主讲：肖长来 教授/博导 Tel:88502287,13074388762 水工楼203 2009年9月 地下水动力学 主讲：肖长来 教授/博导 Tel:88502287,13074388762 水工楼203 2009年9月

课程章节 0 绪论 2 学时 1 渗流理论基础 16 学时 2 河渠间地下水运动 6 学时 3 地下水向完整井的稳定运动 8 学时 0 绪论 2 学时 1 渗流理论基础 16 学时 2 河渠间地下水运动 6 学时 3 地下水向完整井的稳定运动 8 学时 4 地下水向完整井的非稳定运动 12 学时 5 地下水向边界井和非完整井的运动 8 学时 6 地下水运动的专门问题 4 学时

绪 论 §0.1 概念 §0.2 课程的目的 §0.3 地下水动力学的研究内容 §0.4 学科发展历程 §0.5 今后应重点突破的新课题 绪 论 §0.1 概念 §0.2 课程的目的 §0.3 地下水动力学的研究内容 §0.4 学科发展历程 §0.5 今后应重点突破的新课题 §0.6 地下水动力学的应用 §0.7 教材及参考书

§0.1 概 念 地下水动力学（groundwater dynamics） 研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶岩石中运动规律的科学。其研究对象主要是重力水。 它是模拟地下水流基本状态和地下水中溶质运移过程，对地下水从数量上和质量上进行定量评价和合理开发利用，以及兴利除害的理论基础。

§0.2 课程的目的 目的： （1）了解学习该课程的意义，以及在生产实践中能解决的具体问题。 §0.2 课程的目的 目的： （1）了解学习该课程的意义，以及在生产实践中能解决的具体问题。 （2）系统掌握地下水运动的基本理论，并能初步运用这些基本理论分析水文地质问题，建立相应的数学模型和提出适当的计算方法或模拟方法，对地下水进行定量评价。 （3）要求重点掌握各种条件下地下水稳定流和非稳定流理论，深刻理解其适用条件，并能应用其中的理论和方法解决实际问题。 要求：（1）认真听课；（2）做好笔记；（3）完成作业；（4）及时复习；（5）全面总结。

§0.3 主要研究内容 多孔介质：具有互相连通空隙的岩石（含水的岩石）。包括孔隙介质、裂隙介质和裂隙-溶隙介质。由两部分组成，骨架和空隙。 §0.3 主要研究内容 多孔介质：具有互相连通空隙的岩石（含水的岩石）。包括孔隙介质、裂隙介质和裂隙-溶隙介质。由两部分组成，骨架和空隙。 主要研究内容： （1）渗流基本概念、基本定律、基本方程、定解条件及数学模型的建立和解法，为基础理论和重点内容； （2）地下水向河渠的运动；排灌区地下水运动的规律，即水平方向运动规律。

空隙类型 砂砾石层的孔隙 玄武岩中的孔洞 灰岩中的裂隙 花岗岩中的裂隙 玄武岩柱状节理 灰岩中的溶穴

主要研究内容 （3）地下水向井的运动和求参方法，重点是地下水向完整井的稳定运动和非稳定运动；水井区地下水运动的规律即垂直运动规律。 （4）地下水向非完整井和边界井的运动； （5）地下水运动中的若干问题（地下水中溶质运移规律、包气带中水的运移规律等）和实验室方法。

§0.4 学科发展历程 1 稳定流建立和发展阶段（1856~1935） 2 非稳定流建立和发展阶段（1935~1969） §0.4 学科发展历程 1 稳定流建立和发展阶段（1856~1935） 2 非稳定流建立和发展阶段（1935~1969） 3 实验-电网络模拟技术阶段（1950~1980） 4 计算机数值模拟技术阶段（1965~今）

1 稳定流建立和发展阶段（1856~1935） 1856年,法国水力学家达西（Henry Darcy，1803~1858）提出了多孔介质中的线性渗透定律，即著名的达西定律（Darcy’s Law），成为地下水运动的理论基础。 1863年，J. Dupuit 研究了一维稳定运动和向水井的二维稳定运动，提出了著名的Dupuit假设及Dupuit公式。 1901年，P. Forchheimer等研究了更复杂的渗流问题，从而奠定了地下水稳定理论的基础。 1906年，提出了Thiem公式。 1928年，O.E. Meinzer （1976~1948）注意到地下水运动的不稳定性和承压含水层的贮水性质。

