地下水水文学

地下水水文学的研究内容可归纳为：

地下水水文学地下水的形成

地下水主要来自大气降水和地表水的入渗，在灌区还有灌溉水的入渗。入渗的水在地下经过重新分配（储存、蒸发和水平排泄）组成自然界水文循环的一部分。地下水水文学研究地下水在自然界水循环中的作用，研究它与降水、蒸发、地表水之间的联系和转化，它的补给、排泄、与此有关的水文和水文地质参数（如降水入渗补给系数、给水度等）和地下水资源评价等。

地下水水文学地下水运动

地下水在重力和压力作用下产生渗流运动。地下水运动的基本定律是达西定律，可根据质量守恒原理和达西定律推导出不同条件下地下水运动的数学物理方程。计算地下水运动的基本方法是求出这些方程在各种初始条件和边界条件下的解。利用地下水运动方程的解，可以预测未来某时某地的地下水水位等水文要素,也可以计算导水系数等水文地质参数,为地下水资源评价提供可靠的依据。

地下水水文学地下水水情

也称地下水动态，指地下水水位、水量、水质、水温等要素在自然和人为因素影响下发生的变化。研究这些变化规律，建立各要素在时间和空间上的定量关系。通常利用观测站和试验场，进行地下水观测和野外试验，利用取得的资料,计算水文和水文地质参数,评价地下水的补给量、储存量和允许开采量、监测地下水的水质以防止地下水的污染等。

地下水水文学合理开发管理

地下水开发应在查明地下水资源的基础上统筹安排、合理规划。地下水的管理除了制订规划之外,还要建立地下水管理机构;进行水资源的合理调配；规定开采地下水的技术要求；保护水源，防止污染；防治因抽水引起的地面沉降或坍陷、海水入侵，以保证长期安全供水等。 地下水水文学内容还包括：包气带、土壤水、潜水、承压水、含水层、泉、地下水运动（达西定律、渗水系数、导水系数、给水度、释水系数、降水入渗补给系数、灌溉水入渗补给系数）、地下水预报、地下水计算（地下水模拟）、地下水开发利用、地下水管理等。

地下水的形成与分布，同地质、地理环境有密切联系。因此，地下水水文学与地质学和地理学有关。地下水运动的研究要以水力学和流体力学的基本理论为基础。在地下水动态资料的分析和地下水预测中广泛应用概率论和数理统计学。由于地下水水文学是从水文循环的观点来研究地下水的，因而它与气候学、地表水水文学、土壤学有密切联系。地下水质评价，要运用水化学和水文地球化学知识。此外，系统分析理论在地下水的开发利用中已逐渐得到采用。

地下水水文学中有些问题如降水、地表水和地下水三者的转化关系，地下水资源及其最优开发及管理等研究较少，不少方面尚处于探索阶段。在大区域内的复杂的水文地质条件下，确定含水层参数尚无完善的办法。开展水均衡要素室内和室外的观测和试验研究，建立新的数学物理模型，应用电子计算机和电模拟技术，可能使上述问题逐步取得进展。另外，污染物质的弥散、含水层温度场、地下水动态规律与预测等领域，也可望有更多的研究。

地下水水文学的发展史可分为三个时期：

地下水水文学萌芽时期

从公元前7世纪至公元16世纪,这两千多年期间，人们只限于对现象的直接观察和推测。柏拉图推测,地下有个巨大的洞穴,其中的水便是河流的水源。中国唐代柳宗元（773～819）在《天对》中说：“脉穴土区，而浊浊清清。垆疏，渗渴而升。充融有余，泄漏复行。”记述了地下水在岩土空隙中的存在，它的渗入、蒸发和流动等现象。

地下水水文学奠基时期

从公元17世纪到20世纪初,科学家们通过观察、试验和分析,提出了一系列关于地下水形成和运动的重要概念、定律和方法。法国科学家P.佩罗研究了地下水毛细管上升现象，得出砂中毛细管水上升高度小于 1米。法国学者E.马略特测量了由雨水入渗补给的地下水量，得出了泉水是由降雨入渗补给的重要结论。1856年，法国工程师H.-P.-G.达西通过试验建立了地下水渗流的基本定律，奠定了地下水运动的理论基础。1863年,法国学者J.-J.裘布衣根据实际的潜水面坡度很小的事实,作了一些简化和假定,运用达西定律导出了地下水井流公式。1870年德国人A.蒂姆改进了裘布衣公式，从而可用稳定流抽水试验来计算渗透系数等参数。这些工作,为地下水水文学的发展,奠定了基础。

