著名的研究机构或政府部门，如：国际能源署（IEA）、国际应用系统分析研究所（IIASA）、美国能源部（DOE/U.S.），已经建立了旨在辅助决策的能源系统。最具代表性的能源模型是美国能源部开发的国家能源模型系统（NEMS）和国际应用系统分析研究所与世界能源委员会（WEC）合作开发的IIASA-WECE3模型。

NEM S模型是美国EIA/DOE（美国能源部能源信息署，简称EIA）于1993年开发的能源经济区域决策支持模型，目的是通过模拟美国及国际能源市场来规划能源、经济、环境、安全因素对美国能源消费、价格、安全的影响，为决策者制定国家能源发展战略和规划提供必要的决策信息支持，其中最重要的模块就是石油和天然气的全球生产、消费、资源、贸易和价格运行的动态模型。依赖此模型，可以规避国际石油市场的价格风险，规避海外油气进口的供应风险，规避本国能源消费的需求风险。

ⅡASA-WEC E3模型是ⅡASA和WEC于20世纪90年代开发的基于动态线性规划的能源－经济－环境决策支持模型，它是以连续的、相互独立的情景分析方式，研究受不确定性因素影响的未来社会、能源消费和技术发展的一系列可能的状况，从而为决策者制定能源长期和短期规划提供信息支持。

国内已经意识到海外开发需要现代化的风险管理技术的支撑，但是目前只有一些分散的研究，尚未从国家层面上系统地规划和协调实施，更没有形成支持企业海外投资决策的系统。

国内的石油公司，特别是中国石油天然气集团的国际油气勘探开发业务已经有10多年的历史。在这方面积累了大量数据和信息，也开展了大量的研究。例如，在资源方面，中国石油天然气集团经济技术研究院具有世界盆地数据库和最近开发的区块图集，对海外投资环境，特别是法律法规、合同模式、条款数据和投资信息的基本数据和信息，有一定的积累；中国石油天然气勘探开发公司（CNODC）海外中心具有许多国家的项目资料和一线的实践者。但是还没有系统地建立针对海外资源开发利用的风险管理系统。相比之下，中小石油公司，特别是民营石油公司十分缺乏系列的数据和信息支持，更没有辅助的风险管理系统。

在全球矿产资源利用方面，发达国家的政府机构和许多跨国公司都定期地进行全球矿产资源分布及潜力分析，一方面将其作为制定国家资源安全战略的重要依据，通过调整资源规划和政策，以应对资源供应的风险；另一方面为国家制定资源勘探开发战略、优选有利区块、确定投资方向提供依据，为正确决策，减少失误提供可靠保障。

美国地质调查局（USGS）矿产资源开发利用的目标是促进环境、资源和经济因素一体化，把项目部署与国家和公民的需要紧密结合起来，更好地为社会发展与经济建设服务。矿产资源的研究内容主要有4个方向：一是矿产资源的支撑能力和社会需要，维护相关数据库，研究矿床评价和分析方法、成矿作用、金属矿产和成矿环境；二是矿业经济和国家政策，调查矿产品信息（矿产品概要、矿业调查、矿产年鉴和国际矿业等），为国家公园、森林和土地资源管理提供矿产资源、地球化学和地球物理资料；三是矿业环境和公众健康，研究废弃矿产地、地球化学和地球物理背景，评价地质环境；四是矿产技术方法和资料发送，进行矿产相关数据库和信息资料更新。

涡轮钻具是一种井底水力发动机。里面装有若干级涡轮（定子和转子），定子使液体以一定的方向和速度冲动转子，而转子将液体动能转变成带动钻头旋转破碎地层的机械能。

涡轮钻具技术最早出现在美国，1873年，C.G.Gross在美国第一次提出了涡轮钻具的概念，随后，德国的Max Blumerreich和M.C.Baker对C.G.Gross的钻具进行了大量的改进工作，翻开了涡轮钻井的新篇章。

20世纪50年代以前，前苏联、美国、法国都开展了涡轮钻具的研制和开发，并有部分产品在钻井现场得到了应用。50年代到70年代，美国放弃了涡沦钻具的研究，而前苏联则大力发展涡轮钻具，涡轮钻井逐渐成为前苏联基本的钻井方法，井下动力钻具（主要是涡轮钻具）的年进尺量达到总进尺量的80%。法国则研制出能耐170℃高温的Neyrfor涡轮钻具成为市场上功率最大的涡轮钻具，其转速和扭矩参数能够较好地与PDC钻头匹配。20世纪80年代，由于适合石油钻井应用的螺杆钻具的研制成功，西方国家的涡轮钻具的发展有所放慢，但研究一直在进行。90年代以来，由于油气勘探的深度和难度不断加大，涡轮钻具在深井方面的独特优势，使得国外的涡轮钻井技术发展迅速，涡轮钻具越来越受到石油钻井界的重视，这段时间，涡轮钻井方法仍然是独联体国家钻井的最主要的手段，欧洲和中东地区的涡轮钻井也快速发展，一向不太重视涡轮钻井技术的美国也大力发展涡轮钻具，并且和俄罗斯一起成为当今世界涡轮钻具技术最发达的两个国家。

