地下水水文學(xué)研究途徑手段

地下水水文學(xué)研究途徑

①數(shù)學(xué)物理途徑。根據(jù)地下水水情和影響因素之間的物理聯(lián)系,建立它們之間的定量關(guān)系,例如，用水量平衡法求各平衡要素之間的定量關(guān)系，按一定的初始條件和邊界條件求解地下水運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)物理方程。

②統(tǒng)計(jì)途徑。根據(jù)大量實(shí)測(cè)資料，用概率統(tǒng)計(jì)原理研究地下水各種水文要素的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，進(jìn)行地下水預(yù)報(bào)和地下水計(jì)算。

地下水水文學(xué)研究手段

①鉆探、地球物理勘探和遙感技術(shù)。主要用于查明含水層埋藏條件、空間分布和含水層的性質(zhì)。

②試驗(yàn)和觀測(cè)。包括抽水試驗(yàn)、井泉的地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)和土壤水觀測(cè)等。

③地下水模擬技術(shù)。例如，電模擬中把電阻電容組成網(wǎng)絡(luò)，用于模擬區(qū)域地下水流系統(tǒng)等。

④同位素技術(shù)。用來(lái)研究土壤水含量、地下水的起源、年齡和運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)水文核技術(shù)）。

地下水水文學(xué)的研究?jī)?nèi)容可歸納為：

地下水水文學(xué)地下水的形成

地下水主要來(lái)自大氣降水和地表水的入滲，在灌區(qū)還有灌溉水的入滲。入滲的水在地下經(jīng)過(guò)重新分配（儲(chǔ)存、蒸發(fā)和水平排泄）組成自然界水文循環(huán)的一部分。地下水水文學(xué)研究地下水在自然界水循環(huán)中的作用，研究它與降水、蒸發(fā)、地表水之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，它的補(bǔ)給、排泄、與此有關(guān)的水文和水文地質(zhì)參數(shù)（如降水入滲補(bǔ)給系數(shù)、給水度等）和地下水資源評(píng)價(jià)等。

地下水水文學(xué)地下水運(yùn)動(dòng)

地下水在重力和壓力作用下產(chǎn)生滲流運(yùn)動(dòng)。地下水運(yùn)動(dòng)的基本定律是達(dá)西定律，可根據(jù)質(zhì)量守恒原理和達(dá)西定律推導(dǎo)出不同條件下地下水運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)物理方程。計(jì)算地下水運(yùn)動(dòng)的基本方法是求出這些方程在各種初始條件和邊界條件下的解。利用地下水運(yùn)動(dòng)方程的解，可以預(yù)測(cè)未來(lái)某時(shí)某地的地下水水位等水文要素,也可以計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù),為地下水資源評(píng)價(jià)提供可靠的依據(jù)。

地下水水文學(xué)地下水水情

也稱地下水動(dòng)態(tài)，指地下水水位、水量、水質(zhì)、水溫等要素在自然和人為因素影響下發(fā)生的變化。研究這些變化規(guī)律，建立各要素在時(shí)間和空間上的定量關(guān)系。通常利用觀測(cè)站和試驗(yàn)場(chǎng)，進(jìn)行地下水觀測(cè)和野外試驗(yàn)，利用取得的資料,計(jì)算水文和水文地質(zhì)參數(shù),評(píng)價(jià)地下水的補(bǔ)給量、儲(chǔ)存量和允許開采量、監(jiān)測(cè)地下水的水質(zhì)以防止地下水的污染等。

地下水水文學(xué)合理開發(fā)管理

地下水開發(fā)應(yīng)在查明地下水資源的基礎(chǔ)上統(tǒng)籌安排、合理規(guī)劃。地下水的管理除了制訂規(guī)劃之外,還要建立地下水管理機(jī)構(gòu);進(jìn)行水資源的合理調(diào)配；規(guī)定開采地下水的技術(shù)要求；保護(hù)水源，防止污染；防治因抽水引起的地面沉降或坍陷、海水入侵，以保證長(zhǎng)期安全供水等。 地下水水文學(xué)內(nèi)容還包括：包氣帶、土壤水、潛水、承壓水、含水層、泉、地下水運(yùn)動(dòng)（達(dá)西定律、滲水系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、給水度、釋水系數(shù)、降水入滲補(bǔ)給系數(shù)、灌溉水入滲補(bǔ)給系數(shù)）、地下水預(yù)報(bào)、地下水計(jì)算（地下水模擬）、地下水開發(fā)利用、地下水管理等。

