地下水水文學(xué)

地下水水文學(xué)（Groundwater   hydrology）它是利用水文循環(huán)和水平衡原理來研究地下水的形成、運動、水情與地下水資源學(xué)科。是水文科學(xué)的一個分支。

它主要研究地下水的來源、類型、分布、運動、地質(zhì)環(huán)境的化學(xué)成分和水文地質(zhì)的形成（hydrogeology）密切相關(guān)，但研究內(nèi)容各有側(cè)重。地下水是自然界的一種水體，地下水徑流是水文循環(huán)的一個環(huán)節(jié)，地下水資源是水資源的重要組成部分。因此，地下水的研究不僅具有理論意義，而且解決了供水問題、排水和防止土壤鹽堿化具有現(xiàn)實意義。

地下水水文學(xué)的歷史可以分為三個時期：

①萌芽時期。從公元前7世紀到公元16世紀，這兩千年間，人們僅限于對現(xiàn)象的直接觀察和推測。柏拉圖推測地下有一個巨大的洞穴，里面的水是河流的源頭。中國唐代柳宗元（773～819）《天對》中說道：脈點土區(qū)，但濁而清。壚疏，滲渴而升。如果有足夠多的電荷和熔化，泄漏將恢復(fù)。描述了地下水在巖土間隙中的存在和滲透、蒸發(fā)和流動現(xiàn)象。

②奠基時期。從17世紀到20世紀初，科學(xué)家們觀察到、通過實驗和分析，提出了一系列關(guān)于地下水形成和運動的重要概念、定律和方法。法國科學(xué)家P.佩羅研究了地下水毛細上升現(xiàn)象，得出砂中毛細水上升高度小于 1米的結(jié)論。法國學(xué)者E.埃德姆馬略特測算了降雨入滲補給地下水的量，得出了泉水受降雨入滲補給的重要結(jié)論。1856年，法國工程師h.P.G.達西通過實驗確立了地下水滲流的基本規(guī)律，奠定了地下水運動的理論基礎(chǔ)。1863年法國學(xué)者j.J.根據(jù)實際地下水位坡度很小的事實，邱布依作了一些簡化和假設(shè)，利用達西定律推導(dǎo)出了地下水井涌水量公式的法律。1870年德國a.Tim對邱布依公式進行了改進，使?jié)B透系數(shù)等參數(shù)可以通過穩(wěn)定流抽水試驗來計算。這些工作為地下水水文學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

③發(fā)展時期。20世紀初至80年代初，由于生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的進步，地下水水文學(xué)逐漸形成了一門獨立的學(xué)科，并迅速發(fā)展起來。1928年，美國學(xué)者o.E.邁因策論述了承壓含水層的壓縮性和彈性，為地下水不穩(wěn)定理論的建立準(zhǔn)備了豐富的實踐基礎(chǔ)。1935年，美國學(xué)者c.V.泰斯公式是利用非穩(wěn)定地下水流和熱傳導(dǎo)的相似性推導(dǎo)出來的。1937年，美國學(xué)者M.馬斯克特在《均勻流體通過多孔介質(zhì)的流動》一書中，用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地論述了地下水的運動。1954年，英國學(xué)者n.S.博爾頓導(dǎo)出了潛水井中的不穩(wěn)定流方程。1930年荷蘭水文學(xué)家g.J.Dehley用數(shù)學(xué)方法分析了地下水通過弱透水層的滲流現(xiàn)象。地下水污染的研究始于20世紀60年代。

1949年后，中國大面積評價地下水資源、地下水位及開采量預(yù)測、在水文水文地質(zhì)參數(shù)的確定和地下水調(diào)度計算方面做了大量工作，并取得了成果。?

地下水水文學(xué)的研究內(nèi)容可歸納為：

①地下水的形成。地下水主要來自大氣降水和地表水的入滲，在灌區(qū)還有灌溉水的入滲。入滲的水在地下經(jīng)過重新分配（儲存、蒸發(fā)和水平排泄）組成自然界水文循環(huán)的一部分。地下水水文學(xué)研究地下水在自然界水循環(huán)中的作用，研究它與降水、蒸發(fā)、地表水之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，它的補給、排泄、與此有關(guān)的水文和水文地質(zhì)參數(shù)（如降水入滲補給系數(shù)、給水度等）和地下水資源評價等。

