地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的作用學(xué)原理

王昌益，包福樂

（蓬萊市國(guó)土資源局，山東蓬萊 265600）

同理，水位不上升、只存在排泄流量QF時(shí)，即，當(dāng)QT＝0時(shí)，

地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的作用學(xué)原理

王昌益，包福樂

（蓬萊市國(guó)土資源局，山東蓬萊 265600）

控制地下水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)因素是作用因素以及地下的物質(zhì)和空間條件因素。作用提供了控制地下水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，物質(zhì)和空間條件提供了控制地下水運(yùn)動(dòng)的制約因素。正確認(rèn)識(shí)這一規(guī)律便可以建立研究地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的新方法，即地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的作用學(xué)原理。

地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律；作用因素；物質(zhì)和空間條件因素；作用學(xué)原理

地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的作用學(xué)原理是指根據(jù)作用學(xué)新理論建立起來(lái)的一種研究地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的新方法與新原理。研究證明：傳統(tǒng)地下水運(yùn)動(dòng)理論［1］不科學(xué)。傳統(tǒng)地下水運(yùn)動(dòng)理論認(rèn)為，決定地下水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源是水頭梯度；作用學(xué)［2］研究證明：控制地下水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)因素是作用因素和地下的物質(zhì)和空間條件因素。作用提供了控制地下水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，物質(zhì)和空間條件提供了控制地下水運(yùn)動(dòng)的制約因素。物質(zhì)和空間對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)的制約也以動(dòng)力學(xué)形式表現(xiàn)出來(lái)。物質(zhì)和空間將地下水對(duì)其運(yùn)行區(qū)域構(gòu)成的作用分成實(shí)作用和虛作用，給出了實(shí)作用加虛作用等于作用的對(duì)立統(tǒng)一方程。闡明地下水運(yùn)動(dòng)遵守作用對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律［3］的定量理論叫做地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的作用學(xué)原理。

一、地下水運(yùn)動(dòng)理論研究的理論依據(jù)：作用的對(duì)立統(tǒng)一理論

作用由作用物產(chǎn)生，作用物產(chǎn)生的作用量只與作用物體的動(dòng)量有關(guān)。由于受作用物體的物質(zhì)和受作用物體的空間存在，便將作用分成了兩部分：實(shí)作用和虛作用。物體的物質(zhì)受作用叫實(shí)作用，物體的空間受作用叫虛作用。虛作用與實(shí)作用相互對(duì)立，但又相互統(tǒng)一，兩者合為作用。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)，那就是：受作用物接受的虛作用量AF與實(shí)作用量AT之和等于作用物產(chǎn)生的作用量A，即

虛作用和實(shí)作用都由作用產(chǎn)生，虛作用和實(shí)作用都與作用存在直接函數(shù)關(guān)系。即，虛作用量等于作用量A與受作用面（受作用體）的虛度性質(zhì)特征值E之積，即

實(shí)作用量等于作用量A與受作用面（受作用體）的實(shí)度性質(zhì)特征值T之積，即

虛度E和實(shí)度T都是度量受作用物性質(zhì)的特征值，但二者所標(biāo)明的物體性質(zhì)特征絕然相反。虛度E是標(biāo)明物體的松散程度、虛空程度、軟弱無(wú)能程度、疏漏程度、孤立無(wú)助程度、脆弱程度等等狀態(tài)特征的標(biāo)度值，而實(shí)度T是標(biāo)明物體的密實(shí)程度、堅(jiān)硬程度、剛強(qiáng)程度、強(qiáng)大飽滿程度等等狀態(tài)特征的標(biāo)度值，這些特征體現(xiàn)了物體的強(qiáng)弱、軟硬、松密、空滿、貧富、多少、虛實(shí)等狀態(tài)狀況。雖然虛實(shí)度分別反映的是物體的正反兩個(gè)方面，具有相互對(duì)立關(guān)系的特征，但是，反映的都是同一個(gè)物體的特征，都是來(lái)自同一自然體的自然參數(shù)，這又規(guī)定了虛實(shí)度兩個(gè)自然量之間具有統(tǒng)一性規(guī)律。即，反映物體性質(zhì)的虛度E和實(shí)度T是絕然對(duì)立的兩種參數(shù)，但二者之和等于1，即

