追记地下水科学家Engelen GB

王旭升(2018年10月15日，北京)

今天收到国际水文地质学家协会(IAH)区域地下水流委员会(RGFC)发来的电子邮件，告知著名地下水科学家G. Ben Engelen已于2018年6月10日去世。Engelen出生于1937年，荷兰籍，曾任荷兰阿姆斯特丹自由大学教授，与中国水文地质学界有很多交往。国内同行一般用中文名“英格伦”称呼他。

我虽见过Engelen，但没有直接的交流，主要通过同行知道一些他的事迹，在研究地下水流系统理论时也从他的著作中得到启发。1983年11月，他访问中国（这可能是他第一次来访），到原地矿部、中国地质大学和其他水文地质行业机构进行了学术交流，做了很多次学术报告，介绍“地下水系统”的概念、研究方法及其应用。为此，陈梦熊先生在1984年的“水文地质工程地质”期刊上专门写了一个报道。陈梦熊先生极力推动中国的地下水系统研究，1991年被当选为中国科学院院士。中国地质大学(武汉)的张人权教授也是地下水系统研究的主要推动者，与Engelen成为朋友。有一批国内的水文地质学者曾访问荷兰，接受过Engelen的指点。2013年，应张人权教授的邀请，Engelen再次访问中国参加西安举办的RGFC国际会议，并赶赴桂林，在中国地质科学院岩溶地质研究所做了题为“Integrated hydrological studies of high alpine karst watersheds in the Italian Alps (Dolomites) in relations to Quaternary aquifers”的学术报告。

Engelen发表的期刊论文比较少，可能称得上代表作的英文书有2部。第1部是与G.P. Jones合编的《Developments in the analysis of groundwater flow systems》，发表于1986年，属于IAH的出版物。第2部是与F.H. Kloosterman合著的《Hydrological systems analysis: methods and applications》，该专著由荷兰Kluwer学术出版社在1996年出版。当然，他还与另外2人在1989年发表了专门研究荷兰地下水流系统的荷兰文著作，但国际影响较小。总体上，作为地下水科学家，Engelen的研究焦点是地下水流系统理论和应用，特别重视应用研究。当然，正如RGFC公告中所述，Engelen兴趣广泛，甚至对数论、原子物理也有研究心得，是一个知识面很宽的地下水科学家。张人权教授等在《水文地质学基础》(第6版，地质出版社，2011年)一书中对他的工作有专门的评述，认为Engelen对地下水流系统理论进行了完善及综合应用，推动荷兰成为“世界上地下水流系统研究程度最高的国家”。

地下水流系统理论最早是由匈牙利裔加拿大科学家J. Tóth (托特) 在1963年提出来的，如今已经成为地球物理领域非常重要的理论。作为这一理论的追随者，Engelen付出了很多努力，力图将其用于认识荷兰的地下水循环特征。当然，如果要全面的、充分的认识某个地区的地下水流系统，必定会遇到一个严峻的问题：如何建立、识别三维地下水流系统？Tóth的理论长期停留在二维剖面框架下，缺少三维动力学细节，因为做三维研究的难度非常大。Engelen与Kloosterman在1996年合著出版的那本书勇敢的直面了这个问题，并提出了系统化的解决方案。根据我对文献的追踪，这可能是国际地下水领域首次严肃的、全面的研究三维地下水流系统问题。这本书在学术上的贡献可以归纳为以下几点：

(1) 提出了地下水流系统划分的新概念。他们将地下水流系统的最小单元称为水流分支（Flow branch），是连接一个相对独立排泄区和一个相对独立补给区的三维流线束。若干水流分支可以合并为一个子流动系统(Sub-flow system)，以涵盖更大范围的补给区和排泄区。例如一个局部流动系统就属于子流动系统，它的补给区与排泄区相邻，但是可以由很多个水流分支组成。这种划分方法与经典Tóth理论中的局部、中间、区域三级流动系统划分方法不同。Tóth理论中的局部流动系统在Engelen-Kloosterman框架中属于水流分支。

(2) 采纳基于流速场求解的技术得到三维地下水流场的数值解，并用于流线追踪。划分地下水流系统必须追踪流线，而追踪流线需要准确的知道任意地点的地下水流速向量。经典的地下水流场数值模拟是求解水头分布的离散方程，然后根据水头的导数计算流速，这种间接计算会产生比较大的误差。在Engelen-Kloosterman框架中，充分吸收Zijl等(1986; 1993)提出的流速直接求解方法(Velocity-Oriented-Approach，简称VOA)，可以在粗网格基础上快速而准确的获得流速场。Engelen和Kloosterman在具体建模方面采用了Nawalany(1989)编写的VOA有限元程序FLOSA，与GIS技术相结合。

(3) 进行了大量的案例研究，并在研究中综合考虑地下水、地表水、生态系统的统一性，具有很强的示范作用。书中介绍的案例主要分布在荷兰、波兰，也分析了欧盟整个区域的情况，甚至还有印度尼西亚的案例。有些案例阐述特别详细，提供了丰富的图件资料和地下水流系统划分结果。其中一些图件被收录到我国的《地下水资源图编图方法指南》(陈梦熊等，2001)中。

    Engelen等学者在三维地下水流系统方面的研究思路，启发我们进一步钻研地下水循环的动力学性质。2017年，我和万力教授等联合在“Advances in Water Resources”期刊发表了一篇论文“Identifying three-dimensional nested groundwater flow systems in a Tóthian basin”，也是基于地下水补给区和排泄区的动力学关联，引入更加严格的数学描述，从三维角度提出了地下水循环单元(Groundwater Circulation Cell，简称GWCC)的完整概念，用闭单元(Close GWCC)和开单元(Open GWCC)的组合形成三维地下水流系统。将这种新概念和新方法用于实例分析，我们得到了地下水循环的精细结构特征，在三维角度发现了一些新的特性。我相信，顺着这些前人的脚步，对地下水动力学的第二战场——流线集合性质——进行基础性的深入研究，将有力的推动人类对地下水循环乃至其它物质循环规律的认识。