2 非稳定流建立和发展阶段（1935~1969） （1）1935年，美国的C.V. Theis（1900~1987）提出了地下水流向承压水井的非稳定流公式- Theis公式，开创了现代地下水运动理论的新纪元； （2）1954年M.S Hantush， 1955年C.E. Jacob（1914~1970）提出了越流（leakage）理论； （3）1954年、1963年N.S. Boulton，1972年S.P. Neuman研究了潜水含水层中水井的非稳定流理论。

Oscar Edward Meinzer (1876-1948) 著名科学家  Henry Darcy (1803-1858) Karl Terzaghi (1883-1963) Oscar Edward Meinzer (1876-1948) Charles Edward Jacob (1914-1970) Charles Vernon Theis (1900-1987) M. King Hubbert (1903-1989)

著名科学家 Jacob Bear, Professor Emeritus Dept. of Civil & Environmental Engineering Technion-Israel Inst. of Technology Haifa, Israel 32000 Phone: 972-4-8292290 Fax: 972-4-8220133 e-mail: CVRBEAR@TX.TECHNION.AC.IL Jacob Bear is a Professor Emeritus in the Dept. of Civil Engineering of the Technion--Israel Institute of Technology, Haifa, Israel, where for many years he held the Albert and Anne Mansfield Chair in Water Resources. He received his B.Sc., P.E., and M.Sc. degrees from the Technion, and his Ph.D. degree from the Univ. of California at Berkeley (1960). All degrees are in Civil Engineering. He was the first recipient (1977) of the Birdsall Distinguished Lecturer in Hydrogeology, awarded by the Geological Society of America, Hydrogeological Div., Washington, D.C. He was awarded Honorary Doctorates in Technological Sciences both by the Delft Univ. of Technology, Delft, The Netherlands, and by E.T.H., Zurich, Switzerland. He is a Fellow of the American Geophysical Union, and was awarded the 1990 K. Hubbert Award by the National Ground Water Assoc. (USA). In 1998, he was awarded the Rothschild Prize in Engineering. In 2003 he received the American Geophysical Union (AGU) Excellence in Geophysical Education Award.

3 实验-电网络模拟技术阶段 （1950~1980） 1950~1965年，研究了大范围含水层系统的电网络模拟技术，电模拟技术到20世纪80年代在我国还被较广泛应用。

4 计算机数值模拟技术阶段（1965~今） 1965年以来，计算机数值模拟技术不断得到广泛应用。目前，已经形成许多国际通用的商业化专业软件，主要有： (1) GMS; (2) FEFLOW, Visual (3) MODFLOW, Visual; (4) GFLOW (5) WinFEM; (6) Aquifer (7) Aquifer TEST; (8) StepMaster 目前，可视化、仿真性、虚拟技术正被开发利用。

GMS 软件- Groundwater Modeling System GMS integrates and simplifies the process of groundwater flow and transport modeling by bringing together all of the tools needed to complete a successful study. GMS provides a comprehensive graphical environment for numerical modeling, tools for site characterization, model conceptualization, mesh and grid generation, geostatistics, and sophisticated tools for graphical visualization. Several types of models are supported by GMS. The current version of GMS provides a complete interface for the codes FEMWATER, MODFLOW2000, MODPATH, MT3D, RT3D, ART3D, SEAM 3D, FACT, SEEP2D, MODAEM, ADH, and WASH123D. The parameter estimation codes PEST and UCODE are also supported. Additional tools and interfaces for models are being designed in an on-going development process so stay tuned for more features. The GMS interface is separated into several modules: Map Module TIN Module Solids Module 2D Grid Module 3D Grid Module 2D Mesh Module 3D Mesh Module 2D Scatter Point Module 3D Scatter Point Module

