地下水动力学

 

主讲：肖长来　教授

　　　卞建民　博士

 

《地下水动力学》教学大纲

 

课程代码：0801225043

课程名称：地下水动力学

课程英文名称：Dynamics of groundwater/Groundwater hydraulics

课内学时：68

学分：4

编写人：肖长来，卞建民

一、课程目的与要求：

目的是使学生系统掌握地下水运动的基本理论，运用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。要求学生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。

二、课程简介

通过课堂讲授、室内实验、习题课、野外抽水试验（结合野外实习进行）等多种教学形式，主要传授多孔介质中地下水运动的基本概念、基本定律、基本方程以及数学模型的建立和解法；系统介绍地下水向河渠的运动、地下水流向完整井、非完整井以及边界井附近的稳定流和非稳定流运动的基本规律和特征、主要计算公式及其适用条件，不同条件下水文地质参数的确定方法等，以及非饱和带地下水运动、水动力弥散理论、咸淡水界面等专门问题。

 

By the means of lecture, exercise, experiment, discussion and field pumping test (conducted during field education), the basic concepts, principles and equations on the groundwater movement in the porous medium, as well as the establishment and solution to the mathematical models are mainly introduced in this course. The basic principles, characteristics, main formula and their suitability about the steady and unsteady flow to the fully penetrating well, to the partially penetrating well and to the well near the boundary, and about groundwater flow between rivers and canals are systematically introduced. Based on the above theories, the methods to determine the hydrological parameters under different conditions are dealt with. The groundwater movement in unsaturated zone, hydrodynamic dispersion and interface between salt water and fresh water, etc. are also discussed.

三、课程内容与学时分配

    （一）课程安排  

绪论                                              （2学时）

主要介绍课程的性质、主要内容及学科的发展历史和发展现状。

第一章  渗流理论基础                             （14学时）

1.1 渗流的基本概念

1.2 渗流基本定律

1.3 岩层透水特征及水流折射定律

1.4 流网及其应用

1.5 渗流连续方程

1.6 渗流基本微分方程

1.7 数学模型的建立及求解

    本章是地下水动力学的基础理论部分。通过本章学习，使学生掌握地下水渗流的基本概念、基本定律、介质透水性分类、流网、地下水运动的微分方程、地下水流数学模型等。要求学生深入牢固地掌握这些基本概念和基础理论，重点掌握水文地质参数的意义（渗透系数、给水度、导水系数以及储水系数等）、流网的绘制和应用以及数学模型的建立。能够运用渗流基本理论分析实际水文地质问题，建立不同条件下的描述地下水流运动的数学模型。

本章重点、难点：

1. 渗流基本概念、基本理论和基本方程；

2. 用基础理论分析解决实际水文地质问题。

第二章  地下水向河渠的运动                        （8学时）    

2.1 河渠间地下水的稳定运动

2.2 河渠间地下水的非稳定运动

2.3 地下水位壅高计算

2.4 水工建筑物区地下水运动

    本章主要介绍河渠间地下水运动，包括无入渗情况下地下水向河渠的稳定运动、河渠间地下水的非稳定运动、地下水位壅高计算，并对水工建筑的基本问题加以阐述。要求学生掌握各公式的适用条件，并能应用相关公式解决水库区地下水回水、农田灌渠的合理间距计算以及灌溉条件下地下水位动态预报等问题。

本章重点、难点：

1.各公式的适用条件；

2.用公式分析解决库区地下水回水、农田排灌渠合理间距、灌溉条件下地下水位预报等。

第三章  地下水向完整井的稳定运动                      （10学时）

3.1 水井的分类及井流特征

3.2 地下水向承压水井和潜水井的稳定流动

3.3 越流含水层中地下水向承压井的稳定流动

3.4 流量和水位降深关系的经验公式

3.5 地下水向干扰井群的稳定运动

3.6  均匀流中的井

3.7  井损与有效井径的确定方法

本章主要介绍地下水向完整井的稳定运动理论，重点讲授了径流特征、各种常见水文地质条件下的计算公式--裘布依（Dupuit）公式、蒂姆（ Thiem）公式、Hantus-Jacob 公式，井流量与降深之间的随机关系表达式、干扰井群计算公式等，要求学生能根据具体的水文地质条件，选取相应计算公式确定相应条件下的井涌水量（或水头）和含水层的渗透系数（或导水系数），能分析解决实际水文地质问题。

