地下水水文学

水文学分支学科

地下水水文学是运用水文循环和水量平衡原理研究地下水形成、运动、水情和地下水资源的水文学分支学科。它和主要研究地下水起源、类型、分布、运动、化学成分的形成和地质环境的水文地质学关系密切，但研究内容各有侧重。地下水是自然界的一种水体，地下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。所以地下水的研究，不仅有理论意义，而且在解决供水、排水和土壤盐渍化的防治等方面有实际意义。

发展历史

地下水水文学的发展史可分为三个时期：

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。

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。

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。

研究内容

地下水水文学的研究内容可归纳为：

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。

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。

研究途径手段

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。

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）。

学科关系

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。

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