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位于潜水面以上未被水饱和的岩土巾的水，称为包气带水。
包气带水主要是土壤水和上层滞水，如图1—1所示。
（一）土壤水
埋藏于包气带土壤层中的水，称土壤水。
主要包括气态水、吸着水、薄膜水和毛管水。
靠大气降水的渗人、水汽的凝结及潜水由下而上的毛细作用补给。
大气降水向下渗入，必须通过土壤层，这时渗入的水一部分保持在土壤层中，成为所谓的田间持水量（即土壤层中最大悬着毛管水含水量），多余的部分呈重力水下渗补给潜水。
土壤水主要消耗于蒸发和蒸腾，水分的变化相当剧烈，主要受大气条件的控制。
当土壤层透水性不好，气候又潮湿多雨或地下水位接
近地表时，易形成沼泽，称沼泽水。
当地下水面埋藏不深，毛细管可达到地表时，由于地表水分强烈蒸发，盐分不断积累于土壤表层，则形成土壤盐渍化，从而危害农作物生长。
所以，研究控制土壤层中的水分的变化，对农业生产和建筑物基础埋置具有重要意义。
（二）上层滞水
上层滞水是存在于包气带中的，局部隔水层之上的重力水。
上层滞水接近地表，补给区和分布区一致。
接受当地大气降水或地表水的补给，以蒸发的形式排泄。
雨季获得补充，积存一定水量，旱季水量逐渐消耗，甚至干涸。
上层滞水一般含盐量低，但易受污染。
根据上层滞水水量不大，季节变化强烈的特点，它只能用于农村少量人口的供水及小型灌溉供水。
不仅松散沉积层中可以埋藏有上层滞水，就是在裂隙岩层和町溶岩层中同样也可以埋藏有上层滞水。
二、潜水
（一）潜水及其特征
潜水是埋藏于地面以下第一个稳定隔水层之上的具有自由水面的重力水，如图1—2所示。
潜水一般多储存在第四系松散沉积物中，也可以存储在裂隙或可溶性基岩中，形成裂隙潜水和岩溶潜水。
潜水面任意一点的高程，称为该点的潜水位（H）。
潜水面至地面的铅直距离为潜水的埋藏深度（T）。
自潜水面至隔水底板之间的铅垂直距离为含水层厚度（Ho）。
根据潜水的埋藏条件，潜水具有以下特征：
（1）潜水具有自由水面。
在重力作用下可以由水位高处向水位低处渗流，形成潜水径流。
（2）潜水的分布区和补给区基本上是一致的。
在一般情况下，大气降水、地面水都可通过包气带入渗直接补给潜水。
（3）潜水的动态（如水位、水量、水温、水质等随时间的变化）随季节不同而有明显变化。
如雨季降水多、潜水补给充沛，则使潜水面上升，含水层厚度增大，水量增加，埋藏深度变浅；
而在枯水季节则相反。
（4）在潜水含水层之上因无连续隔水层覆盖，因此，容易受到污染。
（二）潜水面的形状及其表示方法
1．潜水面的形状
在自然界中，潜水面的形状因时因地而异，它受地形、地质、气象、水文等各种自然因素和人为因素的影响。
一般情况下，潜水面不是水平的，而是向着邻近洼地（如冲沟、河流、湖泊等）倾斜的曲面。
只有当盆地或洼地中潜水集聚而潜水面呈水平状态时，则形成潜水湖，如图1—3所示。
潜水面的形状与地形有一定程度的一致性，一般地
（第二章）
地下水利用中水文地质参数
及其他参数的确定方法
水文地质参数是表征含水层水理特性的定量指标。
在地下水资源计算、评价、动态预测和其他水文地质计算工作中，都涉及到含水层的水文地质参数。
在地下水开发利用中，常用的水文地质参数有渗透系数（K）、导水系数（T），给水度（卢）、贮水系数（卢·
）、压力（或水位）传导系数（e）、隔水系数（月）、越流系数（Kc）、影响半径（R）、降雨入渗补给系数（。
）、潜水蒸发系数（C）等。
这些参数确定得正确与否，直接影响地下水资源计算与评价及动态预测的精度。
水文地质参数的确定，在地下水勘查、开发利用的不同阶段，可以采用不同的方法。
在勘探阶段或地下水开发利用的初期，通常采用野外抽水试验来测定水文地质参数。
但由于抽水试验的数量有限，往往不能代表大面积含水层的情况。
在地下水已开发利用，且有较长期的地下水动态观测资料的情况下，可以通过地下水的开采资料和动态观测资料，确定水文地质参数。
用这种方法确定的水文地质参数代表性强，往往比较符合实际。
在特定条件下，也可以采用室内试验的方法确定某些水文地质参数，但一般与实际情况相差较大。