纵观涡轮钻具的发展过程，其研究工作主要是从两个方面展开：一是开展涡轮钻具本身技术研究，即是通过结构设计、材料选择与处理、关键部件优化等方面，提高涡轮钻具的寿命、功率、可靠性等性能指标；另一方面，涡轮钻具的匹配技术研究，即按照不同类型钻头的工作钻速与扭矩匹配要求，开展不同类型的涡轮钻具研究，以克服涡轮钻具的缺点，最大程度发挥其适用性。

目前，西方国家、独联体国家、中东和中国等国家地区是应用涡轮钻具和涡轮钻井技术的热点地区。涡轮钻具的更新和发展与钻井工艺、其他辅助设备的技术进步密切相关。不断提高井下涡轮钻具在钻井过程中的适应性和有效性，以适应钻井工艺和钻井技术的进步，是各国在涡轮动力钻具发展中共同追求的目标之一。

涡轮钻具按照其结构和用途大致可以分为：单式涡轮钻具、复式涡轮钻具、短涡轮钻具、弯壳体涡轮钻具、带减速器的涡轮钻具、带滚动轴承的涡轮钻具、高速涡轮钻具。

各国涡轮钻具发展的一大特点就是品种类型趋于统一，性能参数基本一致。随着涡轮钻具技术的发展与成熟，产品的性能越来越稳定，通过对国外涡轮钻具输入输出参数和使用功能进行详细的统计分析，发现各国开发制造的产品虽然种类繁多、互有差异，但却有产品类型逐渐趋于统一、性能参数基本相近的趋势。产品可分为如下3种类型：①低速大扭矩的井下动力钻具；②中高速大功率的井下动力钻具；③中高速短长度的井下动力钻具等几种常见类型。

各国涡轮钻具划分产品规格的特征标志相同、产品系列化的形式相近。根据钻井工艺的不同，一定的井身结构对涡轮钻具的最大允许外径有严格的限制。因此，以外径作为划分井下涡轮钻具尺寸规格的基本特征是最恰当的，具有实用性。前苏联和西方各国均采用了外径作为形成产品系列化的特殊标志。

对于前苏联涡轮钻具，根据其国家标准POCT23115-78《涡轮钻具型式、直径系列》，外径在120mm以上的涡轮钻具有127mm、164mm、172mm、195mm、215mm和240mm六种尺寸规格。为了满足438.15～660.4mm大口径井眼的钻井工艺要求，1988年又增补了260mm的尺寸规格。西方国家井下动力钻具以单独生产厂家为经营核心独立发展，产品规格按外径划分，单位都是英寸（in）。通过对美、法、英、德四国12家大公司82种规格的涡轮钻具进行了统计，涡轮钻具产品的直径系列集中在、这5种尺寸规格范围内。相当于前苏联直径系列中的127mm、172mm、195mm、240mm和260mm。美国涡轮钻具的最大直径为349mm，单式结构长度为12m，复式结构长度为26m，输出功率为220kW。

独联体国家近年来对涡轮钻具的研究重点在降低涡轮钻具转速、提高输出扭矩，尽量降低压力降，最大程度提高涡轮钻具零部件的通用化和模块化。在此指导思想下，以俄罗斯为代表的独联体国家，主要研制低速大扭矩涡轮钻具，如减速器涡轮钻具和复式涡轮钻具等。

俄罗斯在涡轮钻具的主要研制机构是全苏钻井技术科学研究院，在减速器涡轮钻具方面发展了TPM-195，TPⅢ-195和TPO3-195三款比较有代表性的产品，这种涡轮钻具外径均为195mm，表2.5中列出了3种不同型号的减速器涡轮钻具的主要技术参数，这些涡轮钻具在俄罗斯的西伯利亚地区以及其他地区得到了广泛应用。

表2.5 俄罗斯195系列减速器涡轮钻具主要技术参数

TPM-195减速器涡轮钻具是前苏联研究和生产的第一代减速器涡轮钻具，直到现在它的使用仍最为广泛。世界第一深井——KoLa超深井就使用了这种减速器涡轮钻具，目前该涡轮钻具在西西伯利亚油田每年的进尺已经超过500000m。

