陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献.pdf
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1、第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3焦赳赳,万军伟,王旭升,等.陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):1-1 4.J i mm y J i u J i a o,W a n J u n w e i,W a n g X u s h e n g,e t a l.P r o f.C h o n g x i C h
2、e ns a c a d e m i c r e s e a r c h c o n t r i b u t i o n s i n t h e a r e a o f h y d r o-g e o l o g yJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):1-1 4.基金项目:国家自然科学基金项目(4 1 5 7 2 2 0 8)作者简介:焦赳赳(1 9 6 3),男,教授,博士生导师,主要从事水文地质教学和科研工作。E-m a i l:j
3、j i a o h k u.h k E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献焦赳赳1,万军伟2,王旭升3,胡立堂4(1.香港大学地球科学系,香港 9 9 9 0 7 7;2.中国地质
4、大学(武汉)环境学院,武汉 4 3 0 0 7 8;3.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 1 0 0 0 8 3;4.北京师范大学水科学研究院,北京 1 0 0 8 7 5)摘 要:陈崇希教授长期坚持在水文地质领域从事课程教学、人才培养和科学研究,取得了丰硕的学术研究成果。对陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献进行了系统的总结评述,主要包括3个方面:开展了地下水动力学的理论创新研究,纠正了历史上“影响半径稳定井流”模型的错误,提出了一系列特殊水文地质问题的解析模型,改进和拓展了经典井流模型;持续探索水文地质模拟方法,研究形成了一系列提高地下水模拟仿真水平的技术方法,包括滨海区地下水
5、的等效排泄边界、渗流-管流耦合模型、岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水线性-非线性流模型、地下水开采-地面沉降模型等,研发了独具优势的地下水流模拟软件P GM S;提出地下水可持续开采量评价的补排增量理论,完成我国多个典型区域的地下水模拟,为科学评价地下水资源起到示范作用。陈崇希教授的创新研究对我国水文地质学的发展起到了重要的推动作用。关键词:地下水动力学;井流模型;水文地质模拟;可持续开采量;模拟要素仿真2 0 2 3-0 4-2 7收稿;2 0 2 3-0 6-0 1修回;2 0 2 3-0 6-0 2接受中图分类号:P 6 4 1 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3
6、)0 4-0 0 0 1-1 4d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 3 0 2 3 8 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):P r o f.C h o n g x i C h e ns a c a d e m i c r e s e a r c h c o n t r i b u t i o n s i n t h e a r e a o f h y d r o g e o l o g yJ i mm y J i u J i a o1,W a n J u n w e i2,W a n g X u s h e n g3,H u
7、 L i t a n g4(1.D e p a r t m e n t o f E a r t h S c i e n c e s,T h e U n i v e r s i t y o f H o n g K o n g,H o n g K o n g 9 9 9 0 7 7,C h i n a;2.S c h o o l o f E n v i r o n m e n t S t u d i e s,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(Wu h a n),Wu h a n 4 3 0 0 7 8,C h i n a
8、;3.S c h o o l o f W a t e r R e s o u r c e s&E n v i r o n m e n t,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(B e i j i n g),B e i j i n g 1 0 0 0 8 3,C h i n a;4.C o l l e g e o f W a t e r S c i e n c e s,B e i j i n g N o r m a l U n i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 8 7 5,C h i
9、n a)A b s t r a c t:S i g n i f i c a n c eP r o f.C h o n g x i C h e n h a s l o n g b e e n e n g a g e d i n t e a c h i n g c o u r s e s,p e r s o n n e l t r a i n i n g a n d s c i e n t i f i c r e s e a r c h i n t h e f i e l d o f h y d r o g e o l o g y,w o r k i n g d i l i g e n t l y
