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地下水动力学

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
    J.贝尔著,许涓铭等译:《地下水水力学》,地质出版社,北京,1985。(J.Bear,Hydraulics of Groundwater,McGraw-Hill Book Co.,New York,1979.)D.K.Todd,Groundwater Hydrology,John Wiley & Sons,Pub.,New York,1959.