西方研究涡轮钻具的国家主要有美国、法国和德国三个国家，主要的制造商有美国的Eastman、Redi-Drill，西欧则主要有Neyrfor、Trauzl、Salzgitter等公司。产品系列从普通涡轮钻具、低速涡轮钻具、高速涡轮钻具，以及全直径规格的涡轮钻具，产品齐全，技术水平高。

国内主要研究涡轮钻具的单位有：中国石油大学（北京）、江汉石油学院、中国石油大学（华东）、中国石油勘探开发研究院等。国产涡轮钻具形成了Φ240、Φ195、Φ175、Φ165、Φ152等外径系列，可以满足批量生产的要求，正朝多品种、系列化的方向发展；国产涡轮钻具实验的最大井深为5700m，井底温度135℃，井底压力80MPa（西南石油局川西地区），国内还未开展万米深井的高温高压工况的涡轮钻具研究；带减速器的涡轮钻具成为国内涡轮钻具发展的主流，但行星齿轮减速器基本依靠进口；涡轮钻具的关键部件与薄弱部件，如长寿命独立支承节的出现、独立悬挂涡轮节的发明、可调节型同步减速器的出现，使涡轮钻具的整体性能得到了极大的提高；国内涡轮钻具整机寿命可达120～200h，而定、转子的寿命可达600～1000h，无任何橡胶件，理论上具有适应200℃井下环境温度的工作能力。

涡轮钻具的特点是高转速低转矩，而与涡轮钻具配合的钻头类型多样，适应于不同的地层，具有不同的工作转速与转矩要求，如何根据钻头高效破岩的需要，克服涡轮钻具的缺点，提高涡轮钻具的适用性，逐渐成为涡轮钻具发展的热点。钻井工艺发展的需要，对涡轮钻具的设计理念、型式、结构等方面产生了重大的影响。

实践证明，涡轮钻井可以取得较高的机械钻速，高速牙轮钻头配合涡轮钻具钻井的机械钻速通常比转盘钻井提高3～5倍，但作为主要破岩工具的牙轮钻头不能适应涡轮钻具较高转速的要求，钻头轴承的寿命很短，在深井段导致起下钻时间增加、行程钻速降低，从而使钻井成本提高，这限制了涡轮钻井技术的应用。新型金刚石钻头（包括PDC钻头、TSP钻头及新型孕镶金刚石钻头）和新型高速三牙轮钻头等的发展，为涡轮钻井技术展示了发展前景。

目前涡轮钻具配合金刚石钻头钻井技术主要朝着三个匹配方向发展，分别是高速涡轮钻具配合表镶金刚石钻头、中高转速涡轮钻具配合PDC钻头和高速涡轮钻具配合新型孕镶金刚石钻头。

各类新型涡轮钻具满足了不同钻头类型、钻井地层和钻井技术条件对涡轮钻具特性和结构的要求。涡轮钻具的使用寿命特别是轴承的使用寿命有了大幅度提高，达到200～300h，最高连续使用时超过350h。涡轮钻具在其结构及性能方面的改进，提高了钻具定向轨迹控制能力及钻具功能的多样性，在常规直井、水平井、定向井、丛式井及欠平衡等钻井技术领域的应用日趋广泛。

（一）美国百年地下水开发利用史的启示

美国是开展地下水可持续利用性研究比较早的国家。早在1883年美国学者Chamber⁃lin即出版了《自流井》，首次论述了自流井的成井条件和开发理论。1897年Iowa州地质调查局Norton在《Iowa自流井》报告中首次使用“含水层”理念。Todd于1900年提出，过多的自流井将导致自流水量衰减。1923年Meinzer出版了《美国地下水形成与理论探讨》和《地下水文学概要》，系统地总结了水文地质学的研究工作和理论进展，同时首次对全国地下水资源进行了定性评估，阐述了美国地下水发生、补给、排泄、径流、数量、质量、开发利用等各个方面（陈美贞，2006；陈仁升等，2003）。1935年Theis提出非稳定流理论，使许多实际问题得到较好解决。

在地下水开发方面，人们开始意识到地下水资源是有限的。20世纪30年代Tolman及同事发现了地下水开采所引发的海水入侵和地面沉降现象。20世纪60年代中期，以州为单位先后进行了各州地下水资源调查和均衡法地下水资源评价。1963年McGuinness总结了各州及地区地下水资源评价研究成果。