FEFLOW 软件-FEFLOW (Finite Element subsurface FLOW system) FEFLOW 是讫今为止功能最为齐全的地下水水量及水质计算机模拟软件系统。该软件系具有图形人机对话；地理信息系统数据接口；自动产生空间多种有限单元网；空间参数区域化以及快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点。在 FEFLOW 系统中，用户可以很方便迅速地产生空间有限单元网格，设置模型参数和定义边界条件，运行数值模拟以及实时图形显示结果与成图。FEFLOW 的应用领域包括： 模拟地下水区域流场及地下水资源规划和管理方案； 模拟矿区露天开采或地下开采对区域地下水的影响及其最优对策方案； 模拟由于近海岸地下水开采或者矿区抽排地下水引起的海水或深部盐水入侵问题； 模拟非饱和带以及饱和带地下水流及其温度分布问题； 模拟污染物在地下水中迁移过程及其时间空间分布规律(分析和评价工业污染物及城市废物堆放对地下水资源和生态环境的影响，研究最优治理方案和对策)； 结合降水－径流模型联合动态模拟"降雨－地表水－地下水"水资源系统(分析水资源系统各组成部分之间的相互依赖关系，研究水资源合理利用以及生态环境保护的影响方案等)；

MODFLOW软件 MODFLOW模型利用有限差分法模拟三维（3D）地下水流（GWF） 。MODFLOW模式系由美国地质调查所 Michael G. McDonald及Arlen W. Harbaugh(1988,1996)二人所发展之数值模式，其名来自于「模组化三维地下水流模式」(Modular three-dimensional groundwater flow model)之缩写。 本模式堪称目前最被广泛使用之地下水模式之一，可以应用于一维、二维及大部分的三维地下水流问题，不论是稳态(steady)抑或是非稳态(unsteady)、拘限含水层(confined aquifer)或是非拘限含水层(unconfined aquifer )、甚至是拘限含水层与非拘限含水层混合而成的多层地下含水层系统亦可模拟。 除了地下水系统本身之外，外来的扰动（包括抽水井抽水、区域补注、蒸发散、河床水位变动及区域排水等）也可以模拟。 在地下水文参数部分，水力传导系数(hydraulic conductivity)在空间上的分布可以是非等向性(anisotropic)，贮水系数(storage coefficent)在空间上的分布可以是异质性(heterogeneous)。 故其模拟对象包括井、地下水补注、河流、沟渠、蒸发及一般性边界。 Visual MODFLOW是综合MODFLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST等地下水模型而开发的可视化地下水模拟软件,具有水的质点向前、向后示踪流线模拟、任意区域的水均衡、简化数值模,拟数据前处理和后处理,将模拟的复杂性降到最小等特点.

AQUIFER软件 AQTESOLV is the original all-in-one software package for the design and analysis of aquifer tests including pumping tests, step-drawdown tests, variable-rate tests, recovery tests, single-well tests, slug tests and constant-head tests. Aquiferwin32 is the most sophisticated software system for analysis and display of aquifer test results.  Aquiferwin32 combines powerful data management capabilities with everything you would expect in a Windows program.  The analysis of the pumping test, slug test or step test data incorporates a wide variety of solution types with comprehensive plotting features. ADEPT - aquifer test analysis software. It contains over 40 solutions for the analysis of pumping test and slug test data. This Microsoft Windows application: Organizes the analytical techniques in a logical and efficient manner. Is an Electronic Handbook with hypertext links allowing the user to search for the desired technique by keyword, reference, index, or table of contents. Offers on-line help and allows easy peer-review to check for errors. Generates report-ready text output and technically-accurate graphics. Automatically interconverts any units supplied by user from English to SI and back. Input and output can be in mixed units. Uses linked-object embedding between Mathcad and other Windows applications, such as WordPerfect and Lotus 1-2-3.

AQUIFER软件 AquiferTest Pro provides graphical analysis and reporting of pumping test and slug data for Confined Aquifers, Unconfined Aquifers, Leaky Aquifers, and Fractured Rock Aquifers AQUIPACK - AQUIPACK is an aquifer analysis package designed to provide solutions to a multitude of problems faced by consultants when investigating and remediating sites with contaminated groundwater. AQUIPACK consists of a powerful Excel Workbook containing worksheets for the various analyses. MODPUMP calculates aquifer parameters for a single or multiple (up to three) layer aquifer systems by simulating field pumping test data using the MODFLOW model. Super Slug - slug test analysis software - Bouwer and Rice Automatic; Bouwer and Rice Graphical; Cooper, Bredehoeft, Papadopulos Type Curve; Hvorslev Automatic; Hvorslev Graphical; and Ferris and Knowles Automatic Single Well Solutions: is a powerful Windows software product that contains a collection of the most popular analytical solutions from "Analysis and Evaluation of Pumping Test Date," by G.P. Kruseman and N.A. deRidder, second edition 1990, for determining aquifer hydraulic conductivity and pumping well efficiency from single well test data. This is an inexpensive, dependable software