地下水水文学发展时期

从20世纪初到20世纪80年代前期，由于生产的需要和科学技术的进步，地下水水文学逐渐形成一门独立的学科,并得到迅速的发展。1928年,美国学者O.E.迈因策尔论述了承压含水层的可压缩性和弹性，为地下水非稳定理论的建立准备了比较丰富的实践基础。1935年，美国学者C.V.泰斯利用地下水非稳定流动和热传导之间的相似性，导出了著名的泰斯公式。1937年美国学者M.马斯克特在《均匀流体通过多孔介质的流动》一书中,用数学方法较系统地论述了地下水的运动。1954年英国学者N.S.博尔顿导出了潜水完整井非稳定流的方程。1930年荷兰水文工程师G.J.德赫莱用数学方法分析地下水渗过弱透水层的越流现象。地下水污染的研究，从60年代以后得到发展。 中国在1949年以后，在大面积范围内对地下水资源评价、地下水水位及开采量的预报、水文及水文地质参数的确定和地下水调节计算等方面作了许多工作，取得了成果。

地下水水文学研究途径

①数学物理途径。根据地下水水情和影响因素之间的物理联系,建立它们之间的定量关系,例如，用水量平衡法求各平衡要素之间的定量关系，按一定的初始条件和边界条件求解地下水运动的数学物理方程。

②统计途径。根据大量实测资料，用概率统计原理研究地下水各种水文要素的统计规律，进行地下水预报和地下水计算。

地下水水文学研究手段

①钻探、地球物理勘探和遥感技术。主要用于查明含水层埋藏条件、空间分布和含水层的性质。

②试验和观测。包括抽水试验、井泉的地下水动态观测和土壤水观测等。

③地下水模拟技术。例如，电模拟中把电阻电容组成网络，用于模拟区域地下水流系统等。

④同位素技术。用来研究土壤水含量、地下水的起源、年龄和运动（见水文核技术）。

《地下水水文学原理》主要包括地下水流运动规律和污染物运移特征两部分内容，详细地介绍了含水层介质的特性、地下水在饱和带和非饱和带中的运移规律、水文地质试验及应用、地下水运动数值模拟方法和水文地质参数反分析。对于区域地下水流系统，着重探讨了地下水与地表水、咸淡水的相互作用规律以及水资源的开发和管理。污染物运移方面主要阐述了地下水中的化学反应规律、多相流中的污染物问题和污染物运移的解析和数值方法等。

《地下水水文学原理》可供水文水资源与环境学科、地质工程、水利、土木、交通和石油等学科的科研人员、大学教师和相关专业的本科和研究生，以及从事水资源管理专业的技术人员参考。

