1. 引言
华北平原作为我国政治、经济、文化中心，人口众多，经济发达，是我国重要的粮食基地，但也是水资源极度短缺地区之一。华北地区人均水资源量仅有296 m3，为全国人均水资源的1/8，与干旱缺水之国以色列的人均水资源量相当。因地表水严重短缺，75%以上的生产生活用水主要依赖地下水，由于地下水长期超采和不合理开发利用，引发了浅层含水层疏干、咸水下移、海水入侵等生态环境问题。直接威胁到该区水安全、粮食安全和重大工程设施安全，已成为经济社会发展的主要制约瓶颈 [1] - [6]。
Figure 1. Schematic diagram of field site location
图1. 野外基地地理位置示意图
面对华北平原水资源短缺日趋严重、地下水资源利用不合理、地下水环境状况堪忧等影响社会经济发展的重大瓶颈问题，为达到逐步缓解水资源供需矛盾和水环境恶化趋势，基本实现地下水资源供需平衡，保持地下水环境良好和人与自然和谐共处的战略目标，中国地质科学院水文地质环境地质研究所(以下简称“水环所”)于2006和2008年分别在衡水和正定建立了地下水科学与工程野外试验研究基地(以下简称“野外基地”)，并规划了黄骅野外基地(图1)。
野外基地瞄准国家重大需求和国际地球科学发展前沿，深入研究地下水可持续利用方面的重大前沿基础科学问题和关键技术问题，开展基础性、应用性和创新性研究，为解决华北地区地下水资源的可持续利用提供支撑，为服务于政府提出解决华北平原地下水问题的方案提供依据，为培养杰出青年人才提供场所，为基础数据积累和科技创新以及推进国内外地下水领域科技合作提供平台。协助解决华北平原地下水的核心问题，即1) 地下水的循环演变问题；2) 浅层地下水补给与污染防控问题；3) 深层地下水来源与补给问题；4) 浅层咸水下移的驱动机制问题。“野外基地”的建设对引领我国地下水研究未来具有重要的科研价值和实际意义，最终把“野外基地”打造成为“世界地下水研究中心”提供了契机。
2. 野外基地概况
华北平原地质条件复杂，地下水变化和地质环境变异剧烈。从太行山前到渤海构成了统一的第四系含水层系统和完整的地下水流系统，典型的大型沉积盆地第四系地下水系统，国际水文地质界关注的热点，在我国乃至世界都具有典型的研究意义。根据华北平原不同的沉积单元和野外试验研究的针对性，从华北平原的山前到滨海，选择了三处比较有代表性和典型性的地点作为野外基地，分别是山前倾斜平原的正定基地、中部冲洪积平原的衡水基地和滨海平原的黄骅基地，其中正定基地和衡水基地建设相对完善，黄骅基地还在规划中(图2)。
Figure 2. Typical section of North China Plain from piedmont to coastal
图2. 华北平原从山前到滨海典型剖面
正定基地地处太行山前冲洪积扇轴部，属浅层地下水超采区，是开展浅层地下水资源组成和污染防控的理想场所。
衡水基地位于华北平原中部，冀枣衡漏斗西北侧。地层沉积最全，地下水开发利用程度最高。具有监测太行山前对东部地区地下水侧向补给条件的功能，也是开展劣质水综合利用研究，地下水降落漏斗演化机制研究、地下水超采综合治理研究及人类活动影响下水文地质参数变化研究的最佳场所，可为研究深层地下水循环理论和演变机制提供保障。
经过多年不断的建设，野外基地已具备了保障设施齐全，交通通讯便利；科研平台齐备，仪器设备先进；观测指标多样，数据累积连续；管理制度完善，运行机制健全的多功能综合性试验研究基地。
2010年，与河北地质大学、中国地质大学(北京)、中国地质大学(武汉)、长安大学、中国科学院大学等签订协议，正式成为这些学校的教学实习基地。
2011年7月，野外基地被国土资源部批准为部级科普基地：“国土资源科普基地”。
2017年9月，科普基地升级为“国家国土资源科普基地”。
2011年11月，野外基地被国土资源部批准为部级野外试验基地：“河北地下水–正定、深州基地”。
2019年10月，与中国地质环境监测院合作，与北京市地质环境监测中心、天津市地质环境监测中心、河北省地质环境监测中心、河北省地矿局第四水文工程地质大队以及首都师范大学协作申请了“京津冀平原地下水与地面沉降自然资源部野外科学观测研究站”，被自然资源部纳入15个优先建设的野外观测站序列之一。
2020年12月，被科技部纳入到了“国家野外科学观测研究站”序列。
