地理常识

地下水动力学

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研究地下水在孔隙介质、裂隙介质和岩溶介质中流动规律的科学。在孔隙介质,颗粒性地质材料聚集在一起时,颗粒与颗粒间并不完全紧密结合,而是存有一定的间隙,称为孔隙。孔隙与孔隙所组成的脉络空间则是地下水存在与流动的场所。在裂隙介质中,地下水流动除会受颗粒性地质材料孔隙影响外,也会受到裂隙形状、大小、分布和连通程度影响。自然界卤化物-、硫酸盐-及碳酸盐-,都是可溶-,而岩溶介质中,地下水流动可对可溶-进行溶解、侵蚀与溶蚀作用,并伴随有重力崩塌,容易形成地下河系或溶蚀管道等趋势。

地下水动力学的范围包括地下水流动的基本规律,不同水文地质、不同含水层情况下受人为或自然因素影响的地下水流动变化与现象,地下水流速与流向的时空变化计算方法与理论发展,水文地质参数定义与地下水流的关系,参数推估方法,是对地下水进行有关水量与水质评估和合理开发利用及保育之基础。

人类对地下水的开发利用可追溯到远古时代,但对地下水运动规律的科学认识是较晚的。1856年法国水力工程师达西(Herry Darcy)通过砂的渗透试验获得渗透流速与水力坡度之间的线性关系,称为达西定律,奠定地下水动力学的基础。1935年美国人泰斯(C. V. T-eis)总结前人的研究,考虑受压含水层的弹性可压缩性,利用热传导方程的相似性导出了着名的非稳定井流公式。1970年代,有限差分法、有限元素法和边界元素法日益广泛地应用於水文地质计算。

地下水流过孔隙时,地下水与地质材料间会产生摩擦损失,地质材料对地下水流动的难易程度,可用水力传导系数K代表。K值愈高之地质材料,地下水较容易流动,反之则不易流动。通常粒径愈大、粒径分布愈均匀的地质材料其K值愈大。黏土的粒径极细,故K值非常小,地下水几乎无法在其中流动。K值受地质材料的特性如:粒径大小及其分布、颗粒形状及其排列、压密程度,及流经其间流体的比重及黏滞度影响。故同一流体流经不同地质材料会产生不同的K值变化。反之,不同流体流经相同的地质材料亦会有不同的K值。在天然情况下,任何含水层是由不同K值的地质材料组成,故含水层的K值随地质材料的空间改变,呈现特有的空间变异性质,称为含水层的异质性。含水层的异质性强烈影响地下水的流速及流向;如何量测和决定含水层的异质性是地下水动力学的一项重点。若假设K值没有空间变化,则含水层仅由单一地质材料组成。这种假设称为均质性,是一种理想状况。有些地质材料的K值会随地下水流方向改变,称为地质材料的异向性。若K值不随地下水流方向改变,则称地质材料具有等向性。

地下水动力学问题的研究是建立在水文地质条件基础之上,与地质学有密切联系。地下水是水圈的组成部分,并参与整个水文循环,水文因素是地下水运动关键要素。-地区已建立地下水观测网及相关水文地质资讯,使地下水动力学从理论模式发展进入实务应用,以科技管理地下水资源,订定前瞻性的地下水政策。

中文关键字:达西定律 , 水力传导系数 , 异质性 , 异向性

英文关键字Darcy's law , -ydraulic conductivity , anisotropy , -eterogeneity

参考资料

    Bear, Jacob. 1988. Dynamics of Fluids in Porous Media. New York: Dover. McW-orter, David B. and Sunada, Daniel K. 1977. Ground-Water Hydrology and Hydraulics. Fort Collins, Colo.: Water Resources Publications. Todd, David Keit- and Mays, Larry W. 2005. Groundwater Hydrology. Hoboken, NJ: Wiley. Sc-wartz, F. W. and Z-ang, Hubao. 2003. Fundamentals of Ground Water. New York: Wiley. 经济部中央地质调查所。.moeacgs.gov.tw。经济部水利署。.wra.gov.tw。U.S. Geological Survey. .usgs.org。Wiley InterScience. .blackwell-synergy。American Geop-ysical Union. .agu.org。

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