此外，也可利用专用模拟机和电子计算机确定复杂条件下的水文地质参数。
第一节利用抽水试验资料确定水文地质参数
野外抽水试验，是目前获取水文地质参数的主要方法之一。
利用抽水试验资料，能够确定含水层的渗透系数K等多种水文地质参数。
一、利用稳定流抽水试验资料确定水文地质参数
因稳定流抽水试验方法和试验井的结构不同，计算参数的公式也不一样，仅介绍最常用的基本公式。
（一）利用裘布依公式确定渗透系数K
利用裘布依完整井出水量计算公式，导出渗透系数K的计算公式如下。
1．潜水完整井计算渗透系数公式
应当指出，单井抽水试验，因其没有观测孔，井的结构、抽水设备的运行等因素往往影响观测资料的精度，计算出的参数精度低a代表性也较差，因而此法仅适用于地下水的
（第三章）
地下水资源的计算与评价
第一节概述
一、地下水资源的特点
地下水资源是指对人类生产与生活具有使用价值的地下水，它属于地球上水资源的一部分。
地下水资源与其他资源相比，它有许多特点。
正确认识这些特点，对合理开发利用地下水资源是很重要的。
地下水资源有以下三个基本特点：
（1）可恢复性。
地下水资源与固体矿产资源相比，它具有可恢复性。
在漫长的地质年代中形成的固体矿产资源，开采一点就少一点；
地下水资源却能得到补给，具有可恢复性。
因此合理开采不会造成资源枯竭；
但开采过量又得不到相应的补给，就会出现亏损。
所以，保持地下水资源开采与补给的相对平衡是合理开发利用地下水应遵循的基本原则。
（2）调蓄性。
地下水资源与地表水资源相比，它具有一定的调蓄性。
如果在流域内没有湖泊、水库、则地表水很难进行调蓄，汛期可能洪水漫溢，旱季也许河道断流。
而地下水可利用含水层进行调蓄，在补给季节（或丰水年）把多余的水储存在含水层中，在非补给季节（或枯水年）动用储存量以满足生产与生活的需要。
利用地下水资源的调蓄性，在枯水季节（或年份）可适当加大开采量，以满足用水需要，到丰水季节（或年份）则用多余的水量予以回补。
“以丰补枯”是充分开发利用地下水的合理性原则。
（3）转化性。
地下水与地表水在一定条件下可以相互转化。
由地表水转化为地下水是对地下水的补给；
反之，由地下水转化为地表水则是地下水的排泄。
例如，当河水位高于沿岸的地下水位时，河水补给地下水；
相反，当沿岸地下水位高于河水位时，则地下水补给河水。
因此在开发利用水资源时，必须地表水和地下水统筹规划。
转化性是开发利用地下水和地表水资源的适度性原则。
二、地下水资源的分类
为了研究地下水资源形成的基本规律，对地下水资源进行计算和评价必须对地下水资源进行分类。
由于地下水资源的复杂性，其分类一直是国内外学者重点研究的问题，并提出厂不同的分类方案，下面介绍几种在我国影响比较大的分类方法。
（一）普洛特尼柯夫分类法（大储量分类法）
在新中国成立初期，我国沿用前苏联普洛特尼柯夫提出的储量概念，把地下水储量分成：
静储量、动储量、调节储量和开采储量四种。
1．静储量
静储量是指天然条件下储存于潜水最低水位以下含水层中的重力水体积，按下式（3—1）计算，即
以上三种储量代表天然状态下存在于含水层中的地下水储量，统称为天然储量。
4．开采储量
开采储量指技术经济合理的引水工程能从含水层中取出的水量，并在预定开采期内不发生水量显著减少和水质恶化等现象。
确定开采储量是比较困难的，因此，没有固定的计算公式。
普氏分类法，在我国地下水评价工作中起过重要作用，在20世纪50～70年代的水文地质勘察中几乎都采用，甚至目前有些地下水资源评价的文献中还使用这些术语。
但是，在实践中，大家都感到此种分类法还存在不少问题。
首先，普氏分类法不能确切地反映地下水资源的形成规律。
地下水资源与固体矿产不同，它具有流动性和可恢复性，普氏把描述固体矿产的储量概念移用到地下水来，显然是不确切的。
而地下水始终处于补给和消耗的变动过程十，补给和排泄是引起地下水运动的一对基本矛盾，正是由于这种矛盾的存在，才有地下水的形成和运动。
尤其是地下水能得到补给，这是其他任何矿产资源包括石油矿产都是没有的，普氏分类法没有能反映这一特点。
