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課程來源:MIT
     

1.72 2004秋季課程:地下水水力學(Groundwater Hydrology, Fall 2004)

翻譯:鄭凱
編輯:姜凱文 陳盈  

 

Well drilling.
MIT / BUET小組在孟加拉的蒙什甘某地鑽取沉積層岩心。(Charles Harvey教授拍攝)

MIT / BUET team drilling a sediment core at a field site in Munshiganj, Bangladesh. (Image by Prof. Charles Harvey.)

課程重點

本課程包括完整的課堂講義鱈魚岬實地考察的影片資料,並介紹了Harvey 研究團隊的工作內容在孟加拉的研究案例。

This course features a complete set of lecture notes, as well as videos from the Cape Code Field Trip and a page describing the work of the Harvey Research Group and their Bangladesh Case Study.

課程描述

本課程主要介紹地下水流動和輸送的基本規律,並強調了地下水在水文循環過程中所起的作用、地下水和地質結構的關係,以及如何管理已污染地下水。本課程包括實驗和電腦示範。

This course covers fundamentals of subsurface flow and transport, emphasizing the role of groundwater in the hydrologic cycle, the relation of groundwater flow to geologic structure, and the management of contaminated groundwater. The class includes laboratory and computer demonstrations.


技術需求

本課程需要使用FEFLOW®軟體完成兩個作業題。FEFLOW®(有限元素法之地下水數值系統)是由德國的顧問公司WASY所開發的三維的地下水模擬軟體。該軟體採用有限元素法求解三維地下水流動方程式。此外,需要使用 RealOne™ Player 軟體 播放本課程所提供的.rm檔案。
FEFLOW® software  is required for two problem sets on this course site. FEFLOW® (Finite Element subsurface FLOW system) is a 3-D groundwater modeling software, developed by WASY, a German consulting firm. FEFLOW® uses the finite element method to solve 3D groundwater flow equations. RealOne™ Player software is required to run the .rm files found on this course site.

師資
講師:
Charles Harvey教授
上課時數
教師授課:
每週2節
每節1.5小時
程度
研究所
回應
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聲明
麻省理工學院開放式課程認可 開放式課程計畫(OOPS)的翻譯計畫,開放式課程計畫(OOPS)乃是運用其獨立團隊、獨立資源、獨立流程進行翻譯計畫之團隊。

所有麻省理工學院開放式課程之材料皆以麻省理工學院開放式課程創作共享授權發佈,所有之翻譯資料皆由開放式課程計畫(OOPS)所提供,並由其負翻譯品質之責任。

此 處麻省理工學院開放式課程之資料乃由 開放式課程計畫(OOPS) 譯為正體中文。麻省理工學院開放式課程在此聲明,不論是否遭遇或發現相關議題,麻省理工學院開放式課程、麻省理工學院教師、麻省理工學院校方並不對翻譯正 確度及完整性作保證。上述單位並對翻譯後之資料不作明示或默許對任一特定目的之適合性之保證、非侵權之保證、或永不出錯之保證。麻省理工學院校方、麻省理 工學院開放式課程對翻譯上之不正確不負任何責任。由翻譯所引發任何關於此等資料之不正確或其他瑕疵,皆由開放式課程計畫(OOPS)負全責,而非麻省理工 學院開放式課程之責。

原文聲明

 

 

教學大綱

本課程主要介紹地下水流動和輸送的基本規律,強調地下水在水文循環過程中所扮演的角色、地下水和地 質結構的關係,以及如何管理已污染地下水。本課程主要包括以下主題:達西定律,流網,物質守恆定律,地下水水流方程,非均勻性和異向性,蓄水性能,區域循 環,非飽和流,地下水補注,地表逕流—含水層的相互作用,水井水力學,裂隙岩體之水流,數值模型,地下水水質,污染物的輸送方式、擴散、衰減和吸附。本課 程包括實驗和電腦示範,本門課程是修習環境和環境地質碩士的必修課程。

課程要求

規定的作業應在一周或兩周內提交,具體時間根據作業內容多少決定。每遲交一天作業,成績減少10%。

考試:隨堂期中考和期末考試

成績

Table for Grading 項目 百分比
作業 45%
期中考試 15%
期末考試 40%

大綱

背景知識
水文循環
水量預算

地下水
達西定律和水力勢能
穩態地下水水流方程
流線和流網
區域地下水和地質限制條件
漸變流、含水層蓄水量、壓縮性
非拘限水流
河流、湖泊和地下水的相互作用
數值模擬方法
岩石裂隙中的地下水流

井水力學
泰斯和提姆方程
抽水實驗和微水試驗

污染物的輸送
移流和擴散
物質輸送過程中的吸附和擴散
含水層的整治

非飽和層(通氣層)水文學
非飽和流、持水曲線和理查方程
滲透和蒸散量

混合水流的流動和輸送
密度流、清水/ 鹽水的相互影響
熱輸送和地下水流

地下水在大規模的水和化學的預算方面所扮演的角色
Course Overview

This course covers fundamentals of subsurface flow and transport, emphasizing the role of groundwater in the hydrologic cycle, the relation of groundwater flow to geologic structure, and the management of contaminated groundwater. The course will cover the following topics: Darcy equation, flow nets, mass conservation, the aquifer flow equation, heterogeneity and anisotropy, storage properties, regional circulation, unsaturated flow, recharge, stream-aquifer interaction, well hydraulics, flow through fractured rock, numerical models, groundwater quality, contaminant transport processes, dispersion, decay, and adsorption. It includes laboratory and computer demonstrations, and is a core requirement for Environmental and Geoenvironmental M.Eng. program.