②地下水運動。地下水在重力和壓力作用下產(chǎn)生滲流運動。地下水運動的基本定律是達西定律，可根據(jù)質(zhì)量守恒原理和達西定律推導(dǎo)出不同條件下地下水運動的數(shù)學(xué)物理方程。計算地下水運動的基本方法是求出這些方程在各種初始條件和邊界條件下的解。利用地下水運動方程的解，可以預(yù)測未來某時某地的地下水水位等水文要素,也可以計算導(dǎo)水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，為地下水資源評價提供可靠的依據(jù)。

③地下水水情。也稱地下水動態(tài)，指地下水水位、水量、水質(zhì)、水溫等要素在自然和人為因素影響下發(fā)生的變化。研究這些變化規(guī)律，建立各要素在時間和空間上的定量關(guān)系。通常利用觀測站和試驗場，進行地下水觀測和野外試驗，利用取得的資料，計算水文和水文地質(zhì)參數(shù)，評價地下水的補給量、儲存量和允許開采量、監(jiān)測地下水的水質(zhì)以防止地下水的污染等。

④地下水的合理開發(fā)與管理。地下水開發(fā)應(yīng)在查明地下水資源的基礎(chǔ)上統(tǒng)籌安排、合理規(guī)劃。地下水的管理除了制訂規(guī)劃之外，還要建立地下水管理機構(gòu)；進行水資源的合理調(diào)配；規(guī)定開采地下水的技術(shù)要求；保護水源，防止污染；防治因抽水引起的地面沉降或坍陷、海水入侵，以保證長期安全供水等。

地下水水文學(xué)內(nèi)容還包括：包氣帶、土壤水、潛水、承壓水、含水層、泉、地下水運動（達西定律、滲水系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、給水度、釋水系數(shù)、降水入滲補給系數(shù)、灌溉水入滲補給系數(shù)）、地下水預(yù)報、地下水計算（地下水模擬）、地下水開發(fā)利用、地下水管理等。

地下水水文學(xué)研究途徑主要有兩個方面：

①數(shù)學(xué)物理途徑。根據(jù)地下水水情和影響因素之間的物理聯(lián)系，建立它們之間的定量關(guān)系，例如，用水量平衡法求各平衡要素之間的定量關(guān)系，按一定的初始條件和邊界條件求解地下水運動的數(shù)學(xué)物理方程。

②統(tǒng)計途徑。根據(jù)大量實測資料，用概率統(tǒng)計原理研究地下水各種水文要素的統(tǒng)計規(guī)律，進行地下水預(yù)報和地下水計算。主要的研究手段有：

①鉆探、地球物理勘探和遙感技術(shù)。主要用于查明含水層埋藏條件、空間分布和含水層的性質(zhì)。

②試驗和觀測。包括抽水試驗、井泉的地下水動態(tài)觀測和土壤水觀測等。

③地下水模擬技術(shù)。例如，電模擬中把電阻電容組成網(wǎng)絡(luò)，用于模擬區(qū)域地下水流系統(tǒng)等。

④同位素技術(shù)。用來研究土壤水含量、地下水的起源、年齡和運動（見水文核技術(shù)）。

地下水的形成與分布，同地質(zhì)、地理環(huán)境有密切聯(lián)系。因此，地下水水文學(xué)與地質(zhì)學(xué)和地理學(xué)有關(guān)。地下水運動的研究要以水力學(xué)和流體力學(xué)的基本理論為基礎(chǔ)。在地下水動態(tài)資料的分析和地下水預(yù)測中廣泛應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計學(xué)。由于地下水水文學(xué)是從水文循環(huán)的觀點來研究地下水的，因而它與氣候?qū)W、地表水水文學(xué)、土壤學(xué)有密切聯(lián)系。地下水質(zhì)評價，要運用水化學(xué)和水文地球化學(xué)知識。此外，系統(tǒng)分析理論在地下水的開發(fā)利用中已逐漸得到采用。

地下水水文學(xué)中有些問題如降水、地表水和地下水三者的轉(zhuǎn)化關(guān)系，地下水資源及其最優(yōu)開發(fā)及管理等研究較少，不少方面尚處于探索階段。在大區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下，確定含水層參數(shù)尚無完善的辦法。開展水均衡要素室內(nèi)和室外的觀測和試驗研究，建立新的數(shù)學(xué)物理模型，應(yīng)用電子計算機和電模擬技術(shù)，可能使上述問題逐步取得進展。另外，污染物質(zhì)的彌散、含水層溫度場、地下水動態(tài)規(guī)律與預(yù)測等領(lǐng)域，也可望有更多的研究。

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