承压稳定井流的有限分析方程

本文根据井在节点与不在节点两种情形，给出了承压稳定井流的有限分析方程．计算结果表明，在网格尺寸相同的条件下，有限分析方法给出的结果比有限差分法高一个数量级，且与解析解拟合甚好．     

基于GIS的地下水流有限差数值模拟参数自动提取研究

本文根据地下水流有限差模拟有关参数的空间分布特点,将其划分为点状、线状与面状空间分布参数三种类型。利用GIS的空间分析功能,研究基于GIS的点状、线状与面状空间分布参数自动提取的技术路线。通过点、线、面三者之间空间位置关系的拓扑分析,确定地下水开采井、水位动态监测井、线状与面状水系、模拟区域边界、面状参数分布区与模型空间离散格网之间的空间位置关系。经过矢量数据与栅格数据互相转换,实现地下水流有限差数值模拟有关参数的自动提取。结合地下水流有限差分数值模拟有关参数数据文件的结构,将基于GIS提取的栅格结构数据文件自动转换成模型所需结构的数据文件,达到模型参数数据文件的自动组织与提高地下水流数值模拟的效率目的。     

地下水非稳定流的LTFAM算法

渗流域内应用拉普拉斯变换(LT)建立相应的有限分析(FAM)方程,顾及渗流域内地下水流的初始条件和边界条件,可在LT空间构成一个封闭的以水头像函数为变量的线性方程组。将此方程组所得的解,通过Stehfest数值反演公式,可归化为时间域的解(水头)。由于时间t被隐含在数值方程内,从而克服了传统数值法按时段(△t)逐步迭代的缺陷,提高了计算效率,也为用嵌入法建立地下水流管理模型提供了一条捷径。     

非稳态地下水流系统响应降雨变化的数值模型研究

区域地下水流系统的发育受地质、气候和地形多种因素的影响。以往的地下水流系统研究主要探讨了地质、地形和稳态气候条件下所形成的局部、中间和区域流动系统的组成特征,对非稳态的地下水流系统认识不足。聚焦于研究地下水流系统对降雨变化的动态响应规律,使用HydroGeoSphere构建了剖面二维地下水地表水耦合数值模型,模拟在降雨的周期性和随机性叠加动态驱动下非稳态渗流场形成的地下水流系统。模拟结果表明,各层级流动系统的空间范围都会随着降水波动而发生变化。局部地下水流系统在雨季并非都处于扩张状态,在旱季也并非都处于收缩状态。各个局部流动系统的同时刻穿透深度之间可能具有无关、正相关或负相关关系,这取决于各个局部流动系统响应降雨变化的滞后性。中间流动系统在非稳态条件下非常活跃,其排泄出口、补给入口和循环路径随时间变化,并强烈影响局部流动系统。通过5种不同含水层参数和降雨情景的模拟对比,发现地下水流系统的滞后性和穿透深度的相关性对含水层各向异性特征较为敏感。下一步,需要更加深入地研究地下水流系统在季节尺度、多年乃至跨世纪时间尺度气候波动过程中的非稳态响应规律。     

不同地下水流系统模式渗流场和温度场的互相影响

在地热资源丰富的地区,需要研究不同地下水流系统发育模式下渗流场和温度场的互相影响。基于二维潜水盆地多源汇的数值模拟和室内砂箱实验,改变降雨入渗强度,通过砂箱底部加温研究上下边界不同温度差条件下的渗流场和温度场的变化。研究结果表明：(1)随着降雨入渗强度加大,地下水流速增大,地下水流系统由单一区域系统向复杂的局部+区域、局部+中间+区域多级嵌套系统转化,水流对温度的再分配影响变大;(2)补给区等温线受下降水流影响下移,排泄区等温线受上升水流影响上抬,其中区域补给区和区域排泄区温度变化幅度最大;(3)砂箱底部加热后,含水层潜水面下降,地下水流速增大,流线循环深度整体变大,滞留带范围缩小。温度差是地热丰富地区的地下水流系统研究中不可忽视的驱动力。     