2021年9月，科技部正式批复为“河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站”。
2.1. 正定野外基地
正定野外基地位于河北省正定县城内，占地25,600 m2。
地处华北平原山前，浅层地下水深埋区。在研究浅层地下水循环理论和演变机制方面具有特殊的意义。
以包气带水和地下水为研究对象，以现场观测、监测、试验、模拟等技术方法，开展包气带水和浅层地下水循环、地下水污染及防护以及人工模拟等重大关键问题和高新技术应用方面的研究，为合理开发和保护浅层地下水资源提供技术支撑。正定基地有科研试验平台7类11组(图3)。
Figure 3. Scientific Research Platform of Zhengding Field Base (L: Name and relationship of platform)
图3. 正定野外基地科研平台(左：平台名称及关系)
2.2. 衡水野外基地
衡水野外基地位于河北省深州市护驾迟镇南张家庄，占地约24,300 m2。
地处华北平原中部，冀枣衡漏斗西北缘内侧，深层地下水严重超采区。地层沉积最全，地下水开发利用程度最高。
立足于地下水动力学的国际前沿，坚持以地下水可持续利用研究作为突破口，开展浅层咸水综合利用与下移机制、深层地下水的循环过程及机理、地下水优化配置和有效保护等关键技术问题的综合性、创新性研究，实现地下水与地质环境研究的科学理论创新和技术突破。深州野外基地试验平台有6类8组(图4)。
Figure 4. Scientific Research Platform of Hengshui Field Base (L: Name and relationship of platform)
图4. 衡水野外基地科研平台(左：平台名称及关系)
3. 野外基地潜在功能分析
野外基地的功能大致集中在以下几个方面：1) 数据观测与共享、科学试验与研究；2) 示范应用、成果转化与推广；3) 人才培养；4) 国家与社会重大战略需求支撑作用；5) 科普宣传和地质文化建设；6) 对外交流与合作的窗口；7) 教学实习与技能培训等。
野外基地是地下水研究关键技术创新体系的重要组成部分，是开展地下水相关理论和应用基础研究、聚集和培养优秀科技人才、开展科技交流的重要基地，是发展共性关键技术、增强技术辐射能力、推动产学研相结合的重要平台。在促进地质科技进步，推动水工环学科创新体系建设，发展地下水资源评价、开发利用和水环境保护的新理论、新技术、新方法，为国民经济建设提供科学理论支撑和服务以及引领学科发展方向等都具有重要意义。
3.1. 引领我国地下水研究的未来
野外基地进入到国家级观测台站后，为野外基地的进一步发展提供了更加广阔的舞台。野外基地将提供长期、客观和科学的数据评价，提升我国地下水观测研究水平。野外基地为地下水基础研究，应用研究和创新研究提供了平台，为解决地下水超采治理与防控及地下水合理开采利用与保护提供数据支撑，为解决影响地下水资源可持续利用的关键问题提供技术支持，为地下水资源及其变化趋势提供信息，必将示范引领本领域科学技术前沿和未来创新发展。
3.2. 服务国家战略需求，为国家宏观决策提供依据
利用野外基地开展示范性研究，为地下水可持续开发利用提供长期数据支持和试验支撑，长期为华北地区经济发展提供地下水资源方面的决策依据，解决经济和社会发展中的重大水问题。
2019年由水利部联合农业农村部等多个部门颁布了《华北地区地下水超采综合治理行动方案》，确定了地下水超采治理的目标。利用野外基地的试验研究可为“行动方案”和总体规划目标的顺利实现，为国家管控地下水超采问题提供技术支撑。
3.3. 提升地下水创新性研究的能力
长期监测和定位试验是野外基地的基本任务。野外观测和试验工作可为科学研究提供了大量、直接、综合和长期的第一手数据和资料。多要素、多年积累的大量野外监测与试验数据可为开展科学研究提高科学研究的原始创新能力，推动区域社会、经济与环境的协调发展，为国民经济和社会发展的宏观决策提供强有力的科学支撑。
野外基地的试验平台具有科研与试验、示范的双重作用。试验基地将为基础创新、集成创新和综合创新提供平台，为新技术、新方法的形成提供试验、示范场所，并以此为起点，进行推广应用。
