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1、1地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用教材教材一、教材一、教材1、地下水动力学地下水动力学薛禹群薛禹群 主编，主编，地质出版社，地质出版社，2003年（第二版）年（第二版）2、GMS模型文档文件模型文档文件（数值方法、应用说明文件）（数值方法、应用说明文件）（参考书）：（参考书）：3、地下水非稳定流计算和地下水资源评价、地下水非稳定流计算和地下水资源评价张蔚榛张蔚榛 主编，主编，科学出版社，科学出版社，1983年年4、地下水运动与资源评价、地下水运动与资源评价陈雨孙陈雨孙 著，建筑工业出版社，著，建筑工业出版社，1986年年5、Dynamic
2、s of Fluids in Porous MediaBear J.1972（图书馆有中译本）（图书馆有中译本）6、Introduction to Ground-Water HydraulicsBennett,G.D.19762地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用内容内容二、教学内容二、教学内容1）地下水动力学的基本内容（基础知识与理论）地下水动力学的基本内容（基础知识与理论）以以地下水动力学地下水动力学薛禹群主编薛禹群主编内容为主内容为主2）地下水动力学的数值计算方法（有限差分法应用）地下水动力学的数值计算方法（有限差分法应用）以以MODF
3、OLLOW-88版说明书为参考教材版说明书为参考教材3）GMS软件应用介绍软件应用介绍以以GMS应用教学文档（应用教学文档（Tutor I，II）为参考教材）为参考教材三、考核三、考核形式：平时作业，笔试（开卷）形式：平时作业，笔试（开卷）内容：内容：1）基本知识；）基本知识；2）软件应用报告）软件应用报告3地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础理论基础第一讲第一讲 理论基础知识理论基础知识一、地下水动力学研究对象、内容与方法一、地下水动力学研究对象、内容与方法（一）（一）研究对象研究对象 （二）（二）研究内容研究内容（三）（三）研究方
4、法研究方法 （四）（四）地下水动力学研究的里程碑事件地下水动力学研究的里程碑事件（五）（五）地下水动力学的应用领域地下水动力学的应用领域 （六）（六）有待进行深入研究问题有待进行深入研究问题二、渗流理论基础二、渗流理论基础（一）（一）基本参数定义基本参数定义（二）（二）渗流、流网渗流、流网（三）渗流基本方程（三）渗流基本方程1、连续性方程连续性方程2、运动方程、运动方程（1）承压含水层运动方程承压含水层运动方程（2）越流含水层运动方程越流含水层运动方程（3）潜水含水层运动方程潜水含水层运动方程（四）定解条件与数学模型（四）定解条件与数学模型1、定解条件定解条件2、数学模型数学模型4地下水动力学
5、讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础理论基础第一讲第一讲 理论基础知识理论基础知识一、地下水动力学研究对象、内容与方法一、地下水动力学研究对象、内容与方法（一）研究对象（一）研究对象1、水文循环、水文循环（1）图示）图示1）水文循环图）水文循环图-N.F.Gary；2）水文循环图）水文循环图-芮孝芳芮孝芳（2）“三水三水”循环与循环与“四水四水”循环循环大气水（大气水（Atmospheric Water）、地表水（）、地表水（Surface Water）、地下水）、地下水（Subsurface Water）（土壤水）（土壤水Soil Water、
6、地下水、地下水Ground water）2、地球上各类水体中的分配水量、地球上各类水体中的分配水量1）水量分配表）水量分配表-N.F.Gary；2）水量分配表）水量分配表-芮孝芳芮孝芳3）基本数量概念）基本数量概念盐水占总量的约盐水占总量的约97.5%；淡水占总量的淡水占总量的2.5%。淡水总量中淡水总量中冰川、冰盖：冰川、冰盖：68.775%；地下水：地下水：2430.92%；湖泊、河流、土壤：约湖泊、河流、土壤：约1%。占地球总水量：占地球总水量：0.77%可实际利用的水资源量：可实际利用的水资源量：0.2%0.2%5地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数
7、值技术与软件应用理论基础理论基础3、水储量更新时间、水储量更新时间（数据摘选自（数据摘选自“水资源科学与实验研究水资源科学与实验研究”，沈振荣等），沈振荣等）地球上参加水文循环的水量约地球上参加水文循环的水量约5757.7万万km3。储水体储水体一次更新年限一次更新年限大气水大气水约约8天天湖泊水湖泊水约约17年年深层地下水深层地下水约约1400年年山地冰川山地冰川约约1600年年海洋水海洋水约约2500年年极地冰川极地冰川需万年以上需万年以上6地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础理论基础4、地下水的分类、地下水的分类（1）Subsu
8、rface Water 与与 Groundwater 的区别？的区别？（2）按地下水的存在形式分类）按地下水的存在形式分类 包气带包气带（Zone of areation）土壤水土壤水Soil Water过渡区过渡区Gravitational(Intermediate vadose)Water毛细水毛细水Capillary Water饱和带饱和带（Zone of saturation）重力水重力水（地下水）（地下水）Groundwater熔岩含水层熔岩含水层（Zone of rock flowage）与其它物质以与其它物质以化学结合形式化学结合形式的水的水Internal Water潜潜水水面