本章重点、难点：

1. 利用计算公式确定相应条件下的井涌水量、水头、渗透系数、导水系数，并分析解决有关实际问题。

2.干扰井流的特点、不同条件下的干扰井公式，运用井流公式进行排水及确定含水层水文地质参数计算。

第四章  地下水向完整井的非稳定运动            （14学时）          

4-1承压含水层中的完整井流

4-2有越流补给的完整井流 

4-3有弱透水层弹性释水补给和越流补给的完整井流

4-4潜水完整井流 

本章主要介绍地下水非稳定井流公式及其应用。主要包括承压井流的泰斯公式（Theis）、雅柯布（Jacob）公式、流量呈阶梯状变化时的计算公式、恢复水位公式、定降深公式以及不同条件下的越流公式、无外界补给的潜水井流的博尔顿（ Boulton）模型和纽曼（Neuman）模型。上述公式可以用于相应条件下的动态预报以及利用抽水试验资料确定水文地质参数等。要求学生掌握各种公式及其适用条件，掌握利用抽水试验资料确定水文地质参数的方法、原理和基本步骤，并能分析和解决实际水文地质问题。        

本章重点、难点：

1.各公式及其适用条件，并用来解决实际问题；

2.用抽水试验资料确定水文地质参数。

第五章 地下水向非完整井及边界井的运动     （10学时）

5.1地下水向不完整井运动的特点    

5.2地下水向不完整井的稳定运动

5.3地下水向承压不完整井的非稳定运动 

5.4镜像法原理及直线边界附近的井流

5.5 扇形含水层中的井流   

5.6条形含水层中的井流    

本章首先介绍地下水向非完整井的运动，包括地下水向非完整井运动的特征，井底、井壁进水的承压非完整井稳定流公式，潜水非完整井稳定流公式以及非完整井非稳定流公式和应用等；对直线边界附近井的运动特点影射法加以介绍。要求学生掌握地下水向非完整井的井流特点、公式的适用条件，能建立不同边界、不同水文地质条件下的计算公式，并能熟练应用抽水试验资料确定水文地质参数、确定边界性质、位置等。

本章重点、难点：

1.不完整井流特点，各公式的适用条件应用有关公式预报地下水位的方法，用抽水试验资料确定含水层水文地质参数的方法。

2. 直线边界附近的井流特点和映射法的使用原则；

3. 不同边界、不同水文地质条件下的计算公式的建立，利用抽水资料确定边界性质、边界位置、含水层的水文地质参数。

 

第六章 地下水运动中的专门问题                              (8学时)

6.l 非饱和带的地下水运动

6.2 水动力弥散理论

6.3海岸带含水层中的咸、淡水界面

6.4 双重介质渗流学说

本章为配合2005年教学计划而增加的内容，主要讲授非饱和带中的地下水运动特点、运动方程，介绍海岸带含水层中的咸、淡水界面，双重介质渗流学说，重点讲授水动力弥散理论和。要求学生掌握地下水在非饱和带中的运动特点和规律，双重介质渗流的特点及其解决的水文问题，水动力弥散的概念和基本方程、海岸带含水层中的咸淡水界面变化特点及有关方程，能够分析具体的水文地质问题，为后续课程奠定基础。

本章重点、难点：

1. 各专门问题的基本理论和基本方法

2. 重点掌握非饱和流理论和水动力弥散理论

课程总结                                                       （2学时）

（二）实验课安排 （5号黑体）

实验课内容安排如下：

1. 水电比拟实验                             （2学时）

掌握实验的技术要领和方法，深刻理解流网的绘制方法、可以解决的水文地质问题。

2.渗流槽实验（I）                           （2学时）

掌握实验的技术要领和方法，深刻理解河渠间地下水稳定运动的理论、方法。

3.渗流槽实验 (II)                           （4学时）

掌握实验的技术要领和方法，深刻理解河渠间地下水非稳定运动的理论、方法，特别是河渠水位变化、有垂向补给或排泄时。

4、井流模拟实验                            （2学时）

5．水动力弥散实验                          （4学时）

上述5个实验中，有2个为理论验证性实验，3个为综合性设计实验，后者占60％。在理论验证性实验中，引导学生掌握基础知识，并能理论联系实际，学会分析问题和解决问题的基本方法。综合性设计实验为探索性实验能力的训练。在试验的操作过程中，由教师讲解基本原理，实验的目的意义，要求达到的目标，提供实验的基本条件和可供参考的各个实验操作环节的录像片，由学生独立负责地设计具体的实验方案和实验过程，并且独立完成实验过程，对比其他同学不同实验方案的实验结果，评价不同方案实验的效果。