地下水水文學(xué)的發(fā)展史可分為三個(gè)時(shí)期：

地下水水文學(xué)萌芽時(shí)期

從公元前7世紀(jì)至公元16世紀(jì),這兩千多年期間，人們只限于對(duì)現(xiàn)象的直接觀察和推測(cè)。柏拉圖推測(cè),地下有個(gè)巨大的洞穴,其中的水便是河流的水源。中國(guó)唐代柳宗元（773～819）在《天對(duì)》中說(shuō)：“脈穴土區(qū)，而濁濁清清。壚疏，滲渴而升。充融有余，泄漏復(fù)行?！庇浭隽说叵滤趲r土空隙中的存在，它的滲入、蒸發(fā)和流動(dòng)等現(xiàn)象。

地下水水文學(xué)奠基時(shí)期

從公元17世紀(jì)到20世紀(jì)初,科學(xué)家們通過(guò)觀察、試驗(yàn)和分析,提出了一系列關(guān)于地下水形成和運(yùn)動(dòng)的重要概念、定律和方法。法國(guó)科學(xué)家P.佩羅研究了地下水毛細(xì)管上升現(xiàn)象，得出砂中毛細(xì)管水上升高度小于 1米。法國(guó)學(xué)者E.馬略特測(cè)量了由雨水入滲補(bǔ)給的地下水量，得出了泉水是由降雨入滲補(bǔ)給的重要結(jié)論。1856年，法國(guó)工程師H.-P.-G.達(dá)西通過(guò)試驗(yàn)建立了地下水滲流的基本定律，奠定了地下水運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)。1863年,法國(guó)學(xué)者J.-J.裘布衣根據(jù)實(shí)際的潛水面坡度很小的事實(shí),作了一些簡(jiǎn)化和假定,運(yùn)用達(dá)西定律導(dǎo)出了地下水井流公式。1870年德國(guó)人A.蒂姆改進(jìn)了裘布衣公式，從而可用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)來(lái)計(jì)算滲透系數(shù)等參數(shù)。這些工作,為地下水水文學(xué)的發(fā)展,奠定了基礎(chǔ)。

地下水水文學(xué)發(fā)展時(shí)期

從20世紀(jì)初到20世紀(jì)80年代前期，由于生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，地下水水文學(xué)逐漸形成一門獨(dú)立的學(xué)科,并得到迅速的發(fā)展。1928年,美國(guó)學(xué)者O.E.邁因策爾論述了承壓含水層的可壓縮性和彈性，為地下水非穩(wěn)定理論的建立準(zhǔn)備了比較豐富的實(shí)踐基礎(chǔ)。1935年，美國(guó)學(xué)者C.V.泰斯利用地下水非穩(wěn)定流動(dòng)和熱傳導(dǎo)之間的相似性，導(dǎo)出了著名的泰斯公式。1937年美國(guó)學(xué)者M(jìn).馬斯克特在《均勻流體通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)》一書中,用數(shù)學(xué)方法較系統(tǒng)地論述了地下水的運(yùn)動(dòng)。1954年英國(guó)學(xué)者N.S.博爾頓導(dǎo)出了潛水完整井非穩(wěn)定流的方程。1930年荷蘭水文工程師G.J.德赫萊用數(shù)學(xué)方法分析地下水滲過(guò)弱透水層的越流現(xiàn)象。地下水污染的研究，從60年代以后得到發(fā)展。 中國(guó)在1949年以后，在大面積范圍內(nèi)對(duì)地下水資源評(píng)價(jià)、地下水水位及開采量的預(yù)報(bào)、水文及水文地質(zhì)參數(shù)的確定和地下水調(diào)節(jié)計(jì)算等方面作了許多工作，取得了成果。

地下水的形成與分布，同地質(zhì)、地理環(huán)境有密切聯(lián)系。因此，地下水水文學(xué)與地質(zhì)學(xué)和地理學(xué)有關(guān)。地下水運(yùn)動(dòng)的研究要以水力學(xué)和流體力學(xué)的基本理論為基礎(chǔ)。在地下水動(dòng)態(tài)資料的分析和地下水預(yù)測(cè)中廣泛應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)。由于地下水水文學(xué)是從水文循環(huán)的觀點(diǎn)來(lái)研究地下水的，因而它與氣候?qū)W、地表水水文學(xué)、土壤學(xué)有密切聯(lián)系。地下水質(zhì)評(píng)價(jià)，要運(yùn)用水化學(xué)和水文地球化學(xué)知識(shí)。此外，系統(tǒng)分析理論在地下水的開發(fā)利用中已逐漸得到采用。

