地下水動(dòng)力學(xué)

雖然人類對(duì)地下水的開發(fā)利用可追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，但由于地下水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題本身的復(fù)雜性和受生產(chǎn)力發(fā)展水平的限制，人類對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識(shí)是較晚的。

1839年和1846年，G.哈根與J.L.M.泊肅葉分別觀測(cè)到毛管中水流的層流流速與水力坡度成線性關(guān)系。

1856年，法國(guó)水力工程師H.P.G.Darcy（達(dá)西）通過(guò)砂的滲透試驗(yàn)獲得滲透流速與水力坡度之間的線性關(guān)系，提出線性滲透定律，即達(dá)西定律，標(biāo)志地下水動(dòng)力學(xué)作為一門學(xué)科的誕生。

1863年，J.Dupuit（裘布依）對(duì)水力坡度很小的潛水緩變流作出假設(shè)，把達(dá)西定律用于實(shí)際。20世紀(jì)初法國(guó)J.V.博西內(nèi)斯克和E.馬耶通過(guò)城市水源地泉水動(dòng)態(tài)觀測(cè)，建立了地下水非穩(wěn)定流的概念，并作出數(shù)學(xué)描述。

1935年，美國(guó)C.V.Theis（泰斯）總結(jié)了L.K.文策爾等人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)，考慮承壓含水層的彈性可壓縮，利用熱傳導(dǎo)方程的相似性導(dǎo)出了著名的非穩(wěn)定井流公式（Theis 公式），泰斯公式的出現(xiàn)開創(chuàng)了現(xiàn)代地下水運(yùn)動(dòng)理論的新紀(jì)元。

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(dá)式。

1937年，美國(guó)M.馬斯克特的《均勻流體通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)》一書，對(duì)地下水的運(yùn)動(dòng)作了系統(tǒng)的論述。20世紀(jì)40～80年代，生產(chǎn)的需求推動(dòng)理論進(jìn)一步發(fā)展。

1940年，M.K.哈伯特提出了流動(dòng)勢(shì)的概念。流網(wǎng)得以廣泛用于分析水文地質(zhì)條件。疊加原理與映射法的引入，為多井系統(tǒng)及有界含水層中的井流計(jì)算提供了有力的工具。

1946～1955年間，C.E.雅可布與M.S.漢圖什導(dǎo)出了越流條件下井流計(jì)算公式。此后還發(fā)展成三大越流系統(tǒng)。繼N.S.博爾頓1954年發(fā)現(xiàn)潛水含水層延遲給水現(xiàn)象后，完善了流向潛水井的非穩(wěn)定流的計(jì)算。

1956年，C.S.斯利希特觀測(cè)到水質(zhì)運(yùn)移的彌散現(xiàn)象，此后，對(duì)于地下水中溶質(zhì)和溫度的運(yùn)移的研究，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。70年代，地下水管理問(wèn)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(yīng)用于水文地質(zhì)計(jì)算中。

40多年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)日新月異的進(jìn)步與發(fā)展，人們?cè)诜治龅叵滤畣?wèn)題的能力上有了突破性的進(jìn)展。預(yù)計(jì)今后地下水動(dòng)力學(xué)將著重研究地下水在裂隙介質(zhì)、巖溶介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)制和基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，非飽和帶水、鹽運(yùn)動(dòng)理論的研究，水中溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)機(jī)制和運(yùn)移理論的研究，熱量在地下水中運(yùn)移的研究，地下水最優(yōu)管理問(wèn)題的研究和介質(zhì)非均質(zhì)性研究等。除了繼續(xù)加強(qiáng)解析法的研究外，對(duì)有效地解決各種實(shí)際滲流問(wèn)題的數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究將是一個(gè)主要的方面，隨機(jī)理論也將進(jìn)一步引入到水流和溶質(zhì)運(yùn)移的研究中來(lái)。