9、面多孔介质含水层多孔介质含水层7地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础理论基础（3）按含水层构造将饱和带分为（）按含水层构造将饱和带分为（如图所示如图所示）1）潜水含水层（）潜水含水层（Unconfined Aquifer）2）承压含水层（）承压含水层（Confined Aquifer）3）越流含水层（）越流含水层（Leaky Aquifer）5、本门课程的研究对象、本门课程的研究对象地下水动力学是研究在重力作用下饱和的多孔介质（的潜地下水动力学是研究在重力作用下饱和的多孔介质（的潜水含水层、承压含水层和越流含水层）中水的运动规律的科学
10、。水含水层、承压含水层和越流含水层）中水的运动规律的科学。多孔介质：孔隙介质、裂隙介质和溶岩（喀斯特多孔介质：孔隙介质、裂隙介质和溶岩（喀斯特Karst）。）。多孔介质中水的形态：汽、固、液三态；多孔介质中水的形态：汽、固、液三态；其中液态水：吸着水、薄膜水、重力水。其中液态水：吸着水、薄膜水、重力水。作业：地下水需研究的问题包含什么内容？我国水资作业：地下水需研究的问题包含什么内容？我国水资源开发利用存在的问题与特点？源开发利用存在的问题与特点？8地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础理论基础（二）研究内容（二）研究内容针对：针对：1
11、、潜水含水层；、潜水含水层；2、承压水含水层；、承压水含水层；3、越流含水层、越流含水层在不同的地质特性参数（如均质、非均质，各向同性、各向异性），在不同的地质特性参数（如均质、非均质，各向同性、各向异性），在不同的流场描述（一维、二维、三维流动），在不同的流场描述（一维、二维、三维流动），各运动参数随时间的变化特性（恒定、非恒定）各运动参数随时间的变化特性（恒定、非恒定）等流动问题的研究，得出地下水流动规律、各参数的时空分布，以等流动问题的研究，得出地下水流动规律、各参数的时空分布，以达到对地下水的开发与管理提供科学的定量化数据。达到对地下水的开发与管理提供科学的定量化数据。（三）研究方法（
12、三）研究方法1、解析法：特点（常微分方程、偏微分方程，时间变量）、解析法：特点（常微分方程、偏微分方程，时间变量）2、实验法（模型试验，现场观测试验，电模拟）：特点、实验法（模型试验，现场观测试验，电模拟）：特点3、数值模拟：特点、数值模拟：特点9地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础理论基础（四）地下水动力学研究的里程碑事件（四）地下水动力学研究的里程碑事件1、Darcy 定律（定律（Henry Darcy 1856年）年）2、潜水井流问题的裘布依方程（、潜水井流问题的裘布依方程（Dupuit 1863年）年）3、承压井的非稳定流方程
13、及其解析解、承压井的非稳定流方程及其解析解（1）O.E.Meinzer，1928年开始观注地下水的非恒定流与承压含水年开始观注地下水的非恒定流与承压含水层的储水性质；层的储水性质；（2）C.V.Theis（泰斯）（泰斯）1935年给出承压含水层非恒定流动的泰斯年给出承压含水层非恒定流动的泰斯公式公式4、1960年左右，利用计算机进行地下水方程的数值分析年左右，利用计算机进行地下水方程的数值分析具有达标性的分析软件系统具有达标性的分析软件系统（1）Feflow原东德的原东德的WASY公司，公司，1978发布第一版，发布第一版，数值方法：有限元；数值方法：有限元；（2）MODFLOW美国地质勘察局
14、，美国地质勘察局，1988年发布第一版，年发布第一版，数值方法：有限差分法；数值方法：有限差分法；（3）GMS（Groundwater Model System）以以Modflow以及其他以及其他地下水问题的分析软件为内核，添加上前处理与后处理模块构成地下水问地下水问题的分析软件为内核，添加上前处理与后处理模块构成地下水问题的综合软件分析系统（本教学所用为：题的综合软件分析系统（本教学所用为：GMS6.0版）版）10地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础理论基础（五）地下水动力学的应用领域（五）地下水动力学的应用领域1、工程建设方面：水
15、利、地质、石油、建筑等、工程建设方面：水利、地质、石油、建筑等2、水资源评价、开发利用与管理方面、水资源评价、开发利用与管理方面3、水环境分析、水环境分析（六）有待进行深入研究问题（六）有待进行深入研究问题1、介质方面：多相流、裂隙介质、溶岩流动；、介质方面：多相流、裂隙介质、溶岩流动；2、机制方面：溶质与热量在地下水中的运动与运移机制；、机制方面：溶质与热量在地下水中的运动与运移机制；3、方法研究：数值解法，随机理论，并行计算；、方法研究：数值解法，随机理论，并行计算；4、优化管理：地下水开采许可（井群分布、抽水量、价、优化管理：地下水开采许可（井群分布、抽水量、价格导向等）。格导向等）。作
16、业：上网查找有关地下水动力学的发展与工程应用资料，作业：上网查找有关地下水动力学的发展与工程应用资料，写出简要报告（写出简要报告（500500字以内）。字以内）。11地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础理论基础二、渗流理论基础二、渗流理论基础（一）基本参数定义（一）基本参数定义1、与地下水贮存相关的参数、与地下水贮存相关的参数（1 1）孔隙度孔隙度（porosity)nporosity)n有效孔隙度（有效孔隙度（effective porosityeffective porosity）ne有效孔隙度有效孔隙度：相通的，不为结合水占据的孔隙度。：相通的，不为结合水占据的孔隙度。死端孔隙死端孔隙（见教材（见教材p.4，图，图1-1）：）：所贮水量不参与地下水运所贮水量不参与地下水运动，但参与抽水或灌水运动。动，但参与抽水或灌水运动。sbbVVn1vbeveV)(Vn12地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础理论基础（2 2）给水度）给水度（Specific yield）y也