10、 a n d i n n o v a t i v e l y,a n d h a s a c h i e v e d f r u i t f u l a c a d e m i c r e s e a r c h r e s u l t s.P r o g r e s sT h i s a r t i c l e m a k e s a s y s t e m a t i c r e v i e w o f P r o f.C h o n g x i C h e ns a c a d e m i c c o n t r i b u t i o n s i n t h e f i e l d o
11、 f h y d r o g e o l o g y,m a i n l y i n c l u d i n g t h r e e a s p e c t s:C a r r y i n g o u t i n n o v a t i v e a n d t h e o r e t i c a l r e s e a r c h o n g r o u n d w a t e r h y d r a u l i c s.H e c o r r e c t e d t h e h i s t o r i c a l m o d e l e r r o r o f s t e a d y-s t
12、 a t e w e l l f l o w w i t h i n t h e i n f l u e n c e r a d i u s,d e v e l o p e d a s e r i e s o f a n a l y t i c a l m o d e l s f o r s p e c i a l h y d r o g e o l o g i c a l p r o b l e m s,a n d i m p r o v e d a n d e x t e n d e d c l a s s i c a l w e l l f l o w m o d e l s.C o n
13、 t i n u o u s l y e x p l o-r i n g h y d r o g e o l o g i c a l s i m u l a t i o n m e t h o d s.H e p r o p o s e d a n u m b e r o f t e c h n i q u e s a n d m e t h o d s t o i m p r o v e t h e h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 e m u l a t i o n a l l e v e l o f g r o
14、u n d w a t e r s i m u l a t i o n,s u c h a s t h e e q u i v a l e n t s u b m a r i n e d i s c h a r g e b o u n d a r y o f c o a s t a l g r o u n d w a t e r,t h e c o u p l i n g s e e p a g e-p i p e f l o w m o d e l,t h e l i n e a r-n o n l i n e a r f l o w m o d e l i n t r i p l e K
15、a r s t m e d i a o f c a v e-f r a c t u r e-p o r o u s a n d t h e g r o u n d w a t e r w i t h d r a w a l-l a n d s u b s i d e n c e m o d e l,e t c.H e a l s o d e v e l-o p e d a u n i q u e a n d a d v a n t a g e o u s s o f t w a r e f o r g r o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o
16、n,P GM S.P r o p o s i n g a t h e o r y o f r e c h a r g e-d i s c h a r g e c h a n g e s f o r t h e e v a l u a t i o n o f t h e s u s t a i n a b l e g r o u n d w a t e r e x t r a c t i o n.H e c o m p l e t e d g r o u n d w a t e r m o d e l l i n g i n s e v e r a l t y p i c a l r e g i
17、 o n s i n C h i n a,w h i c h p l a y e d a d e m o n s t r a t i o n r o l e f o r t h e s c i e n-t i f i c a s s e s s m e n t o f g r o u n d w a t e r r e s o u r c e s.C o n c l u s i o n s a n d P r o s p e c t sP r o f.C h o n g x i C h e ns i n n o v a t i v e r e s e a r c h h a s p l a y