紧紧围绕国家和地区发展面临的重大科学问题，在以下方面争取创新：加强地下水资源及地质环境监测、模拟、决策多方法、多手段综合研究，提高地下水科学与生态环境变化的监测能力、综合研究和决策能力。加强试验观测仪器设备研制，通过方法和技术创新带动传统学科的创新。进一步加强多学科交叉与融合，在多方面取得理论、技术、模式创新。以信息技术、资源高效利用技术为引领，建立地下水科学与工程示范研究。
3.4. 培养创新型人才
依托野外基地的硬件设施和软件条件，建成一支地下水观测和研究方面的优秀科研队伍。立足于基础理论研究和科技创新，支持青年科技人才和创新创业人才发展，形成高素质、多层次、结构合理的科研条件创新团队，在观测技术和综合研究方面做出成果，造就一批野外观测试验研究专家。
野外基地提供了与国外科研机构合作与人才培养的机会。一方面将国外的新理念、新知识和新技术引进来，另一方面把国内重点培养对象以交流培养或者访问学者的身份推荐到国外去参加国际性的科研工作，真正的在国际环境中提高科研素质，使科技人员具备更加广阔的眼光和更加全面的能力。
3.5. 提供对外交流合作的平台
广泛深入开展国际交流与合作，是建设世界一流野外基地的重要途径,也是建设高水平、研究型野外基地的重要标志。在全球化、信息化浪潮的背景下，广泛合作与交流，将有力促进创新性科研工作及学术水平的提高，为培养高水平人才和产出高水平研究成果发挥重要作用。
野外基地将牢牢把握合作和发展的契机，“请进来”和“走出去”，逐步发挥跨国、跨区域合作的纽带作用，积极拓展多元化的合作格局，逐步建立包括学术交流、科研合作、人才师资队伍资助与培养等在内的多元化、多渠道合作交流关系，以到国外培训学习，引进技术人才，中外合作研究等方式开展国际合作研究，提高技术研究水平。
野外基地实行开放、交流的运行机制，欢迎国内外的科研人员在此进行科学研究。到目前为止，试验基地已接待国内外来访科研人员300多人，涉及到80多个单位，涵盖美国、英国、德国、俄罗斯、丹麦、日本、荷兰、中国台湾、中国香港等多个国家和地区(图5)。
Figure 5. Visitors visited and learned to field base
图5. 到野外基地参访交流人员
3.6. 弘扬野外基地精神，推进地质文化建设
弘扬和发展野外基地精神，增强对野外基地工作的荣誉感、责任感和使命感，推进地质文化建设。
野外基地精神可总结为：“献身地质，甘于奉献的奋斗精神”；“孜孜以求，科学探索的钻研精神”；“以场为家，苦中求乐的奉献精神”；“求真务实，大胆改革的创新精神”。
继续深化“野外基地精神”，践行新时代地质核心价值观，增强做好新时代水工环地质工作的自豪感、责任感和使命感。
4. 科研成果丰富
4.1. 理论与创新
973项目“华北平原地下水演变与调控”利用野外基地开展了大量的试验研究工作，取得了丰富的研究成果，促进了地下水理论的发展。如1) 阐明了浅层含水系统结构变化规律，揭示了包气带增厚条件下地下水补给变化机理，完善了地下水垂向入渗补给理论。2) 在包气带增厚条件下地下水补给变化方面取得如下认识：垂向入渗补给量取决于极限蒸发深度以上的包气带水均衡。包气带厚度小于极限蒸发深度时，地下水补给量和蒸发量随包气带厚度增加明显减小；大于极限蒸发深度时，补给量趋于稳定，但包气带厚度越大补给滞后时间越长，包气带结构越复杂补给过程线也越复杂，填补了深厚包气带结构变化对入渗水流影响研究的空白。
4.2. 社会服务
野外基地获得科学的、长序列的地下水位、水质动态观测数据真实反映了地下水位、水质的动态变化，为华北地区地下水超采治理提供支撑。华北地区地下水超采始于20世纪80年代，持续至今已有近40年。超采面积广、累积量大、治理工作难。利用野外基地观测井，长期观测数据显示，由于超采，从2010~2014年，最大水位下降幅度超过20 m。此后，通过采取地下水压采限采措施以及南水北调通水，自2015年起，地下水位缓慢回升，到2020年，最大水位回升幅度超过了15 m。政策性节水是治理地下水超采非常有效的手段。同时，南水北调来水也缓解了华北平原地区对地下水的全面依赖，使地下水位得到了一定的恢复。
4.3. 促进工作思路的转变