地下水水文學(xué)中有些問(wèn)題如降水、地表水和地下水三者的轉(zhuǎn)化關(guān)系，地下水資源及其最優(yōu)開發(fā)及管理等研究較少，不少方面尚處于探索階段。在大區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下，確定含水層參數(shù)尚無(wú)完善的辦法。開展水均衡要素室內(nèi)和室外的觀測(cè)和試驗(yàn)研究，建立新的數(shù)學(xué)物理模型，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)和電模擬技術(shù)，可能使上述問(wèn)題逐步取得進(jìn)展。另外，污染物質(zhì)的彌散、含水層溫度場(chǎng)、地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律與預(yù)測(cè)等領(lǐng)域，也可望有更多的研究。

《地下水水文學(xué)原理》主要包括地下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和污染物運(yùn)移特征兩部分內(nèi)容，詳細(xì)地介紹了含水層介質(zhì)的特性、地下水在飽和帶和非飽和帶中的運(yùn)移規(guī)律、水文地質(zhì)試驗(yàn)及應(yīng)用、地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法和水文地質(zhì)參數(shù)反分析。對(duì)于區(qū)域地下水流系統(tǒng)，著重探討了地下水與地表水、咸淡水的相互作用規(guī)律以及水資源的開發(fā)和管理。污染物運(yùn)移方面主要闡述了地下水中的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律、多相流中的污染物問(wèn)題和污染物運(yùn)移的解析和數(shù)值方法等。

《地下水水文學(xué)原理》可供水文水資源與環(huán)境學(xué)科、地質(zhì)工程、水利、土木、交通和石油等學(xué)科的科研人員、大學(xué)教師和相關(guān)專業(yè)的本科和研究生，以及從事水資源管理專業(yè)的技術(shù)人員參考。

前言

第1章

水資源與水循環(huán)

1.1

水資源

1.2

水文學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)

1.3

水循環(huán)

1.4

與水循環(huán)有關(guān)的要素

1.5

水文過(guò)程

第2章

含水層介質(zhì)的特性

2.1

巖土體的孔隙性

2.2

滲透率和滲透系數(shù)

2.3

含水層類型及其非均質(zhì)性

2.4

壓縮性和有效應(yīng)力

第3章

地下水流運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

3.1

飽和帶中的地下水流運(yùn)動(dòng)方程

3.2

流線和流網(wǎng)

3.3

裂隙巖體中的地下水流

3.4

非飽和帶水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律

第4章

水文地質(zhì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒皯?yīng)用

4.1

水文地質(zhì)試驗(yàn)的原型地質(zhì)模型

4.2

常規(guī)的水文地質(zhì)試驗(yàn)步驟和方法

4.3

單孔試驗(yàn)

4.4

群孔抽水試驗(yàn)和疊加原理

4.5

水文地質(zhì)試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

第5章

區(qū)域地下水流系統(tǒng)及水資源

5.1

地下水流盆地

5.2

補(bǔ)給和排泄

5.3

地下水和地表水的相互作用

5.4

淡水和咸水的相互作用

5.5

地下水資源的開發(fā)和管理

第6章

地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法

6.1

概述

6.2

有限差分法

6.3

有限單元法

6.4

特征有限元法

第7章

水文地質(zhì)模型參數(shù)反分析

7.1

概述

7.2

模型誤差來(lái)源

7.3

模型參數(shù)反演的適定性和方法

7.4

目標(biāo)函數(shù)

7.5

參數(shù)敏感性分析、模型驗(yàn)證及預(yù)測(cè)

7.6

遺傳算法在反演水文地質(zhì)參數(shù)中的應(yīng)用

第8章

地下水化學(xué)和水質(zhì)特征

8.1

地下水中的化學(xué)組分

8.2

水中的化學(xué)反應(yīng)類型

8.3

碳酸鹽平衡

8.4

同位素水文學(xué)

8.5

水化學(xué)分析結(jié)果

第9章

地下水中的污染物

9.1

污染物運(yùn)移的過(guò)程

9.2

地下水污染和示蹤試驗(yàn)

9.3

多相流中污染物問(wèn)題

9.4

地下水中污染物監(jiān)測(cè)方法和修復(fù)

第10章

地下水中污染物運(yùn)移模擬

10.1

溶質(zhì)運(yùn)移方程

10.2

溶質(zhì)運(yùn)移方程的解析解

10.3

溶質(zhì)運(yùn)移方程的數(shù)值解

參考文獻(xiàn)2100433B

圖書目錄

1 地下水文學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 地下水含義簡(jiǎn)釋

1.1.1 潛水

1.1.2 承壓水

1.1.3 土壤水

1.2 地下水文學(xué)研究對(duì)象

1.3 地下水運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律

1.4 非飽和帶土壤水的運(yùn)動(dòng)