一個(gè)物體的虛度大，它的實(shí)度就小；反之，亦然。

材料的虛度和實(shí)度特征標(biāo)量也不是固定不變的，而是隨著作用時(shí)間的延遲、外界空間與物質(zhì)條件的改變而不斷變化的。當(dāng)物體在作用控制下改變其虛實(shí)度性質(zhì)時(shí)，其性質(zhì)變化仍然遵守對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律。即，材料性質(zhì)變化前后都遵守式（4）所揭示的規(guī)律。即，在t＝0時(shí)，Tt＋Et＝1；當(dāng)t＝t時(shí)，Tt＋Et＝1．因此，假設(shè)材料的實(shí)度性質(zhì)由T0變?yōu)門t、虛度性質(zhì)由E0變?yōu)镋t，并且

那么，根據(jù)虛度加實(shí)度等于1的規(guī)律，得

也就是說(shuō)，材料的實(shí)度增加一個(gè)量，那么，材料的虛度就減小一個(gè)量。

反作用，波前面上的反作用、阻礙作用面上的反作用（阻礙作用）都因作用出現(xiàn)而產(chǎn)生，都是作用的伴生現(xiàn)象，同成為阻礙作用。根據(jù)“合作用量等于作用量與阻礙作用量之向量和”的力學(xué)思想和本文關(guān)于作用量等于虛作用量加實(shí)作用量的認(rèn)識(shí)，即，根據(jù)力學(xué)關(guān)于合作用力等于作用力加阻力［4］的思想，得

根據(jù)作用學(xué)，虛作用量加實(shí)作用量等于作用量，即

所以，合作用量的本質(zhì)實(shí)際上就是虛作用量，即，合作用量等于虛作用量。即

而實(shí)作用量等于阻礙作用量的負(fù)值，即

所以，

同樣，虛力就等于合力，實(shí)力就等于阻力（包括反作用力）的負(fù)值。即

因此，合力等于力F與虛度E之積；阻力等于力F與實(shí)度T之積的負(fù)值。

這就是作用的對(duì)立統(tǒng)一定量理論的基本內(nèi)容。

二、補(bǔ)給流量、排泄流（滲出流）量、水頭三者之間的關(guān)系

根據(jù)作用的對(duì)立統(tǒng)一理論，控制地下水運(yùn)動(dòng)的力等于控制地下水運(yùn)動(dòng)的實(shí)力和虛力之和?？刂频叵滤\(yùn)動(dòng)的力為

式中，Q表示補(bǔ)給流量；S表示補(bǔ)給流斷面面積?？刂频叵滤\(yùn)動(dòng)的實(shí)力為

式中，QT表示水位上升流量；ST表示水位面面積；ET表示盆地縱向斷面的孔隙度?？刂频叵滤\(yùn)動(dòng)的虛力為

式中，QF表示排泄流流量；SF表示排泄流斷面面積；EF表示排泄斷面的孔隙度。因此，

該式被叫做補(bǔ)給流量、水位上升流量和排泄流量三者之間統(tǒng)一關(guān)系的一般方程。根據(jù)這一方程，可以進(jìn)一步證明：補(bǔ)給流量Q、排泄流量QF、水頭H三者之間的關(guān)系并不是達(dá)爾西定律所揭示的關(guān)系，而是作用學(xué)關(guān)系。如圖1所示，補(bǔ)給流流量Q、阻水物質(zhì)和排泄空間共同產(chǎn)生了水頭高度H和排泄流量QF，而不是水頭梯度產(chǎn)生了滲流量。當(dāng)流量Q流向蓄水盆地、蓄水盆地只蓄水、不排泄時(shí)，即，當(dāng)QF＝0時(shí)，補(bǔ)給流量全部轉(zhuǎn)換為水位上升流量。即，由式

