地下水动力学

地下水动力学是研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶岩石中运动规律的科学。它是模拟地下水流基本状态和地下水中溶质运移过程，对地下水从数量上和质量上进行定量评价和合理开发利用，以及兴利防害的理论基础。

中文名称：地下水动力学

英文名称：dynamics of groundwater

定义：研究地下水运动规律的学科。不仅用来定性分析地下水的补给、径流和排泄等水文地质条件，而且可定量评价地下水的水量和水质。

所属学科：地理学（一级学科）；

水文学（二级学科）

研究对象是多孔介质，具有互相连通空隙的岩石（含水的岩石）。包括孔隙介质、裂隙介质和裂隙-溶隙介质。由两部分组成，骨架和空隙。

主要研究内容：

（1）渗流基本概念、基本定律、基本方程、定解条件及数学模型的建立和解法，为基础理论和重点内容；

（2）地下水向河渠的运动；排灌区地下水运动的规律即水平方向运动规律。

（3）地下水向井的运动和求参方法，重点是地下水向完整井的稳定运动和非稳定运动；水井区地下水运动的规律即垂直运动规律。

（4）地下水向非完整井和边界井的运动；

（5）地下水运动中的若干问题（地下水中溶质运移规律、包气带中水的运移规律等）和实验室方法。

主要研究地下水的补给、径流和排泄等水文地质条件，定量评价地下水的水量和水质，为地下水资源的合理开发和优化管理提供设计依据。其研究领域主要有下列5方面：

① 研究水在岩土孔隙、裂隙和岩溶含水层中的运动机制，把握运动规律，得出地下水向集水建筑物运动的计算方法，为地下水的开发或防治求得数据。

②研究污染物和热量在地下水中的运移机制和计算方法。

③研究水和污染物在包气带中的运动。

④预测某一地区地下水系统未来的水力或水质状况。

⑤地下水的合理开发和优化管理。

在地下水动力学中主要运用物理摸拟、数学模拟和数学规划法。如运用渗流槽、窄缝槽、电解液和网络模型来研究地下水的运动机制或水文地质原型的物理量之间的定量关系；对确定性问题，用数值法、解析法，在一定的初始条件和边界条件下，求解地下水运动的数学物理方程，对随机性问题，则用随机微分方程或统计方程来研究地下水运动；在地下水模拟方法的基础上，综合考虑社会、经济、环境和技术等因素，求解最优决策。

发展简史

虽然人类对地下水的开发利用可追溯到远古时代，但对地下水运动规律的科学认识是较晚的。1839年G.哈根和1846年J.L.M.泊肃叶分别观测到毛管中水流的层流流速与水力坡度成线性关系。1856年法国水力工程师H.P.G.达西通过砂的渗透试验获得渗透流速与水力坡度之间的线性关系，提出线性渗透定律，即达西定律，标志地下水动力学作为一门学科的诞生。1863年J.裘布依对水力坡度很小的潜水缓变流作出假设，把达西定律用于实际。20世纪初法国J.V.博西内斯克和E.马耶通过城市水源地泉水动态观测，建立了地下水非稳定流的概念，并作出数学描述。1935年美国C.V.泰斯总结了L.K.文策尔等人的实践经验和认识，考虑承压含水层的弹性可压缩，利用热传导方程的相似性导出了著名的非稳定井流公式。1931年L.A.理查兹将线性渗透定律推广到包气带，获得类似的表达式。1937年美国M.马斯克特的《均匀流体通过多孔介质的流动》一书，对地下水的运动作了系统的论述。20世纪40～80年代，生产的需求推动理论进一步发展。1940年M.K.哈伯特提出了流动势的概念。流网得以广泛用于分析水文地质条件。叠加原理与映射法的引入，为多井系统及有界含水层中的井流计算提供有力工具。1946～1955年间C.E.雅可布与M.S.汉图什导出越流条件下井流计算公式。此后还发展成三大越流系统。继N.S.博尔顿1954年发现潜水含水层延迟给水现象后，完善了流向潜水井的非稳定流的计算。1956年C.S.斯利希特观测到水质运移的弥散现象，此后，对于地下水中溶质和温度的运移的研究，有了长足的进步。70年代，地下水管理问题提到了日程，有限差法、有限元法和边界元法日益广泛地应用于水文地质计算中。

主要有3个方面：

①物理模拟,利用同调的物理模型，如渗流槽（砂槽）、窄缝槽、电解液、网络模型等模拟地下水的运动，研究地下水的运动机制或水文地质原型的各物理量之间的定量关系。

②数学模拟，对于确立性问题，采用解析法、数值法（有限差分法、有限单元法、边界元法），在一定的初始条件和边界条件下求解地下水运动的数学物理方程。对于随机性问题，采用随机微分方程或统计方程来研究地下水运动，以获得一定保证率下的地下水的预报值。