其次，普氏分类法没有能够以“三水”（大气降水、地表水和地下水）互相转化的观点分析评价地下水资源，没有考虑开采后地下水的补给量与排泄量会发生怎样的变化。
实践表明，开采条件下，除得到天然补给外，还由于水动力条件的变化使地表水和大气降水向地下水转化量增加，而天然排泄量（主要为潜水蒸发量和侧向排泄量）将大为减少，从
（第四章）
管井出水量计算
管井的出水量（生产能力）对管井的结构设计、井灌规划、水文地质参数的确定和地下水资源评价等都是十分重要的。
由于含水层类型、井型及其井的结构等不同，因此水井出水量的确定，应采用不同的井流计算方法。
本章仅对垂直取水建筑物中单井和群井出水量计算的基本原理和方法予以介绍。
第一节单井出水量的计算
一、单井出水量的稳定流计算
从井中抽水，井周围含水层中的水就会向井里流动，水井中水位和井周围处的水位必将下降。
通常是水井中水位下降较大，离井越远水位下降越小，形成漏斗状的下降区，称为降落漏斗。
就潜水井而言，降落漏斗在含水层内部扩展，即随着漏斗的扩展，其渗流过水断面也在不断地发生变化。
而承压水井的水位下降不低于含水层顶板，其降落漏斗不在含水层内部发展，即不会产生含水层被疏于，只能形成承压水头的下降区，就是说承压含水层随着漏斗的扩展，只发生水压的变化，其渗流过水断面则是不变的。
由此可见，随着水井抽水过程中漏斗的扩展，其水力坡度和渗流速度在含水层的空间也将发生变化，尤其是随着抽水时间的延长，变化会更加明显，即水流处于非稳定状态。
只有当抽水时间足够长，且漏斗的扩展速度非常慢时，即可近似地认为水流处于稳定状态。
在这种状况下，水井的出水量可运用稳定井流理论的计算方法来确定。
因篇幅有限，本节仅涉及完整井井流计算问题。
（一）潜水完整井出水量的计算
1863年法国水力学家裘布依（Dupuit）为推导单井（完整井）出水量而建立了稳定井流模型，如图4—1所示。
该模型的假设条件是：
（1）含水层天然水力坡度等于零，抽水时为了用流线倾角的正切代替正弦，则井附近的水力坡度不大于o．25。
（2）含水层是均质各向同性的，含水层的底板是隔水的且呈水平状。
（3）抽水时影响半径范围内无垂向渗入、尤蒸发，每个过水断面上的流量不变；
在影响半径范围以外的地方流量等于零；
在影响半径的圆周上为定水头边界。
（4）抽水井内及附近都是二维流（抽水井内不同深度处的水头降低是相同的）。
图4—1中水井的半径为r。
，供水边界距水井中心的距离或供水半径为R。
但水井按
某一定流量Q抽水时，供水边界的水位保持不变，可保证无限供给定流量。
井流服从达西（Darcy）线形渗透定律和连续定律，并按轴对称井壁进水且无阻力地汇入井内。
稳定井流运动特点可概括为两点。
（1）流向为汇向水井中形成放射状的一簇曲线，等水位面为以水井为中心的同心圆柱面。
等水位面和过水断面是一致的。
（2）通过距井轴不同距离的过水断面的流量处处相等，都等于水井流量Q，即
Qr1＝Qr2＝Qr3＝…＝Q
由上述情况，根据潜水完整井稳定井流计算模型推导出水量计算公式。
如图4—1所示，取圆柱坐标系，沿底板取井径方向为r轴，井轴取为H轴，并假设渗流过水断面近似为同心圆柱面，于是按达西定律有Q，＝2nrAK兰，根据连续定律有Q＝Q＝const（常数），分离变量则有
（第五章）
地下水资源计算的数值法
在地下水资源评价中，需要通过求解相应的数学模型得到地下水位的变化过程与水文地质参数等。
数学模型是用来描述一个系统的结构、空间形式、边界条件和系统内部运动状态等的一组数学关系式。
许多描述实际问题的数学模型往往归结为求解一些很复杂的非线性偏微分方程，通常用经典的解析法处理是很困难的。
一般的处理办法是把偏微分方程转化成线性代数方程组，然后对其求解，这属于一种离散近似的计算方法即数值法，所要寻求的不是域内的连续函数而是域内各结点上函数的近似值。
第一节基本概念
自从地下水非稳定运动理论问世以来，对求解地下水运动的解析方法有了很大的发展。
解析方法是用数学上的积分方法或积分变换等方法直接求得数学模型的解，解是某计算点的精确解。
计算公式的物理概念清楚，且将表征地下水运动规律的各因素都包含在一个表达式之内，有利于分析各有关因素之间相互联系与相互制约的内在规律及对地下水运动的影响，其计算步骤比较简便，计算工作量相对较少，因此在生产实践中得到广泛应用。
