地下水動力學

中文名稱：地下水動力學

英文名稱：dynamics of groundwater

定義：研究地下水運動規律的學科。不僅用來定性分析地下水的補給、徑流和排泄等水文地質條件，而且可定量評價地下水的水量和水質。

所屬學科：地理學（一級學科）；

水文學（二級學科）

研究對象是多孔介質，具有互相連通空隙的岩石（含水的岩石）。包括孔隙介質、裂隙介質和裂隙-溶隙介質。由兩部分組成，骨架和空隙。

主要研究內容：

（1）滲流基本概念、基本定律、基本方程、定解條件及數學模型的建立和解法，為基礎理論和重點內容；

（2）地下水向河渠的運動；排灌區地下水運動的規律即水平方向運動規律。

（3）地下水向井的運動和求參方法，重點是地下水向完整井的穩定運動和非穩定運動；水井區地下水運動的規律即垂直運動規律。

（4）地下水向非完整井和邊界井的運動；

（5）地下水運動中的若干問題（地下水中溶質運移規律、包氣帶中水的運移規律等）和實驗室方法。

主要研究地下水的補給、徑流和排泄等水文地質條件，定量評價地下水的水量和水質，為地下水資源的合理開發和優化管理提供設計依據。其研究領域主要有下列5方面：

① 研究水在岩土孔隙、裂隙和岩溶含水層中的運動機制，把握運動規律，得出地下水向集水建築物運動的計算方法，為地下水的開發或防治求得數據。

②研究污染物和熱量在地下水中的運移機制和計算方法。

③研究水和污染物在包氣帶中的運動。

④預測某一地區地下水系統未來的水力或水質狀況。

⑤地下水的合理開發和優化管理。

在地下水動力學中主要運用物理摸擬、數學模擬和數學規劃法。如運用滲流槽、窄縫槽、電解液和網路模型來研究地下水的運動機制或水文地質原型的物理量之間的定量關係；對確定性問題，用數值法、解析法，在一定的初始條件和邊界條件下，求解地下水運動的數學物理方程，對隨機性問題，則用隨機微分方程或統計方程來研究地下水運動；在地下水模擬方法的基礎上，綜合考慮社會、經濟、環境和技術等因素，求解最優決策。

發展簡史

雖然人類對地下水的開發利用可追溯到遠古時代，但對地下水運動規律的科學認識是較晚的。1839年G.哈根和1846年J.L.M.泊肅葉分別觀測到毛管中水流的層流流速與水力坡度成線性關係。1856年法國水力工程師H.P.G.達西通過砂的滲透試驗獲得滲透流速與水力坡度之間的線性關係，提出線性滲透定律，即達西定律，標誌地下水動力學作為一門學科的誕生。1863年J.裘布依對水力坡度很小的潛水緩變流作出假設，把達西定律用於實際。20世紀初法國J.V.博西內斯克和E.馬耶通過城市水源地泉水動態觀測，建立了地下水非穩定流的概念，並作出數學描述。1935年美國C.V.泰斯總結了L.K.文策爾等人的實踐經驗和認識，考慮承壓含水層的彈性可壓縮，利用熱傳導方程的相似性導出了著名的非穩定井流公式。1931年L.A.理查茲將線性滲透定律推廣到包氣帶，獲得類似的表達式。1937年美國M.馬斯克特的《均勻流體通過多孔介質的流動》一書，對地下水的運動作了系統的論述。20世紀40～80年代，生產的需求推動理論進一步發展。1940年M.K.哈伯特提出了流動勢的概念。流網得以廣泛用於分析水文地質條件。疊加原理與映射法的引入，為多井系統及有界含水層中的井流計算提供有力工具。1946～1955年間C.E.雅可布與M.S.漢圖什導出越流條件下井流計算公式。此後還發展成三大越流系統。繼N.S.博爾頓1954年發現潛水含水層延遲給水現象后，完善了流向潛水井的非穩定流的計算。1956年C.S.斯利希特觀測到水質運移的彌散現象，此後，對於地下水中溶質和溫度的運移的研究，有了長足的進步。70年代，地下水管理問題提到了日程，有限差法、有限元法和邊界元法日益廣泛地應用於水文地質計算中。

主要有3個方面：

①物理模擬,利用同調的物理模型，如滲流槽（砂槽）、窄縫槽、電解液、網路模型等模擬地下水的運動，研究地下水的運動機制或水文地質原型的各物理量之間的定量關係。

②數學模擬，對於確立性問題，採用解析法、數值法（有限差分法、有限單元法、邊界元法），在一定的初始條件和邊界條件下求解地下水運動的數學物理方程。對於隨機性問題，採用隨機微分方程或統計方程來研究地下水運動，以獲得一定保證率下的地下水的預報值。