③数学规划法。在地下水模拟方法的基础上，通过它来综合考虑社会、经济、环境、技术等因素求解最优决策。

地下水动力学问题的研究是建立在水文地质条件基础之上，所以它与地质学的有关学科有密切联系。地下水是水圈的组成部分，又参与整个水文循环。水文因素在地下水运动中起积极主导作用，故离不开气候学、水文学的有关知识。研究地下水运动需要应用水力学、流体力学的一些概念和方法。数学是量化和优化的手段。水量与水质的定量评价还涉及物理、化学领域中许多知识。

地下水动力学对于裂隙水、岩溶水的研究较晚。污染物和温度在地下水中运移的机制和计算方法的研究，已引起广泛的重视，将成为地下水动力学的新的课题。非饱和带（包气带）土壤水运动规律、粘性土的结合水运动规律，可望在研究过程中得到新的发展。

教材介绍

地下水动力学是地下水文学与资源、环境工程、水文地质与工程地质等专业的一门十分重要的专业基础课，近二三年来，随着国民经济的发展，特别是电子计算机的广泛使用而得到很大的发展。就其研究内容来说，地下水动力学涉及饱和的与非饱和的地下水运动规律的研究；依解决问题的方法，可分为解析法、数值模拟法和物理模拟法。

本书的特色，在内容上十分讲究其系统性、科学性和严密性，概念上力求准确性。我国50年代地下水动力学主要以苏联卡明斯基（L.H.KaMeHckHH）《地下水动力学原理》为主要参考书。

本教材把重点放在基本概念、原理的阐明，模型和基本条件的准确描述和应用上。在分析的方法上尽力深入浅出，便于读者自学。

本教材附有复习思考题，以帮助读者深入理解有关原理和方法，初步学会灵活应用。目录绪言　第一章　地下水运动的基本概念与基本定律　　1.1　地下水运动的基本概念　1.2　渗流基本定律　　1.3　地下水通过非均质岩层突变界面的折射现象　1.4　流网　复习思考题第二章　地下水运动的基本微分方程及定解条件　2.1　渗流连续性方程　2.2　水和多孔介质的压缩性　2.3　渗流基本微分方程　2.4　潜水流动的布西涅斯克微分方程　2.5　定解条件及数学模型　复习思考题第三章　地下水向河渠的运动　　3.1　均质含水层中地下水向河渠的运动　3.2　非均质含水层中地下水向河渠的运动　　复习思考题第四章　裘布依稳定井流　4.1　裘布依靠定井流的基本方程　4.2　齐姆模型与裘布依模型的区别　复习思考题第五章　无越流含水层中的完整井流　5.1　无限含水层中单个定流量井流　5.2　井群干扰　5.3　直线边界附近的井流——反映法　5.4　变流量井流　5.5　无限含水层中单个定降深井流　5.6　无限含水层中地下水承压－无压井流　复习思考题第六章　无越流含水层中完整井的井流试验　6.1　定流量抽（注）水试验　6.2　水位恢复试验　6.3　边界附过定流量井流试验　6.4　多主井和阶梯流量井流度验　6.5　定降空井流试验　6.6　瞬时抽（注）水法　6.7　确定井损系数和井孔有效半径的井流试验　复习思考题第七章　无越流潜水含水层中的完整井流　7.1　概述　7.2　考虑滞后给水的分析方法——博尔顿法　7.3　二元结构的含水系统　7.4　考虑流速垂直分量和弹性储量的分析方法——纽曼法第八章　越流系统中的承压完整井流　8.1　第一类越流系统中的定流量井流　8.2　第二类越流系统中的定流量井流　8.3　第一类越流系统中的定降深井流　8.4　第二类越流系统中的定降深井流　复习思考题第九章　均质各向异性含水层中的完整井流　9.1　概述　9.2　基本方程　9.3　井流试验　复习思考题第十章　承压非完整井流及源汇理论的应用　10.1　基本方程　10.2　源汇理论的应用　10.3　井流试验确定含水层参数　复习思考题第十一章　研究地下水运动的物理模拟方法　11.1　砂槽（渗流槽）模拟方法　11.2　连续型电模拟方法　　11.3　流网计算渗流区的运动要素及渗流量附录Ⅰ　泰斯公式的博尔兹门变换解法附录Ⅱ　主要符号一览表