1977年美国发生了特大干旱，1978年美国地质调查局（USGS）启动了“区域水系统分析项目（RASA）”，历时近20年，调查和研究了全国28个以流域为单元的水系统，采用三维有限差分地下水流数值模型，模拟地下水开发前后地下水动态变化，并于1990～2000年期间编制出版了各个水系统的地下水图集（比例尺为1：250万～1：10万）。

目前，美国的地下水开采量占总用水量的 20.7%。其中，98.3% 的家庭用水、57.4%的牲畜用水和41.5%的灌溉用水都依赖于开采地下水源供给，而且对生态环境的改善和保护意识也越来越强烈。为此，美国正在开展新一轮“地下水资源计划”（GWRP），研究重点已从过去的以州为单位转向整个水系统、水文系统和生态环境系统，从过去偏重地下水的资源供给功能转向地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能综合调查评价研究，强调地下水可持续利用性研究。

近百年来美国地下水开发利用史表明，经济社会发展对地下水开发利用理念及其生态-地质环境功能研究具有重大推动作用。在19世纪以前，地下水仅是经济社会发展中一种补充性资源，在水资源中地表水的开发利用研究占主导地位。进入20世纪60年代，地下水成为经济社会发展愈来愈依赖的基础资源，特别是在持续干旱年份，地下水的开发利用得到空前的重视，同时含水层疏干、依赖地下水维持的生态系统急剧退化、地面沉降和海咸水入侵等环境问题日趋显现。据USGS统计，在美国公共供水中，地下水的比重从1950年的26%增到2000年的37%。80年代，地下水保护问题受到重视，美国联邦政府制定了提高污水排放标准和提高用水效率的多项保护法规，到2000年亩均灌水量比1950年减少了30%。在《2000～2010年美国地质调查局地质部科学战略》和《1998～2008年水资源部发展战略》中，突出了地下水的可用性和可持续性研究，包括城市化和市郊化对地下水影响调查、海岸带土地利用和人口增长对地下水影响调查和地下水-地表水相互作用研究。

（二）国内地下水评价研究动态

从20世纪50年代以来，地质矿产部和有关部门在全国范围内开展了大量的地下水及其环境地质问题调查评价工作，包括区域水文地质、供水水文地质、环境水文地质、地下水资源评价与新技术和新方法应用。经过50多年来的水文地质工作，基本查明了我国地下水资源的区域分布规律，并且把西北和华北的地下水勘察研究作为一项主要战略任务做了大量工作，实现了各种信息的采集、处理、存储、传输和交换，并开始把地下水作为水圈、岩石圈的组成部分和重要环境因子，开展地球表层四大圈层相互关系及大陆水循环与全球变化研究，把地下水融入“全球一体化”的大环境中思考，利用大剖面、同位素等研究地下水循环方式，极大地改变着地下水评价的传统思维与方式，尤其是近几年信息技术的发展，加快了对地下水评价的速度。

50多年的地下水评价工作，具有如下特点：①体现国家意志、服从国家目标，成为地下水评价的宗旨；②发挥水文地质工作优势，体现地下水区域性、基础性评价服务于国家建设；③取得的丰富资料和经验，奠定了地下水评价方法研究的基础。自20世纪70年代以来，由于应用数学和地下水动力学的相互渗透，以及电算技术的推广和应用，丰富并突破了传统水文地质学的内容，使地下水评价从定性研究发展到定量研究的新阶段。地下水资源评价的基本理论，从稳定流发展到非稳定流，从二维流发展到三维流，从一般均衡法和比拟法，发展到解析法和有限单元或有限差分数值法及相关分析法。地下水质量评价从单项评价发展到综合评价，从一般数理统计方法发展到聚类、神经网络和灰色系统评价方法。

20世纪80年代后期，地下水资源评价工作开始把主要目标转向管理模型的研究，涉及与地下水开发活动有关的自然环境、社会环境和技术经济环境等各方面问题。

但是，面对21世纪可持续发展的要求，地下水评价工作存在不同程度的不适应新问题。始于20世纪80年代的第一轮全国地下水资源评价，是基于以消耗资源、牺牲环境作为代价的发展过程，在评价指导思想、评价理念和评价方法诸方面，都存在历史的局限性，急需按新的要求进行完善和发展。例如由于受当时认识能力和技术水平的局限，对地下水系统的资源、环境和生态属性功能的基本认识和评价方式中，有关可持续发展思想和水循环理念体现不足，静态思维比较突出。