 

四、教学参考书

教学书

1

薛禹群主编. 地下水动力学. 北京：地质出版社. 1997

2

李同斌，邹立芝主编. 地下水动力学. 长春：吉林大学出版社. 1995.11

参考书

1

苑莲菊，李振栓，武胜忠等编著.工程渗流力学及应用. 北京：中国建材工业出版社.2001.7

2

顾慰慈 编著. 渗流计算原理及应用. 北京：中国建筑工业出版社.2000.6

3

陈祟希，林敏. 地下水动力学. 武汉：中国地质大学出版社，1999

4

林学钰, 邹立芝等. 地下水水量水质模拟及管理程序集. 长春：吉林科学技术出版社. 1988

5

李佩成主编. 地下水动力学. 北京：农业出版社，1993

6

C.W. Fetter. Applied Hydrgeology. New Jersey: Prentice-Hall, Inc. 2001

7

By RALPH C. HEATH. Basic ground-water hydrology. USGS:WSP2220

8

Roger J.M. De Wiest. Geohydrology. Hohn Wiley & Sons., New York. 1965.

9

薛禹群主编. 地下水动力学原理. 北京：地质出版社，1986

10

J. Bear著，1979，许涓铭等译. 地下水水力学. 北京：地质出版社，1985

11

J．Bear著，李竟生等译. 多孔介质流体动力学. 北京：中国建筑出版社. 1983

12

R.A.费里泽著，吴静芳译. 地下水. 北京：地质出版社. 1987

13

沈照理等编著. 水文地质学. 北京：地质出版社. 1985

14

杨天行，付泽周，刘金山等. 地下水流向井的非稳定运动的原理及计算方法. 北京：地质出版社. 1980

 

 

有关期刊

1

水文地质工程地质

 

2

水利学报

 

3

水利水电技术

 

4

水动力学研究与进展

 

5

水科学进展

 

6

工程勘察

 

7

吉林大学学报.地球科学版

 

8

地质学报

 

9

成都理工学院学报

 

10

灌溉排水学报

 

11

岩土工程学报

 

12

地下水

 

13

水文

 

14

Water resources research

水资源研究 ISSN: 0043-1397 美国

15

Water Research

水研究. ISSN: 0043-1354 英国 .715C0007

16

Ground Water

地下水 ISSN: 0017-467X 美国

17

Journal of Water Resources Planning and management

水资源规划与管理.ISSN: 0733-9496. ASCE

18

Water, Air & Soil Pollution

水、空气与土壤污染 . 荷兰 .715LB005

19

Water Resources Bulletin

水资源通报 . 美国 .563B0005

20

Water Science and Technology

水科学与技术 . 英国 .715C0102

21

Journal of Irrigation and Drainage-ASCH

灌溉与排水工程杂志 . 美国 .860B0002-07

22

 
Journal of Fluid Mechanics 
流体力学杂志 . 英国.527C0001

23

 
The Physics of Fluids, A 
流体物理学，A辑 . 美国.527B0002

24

 
International Journal for Numerical Methods in Fluids 
国际流体力学数值方法 杂志 . 英国.527C0004

25

 
International Journal of Multiphase flow 
国际多相流杂志 . 英国.527C0003

26

 
International Journal of Engineering Fluid Mechanics 
国际工程流体力学杂志 . 美国.712B0100

27

ADVANCES IN WATER RESOURCES 

ENGLAND, OX5 1GB

部分国外专业网站：

1

Site Name: Int'l. Assoc. of Hydrogeologists 

Link: http://www.iah.org/

2

Site Name: American Water Works Association (AWWA) 

Link: http://www.awwa.org/

3

Site Name: National Ground Water Association  

 
Link: http://www.ngwa.org/

4

Site Name: American Water Resources Association (AWRA) 

Link: http://www.awra.org/

5

Site Name: Water Research Commission (South Africa)  

 
Link: http://www.wrc.org.za/

6

Site Name: Canadian Ground Water Association (CGWA)  

 
Link: http://www.cgwa.org/

7