地下水水文学
地下水水文学(Groundwater hydrology)它是利用水文循环和水平衡原理来研究地下水的形成、运动、水情与地下水资源学科。是水文科学的一个分支。
简介定义 编辑本段
它主要研究地下水的来源、类型、分布、运动、地质环境的化学成分和水文地质的形成(hydrogeology)密切相关,但研究内容各有侧重。地下水是自然界的一种水体,地下水径流是水文循环的一个环节,地下水资源是水资源的重要组成部分。因此,地下水的研究不仅具有理论意义,而且解决了供水问题、排水和防止土壤盐碱化具有现实意义。
发展历史 编辑本段
地下水水文学的历史可以分为三个时期:
①萌芽时期。从公元前7世纪到公元16世纪,这两千年间,人们仅限于对现象的直接观察和推测。柏拉图推测地下有一个巨大的洞穴,里面的水是河流的源头。中国唐代柳宗元(773~819)《天对》中说道:脉点土区,但浊而清。垆疏,渗渴而升。如果有足够多的电荷和熔化,泄漏将恢复。描述了地下水在岩土间隙中的存在和渗透、蒸发和流动现象。
②奠基时期。从17世纪到20世纪初,科学家们观察到、通过实验和分析,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上升现象,得出砂中毛细水上升高度小于 1米的结论。法国学者E.埃德姆马略特测算了降雨入渗补给地下水的量,得出了泉水受降雨入渗补给的重要结论。1856年,法国工程师h.P.G.达西通过实验确立了地下水渗流的基本规律,奠定了地下水运动的理论基础。1863年法国学者j.J.根据实际地下水位坡度很小的事实,邱布依作了一些简化和假设,利用达西定律推导出了地下水井涌水量公式的法律。1870年德国a.Tim对邱布依公式进行了改进,使渗透系数等参数可以通过稳定流抽水试验来计算。这些工作为地下水水文学的发展奠定了基础。
③发展时期。20世纪初至80年代初,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了一门独立的学科,并迅速发展起来。1928年,美国学者o.E.迈因策论述了承压含水层的压缩性和弹性,为地下水不稳定理论的建立准备了丰富的实践基础。1935年,美国学者c.V.泰斯公式是利用非稳定地下水流和热传导的相似性推导出来的。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.博尔顿导出了潜水井中的不稳定流方程。1930年荷兰水文学家g.J.Dehley用数学方法分析了地下水通过弱透水层的渗流现象。地下水污染的研究始于20世纪60年代。
1949年后,中国大面积评价地下水资源、地下水位及开采量预测、在水文水文地质参数的确定和地下水调度计算方面做了大量工作,并取得了成果。
研究内容 编辑本段
地下水水文学的研究内容可归纳为:
①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。
②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。
③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。
④地下水的合理开发与管理。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。
研究途径 编辑本段
地下水水文学研究途径主要有两个方面:
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。主要的研究手段有:
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)。
其他学科 编辑本段
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。
相关学科 编辑本段
河流水文学 (river hydrology, potamology)
湖泊水文学 (lake hydrology, limnology)
沼泽水文学 (swamp hydrology)
冰川水文学 (glacial hydrology)
雪水文学 (snow hydrology, cryology)
水文气象学 (hydrometeorology)
区域水文学 (regional hydrology)
海洋水文学 (oceanology)
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