1.地下水资源分类与概念演变

20世纪50～60年代，我国在地下水资源评价方面普遍采用前苏联的“四大储存量”的概念，即动储存量、静储存量、调节储存量和开采储存量。在欧美一些国家也都使用过这些概念（曲焕林等，1991）。经过水文地质工作者的多年实践，普遍感到应用“四大储存量”的概念评价地下水资源存在许多缺陷（陈雨荪，1982；刘光亚，1982；王强忠等，1982），现在已基本停止使用。

在20世纪70年代提出了“三种水量”的概念，即补给量、储存量、允许开采量，并于1989年纳入国家标准（GBJ27-88）。但是随着实践和理论的发展，其局限性和理论缺陷逐渐暴露出来（徐恒力等，2001）。方案中沿袭以含水层（或水源地）为评价单元的思维模式，没有体现地下水资源整体性和系统性；补给量和储存量的时空概念含糊，容易造成水量重复计算；允许开采量仅仅是一种笼统的提法，在实践中难以操作等。

20世纪80年代“资源”的概念逐渐为人们所接受，欧美、日本等国家和地区先后采用了地下水资源的概念，陆续出现了“潜在可更新资源”（Potential Renewable Resource）、“实际可更新资源”（Actual Renewable Resource）、“可用更新资源”（Available Renewable Resource）、“安全开采量”（Safe Yield）、“可持续开采量”（Sustainable Yield）和“实际可持续开采量”（Practical Sustained Yield）等。

我国学者王大纯教授（1995）等人，从地下水资源自然属性出发，将地下水资源划分为“补给资源”和“储存资源”两类。“补给资源”被定义为“含水系统可以恢复再生的水量”。将含水系统的多年平均补给量作为补给资源量，单位为m3/a。“储存资源”被定义为“含水系统在地质历史时期积累保存下来的水量”。将含水系统多年平均低水位以下的重力水体积作为储存资源量，单位为m3。

陈梦熊院士等1983年提出的、后经过不断调整和补充（2002）的地下水资源分类，也具有广泛代表性。在该分类中，将地下水资源分为“天然资源”和“可采资源”。“天然资源”被定义为“在一个完整的水文地质单元（地下水系统）内，地下水在天然条件下通过各种途径，直接或间接地接受大气降水或地表水入渗补给而形成的具有一定水化学特征、可资利用并按水文周期呈现规律变化的多年平均补给量”，一般可用区域内各项补给量的总和或排泄量的总和来表征。“可采资源”被定义为“在经济技术条件合理、开采过程中不发生水质恶化或其他不良地质现象（如地面沉降、地面塌陷等），并对生态平衡不致造成不利影响的情况下，有保证的可供开采的地下水资源”。

2.地下水资源评价方法研究现状

达西（Darcy）定律和水量均衡是地下水资源数量评价的理论基础，由此产生了两种评价方法，即“地下水系统水量均衡法”和“地下水系统水动力学法”。

“地下水系统水量均衡法”是直接利用质量均衡原理，通过建立地下水系统的补给量、排泄量和储变量之间水量关系，确定地下水资源数量。“地下水系统水量均衡法”既可用于区域地下水资源的水量计算，又可用于局域地下水资源的水量计算；既可估算地下水系统的补给和排泄的总量，又可计算地下水系统的各单项量，是地下水资源评价中最常用的一种基本方法，也是一种比较可靠的方法。

“地下水系统水动力学法”是根据达西定律和水量均衡原理，建立描述地下水运动规律的微分方程，通过求解微分方程，实现对地下水系统水量状态评价。

按照微分方程的解法，划分为“解析法”和“数值法”。解析法是根据地下水井流理论进行地下水量评价，主要适用于均衡区范围较小、水文地质条件简单的均质含水系统。在20世纪50年代之前，解析法在地下水资源评价中发挥了重要作用，迄今仍然是地下水资源评价中确定水文地质参数的主要方法。但是当把解析法应用于大范围水系统时，由于实际的水文地质条件远较解析法所假设的条件要复杂得多，其局限性就暴露了出来（薛禹群等，1986）。

为了解决随地下水开采规模进一步扩大所出现的问题，在20世纪50～60年代，兴起物理模拟（电模拟和砂槽模拟等）技术，但是仍不能很好地解决复杂水文地质条件下区域地下水资源评价所面临的问题。计算机技术和数值计算在地下水资源评价中的应用推广，使一些复杂地下水流模拟成为可能，而且开始考虑含水介质的非均质性和各向异性，对复杂的越流系统和具有不规则形状的各类边界条件，以及多相流和双重介质等问题也开展了深入的研究，在概念模型中更多地保留了实体系统的自然特性。由于数值法既可用于大区域地下水资源评价，又可用于局部的水源地评价；既可处理复杂的水文地质问题，又具有较高的计算精度，因此，逐渐成为地下水资源评价的重要方法，并因其更易实现系统分析的目标而被广泛应用于地下水资源评价和管理工作中。