③數學規劃法。在地下水模擬方法的基礎上，通過它來綜合考慮社會、經濟、環境、技術等因素求解最優決策。

地下水動力學問題的研究是建立在水文地質條件基礎之上，所以它與地質學的有關學科有密切聯繫。地下水是水圈的組成部分，又參與整個水文循環。水文因素在地下水運動中起積極主導作用，故離不開氣候學、水文學的有關知識。研究地下水運動需要應用水力學、流體力學的一些概念和方法。數學是量化和優化的手段。水量與水質的定量評價還涉及物理、化學領域中許多知識。

地下水動力學對於裂隙水、岩溶水的研究較晚。污染物和溫度在地下水中運移的機制和計算方法的研究，已引起廣泛的重視，將成為地下水動力學的新的課題。非飽和帶（包氣帶）土壤水運動規律、粘性土的結合水運動規律，可望在研究過程中得到新的發展。

教材介紹

地下水動力學是地下水文學與資源、環境工程、水文地質與工程地質等專業的一門十分重要的專業基礎課，近二三年來，隨著國民經濟的發展，特別是電子計算機的廣泛使用而得到很大的發展。就其研究內容來說，地下水動力學涉及飽和的與非飽和的地下水運動規律的研究；依解決問題的方法，可分為解析法、數值模擬法和物理模擬法。

本書的特色，在內容上十分講究其系統性、科學性和嚴密性，概念上力求準確性。我國50年代地下水動力學主要以蘇聯卡明斯基（L.H.KaMeHckHH）《地下水動力學原理》為主要參考書。

本教材把重點放在基本概念、原理的闡明，模型和基本條件的準確描述和應用上。在分析的方法上儘力深入淺出，便於讀者自學。

本教材附有複習思考題，以幫助讀者深入理解有關原理和方法，初步學會靈活應用。目錄緒言　第一章　地下水運動的基本概念與基本定律 1.1　地下水運動的基本概念　1.2　滲流基本定律 1.3　地下水通過非均質岩層突變界面的折射現象　1.4　流網　複習思考題第二章　地下水運動的基本微分方程及定解條件　2.1　滲流連續性方程　2.2　水和多孔介質的壓縮性　2.3　滲流基本微分方程　2.4　潛水流動的布西涅斯克微分方程　2.5　定解條件及數學模型　複習思考題第三章　地下水向河渠的運動 3.1　均質含水層中地下水向河渠的運動　3.2　非均質含水層中地下水向河渠的運動 複習思考題第四章　裘布依穩定井流　4.1　裘布依靠定井流的基本方程　4.2　齊姆模型與裘布依模型的區別　複習思考題第五章　無越流含水層中的完整井流　5.1　無限含水層中單個定流量井流　5.2　井群干擾　5.3　直線邊界附近的井流——反映法　5.4　變流量井流　5.5　無限含水層中單個定降深井流　5.6　無限含水層中地下水承壓－無壓井流　複習思考題第六章　無越流含水層中完整井的井流試驗　6.1　定流量抽（注）水試驗　6.2　水位恢複試驗　6.3　邊界附過定流量井流試驗　6.4　多主井和階梯流量井流度驗　6.5　定降空井流試驗　6.6　瞬時抽（注）水法　6.7　確定井損係數和井孔有效半徑的井流試驗　複習思考題第七章　無越流潛水含水層中的完整井流　7.1　概述　7.2　考慮滯后給水的分析方法——博爾頓法　7.3　二元結構的含水系統　7.4　考慮流速垂直分量和彈性儲量的分析方法——紐曼法第八章　越流系統中的承壓完整井流　8.1　第一類越流系統中的定流量井流　8.2　第二類越流系統中的定流量井流　8.3　第一類越流系統中的定降深井流　8.4　第二類越流系統中的定降深井流　複習思考題第九章　均質各向異性含水層中的完整井流　9.1　概述　9.2　基本方程　9.3　井流試驗　複習思考題第十章　承壓非完整井流及源匯理論的應用　10.1　基本方程　10.2　源匯理論的應用　10.3　井流試驗確定含水層參數　複習思考題第十一章　研究地下水運動的物理模擬方法　11.1　砂槽（滲流槽）模擬方法　11.2　連續型電模擬方法 11.3　流網計算滲流區的運動要素及滲流量附錄Ⅰ　泰斯公式的博爾茲門變換解法附錄Ⅱ　主要符號一覽表