地下水动力学

[拼音]：dixiashui donglixue

[外文]：groundwater hydraulics

研究地下水运动规律的学科。水文地质学的一个分支。它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，而且又可定量评价地下水的水量和水质，并为地下水的合理开发利用与优化管理提供决策依据。

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。

研究内容

地下水动力学的研究内容可归纳为：

（1）研究水在孔隙、裂隙和岩溶含水层中的运动机制，掌握其规律性，求得地下水向各类集水建筑物运动的计算方法，为地下水的开发利用和防治提供定量的数据。

（2）研究污染物和热量在地下水中运移的机制和计算方法。地下水中的污染物和热量一方面被水挟带而运移，另一方面在本身的梯度作用下，发生扩散或传导，并且由于微观的速度不均匀而发生水动力弥散，一般满足对流－弥散方程。某些污染物在运移过程中还发生化学反应。污染物和热量运移的计算可为污染预测、环境评价、核废料贮存、含水层贮能等提供科学依据。

（3）研究水分和污染物在包气带中的运动。大气降水和地表水对地下水的补给要通过包气带。污水、固体废料堆、化肥、农药对地下水的污染往往也要通过包气带。因此，这一研究有较大的实际意义。

（4）把研究区地下水作为地下水系统来识别和预报。利用模拟模型可预测出地下水系统未来的水力或水质状态。

（5）地下水的合理开发与优化管理。地下水的开发，既要考虑技术上的合理性，又要考虑经济、社会和环境的效益。可通过优化方法，为决策提供依据。

研究手段和方法

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。

与其他学科的关系

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。

参考书目

Hydraulics of Groundwater,

Groundwater　Hydrology，