地下水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究是建立在水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)之上，所以它與地質(zhì)學(xué)的有關(guān)學(xué)科有密切聯(lián)系。地下水是水圈的組成部分，又參與整個(gè)水文循環(huán)。水文因素在地下水運(yùn)動(dòng)中起積極主導(dǎo)作用，故離不開氣候?qū)W、水文學(xué)的有關(guān)知識(shí)。研究地下水運(yùn)動(dòng)需要應(yīng)用水力學(xué)、流體力學(xué)的一些概念和方法。數(shù)學(xué)是量化和優(yōu)化的手段。水量與水質(zhì)的定量評(píng)價(jià)還涉及物理、化學(xué)領(lǐng)域中許多知識(shí)。

地下水動(dòng)力學(xué)對(duì)于裂隙水、巖溶水的研究較晚。污染物和溫度在地下水中運(yùn)移的機(jī)制和計(jì)算方法的研究，已引起廣泛的重視，將成為地下水動(dòng)力學(xué)的新的課題。非飽和帶中土壤水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、粘性土中的結(jié)合水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可望在研究過(guò)程中得到新的發(fā)展。

地下水動(dòng)力學(xué)中主要運(yùn)用解析法、物理模擬法與數(shù)值模擬法來(lái)進(jìn)行問(wèn)題的研究。

地下水動(dòng)力學(xué)解析法

解析法是指用解析方法求解由地下水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成的數(shù)學(xué)表達(dá)式或方程（包括常、偏微分方程等）。這種方法較為清晰明了，實(shí)施起來(lái)較為簡(jiǎn)便，但解析法只能解決簡(jiǎn)單的滲流問(wèn)題（受到方程解析法求解的限制），較為復(fù)雜的地下水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題必須采用后兩種方法解決。

地下水動(dòng)力學(xué)物理模擬法

對(duì)于實(shí)際的、較為復(fù)雜的地下水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，可采用物理模擬法研究。物理模擬法是指用相似模型再現(xiàn)地下水流動(dòng)動(dòng)態(tài)和過(guò)程的試驗(yàn)方法，它不僅能夠模擬解析法難以求解的復(fù)雜問(wèn)題，而且在檢驗(yàn)基本理論和需要觀察流動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的一些物理現(xiàn)象（如管涌現(xiàn)象與彌散現(xiàn)象）時(shí)，更離不開物理模擬法。但由于物理模擬法所固有的一些局限性，目前解決實(shí)際的水文地質(zhì)問(wèn)題中，物理模擬法已經(jīng)基本被數(shù)值模擬法所取代。

地下水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬法

對(duì)于一個(gè)描述實(shí)際地下水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)說(shuō)，一般其解析解是難以被找到的。數(shù)值法是指用數(shù)值方法求得解析法一般不能或不易求解的方程的解，這種求解方法一般需要借助于計(jì)算機(jī)，求得的是精度可變的近似解。

解地下水問(wèn)題的數(shù)值方法有很多種，但最通用的方法為有限差分法（FDM）與有限元法（FEM）。

（1）多孔介質(zhì)、滲流基本概念、基本定律、基本方程、定解條件及數(shù)學(xué)模型的建立和解法，為基礎(chǔ)理論和重點(diǎn)內(nèi)容。

（2）地下水向河渠的運(yùn)動(dòng)（分為河渠間地下水的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)與河渠間潛水的非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)）；排灌區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)的規(guī)律（水平方向運(yùn)動(dòng)規(guī)律）。

（3）地下水向井的運(yùn)動(dòng)和求參方法，重點(diǎn)是地下水向完整井的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)和非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)；水井區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)的規(guī)律即垂直運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（4）地下水向非完整井和邊界井的運(yùn)動(dòng)。

（5）非飽和帶地下水運(yùn)動(dòng)理論（入滲與潛水蒸發(fā)等）。

（6）水動(dòng)力彌散理論，主要包括水動(dòng)力彌散現(xiàn)象及機(jī)理，以及對(duì)流——彌散方程及其解的研究。

（7）地下水運(yùn)動(dòng)中的若干問(wèn)題（地下水中溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律、包氣帶中水的運(yùn)移規(guī)律等）和實(shí)驗(yàn)室方法。