前言

第1章

水资源与水循环

1.1

水资源

1.2

水文学和水文地质学

1.3

水循环

1.4

与水循环有关的要素

1.5

水文过程

第2章

含水层介质的特性

2.1

岩土体的孔隙性

2.2

渗透率和渗透系数

2.3

含水层类型及其非均质性

2.4

压缩性和有效应力

第3章

地下水流运动的基本规律

3.1

饱和带中的地下水流运动方程

3.2

流线和流网

3.3

裂隙岩体中的地下水流

3.4

非饱和带水流运动规律

第4章

水文地质试验模型方法及应用

4.1

水文地质试验的原型地质模型

4.2

常规的水文地质试验步骤和方法

4.3

单孔试验

4.4

群孔抽水试验和叠加原理

4.5

水文地质试验的现场应用

第5章

区域地下水流系统及水资源

5.1

地下水流盆地

5.2

补给和排泄

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

地下水资源的开发和管理

第6章

地下水运动数值模拟方法

6.1

概述

6.2

有限差分法

6.3

有限单元法

6.4

特征有限元法

第7章

水文地质模型参数反分析

7.1

概述

7.2

模型误差来源

7.3

模型参数反演的适定性和方法

7.4

目标函数

7.5

参数敏感性分析、模型验证及预测

7.6

遗传算法在反演水文地质参数中的应用

第8章

地下水化学和水质特征

8.1

地下水中的化学组分

8.2

水中的化学反应类型

8.3

碳酸盐平衡

8.4

同位素水文学

8.5

水化学分析结果

第9章

地下水中的污染物

9.1

污染物运移的过程

9.2

地下水污染和示踪试验

9.3

多相流中污染物问题

9.4

地下水中污染物监测方法和修复

第10章

地下水中污染物运移模拟

10.1

溶质运移方程

10.2

溶质运移方程的解析解

10.3

溶质运移方程的数值解

参考文献2100433B

图书目录

1 地下水文学基础知识

1.1 地下水含义简释

1.1.1 潜水

1.1.2 承压水

1.1.3 土壤水

1.2 地下水文学研究对象

1.3 地下水运动基本规律

1.4 非饱和带土壤水的运动

1.4.1 非饱和带的进一步说明

1.4.2 土壤水分特性曲线

1.4.3 土壤水运动的基本方程

1.4.4 垂直水流的非稳定流方程

2 地下水计算参数

2.1 给水度

2.1.1 给水度的几个主要概念

2.1.2 测定方法

2.1.3 实例分析

2.1.4 五道沟地区μ值综合比较

2.1.5 各种岩土给水度的参考值

2.2 降雨入渗补给系数

2.2.1 计算Pr的常用方法

2.2.2 降雨人渗补给系数的计算

2.2.3 实例分析

2.2.4 各种岩性的降雨入渗补给系数

2.3 潜水蒸发系数

2.3.1 常用方法

2.3.2 实例分析

2.3.3 不同区域的潜水蒸发系数

2.4 灌溉入渗补给系数

2.4.1 黏性土的灌溉入渗补给系数

2.4.2 砂性土的灌溉入渗补给系数

2.4.3 各种岩性的灌溉入渗补给系数

2.5 河渠渗漏补给系数及渠系有效利用系数

2.5.1 自由渗漏时的计算方法

2.5.2 顶托渗漏时的计算方法

2.5.3 渠系有效利用系数

2.6 渗透系数与导水系数

2.6.1 渗透系数

2.6.2 导水系数

2.7 作物对降雨的有效利用系数和对地下水的利用系数

2.7.1 作物对降雨的有效利用系数

2.7.2 作物对地下水的利用系数

2.8 抽水试验法测定系数

2.8.1 稳定流抽水试验法

2.8.2 非稳定流抽水试验——泰斯法

2.8.3 非稳定流抽水试验——雅各布法

2.8.4 非稳定流抽水试验——布尔顿法

2.8.5 抽水试验法的应用条件与参数测定和改进

2.9 参数测定应注意的问题

2.10 注记

3 平原浅层地下水资源数量评价

3.1 地下水补给量计算

3.1.1 降水入渗补给量

3.1.2 河渠湖库渗漏补给量

3.1.3 山前与区外侧向补给量

3.1.4 渠灌田间入渗补给量

3.1.5 灌溉入渗补给量

3.1.6 越流补给量

3.2 地下水排泄量计算

3.2.1 潜水蒸发量

3.2.2 其他排泄量

3.3 地下水资源量和水资源总量

3.3.1 地下水资源量

3.3.2 水资源总量

3.4 地下水可开采量计算

3.4.1 地下水可开采量概述

3.4.2 地下水可开采量的几种计算方法

3.4.3 多年调节计算法

3.4.4 可开采系数的综合分析

4 平原区深层地下水和山丘区地下水资源评价简介

4.1 平原区深层地下水资源评价

4.2 山丘区地下水资源评价

5 地下水资源质量评价

5.1 地下水的主要性质

5.2 地下水质量分类

5.2.1 地下水质量分类概述

5.2.2 地下水质量分类指标

5.3 地下水质量评价方法

5.3.1 地下水质量单项组分评价

5.3.2 地下水质量综合评价

5.4 几类水质标准综述

5.5 地下水质量趋势变化分析

5.5.1 简单计算法

5.5.2 回归分析法——手算法

5.5.3 回归分析法——采用Excel计算

附录A 深层地下水资源的分类属性与分析评价

附录B 水文频率计算

附录C r分布离均系数φ值表

附录D r分布模比系数K值表

参考文献2100433B