§0.5 今后应重点突破的新课题 （1）地下水在裂隙介质、岩溶介质中运动机制 和基本运动规律的研究 （2）非饱和带水、盐运动理论的研究； §0.5 今后应重点突破的新课题 （1）地下水在裂隙介质、岩溶介质中运动机制 和基本运动规律的研究 （2）非饱和带水、盐运动理论的研究； （3）水中溶质运动机制和运移理论的研究； （4）热量在地下水中运移的研究； （5）地下水最优管理问题的研究；

重点突破的新课题 （6）介质非均质性研究； （7）各种实际渗流问题的数值模拟方法研究； （8）随机理论在水流和溶质运移研究中的应 用； （9）在含多组分溶质的水流中Darcy定律的表 达形式。

§0.6 地下水动力学的应用 （1）城市、工矿企业和农业供水：确定水文地质参数，论证开采方案和预计开采量，预报开采动态，正确评价地下水资源评价，科学管理和保护地下水资源。 （2）矿山开采、建筑基坑和沼泽化、盐渍化区的疏干：设计疏干量、疏干水平，预测疏干范围、疏干过程，合理选择疏干设备。

地下水动力学的应用 （3）水工建筑：解决库周、坝（堤）基及坝（堤）体的渗漏量、回水浸没范围等，为正确选择坝址、坝体结构提供依据。 （4）农业工程：农田灌溉中确定灌排沟渠的合理间距、排灌水量、时间及地下水动态预报。 （5）环境地质：水质污染及净化趋势的预报、地面沉降、岩溶塌陷、边坡稳定、海水入侵、地下水储能（贮能）以及人工补给。

§0.7 教材及参考书 1.教材 2.参考书 薛禹群主编. 地下水动力学（第二版）[M]. 北京：地质出版社，2003年7月 §0.7 教材及参考书 1.教材 薛禹群主编. 地下水动力学（第二版）[M]. 北京：地质出版社，2003年7月 2.参考书 (1)李同斌、邹立芝主编. 地下水动力学[M]. 长春：吉林大学出版社，1995年； (2)陈祟希，林敏. 地下水动力学[M]. 武汉：中国地质大学出版社，1999； (3)李佩成主编. 地下水动力学[M]. 北京：农业出版社，1993；

参考书 (4)薛禹群主编. 地下水动力学原理[M]. 北京：地质出版社，1986； (5)J. Bear著，1979，许涓铭等译. 地下水水力学[M]. 北京：地质出版社，1985。 3.习题集 迟宝明主编. 地下水动力学习题集 [M]. 北京：科学出版社，2005年6月。 4. 实习教材 肖长来主编.水文与水资源工程实习指导 [M]. 长春：吉林大学出版社，2005年4月。

英文参考书 (1)Groundwater Hydrology. VIrtual CAmpus In Hydrology and Water Resources (VICAIRE) March 9, 2006 (2) Applied Hydrogeology(4th Edition). Prentice Hall. C.W. Fetter, 2001 (3) Basic Ground-Water Hydrology. RALPH C. HEATH. (4)GROUNDWATER HYDROLOGY . U.S. Army Corps of Engineers, 28 February 1999 (5)Hydraulics of Groundwater, Jacob Bear, 1979 (6) Geohydrology, John Wiley & Sons., Roger J.M. De Wiest, 1965

部分有关网站或主页 http://cer.jlu.edu.cn/shuiwen/gwhydrau/gwhindex.htm（吉林大学百门精品课--地下水动力学） http://www.gsj.jp/Intl/Dir/a.htm http://www.iah.org/ http://www.cig.ensmp.fr/~iahs/ http://www.iugs.org/ http://www.bgs.ac.uk/ http://www.usgs.gov/ http://www.bwg.admin.ch/ http://groundwater.orst.edu/under/oregw.html#TOP http://www.gsj.jp/Intl/Dir/a.htm#International%20Organizations