在地下水资源评价中，常用的方法还有水文分析法、相关分析法、水文地质比拟法等。“水文分析法”是仿照陆地水文学的测流分析，计算地下水补给量的一种方法，主要应用于地下水补给量全部转化为地下水泄流的地区，如岩溶管道流区、全排型岩溶大泉的岩溶水系统或基岩山区裂隙水系统等其他方法难以应用的地区，主要有地下径流模数法和基流分割法。“水文地质比拟法”，常用于实际资料缺乏的地区，主要根据水文地质条件的相似性，用区域内局部地段或相似条件的其他地区的实际资料比拟到全区或研究区进行地下水资源评价，多数用于可采资源的估计。该方法是研究区缺乏资料情况下不得已的选择，其评价结果的精确性较差。“相关分析法”是一种统计学方法，主要用于区域水文地质勘探试验资料不足，但是地下水动态资料较多的地区，应用这种方法进行外推时其可靠性很难保证。“开采试验法”，在地下水的非补给期（枯水期），按接近取水工程设计的开采条件，进行较长时间的抽水实验，然后根据抽水量、水位降深动态或开采条件下的水量均衡方程求解出水源地枯季补给量，并以此作为水源地的允许开采量。该方法主要用于水源地允许开采量的评价，在区域地下水资源评价中主要用该方法求取参数。

纵观国内外地下水评价成果，最常用的方法是“地下水系统水量均衡法”和“数值法”。美国1977年开展的“区域水系统分析计划”（简称RASAP，1978～1995年期间）联合运用数值法和均衡法对全国25个主要地下水系统水资源进行了评价（USGS，1998）。在2000年开始的新一轮地下水资源评价（Ground-water Resources Program）中，仍然以数值法为主（USGS，2001）。欧盟各国联合开展的区域地下水资源评价中，水量均衡法是主要方法（Fried，1982；Rees and Cole，1997）。此外，亚洲、非洲一些国家也大多采用水量均衡法和数值法进行区域地下水资源评价（Leslie B.Smith and Kadri Külm，2002；Shahin，1989；Lloyd，1990；Ulf Thorweihe and Manfred Heinl，2002）。我国在20世纪80年代开展的第一轮全国地下水资源评价中，均衡法和数值法也是主要评价方法。

随着数学地质的发展，最近在国内外地下水评价中出现了一些新的理论方法，如随机理论和神经网络（Kitanidis，1985；Bates，1992；Gelhar，1993；Brannan，1993；杨金忠等，2000），但是这些方法还处于理论探索之中，目前还难以广泛实际应用。

3.地下水质量评价研究现状

我国在早期的地下水质量评价中一般借用外国学者设计的评价模式，如内梅罗（Nemerow N.L.）指数法等。但是在应用过程中，逐渐发现这些评价模式在理论上和实践上的不足，于是我国地下水质量评价工作者，根据自己实践的经验和实际情况，提出了许多适合不同用途的水质量评价方法。如20世纪60年代开始用“环境质量综合指数”定量地表示环境质量状况，发展至今已提出许多种计算综合指数的数学模式，这些模式对环境质量的划分一度起了积极的作用。

早期全国性地下水质量评价，尚无“国家地下水水质标准”，主要依据国家建委和卫生部批准试行的“生活饮用水卫生标准”（TJ20-76），并参考世界卫生组织（WHO）1958年公布的“饮用水水质标准”，个别评价参数考虑地方“饮用水水质标准”。评价方法主要采用指数法、多项参数法和模糊数学法等。在现今的全国地下水质量评价中，虽然在评价项目选定、分类和污染等级划分等方面有所变动，但是其思路和技术方法均沿袭了这一格局。

20世纪80年代以来，随着计算机技术的高速发展和广泛应用，模糊数学、灰色聚类和神经网络等方法在地下水质量评价中广泛应用，且随着方法的改进，人们也越来越重视评价结果的合理性。但是由于影响地下水质量的因素较多，以至各评价方法都存在一些局限性。例如综合污染指标法的“硬性分级划分”，灰色和模糊系统需要设计若干不同的效用函数（灰色系统的白化函数、模糊数学的隶属函数等），以及人为地给定各评价指标的权重（或权函数）等，这些效用函数和指标权重的给定难免不带主观性，造成评价方法难以通用，增加了应用的困难和人为臆断因素对结论的影响。在地下水质量评价方法中，普遍存在“参数权重”问题，例如指数法把各个水质参数等同，模型法在参数选取和参数权重设定中存在较大的主观性。目前，迅速发展的人工神经网络评价方法，拓宽了地下水质量评价方法的视野。

