地下水运动规律研究的作用学原理

王昌益，包福乐

（蓬莱市国土资源局，山东蓬莱 265600）

同理，水位不上升、只存在排泄流量QF时，即，当QT＝0时，

地下水运动规律研究的作用学原理

王昌益，包福乐

（蓬莱市国土资源局，山东蓬莱 265600）

控制地下水运动的动力学因素是作用因素以及地下的物质和空间条件因素。作用提供了控制地下水运动的动力，物质和空间条件提供了控制地下水运动的制约因素。正确认识这一规律便可以建立研究地下水运动规律的新方法，即地下水运动规律研究的作用学原理。

地下水运动规律；作用因素；物质和空间条件因素；作用学原理

地下水运动规律研究的作用学原理是指根据作用学新理论建立起来的一种研究地下水运动规律的新方法与新原理。研究证明：传统地下水运动理论［1］不科学。传统地下水运动理论认为，决定地下水运动的动力来源是水头梯度；作用学［2］研究证明：控制地下水运动的动力学因素是作用因素和地下的物质和空间条件因素。作用提供了控制地下水运动的动力，物质和空间条件提供了控制地下水运动的制约因素。物质和空间对地下水运动的制约也以动力学形式表现出来。物质和空间将地下水对其运行区域构成的作用分成实作用和虚作用，给出了实作用加虚作用等于作用的对立统一方程。阐明地下水运动遵守作用对立统一规律［3］的定量理论叫做地下水运动规律研究的作用学原理。

一、地下水运动理论研究的理论依据：作用的对立统一理论

作用由作用物产生，作用物产生的作用量只与作用物体的动量有关。由于受作用物体的物质和受作用物体的空间存在，便将作用分成了两部分：实作用和虚作用。物体的物质受作用叫实作用，物体的空间受作用叫虚作用。虚作用与实作用相互对立，但又相互统一，两者合为作用。用数学语言来表达，那就是：受作用物接受的虚作用量AF与实作用量AT之和等于作用物产生的作用量A，即

虚作用和实作用都由作用产生，虚作用和实作用都与作用存在直接函数关系。即，虚作用量等于作用量A与受作用面（受作用体）的虚度性质特征值E之积，即

实作用量等于作用量A与受作用面（受作用体）的实度性质特征值T之积，即

虚度E和实度T都是度量受作用物性质的特征值，但二者所标明的物体性质特征绝然相反。虚度E是标明物体的松散程度、虚空程度、软弱无能程度、疏漏程度、孤立无助程度、脆弱程度等等状态特征的标度值，而实度T是标明物体的密实程度、坚硬程度、刚强程度、强大饱满程度等等状态特征的标度值，这些特征体现了物体的强弱、软硬、松密、空满、贫富、多少、虚实等状态状况。虽然虚实度分别反映的是物体的正反两个方面，具有相互对立关系的特征，但是，反映的都是同一个物体的特征，都是来自同一自然体的自然参数，这又规定了虚实度两个自然量之间具有统一性规律。即，反映物体性质的虚度E和实度T是绝然对立的两种参数，但二者之和等于1，即

一个物体的虚度大，它的实度就小；反之，亦然。

材料的虚度和实度特征标量也不是固定不变的，而是随着作用时间的延迟、外界空间与物质条件的改变而不断变化的。当物体在作用控制下改变其虚实度性质时，其性质变化仍然遵守对立统一规律。即，材料性质变化前后都遵守式（4）所揭示的规律。即，在t＝0时，Tt＋Et＝1；当t＝t时，Tt＋Et＝1．因此，假设材料的实度性质由T0变为Tt、虚度性质由E0变为Et，并且

那么，根据虚度加实度等于1的规律，得

也就是说，材料的实度增加一个量，那么，材料的虚度就减小一个量。

反作用，波前面上的反作用、阻碍作用面上的反作用（阻碍作用）都因作用出现而产生，都是作用的伴生现象，同成为阻碍作用。根据“合作用量等于作用量与阻碍作用量之向量和”的力学思想和本文关于作用量等于虚作用量加实作用量的认识，即，根据力学关于合作用力等于作用力加阻力［4］的思想，得