1、1856年法國(guó)工程師達(dá)西（Henry Darcy）提出的水在多孔介質(zhì)中的滲透定律，即著名的達(dá)西定律，這個(gè)定律是定量研究地下水運(yùn)動(dòng)的開始。

2、1863年，J.Dupuit（裘布依）以達(dá)西定律為基礎(chǔ)研究了一維穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)和向水井的二維穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

3、進(jìn)入20世紀(jì)，隨著地下水開采量的迅速增加，人們開始注意地下水運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性和承壓含水層的貯水性質(zhì)。1935年，C.V.Theis（泰斯）提出地下水向承壓水井的非穩(wěn)定流公式（Theis 公式），泰斯公式開創(chuàng)了現(xiàn)代地下水運(yùn)動(dòng)研究的新紀(jì)元。

4、隨著地下水開采規(guī)模的繼續(xù)擴(kuò)大，非穩(wěn)定流的解析法遇到了求解繁瑣甚至無(wú)法求解的瓶頸，在20實(shí)際五、六十年代，很多研究人員轉(zhuǎn)向電阻網(wǎng)絡(luò)模擬為代表的物理模擬技術(shù)上來(lái)，這種方法在上世紀(jì)六十年代成為解決大范圍含水層系統(tǒng)的有力工具。

5、六十年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人們將計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬運(yùn)用到地下水動(dòng)力學(xué)的計(jì)算中來(lái)，同電網(wǎng)絡(luò)模擬相比，它迅速顯示出了處理問(wèn)題的極大的優(yōu)越性。隨著近幾十年來(lái)計(jì)算技術(shù)的高度發(fā)展，人們?cè)谘芯繂?wèn)題的能力上也有了大的進(jìn)展。 2100433B

本書按《地下水動(dòng)力學(xué)》教學(xué)內(nèi)容的要求，以章節(jié)為單位，提供了多種類型的思考練習(xí)題，內(nèi)容涉及地下水動(dòng)力學(xué)的基本概念、基本原理及其應(yīng)用。

地下水動(dòng)力學(xué)方法是研究地下水在巖石孔隙、裂隙和溶洞中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法，始于19世紀(jì)中葉。1856年法國(guó)達(dá)西(N.Darcy)在總結(jié)前人實(shí)踐基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)提出水在孔隙介質(zhì)中滲透的線性滲透定律，即達(dá)西定律。稍后杜普特(J.Dupuit)以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，研究了單向和平面徑向運(yùn)動(dòng)，奠定了地下水穩(wěn)定流基礎(chǔ)。20世紀(jì)中期相繼提出和建立了地下水非穩(wěn)定流理論，使本法進(jìn)入新的發(fā)展階段。它是以數(shù)學(xué)、物理學(xué)、水利學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算、模擬試驗(yàn)等一系列手段實(shí)驗(yàn)的，將為地下水定量評(píng)價(jià)和合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

地下水是在天然地質(zhì)體中運(yùn)動(dòng)的，因此研究時(shí)必須充分考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文地質(zhì)條件，作出正確的抽象和簡(jiǎn)化，據(jù)此建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。這種模型既要反映天然環(huán)境主要特點(diǎn)，又要考慮計(jì)算的需要和可能。隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，60年代中期以來(lái)，數(shù)值計(jì)算方法在水文地質(zhì)計(jì)算中得到推廣，它的迅速發(fā)展和應(yīng)用，不僅可以解決生產(chǎn)實(shí)踐中提出的許多復(fù)雜問(wèn)題，而且必將推動(dòng)地下水動(dòng)力學(xué)方法向新的高度發(fā)展。 2100433B

地下水動(dòng)力學(xué)法（ground water dynamics）是礦井開采預(yù)測(cè)涌水量的一種方法。只要搞清汁算地段確切的地質(zhì)、水文地質(zhì)和開采條件，據(jù)此選擇或推導(dǎo)出適合這種條件的計(jì)算公式。

精確地確定出計(jì)算參數(shù)，一般都能得到比較接近實(shí)際的涌水量預(yù)測(cè)值。它通常適啟于任一條件的涌水量預(yù)測(cè)。 2100433B