以前大规模的区域水文地质普查勘探工作，已经查明了地下水的分布规律和埋藏条件，这种对自然界地质构造、地层结构、岩性特征、水文地质条件等单纯的描述可称为静态水文地质工作。但是随着工农业生产的迅速发展，人类大规模开采利用地下水，扩大土地利用率和作物覆盖率，废水废物的排放和堆积，改变了自然环境，使得地下水的入渗、蒸发、径流和形成条件发生了重大变化，改变了水文地质参数。在人类活动的动态环境中去研究变化着的水文地质过程，参数变化规律可归属于动态水文地质工作。动态水文地质过程必需经过试验方法和试验手段，实际观察和野外观测其动态规律，或者应用科学的理论和先进的仪器设备，在室内再造和模拟各种因素，再现客观现象和规律来发展水文地质新的理论与研究方法。
静态水文地质工作对于实施区域地下水资源开发与保护、地下水可持续利用以及支持我国经济社会的可持续发展等具有重要意义。动态水文地质工作对于加强地表水–地下水联合调蓄工程建设、改善缺水地区群众生产生活用水、实施扶贫找水工程、建立地下水资源保护带、有效防止地下水污染等具有重要意义。这种转变可基本实现地下水资源的可持续利用和自然演化–人为开采–生态环境的良性循环。
4.4. 人才培养
依托野外基地，围绕深层地下水循环与更新、地下水动态长期监测、地下水开发利用方式与技术优化、节水灌溉与微咸水利用、包气带水分运移规律与技术方法等关键科学问题，发表论文近80余篇，其中SCI检索15篇。取得发明专利2项，实用新型专利11项，软件著作权1项；培养博士研究生7名，硕士研究生9名。
5. 展望
地下水资源受着气候条件，人类活动和生态环境变化等因素的制约，水资源的缺乏，必将影响人们的生活与粮食产量，到时才会真正领悟到“饮水贵如油”的现实价值。构建山水林田湖草生命共同体，以“水”为核心，以“用水有限，节水有章”为主线，发挥野外基地地下水研究优势，脚踏“河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站”这块基石，秉承世界高科技潮流，坚定从区域地下水形成环境出发，把握住自然界水循环转化机理研究方向，立足于把地下水科学全方位服务于社会、服务于生产的理念，彩绘地下水科学与工程试验领域蓝图，充实和发展现代水文地质学等学科的理论和方法，着力打造“世界地下水研究中心”。
面对地下水资源、生态、环境管理中出现的新问题、新挑战，结合地下水科学与工程试验基地地域代表性、区域代表性和学科代表性的特点，将不断调整研究方向，以创新思路将试验基地建设成为：
1) 打造成为数字智慧型地下水试验研究基地。构建从仪器设备现场、野外试验基地到城市科研中心的三级智能控制网络监测体系，实现监测指标的数据采集、自动传输、汇总入库、管理分析等全过程。通过地下水野外试验基地科学数据共享网，实时发布共享数据供科研人员授权使用，构筑数据获取、发布、分发的新渠道，缩短数据生产到使用的周期，提高数据使用率、降低科学研究成本，创造良好社会效益 [7]。同时，依托前人调查资料与科研成果，以试验基地为中心节点，辐射整个华北平原，建设华北平原数字化地下水系统，提升服务能力。时刻掌握华北平原以及全国乃至全球地下水研究动态，建设适应现代科学技术发展的、具有国际水平的、长久性的地下水试验基地，将其打造成为一个集科研、生活、学习、服务为一体的数字智慧型基地。
2) 打造展现中国地下水科学与工程研究创新的示范性基地。我们以“紧跟时代发展，立足社会需求，夯实实践能力，强化试验技能，提高创新能力”的科学试验理念；重点围绕科研人员的实践能力和创新能力，在试验仪器、试验平台等方面提供一系列有利条件，在科学前沿探索中占有一席之地，在全国同类试验基地中起到引领和示范作用。
3) 打造成为地下水科学与工程以及相关专业的人才培养基地。为推动区域地下水资源、生态地质、环境地质科学研究的发展起到更大的作用。
4) 打造成为地下水科学与工程专业教学实践基地。目前，水环所已同中国地质大学(武汉)、中国地质大学(北京)、长安大学、河北地质大学、中国科学院大学等单位达成共识，将该试验基地作为学生的教学实践基地。
5) 打造成为推动人水和谐发展理念的科普教育基地。试验基地将本着面向公众开展科普教育活动，积极推进科普工作的社会化、群众化、经常化，为实施“科教兴国”战略和提高公众科学文化素质服务。目前，已与河北正定中学签署协议，成为该校科普教育宣传基地。
野外基地的建立与发展，承载了水环所太多的期盼，在各级领导、各界专家、学者的大力推动下，才有了今天野外基地的繁荣发展，敬谢所有对野外基地的支持者。
基金项目
中国地质科学院基金(YYWF201624)；海河南系水文地质调查(G201908-1)。