4.地下水脆弱性评价研究现状

自1968年Margat首次提出“地下水脆弱性”这一术语后，虽然经过几十年的发展，但是至今国内外对“地下水脆弱性”概念仍然没有统一的定义，许多学者根据自己所考虑的因素从不同的角度给“地下水脆弱性”以不同的定义。

以1987年为限，“地下水脆弱性”概念的发展过程可划分两个阶段。在1987年以前，有关地下水脆弱性的概念多是从水文地质本身的内部要素这一角度来定义的。1970年Margat与Albiet提出的地下水脆弱性是指在自然条件下污染源从地表渗透与扩散到地下水面的可能性。Olmer与Rezac则认为地下水脆弱性是地下水可能遭受危害的程度，这种危害程度由自然条件决定，而与现有污染源无关。Vrana提出地下水脆弱性是影响污染物进入含水层的地表与地下条件的复杂性。1983年Villumsen等定义地下水脆弱性是指应用中或废弃于地表的化学物质对地下水的危害性。1987年“土壤与地下水脆弱性国际会议”揭开了“地下水脆弱性”研究新阶段的序幕。多数学者主张在定义地下水脆弱性时应考虑含水层本身的易污染性和人类活动与污染源的影响。有的学者提出地下水脆弱性是地下水质量对现在或将来有害于其使用价值的敏感性。

地下水系统脆弱性已经被广泛认同的是指这个系统对来自外部（天然与人类活动）从时间和空间上影响它的状态及性质的处理能力。1991年美国审计署应用“水文地质脆弱性”来表达含水层在自然条件下的易污染性，而用“总脆弱性”来表达含水层在人类活动影响下的易污染性。美国国家科学研究委员会于1993年提出地下水脆弱性是污染物到达最上层含水层之上某特定位置的倾向性与可能性，并将地下水脆弱性分为两类：一类是本质脆弱性，即不考虑人类活动和污染源而只考虑水文地质内部因素的脆弱性；另一类是特殊脆弱性，即地下水对某一特定污染源或污染群体或人类活动的脆弱性。欧洲、北美和澳大利亚等地区，在地下水污染防治工作中，已经以污染治理为重点转变为以防止污染为重点，开展了地下水环境脆弱性评价，并编制了评价图册。

至今国内尚没有明确的“地下水脆弱性”的定义，定义多引用外文资料，多是从水文地质本身内部要素角度出发，针对局部城市或水源地，包括“环境生态脆弱区地下水开发模式及系列编图”工作，研究地下水本质脆弱性，常以“地下水的易污染性”、“污染潜力”、“防污性能”等来代替“地下水脆弱性”这一术语。

5.存在问题

新中国成立以来，地下水评价工作为保障国家经济社会发展的需求提供了重要支撑。但是，从地下水可持续利用角度考虑，地下水评价工作尚存在如下问题：

1）以往的工作，偏重地下水赋存条件的研究，对地下含水层结构和地下水补、径、排条件研究程度有待深入。作为地下水赋存空间的地下水系统结构和地下水动态，是地下水资源评价的基础。

2）地下水与环境保护密切相关，是环境保护的重要制约因素。以往对地下水质量、环境和生态属性功能评价重视不够。

3）地下水资源可持续利用程度及趋势预测研究缺乏深度，不能适应国民经济对地下水前瞻性要求。

4）由于大量的水利工程修建，改变了地表水、地下水循环条件，出现了不少新的水环境问题，特别是地下水补给条件的改变，使得有些地区地下水补给减少，生态环境不断恶化。因此，在新的地下水评价中急需考虑这些变化的影响。

（三）地下水功能评价与区划研究现状

1998年许志荣在《水文地质工程地质》（第五期）上发表了“地下水功能区划分初探”，提出了开展地下水功能区划的必要性。1999年史瑞青等在《工程勘察》（第一期）上介绍了“灰色聚类分析在地下水区划中应用”的技巧。2001年费为进等在《地下水》（第四期）上发表了“快速灰色分级聚类法在地下水功能区划中应用”，提出灰色分级聚类法是地下水功能区划的一种简明方法。这一时期的地下水功能研究都是从地下水资源合理利用角度出发，基于传统地下水资源评价理念。