1.4.1 非飽和帶的進(jìn)一步說(shuō)明

1.4.2 土壤水分特性曲線

1.4.3 土壤水運(yùn)動(dòng)的基本方程

1.4.4 垂直水流的非穩(wěn)定流方程

2 地下水計(jì)算參數(shù)

2.1 給水度

2.1.1 給水度的幾個(gè)主要概念

2.1.2 測(cè)定方法

2.1.3 實(shí)例分析

2.1.4 五道溝地區(qū)μ值綜合比較

2.1.5 各種巖土給水度的參考值

2.2 降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)

2.2.1 計(jì)算Pr的常用方法

2.2.2 降雨人滲補(bǔ)給系數(shù)的計(jì)算

2.2.3 實(shí)例分析

2.2.4 各種巖性的降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)

2.3 潛水蒸發(fā)系數(shù)

2.3.1 常用方法

2.3.2 實(shí)例分析

2.3.3 不同區(qū)域的潛水蒸發(fā)系數(shù)

2.4 灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)

2.4.1 黏性土的灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)

2.4.2 砂性土的灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)

2.4.3 各種巖性的灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)

2.5 河渠滲漏補(bǔ)給系數(shù)及渠系有效利用系數(shù)

2.5.1 自由滲漏時(shí)的計(jì)算方法

2.5.2 頂托滲漏時(shí)的計(jì)算方法

2.5.3 渠系有效利用系數(shù)

2.6 滲透系數(shù)與導(dǎo)水系數(shù)

2.6.1 滲透系數(shù)

2.6.2 導(dǎo)水系數(shù)

2.7 作物對(duì)降雨的有效利用系數(shù)和對(duì)地下水的利用系數(shù)

2.7.1 作物對(duì)降雨的有效利用系數(shù)

2.7.2 作物對(duì)地下水的利用系數(shù)

2.8 抽水試驗(yàn)法測(cè)定系數(shù)

2.8.1 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)法

2.8.2 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)——泰斯法

2.8.3 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)——雅各布法

2.8.4 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)——布爾頓法

2.8.5 抽水試驗(yàn)法的應(yīng)用條件與參數(shù)測(cè)定和改進(jìn)

2.9 參數(shù)測(cè)定應(yīng)注意的問(wèn)題

2.10 注記

3 平原淺層地下水資源數(shù)量評(píng)價(jià)

3.1 地下水補(bǔ)給量計(jì)算

3.1.1 降水入滲補(bǔ)給量

3.1.2 河渠湖庫(kù)滲漏補(bǔ)給量

3.1.3 山前與區(qū)外側(cè)向補(bǔ)給量

3.1.4 渠灌田間入滲補(bǔ)給量

3.1.5 灌溉入滲補(bǔ)給量

3.1.6 越流補(bǔ)給量

3.2 地下水排泄量計(jì)算

3.2.1 潛水蒸發(fā)量

3.2.2 其他排泄量

3.3 地下水資源量和水資源總量

3.3.1 地下水資源量

3.3.2 水資源總量

3.4 地下水可開采量計(jì)算

3.4.1 地下水可開采量概述

3.4.2 地下水可開采量的幾種計(jì)算方法

3.4.3 多年調(diào)節(jié)計(jì)算法

3.4.4 可開采系數(shù)的綜合分析

4 平原區(qū)深層地下水和山丘區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介

4.1 平原區(qū)深層地下水資源評(píng)價(jià)

4.2 山丘區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)

5 地下水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)

5.1 地下水的主要性質(zhì)

5.2 地下水質(zhì)量分類

5.2.1 地下水質(zhì)量分類概述

5.2.2 地下水質(zhì)量分類指標(biāo)

5.3 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

5.3.1 地下水質(zhì)量單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)

5.3.2 地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

5.4 幾類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)綜述

5.5 地下水質(zhì)量趨勢(shì)變化分析

5.5.1 簡(jiǎn)單計(jì)算法

5.5.2 回歸分析法——手算法

5.5.3 回歸分析法——采用Excel計(jì)算

附錄A 深層地下水資源的分類屬性與分析評(píng)價(jià)

附錄B 水文頻率計(jì)算

附錄C r分布離均系數(shù)φ值表

附錄D r分布模比系數(shù)K值表

參考文獻(xiàn)2100433B