地下水非稳定运动理论是以质量守恒性（连续性原理）与能量转换性（达西定律）为基础，对任何复杂的地下水流系统都町以建立其相应的数学模型，即支配地下水运动的偏微分方程及决定其解的初始条件与边界条件。
但数学模型的求解常取决于地下水流系统中水文地质条件能够概化的程度。
一般来说，只有当渗流区域的几何形状比较简单，其含水层是均质、各向同性的情况下才能获得其解析解。
但在实际应用中，所遇到的水文地质条件往往是比较复杂的，如渗流区域形状不规则；
含水层是非均质的，含水层的厚度随时间、空间而变化，隔水底板起伏不平；
地下水的补给源中包含有线性补给或局部的面状（小区域）补给；
排泄条件的复杂性与变化；
含水层不同地段的各向异性；
由于抽水而使含水层中部分区域由承压水变成无压水等等。
对于这样的区域，采用解析法从理论上求解地下水流运动规律就十分困难，以至无法求解，或者即使得到解析表达式，也仍难于用常规的数学方法求解。
如果不顾具体水文地质条件，而一味套用地下水流运动的解析公式，必定会因实际问题的过度简化而使所得的计算结果与实际不符，从而失去了实用价值。
由于地下水流系统的复杂性，极大地制约了解析解的应用。
对于复杂条件下的地下水运动问题，当前最有效的方法是采用数值计算方法。
20世纪60年代以来，随着计算机技术的迅速发展，数值方法作为一种求解近似解的方法被广泛用于地下水水位预报和资源评价中。
数值方法是采用离散化的方法来求解数学模型，从而得到研究区域内有限个离散点上的未知函数值。
离散化的方法是将研究区域划分成为若干个较小的子区域或称单元，即化整为零，这些单元的集合体代表原来的研究区
域，即又积零为整。
虽然所得解为数值解（即是数值的集合，是数学模型的近似解），但是只要将单元大小和时段长短划分得当，即对空间步长和时间步长取值合适，计算所得的数值解便可较好的逼近实际情况而满足计算精度的要求。
由于数值力’法可以较好的反映复杂条件下的地下水流状态，具有较高的仿真度，因此在理论和实际应用方面都发展的比较快。
数值法求解地下水流数学模型的基本步骤如下：
（1）将研究区域按照某种规则进行剖分或称离散化。
剖分的原则和剖分后形成的子区域形状取决于所采用的数值方法．从而将研究区域划分为若干个子区域单元。
对于非稳定流问题，尚需将计算时间也进行离散化，即将计算时间离散为若干个时段。
（2）将每个小单元作为地下水的小均衡域，并定义特征点上的各种物理量。
（3）建立某一个时段内结点之间制约各种物理量的关系式，关系式一般表达为代数方程。
（4）利用初始条件和边界条件（即初边值问题），建立在某一个划分时段内边界结点与内部结点的关系式。
（5）求解上述（3）、（4）所构成的代数方程组，就可求得某——计算时刻，研究区域上各离散点的水位U值，其集合{／／}即是渗流区域上某一时刻地下水水位／／的近似解，单元剖分的越小，{u}的仿真度就越高。
（6）重复（3）～（5），可计算下一时刻的水头{H}集合值。
由于建立代数方程组的方法不同，也就产生了各种不同的离散化方法，即不同的数值方法。
地下水流计算常用的数值方法有有限差分法、有限单元法、有限体积法、边界元法、有限分析法、配置法和特征线法等。
本章主要介绍地下水流训—算中较为常用且较简单的两种基本方法，即有限差分法和有限单元法。
有限差分法是一种古典的数值计算方法。
从20世纪60年代初期就开始用于地下水流计算，初期多用正规网格和松弛法求解。
Pinder和Bredehocfl（1968）将Peaceman和Rachford（1955）提出的交替方向隐式差分法用于地下水流的计算。
稍后又引入强隐式法（Stonel968，Trescott等，1977）。
但由于有限差分法是用下交网格剖分渗流区域，因此，对很多水文地质问题拟合自然边界及非均质界限的灵活性较差，例如可动边界的处理等；
此外，方法本身要求水头函数必须具有二阶连续导数，这一条件对地下水流突变部位往往难以满足，为弥补上述不足，便产生了不规则网格有限差分法。