18、 e d a n i m p o r t a n t r o l e i n p r o m o t i n g t h e d e v e l o p m e n t o f h y d r o g e o l o g y i n C h i n a.K e y w o r d s:g r o u n d w a t e r h y d r a u l i c s;w e l l f l o w m o d e l;h y d r o g e o l o g i c a l m o d e l l i n g;s u s t a i n a b l e y i e l d;e m u-l a
19、 t i o n o f m o d e l l i n g e l e m e n t sR e c e i v e d:2 0 2 3-0 4-2 7;R e v i s e d:2 0 2 3-0 6-0 1;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 6-0 2 陈崇希先生于1 9 3 3年出生,于1 9 5 6年毕业于北京地质学院水文地质与工程地质专业,毕业后留校任教,后随迁到武汉继续在中国地质大学工作,直至2 0 0 5年退休。陈崇希教授长期坚持在水文地质领域从事课程教学、人才培养和科学研究,辛勤耕耘、锐意创新,取得了丰硕的学术研究成果。在陈崇希教授九十华诞之际,笔者回顾了
20、陈先生数十年来的研究历程,深入学习了陈先生的学术思想和创新思维,获益匪浅。本文的主旨,是对陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献做出系统的总结评述!1 地下水动力学理论研究1.1纠正了历史上“影响半径稳定井流”模型的错误,恢复D u p u i t“圆岛模型”的原貌法国科学家D u p u i t提出的地下水稳定井流模型1,是地下水动力学经典模型。在2 0世纪5 0年代,该模型通过前苏联的地下水动力学教材2、以“影响半径”模型的方式传入我国。当时,欧美国家也在使用“影响半径”模型3。陈崇希教授1 9 6 6年在编著教材4时对该模型提出质疑,证明不管初始是静止还是稳定流状态,在抽水形成的降落漏斗
21、扩展到含水层边界之前、或者对于无界含水层而言均不可能形成稳定流,即“影响半径稳定井流”模型是不成立的。陈崇希教授1 9 7 4年提出把“影响半径稳定井流模型”改为“圆岛模型”才能形成稳定流5,直至1 9 8 1年底,委托刘存富教授从法国巴黎国家图书馆复印到D u p u i t(1 8 6 3年)的原著,才见到“庐山真面目”。原著所表述的正是陈崇希教授1 9 7 4年提出的“圆岛模型”。为此,陈崇希教授对1 9 7 5年交给出版社而迟迟未能出版的 地下水不稳定井流计算方法 进行了修订,引用D u p u i t原著的“圆岛模型”图示。该教材1 9 8 3年正式出版6。陈先生1 0多年执着追踪,
22、纠正了这个问题在水文地质文献中长时期的误用7-8。陈崇希教授认为,早期为了应用而提出“影响半径模型”是可以理解的,但1 9 3 5年T h e i s9提出不稳定井流模型之后,仍然在无界含水层中套用“影响半径模型”就属于南辕北辙了。由于“影响半径”稳定井流模型的误用,伴生出来方方面面的问题,其中之一就是对“富水性”概念的错误认识1 0-1 1,至今文献上仍然经常出现,应当注意纠正。1.2独立提 出解释孔隙 和裂隙介质渗 透系数的水力模型渗透系数是描述地下水运动的基本参数,来源于D a r c y定律,长期作为经验参数对待,缺乏物理实质的论证。陈崇希教授在1 9 6 6年编著的教材中,独立提出了
23、孔隙介质的圆管束水力模型和裂隙介质的平直窄缝水力模型,建立了渗透系数的推导方程4。后来得知,西方国家一些学者在1 9 5 0-1 9 7 0年代也进行了解释D a r c y定律的类似研究,以色列学者B e a r对此进行了详细总结3,其中孔隙介质毛细管模型与陈崇希教授提出的圆管束水力模型一致,裂隙介质的平行缝隙模型与陈崇希教授提出的平直窄缝水力模型基本一致。陈崇希教授是同时期在国内独立开展相关研究的极少数学者。1.3提出层状非均质潜水含水层中地下水不稳定井流解析模型层状非均质潜水含水层,是自然界中常见的含水系统。自美国学者T h e i s首先提出地下水不稳定井流公式9以来,绝大多数不稳定井
24、流解析模型都限于均质含水层,未能处理层状非均质潜水层的抽水问题。这种井流问题具有较高的复杂性,即随着抽水过程中地下水位的下降,不仅导水系数(渗透系数与饱水带厚度的乘积)随时空变化,其重力给水度也由于潜水面穿越不同层位而发生变化,导致地下水流控制方程具有很强的非线性特征。陈崇希教授在1 9 8 1年利用吉林斯基势函数提出一种解析模型,巧妙地采取分时段考虑导水系数与重力给水度平均值的变化,从而获得层状非均质潜水层定流量抽水条2 第4期焦赳赳等:陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献件下、不同时间潜水降落漏斗的分布1 2。荷兰学者H e m k e r在1 9 8 5年对层状非均质有越流承压含水层的
25、井流进行了研究1 3,但所提出的是半解析模型。1.4发展了承压-无压井流问题的解析理论虽然承压-无压井流是经常遇到的水文地质问题,特别是在地下水位需要大降深疏干的矿山地区,但由于其复杂性,国内外有关专著和教材很少提及,或者避而不谈1 4,或者仅仅涉及极为罕见的圆形定水头边界轴对称单井稳定流模型1 5。早在1 9 7 4年接受河北省邯郸市中关铁矿疏干排水预测任务时,陈先生就曾建立了矿区常见的层状非均质含水系统地下水不稳定承压-无压井流解析模型1 6-1 7。此后陈崇希教授牵头合作研究,建立了单井地下水不稳定承压-无压井流的解析模型和定水头边界附近多井非轴对称承压-无压稳定井流的解析模型1 8-2
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