得，水位上升流量

同理，水位不上升、只存在排泄流量QF時(shí)，即，當(dāng)QT＝0時(shí)，

因此，蓄水盆地的水位H與補(bǔ)給流量Q之間的關(guān)系式為

式中，H0為初始水位。根據(jù)作用學(xué)，孔隙度（通率、滲水率）與阻水率之和等于1，所以，

可見，排泄流量（滲流量）與水頭高度及其變化無(wú)關(guān)，只與補(bǔ)給流量、斷面、通率（孔隙度，也叫虛度）、阻水率（也叫實(shí)度）、時(shí)間有關(guān)。

圖1 補(bǔ)給流量、排泄流量、水頭之間的關(guān)系

實(shí)際上，地下水滲流以主動(dòng)波形式運(yùn)動(dòng)。設(shè)水源供水流量為Q，t為作用時(shí)間，流量Q受的作用量為

而當(dāng)流量Q流到波前面S時(shí)，滲流Q對(duì)S形成的作用量也為A，而Q對(duì)S產(chǎn)生的實(shí)作用量為

式中，T等于從水源到滲流波前面之間地層的阻水率（即實(shí)度），u為水流波動(dòng)的傳播速度，x為水源與水流波前之間的距離；Q對(duì)S產(chǎn)生的虛作用量為

式中，E等于從水源到滲流波前面之間地層段的孔隙度（即虛度）。如果從斷面S流出的流量為q，那么，虛作用量

因此，控制地下水滲流的地層透水率為

阻止地下水運(yùn)動(dòng)的阻水率為

三、礦井涌水預(yù)測(cè)的作用學(xué)原理

根據(jù)式（18），水源流量Q與向抽水井滲流的滲流量q之間的關(guān)系式為

式中，S1表示抽水井井壁上所揭露滲流地層斷面的面積；E1表示S1斷面上的滲水孔隙度。很顯然，滲流量可以通過抽水試驗(yàn)測(cè)出，滲流層的滲流斷面面積S1也能夠測(cè)出。同理，擬建生產(chǎn)礦井的涌水量QF與水源流量Q之間的關(guān)系式為

式中，S2為礦井揭露滲流地層斷面面積；E2為S2斷面上的滲水孔隙度。因此，礦井涌水量

如果孔隙率E1＝E2，那么，

可見，根據(jù)作用學(xué)，礦井涌水量的預(yù)測(cè)研究是非常簡(jiǎn)單的。只要查明礦山開采區(qū)域地層的滲流孔隙度，便可以根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)來(lái)直接預(yù)測(cè)礦井的涌水量。即，在查明礦區(qū)構(gòu)造帶、裂隙帶分布狀況情況下，再按需要鉆井、進(jìn)行抽水測(cè)量、確定鉆孔涌水量，便可以提前預(yù)測(cè)地下礦山空間將會(huì)出現(xiàn)的涌水量大小。礦井空間各處的涌水量之和等于在該處研究得到的QF值。

［1］ 中國(guó)礦業(yè)學(xué)院，淮南煤炭學(xué)院.水文地質(zhì)學(xué)（上）［M］.北京：地質(zhì)出版社，1981.

［2］ 李慶臻.簡(jiǎn)明自然辯證法詞典［K］.濟(jì)南：山東人民出版社，1986：742.

［3］ 程守洙，江之永.普通物理學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1981.

［4］ 王昌益.運(yùn)動(dòng)的水對(duì)滑坡體產(chǎn)生的機(jī)械作用［J］.青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（74）：50－53.

（責(zé)任編輯張佑法）

TV12；TV131；O302

A

1007－7111（2011）02－0100－03

2010－12－18

王昌益（1959—），男，工程師，研究方向：物理學(xué)、力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境地質(zhì)學(xué)、礦產(chǎn)勘探與開發(fā)。