地下水動力學研究手段

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(lián)系。地下水是水圈的組成部分，又參與整個水文循環(huán)。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(shù)學是量化和優(yōu)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。

地下水動力學對于裂隙水、巖溶水的研究較晚。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。非飽和帶中土壤水的運動規(guī)律、粘性土中的結合水運動規(guī)律，可望在研究過程中得到新的發(fā)展。

地下水動力學中主要運用解析法、物理模擬法與數(shù)值模擬法來進行問題的研究。

地下水動力學解析法

解析法是指用解析方法求解由地下水動力學問題轉化成的數(shù)學表達式或方程（包括常、偏微分方程等）。這種方法較為清晰明了，實施起來較為簡便，但解析法只能解決簡單的滲流問題（受到方程解析法求解的限制），較為復雜的地下水動力學問題必須采用后兩種方法解決。

地下水動力學物理模擬法

對于實際的、較為復雜的地下水動力學問題，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)地下水流動動態(tài)和過程的試驗方法，它不僅能夠模擬解析法難以求解的復雜問題，而且在檢驗基本理論和需要觀察流動過程中可能出現(xiàn)的一些物理現(xiàn)象（如管涌現(xiàn)象與彌散現(xiàn)象）時，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，目前解決實際的水文地質問題中，物理模擬法已經基本被數(shù)值模擬法所取代。

地下水動力學數(shù)值模擬法

對于一個描述實際地下水系統(tǒng)的數(shù)學模型來說，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算機，求得的是精度可變的近似解。

解地下水問題的數(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）。

雖然人類對地下水的開發(fā)利用可追溯到遠古時代，但由于地下水運動問題本身的復雜性和受生產力發(fā)展水平的限制，人類對地下水運動規(guī)律的科學認識是較晚的。

1839年和1846年，G.哈根與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系。

1856年，法國水力工程師H.P.G.Darcy（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系，提出線性滲透定律，即達西定律，標志地下水動力學作為一門學科的誕生。

1863年，J.Dupuit（裘布依）對水力坡度很小的潛水緩變流作出假設，把達西定律用于實際。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(tài)觀測，建立了地下水非穩(wěn)定流的概念，并作出數(shù)學描述。

1935年，美國C.V.Theis（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(wěn)定井流公式（Theis 公式），泰斯公式的出現(xiàn)開創(chuàng)了現(xiàn)代地下水運動理論的新紀元。

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(tǒng)的論述。20世紀40～80年代，生產的需求推動理論進一步發(fā)展。

1940年，M.K.哈伯特提出了流動勢的概念。流網得以廣泛用于分析水文地質條件。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.漢圖什導出了越流條件下井流計算公式。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)定流的計算。

1956年，C.S.斯利希特觀測到水質運移的彌散現(xiàn)象，此后，對于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于水文地質計算中。

40多年來，隨著計算機和計算技術日新月異的進步與發(fā)展，人們在分析地下水問題的能力上有了突破性的進展。預計今后地下水動力學將著重研究地下水在裂隙介質、巖溶介質中運動機制和基本運動規(guī)律的研究，非飽和帶水、鹽運動理論的研究，水中溶質運動機制和運移理論的研究，熱量在地下水中運移的研究，地下水最優(yōu)管理問題的研究和介質非均質性研究等。除了繼續(xù)加強解析法的研究外，對有效地解決各種實際滲流問題的數(shù)值模擬方法進行研究將是一個主要的方面，隨機理論也將進一步引入到水流和溶質運移的研究中來。

（1）多孔介質、滲流基本概念、基本定律、基本方程、定解條件及數(shù)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（分為河渠間地下水的穩(wěn)定運動與河渠間潛水的非穩(wěn)定運動）；排灌區(qū)地下水運動的規(guī)律（水平方向運動規(guī)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(wěn)定運動和非穩(wěn)定運動；水井區(qū)地下水運動的規(guī)律即垂直運動規(guī)律。

（4）地下水向非完整井和邊界井的運動。

（5）非飽和帶地下水運動理論（入滲與潛水蒸發(fā)等）。

（6）水動力彌散理論，主要包括水動力彌散現(xiàn)象及機理，以及對流——彌散方程及其解的研究。

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

1、1856年法國工程師達西（Henry Darcy）提出的水在多孔介質中的滲透定律，即著名的達西定律，這個定律是定量研究地下水運動的開始。

2、1863年，J.Dupuit（裘布依）以達西定律為基礎研究了一維穩(wěn)定運動和向水井的二維穩(wěn)定運動。

3、進入20世紀，隨著地下水開采量的迅速增加，人們開始注意地下水運動的不穩(wěn)定性和承壓含水層的貯水性質。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)代地下水運動研究的新紀元。

4、隨著地下水開采規(guī)模的繼續(xù)擴大，非穩(wěn)定流的解析法遇到了求解繁瑣甚至無法求解的瓶頸，在20實際五、六十年代，很多研究人員轉向電阻網絡模擬為代表的物理模擬技術上來，這種方法在上世紀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，隨著計算機技術的進步，人們將計算機數(shù)值模擬運用到地下水動力學的計算中來，同電網絡模擬相比，它迅速顯示出了處理問題的極大的優(yōu)越性。隨著近幾十年來計算技術的高度發(fā)展，人們在研究問題的能力上也有了大的進展。 2100433B

本書按《地下水動力學》教學內容的要求，以章節(jié)為單位，提供了多種類型的思考練習題，內容涉及地下水動力學的基本概念、基本原理及其應用。

地下水動力學方法是研究地下水在巖石孔隙、裂隙和溶洞中運動規(guī)律的方法，始于19世紀中葉。1856年法國達西(N.Darcy)在總結前人實踐基礎上，通過試驗提出水在孔隙介質中滲透的線性滲透定律，即達西定律。稍后杜普特(J.Dupuit)以達西定律為基礎，研究了單向和平面徑向運動，奠定了地下水穩(wěn)定流基礎。20世紀中期相繼提出和建立了地下水非穩(wěn)定流理論，使本法進入新的發(fā)展階段。它是以數(shù)學、物理學、水利學為基礎，應用數(shù)值計算、模擬試驗等一系列手段實驗的，將為地下水定量評價和合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

地下水是在天然地質體中運動的，因此研究時必須充分考慮當?shù)氐牡刭|、水文地質條件，作出正確的抽象和簡化，據(jù)此建立適當?shù)臄?shù)學模型。這種模型既要反映天然環(huán)境主要特點，又要考慮計算的需要和可能。隨著電子計算機的出現(xiàn)和廣泛應用，60年代中期以來，數(shù)值計算方法在水文地質計算中得到推廣，它的迅速發(fā)展和應用，不僅可以解決生產實踐中提出的許多復雜問題，而且必將推動地下水動力學方法向新的高度發(fā)展。 2100433B

地下水動力學法（ground water dynamics）是礦井開采預測涌水量的一種方法。只要搞清汁算地段確切的地質、水文地質和開采條件，據(jù)此選擇或推導出適合這種條件的計算公式。

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