有限差分法是当前地下水计算中较为成熟和行之有效的方法。
有限单元法从1968年开始用于地下水流问题的求解，随着计算机技术的飞速发展，有限单元法同有限差分法一样，已成为解决复杂水文地质条件下渗流问题的有效方法之一。
有限差分法与有限单元法各有利弊。
有限差分法特别是交替方向隐式差分法具有计算速度快、占有计算机内存量少的特点，同时比较直观，概念简单易懂，在理论上有限差分法也较有限单元法成熟。
但有限差分法的时间步长受到较大的限制，同时也受水文地质参数T、／／等大小和研究区域几何形状的影响，使用不当时仿真度便会降低，甚至产生谬误。
有限单元法相对比有限差分法具有较大的灵活性。
单元形状可以是三角形、四边形或
（第六章）
地下水取水建筑物的设计与施工
第一节地下水取水建筑物的分类
由于地下水埋藏条件、开采条件的不同，再加之各地经济技术条件与习惯的差异，地下水取水建筑物的型式也多种多样，总括起来不下数十种，一般可归纳为垂直系统、水平系统、联合系统和引泉工程四种类型。
一、垂直系统
因集取地下水的主要建筑物的延伸方向基本与地表面垂直，故称垂直系统。
如管井、大口井、轻型井等各种类型的水井，都属于此种系统。
垂直系统取水建筑物，可适用于各种条件，因而应用最为广泛。
下面对几种常见的类型加以介绍。
（一）管井
管井是一种直径较小，深度较大，井壁用钢管、铸铁管、混凝土管或塑料管等各种管材加固的井型。
因其通常采用水井钻机施工，水泵抽水，故群众习惯称之为机井。
管井的直径在牛产中多为200—450mm，大于450mm者比较少见。
100～150mm的管井除临时性取水或勘探井外，——般较少采用。
管井的深度，视当地水文地质条件而定。
当前农用管井的深度多为50～l00m，也有达200—300m者。
随着生产发展的要求，钻井机具性能的提高，管井的深度也在逐渐增加。
管井是地下水取水建筑物十应用最广的一种，适用于任何岩层和地层结构。
按其取水范围是否贯穿整个含水层，分为完整井和非完整井。
（二）筒井和大口井
习惯上，将人工开挖或半机械化施工、直径较大、形状似一圆筒的各种浅井统称为筒井。
因筒井与管扦在结构方面没有本质的区别，仪是深度和直径有所差异而已，故有些文献中已不再加以区分，通称为管井。
大口井是因其井径大而得名，多为人工开挖或半机械化施工，是广泛应用于开采浅层地下水的取水建筑物。
筒井的直径一般为1～1．5m，而大u井的直径一般超过1．5m，我同多为3～8m，但也有达十余米～数十米的。
此类水井主要适用于含水层厚度不大（多在5m左右），水位埋藏深度较小（一般不超过10m）的地区。
水井深度也较小，最浅者仪有几米，通常不大于20m。
但黄土区也有超过l00m的筒井。
筒井和大口井由于施工困难，大多采用非完整井形式，均采取从井筒和井底同时进水的方式，以增加进水面积。
（三）轻型井
系直径小，深度不大，用塑料管等轻质材料加固井壁，用轻型小口径钻机施工的一种井型。
直径一般为75～150mm，深度多为10～30m，最深不超过50m。
它最适合在地下水位埋深小（最好小于5m）的地区建造。
轻型井的出现主要是适应了中国农村的新形势，即联产承包责任制和乡镇企业发展对水井建设的要求。
这种井既可用于灌溉，又可用于人畜供水和乡镇企业生产。
实践证明，轻型井具有造价低，施工快速、简易等特点。
在同等出水量条件下，造价只有其他井型的1／3～1／8。
因而这种井型具有宽广的发展前景。
二、水平系统
集取地下水的主要建筑物的延伸方向，基本与地面相平行，因此称为水平系统。
常见的有截潜流工程、坎儿井、卧管井等。
水平系统取水建筑物只有在特定条件下适用，因而应用不如垂直系统的取水建筑物普遍。
（一）坎儿井
坎儿井是干旱地区开发利用山前洪积扇地下潜水，用于农田灌溉和人畜饮用的一种古老的水平集水工程。
这种工程在我国主要分布于新疆吐鲁番盆地和哈密地区一带。
这一地带气候干旱，蒸发量大，高山融雪的地表水流人冲洪积扇后，几萨全部渗入砂砾石层成为地下潜流，而坎儿井是汇集这一地下水源进行开发利用的理想形
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