根据作用学，虚作用量加实作用量等于作用量，即

所以，合作用量的本质实际上就是虚作用量，即，合作用量等于虚作用量。即

而实作用量等于阻碍作用量的负值，即

所以，

同样，虚力就等于合力，实力就等于阻力（包括反作用力）的负值。即

因此，合力等于力F与虚度E之积；阻力等于力F与实度T之积的负值。

这就是作用的对立统一定量理论的基本内容。

二、补给流量、排泄流（渗出流）量、水头三者之间的关系

根据作用的对立统一理论，控制地下水运动的力等于控制地下水运动的实力和虚力之和。控制地下水运动的力为

式中，Q表示补给流量；S表示补给流断面面积。控制地下水运动的实力为

式中，QT表示水位上升流量；ST表示水位面面积；ET表示盆地纵向断面的孔隙度。控制地下水运动的虚力为

式中，QF表示排泄流流量；SF表示排泄流断面面积；EF表示排泄断面的孔隙度。因此，

该式被叫做补给流量、水位上升流量和排泄流量三者之间统一关系的一般方程。根据这一方程，可以进一步证明：补给流量Q、排泄流量QF、水头H三者之间的关系并不是达尔西定律所揭示的关系，而是作用学关系。如图1所示，补给流流量Q、阻水物质和排泄空间共同产生了水头高度H和排泄流量QF，而不是水头梯度产生了渗流量。当流量Q流向蓄水盆地、蓄水盆地只蓄水、不排泄时，即，当QF＝0时，补给流量全部转换为水位上升流量。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时，即，当QT＝0时，

因此，蓄水盆地的水位H与补给流量Q之间的关系式为

式中，H0为初始水位。根据作用学，孔隙度（通率、渗水率）与阻水率之和等于1，所以，

可见，排泄流量（渗流量）与水头高度及其变化无关，只与补给流量、断面、通率（孔隙度，也叫虚度）、阻水率（也叫实度）、时间有关。

图1 补给流量、排泄流量、水头之间的关系

实际上，地下水渗流以主动波形式运动。设水源供水流量为Q，t为作用时间，流量Q受的作用量为

而当流量Q流到波前面S时，渗流Q对S形成的作用量也为A，而Q对S产生的实作用量为

式中，T等于从水源到渗流波前面之间地层的阻水率（即实度），u为水流波动的传播速度，x为水源与水流波前之间的距离；Q对S产生的虚作用量为

式中，E等于从水源到渗流波前面之间地层段的孔隙度（即虚度）。如果从断面S流出的流量为q，那么，虚作用量

因此，控制地下水渗流的地层透水率为

阻止地下水运动的阻水率为

三、矿井涌水预测的作用学原理

根据式（18），水源流量Q与向抽水井渗流的渗流量q之间的关系式为

式中，S1表示抽水井井壁上所揭露渗流地层断面的面积；E1表示S1断面上的渗水孔隙度。很显然，渗流量可以通过抽水试验测出，渗流层的渗流断面面积S1也能够测出。同理，拟建生产矿井的涌水量QF与水源流量Q之间的关系式为

式中，S2为矿井揭露渗流地层断面面积；E2为S2断面上的渗水孔隙度。因此，矿井涌水量

如果孔隙率E1＝E2，那么，

可见，根据作用学，矿井涌水量的预测研究是非常简单的。只要查明矿山开采区域地层的渗流孔隙度，便可以根据钻孔抽水试验来直接预测矿井的涌水量。即，在查明矿区构造带、裂隙带分布状况情况下，再按需要钻井、进行抽水测量、确定钻孔涌水量，便可以提前预测地下矿山空间将会出现的涌水量大小。矿井空间各处的涌水量之和等于在该处研究得到的QF值。

［1］ 中国矿业学院，淮南煤炭学院.水文地质学（上）［M］.北京：地质出版社，1981.

［2］ 李庆臻.简明自然辩证法词典［K］.济南：山东人民出版社，1986：742.

［3］ 程守洙，江之永.普通物理学［M］.北京：人民教育出版社，1981.

［4］ 王昌益.运动的水对滑坡体产生的机械作用［J］.青岛建筑工程学院学报，2003（74）：50－53.

（责任编辑张佑法）

TV12；TV131；O302

A

1007－7111（2011）02－0100－03

2010－12－18

王昌益（1959—），男，工程师，研究方向：物理学、力学、地质学、环境地质学、矿产勘探与开发。