2002年中国地质调查局水环部从生态、地质环境保护角度，作为约束条件，提出开展“地下水功能评价专题研究”，由中国地质科学院水文地质环境地质研究所张光辉研究员主持开展有关地下水功能理念、评价理论与方法探索性研究，于2003年提出了地下水功能评价基本框架和评价指标体系。2004年6月该项目组完成了“地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能评价的科学体系”构建和论证，包括基本理念、评价理论、评价指标体系和评价关键技术等，编制了“地下水功能评价与区划技术”，编入中国地质调查局《全国地下水资源及其环境问题调查评价技术要求系列》（二、三）中，并先后在兰州、武汉、石家庄、北京、沈阳和呼和浩特主办“地下水功能评价与区划”技术骨干培训班，在我国西北、华北和东北地区全面推广应用。2004年唐克旺等在《水资源保护》（第五期）上发表了“地下水功能区划分浅谈”，介绍了水利部门进行地下水功能区划的基本思路。2005年水利部下发了《关于开展全国地下水功能区划定工作的通知》。2006年张光辉等在《水文地质工程地质》（第四期）上发表了“区域地下水功能及可持续利用性评价理论与方法”一文，全面阐述了地下水功能评价理论和方法；黄鹏飞等在《中国环境管理》（2006年第二期）上发表了“层次分析法在民勤绿洲地下水功能评价中应用”，介绍了地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能状况。2007年罗育池等在《中国农村水利水电》（第九期）上发表了“基于MapGIS的河南省浅层地下水功能评价与区划”；吕红等在《水文》（2007年第三期）上发表了“山东省地下水功能区划初探”，指出地下水功能区划是政府行使管理职能的重要基础；闫成云等在《水文地质工程地质》（2007年第三、四期）上发表了“疏勒河流域中下游盆地地下水功能评价与区划”，引用大量实例阐述了地下水功能评价与区划的实际效用。2007年范伟完成了“吉林省平原区地下水功能评价”硕士学位论文。张光辉等在《地质通报》（2008年第六期）上论证了地下水功能评价与地下水可持续开采量的关系。

（四）地下水开发利用研究现状与趋势

地下水开发利用研究总的趋势是学科内涵不断拓展、生态-地质环境保护优先、安全保障能力建设为重点、与经济社会和谐可持续发展是根本。

1）资源和环境、生态并重，已成为地下水开发利用研究的主题。地下水可持续利用既要保障社会稳定的水供给，又不能牺牲生态-地质环境效益，同时不影响未来长远的水资源利用。恢复由于人类影响而退化的地下水功能、地下水疏干区定量跟踪和调控、增强地下水含水层获得补给途径和机制、地表水与地下水联合调蓄和协调开发、地下水利用和分配的社会-经济规律及管理模式等是当前重要的研究课题。

2）地球表层系统的水文地质过程研究，已成为现代地下水科学演化的重要专题。土壤、包气带、浅层地下水、湿地与湖泊、绿洲、河流和农业用地等，与地下水可持续利用性研究密切相关。包气带是介于潜水面和地表之间的多孔介质，化学风化、有机质分解、氮素固定等其他化学物质循环过程均发生在包气带，也是地下水补给、污染物向地下水运移的必经之路。包气带中所发生的物理、化学和生物过程与水文地质学、土壤学、生态学和环境学关联性愈来愈紧密（甘肃地调院，2007）。

3）建立高效的地下水动态监测、状况调查和突发应急机制，经济社会发展的需求愈来愈迫切。1996年国际水文计划工作组将“可持续水资源利用”定义为“支承从现在到未来社会及其福利要求，而不破坏他们赖以生存的水文循环及生态系统完整性的水的管理和使用”。要求在水资源规划、开发和管理中，寻求经济发展、环境保护和人类社会福利之间的最佳联系与协调，强调未来变化、社会福利、水文循环、生态系统保护的完整性，使“未来遗憾可能性达到最小”。2000年在美国召开的“水资源综合管理研讨会”上，达成一个共识：流域统一管理是防止土地退化、保护淡水资源与生物多样性、实现水资源可持续利用的必然抉择。

4）可持续性（Sustainability）是当今地下水开发利用中最为人们关注的核心。它指地下水时空上能够连续下去。Serageldin and Steer将“可持续性”概化为“可持续性弱”、“可持续性适度”、“可持续性强”和“可持续性过强”。“可持续性弱”不关心局部、只关心整体；“可持续性适度”主要以维持系统的整体性为目的，但也适当关照其组分；“可持续性强”要求保持系统组分的良好状态，同时也关照到系统整体，各组分不可互相替换，而且根据某些理解，即使是在组分内部，可替换性也是受到限制的；“可持续性过强”就是保持系统的所有要素完好无损且无任何损耗。