多级次地下水流系统的最小能耗率原理初探

20世纪60年代初期,Tóth基于定水头上边界条件推导出解析解,得出多级次地下水流系统,是水文地质学里程碑式的突破,成功地解决了一系列理论和实际问题。但Tóth解析解存在的缺陷也长期沿袭：单纯重视数学模拟而忽视物理机制;将地形控制地下水位看成是普适性规律;忽视给定水头上边界数学模拟的失真。这些缺陷,尤其是忽视物理机制探究,不仅妨碍Tóth理论自身发展,而且导致地下水流系统理论尚未被国际水文地质界普遍接受。参照河流动力学中应用的最小能耗率原理,类比提出地下水流最小能耗率的表达式。基于已有的通量上边界地下水流模式数值模拟结果,进一步探究物理机制,归纳得出地下水流系统遵循最小能耗率原理的结论。     

区域地下水流理论的发展历程与教材演变

Tóth提出的区域地下水流理论为盆地尺度地下水循环研究提供了定量分析方法。从4个方面总结区域地下水流理论发展历程，对比国外多本水文地质学教科书对区域地下水流理论的描述情况，系统梳理我国《水文地质学基础》教科书自1986到2018年的4个版本对区域地下水理论描述的演变情况。分析认为，我国《水文地质学基础》教科书对我国学者开展区域地下水流研究发挥了重要的推动作用，最后提出了区域地下水流理论有待解决的科学问题和引导更多青年学生从事该领域研究的建议。      

地下水流系统研究中的方法论探讨:以CUG-武汉地下水流系统研究为例

地球系统科学和地下水流系统理论的出现,标志着水文地质学进入新的发展时期。地下水流系统理论已成为水文地质学的新范式,其产生和发展,从方法论上为地下水问题的研究提供了新的启示。自20世纪80年代初以来,中国地质大学(武汉)地下水流系统组持续开展了地下水流系统理论与应用研究。试图从方法论的角度回顾与总结这些研究成果。地下水问题受多因素影响,研究应以“目标与问题导向相结合”,靶向准确,才能在信息浩渺中不失方向,向着目标前行;研究时应采用“假设演绎法”,先依据已有认识和资料演绎出应有的现象,再有目的地观察和寻求证据,或修改假设继续求证,直到假设被证实或证伪;演绎寻证过程,可以采用“控制性实验”“信息提取与组织”“多学科方法与手段融合”等技术方法。实例分析证实,控制性模拟实验使我们得出了地下水流模式的新认识;采用多通道的信息提取、加工和组织,构建地下水流系统模式,能够有效解决各类工程中的应用问题;多学科与手段融合、各种信息相互验证,提高了结果的可信度。以实例研究为基础,从研究方法上的总结能为正确认识和理解地下水流系统理论、推进新理论和新思路在水文地质研究中的应用提供参考。     

无界单元在地下水流计算中的应用

在人为选定的模拟无限边界的有限位置处设置无界单元。在该单元上配置带有衰减特征的线性插值函数,进而可建立按有限元法或不规则网格有限差分法解算地下水流问题所需要的单元刚度矩阵。该单元刚度矩阵可很容易地进入总刚度矩阵。无界单元的应用较好地解决了地下水流数值模拟中无限边界不易确定的问题。计算实例表明本方法具有较高的精度。     

西北地区五城市大型水源地地下水流模型若干问题研究

西北地区五城市系指西安市、兰州市、乌鲁木齐市、西宁市与银川市。五城市在“七五”期间分别建立了大型水源地的地下水管理模型，而地下水流模型的建立则是制作地下水管理模型的基础。一个好的地下水流模型对概化的水文地质模型必须有高度的仿真性，通过拟合求参必须有足够的保真性，对于预测必须有可靠性。     

求解地下水非稳定流方程的混合拉氏变换局部坐标有限分析法

本文给出了一种在不规则四边形网格上求解地下水非稳定流方程的混合拉氏变换局部坐标有限分析格式。由于将时间ｔ直接包含在有限分析数值计算格式中，克服了传统数值法求解非稳定过程按时段迭代的缺陷，实现了非稳定过程计算的一步完成，提高了计算效率，这对多时段地下水资源管理和长期预报非常有用。经实例验证，本方法有很高的精度，与解析解吻合甚好。