Course Requirements

Assignments: will be due either one or two weeks after they are handed out depending on their length. Grades will be reduced 10% for each day late.

Exams: In-class midterm and a final exam.

Grading

Table for Grading ACTIVITIES PERCENTAGES
Assignments 45%
Midterm 15%
Final 40%

Outline

Background
Hydrologic Cycle
Water Budgets

Groundwater
Darcy's Law and Hydraulic Potential
The Steady-state Groundwater Flow Equation
Streamlines and Flow Nets
Regional Flow and Geologic Controls on Flow
Transient Flow, Aquifer Storage and Compressibility
Unconfined Flow
Groundwater Interaction with Streams and Lakes
Numerical Methods
Flow in Fractured Rock

Well Hydraulics
Thiem and Theis Equations
Pump Tests and Slug Tests

Contaminant Transport
Advection and Dispersion
Sorption and Diffusive Mass Transfer
Aquifer Remediation

Vadose Zone Hydrology
Unsaturated Flow, Retention Curves and Richard's Equation
Infiltration and Evapotranspiration

Couples Flow and Transport
Density Driven Flow, Freshwater/Saltwater Interaction
Heat Transport and Groundwater Flow

The Role of Groundwater in Large-scale Water and Chemical Budgets

 

 

 
Table for Calendar 課 課程單元 關鍵日期
1 課程介紹,水平衡方程
Course Introduction, Water Balance Equation
 
2 含水層,孔隙度,達西定律
Aquifers, Porosity, and Darcy's Law
 
3 水力水頭和勢流
Hydraulic Head and Fluid Potential
 
4 連續性和流網
Continuity and Flow Nets
作業1提交截止時間
Problem set 1 due
5 地下水水流型態
Groundwater Flow Patterns
作業2提交截止時間
Problem set 2 due
6 地下水/地表水的相互作用
Groundwater/Surface Water Interactions
作業3提交截止時間
Problem set 3 due
7 時變系統和地下水容量
Transient Systems and Groundwater Storage
 
8 抽水試驗分析
Pump Test Analysis
 
9 地下水數值模擬
Numerical Modeling of Groundwater Flow
使用FEFLOW®解決問題1的提交截止時間
FEFLOW® problem set 1 due
10 疊加
Superposition
 
11 地下水的溶質輸送
Solute Transport in Groundwater
 
12 土壤濕度I
Soil Moisture I
 
13 土壤濕度II
Soil Moisture II
使用FEFLOW®解決問題2的提交截止時間
FEFLOW® problem set 2 due

 

 

 

補充閱讀資料
Supplemental Texts

Domenico, Patrick A.和Franklin W. Schwartz.《物理和化學水文地質學》,New York: John Wiley & Sons Inc, 1998. ISBN: 0471597627.
Domenico, Patrick A., and Franklin W. Schwartz. Physical and Chemical Hydrogeology. New York: John Wiley & Sons Inc, 1998. ISBN: 0471597627.

Freeze, Alan R.和John A. Cherry.《地下水》,Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1979. ISBN: 0133653129.
Freeze, Alan R., and John A. Cherry. Groundwater. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1979. ISBN: 0133653129.

Marsily, Ghislain De.《定量水文地質學:地下水水文學工程師讀本》,Orlando, FL: Academic Press, 1986. ISBN: 0122089162.
Marsily, Ghislain De. Quantitative Hydrogeology: Groundwater Hydrology for Engineers. Orlando, FL: Academic Press, 1986. ISBN: 0122089162.

Bear, Jacob.《多孔介質流體動力學》,New York: Dover Publications, 1988. ISBN: 0486656756.
Bear, Jacob. Dynamics of Fluids in Porous Media. New York: Dover Publications, 1988. ISBN: 0486656756.

───《地下水水力學》,New York: McGraw-Hill College, 1980. ISBN: 0070041709.
———. Hydraulics of Groundwater. New York: McGraw-Hill College, 1980. ISBN: 0070041709.

Sahimi, Muhammad.《多孔介質和裂隙岩體中的水流和輸送》,Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH, 1995. ISBN: 3527292608.
Sahimi, Muhammad. Flow and Transport in Porous Media and Fractured Rock. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH, 1995. ISBN: 3527292608.

Fetter, C. W.《污染水文地質學》第二版,Upper Saddle, NJ: Prentice Hall, 1998. ISBN: 0137512155.
Fetter, C. W. Contaminant Hydrogeology. 2nd ed. Upper Saddle, NJ: Prentice Hall, 1998. ISBN: 0137512155.

Todd, David Keith.《地下水水文學》,New York: John Wiley & Sons Inc, 1980. ISBN: 047187616X.
Todd, David Keith. Groundwater Hydrology. New York: John Wiley & Sons Inc, 1980. ISBN: 047187616X.

Hillel, Daniel.《土力物理學基本原理》,New York: Academic Press, 1980. ISBN: 0123485606.
Hillel, Daniel. Fundamentals of Soil Physics. New York: Academic Press, 1980. ISBN: 0123485606.


 

 
Table for Lecture Notes 課 課程單元
1 課程介紹,水平衡方程 (PDF)
Course Introduction, Water Balance Equation (PDF)
2 含水層,孔隙度,達西定律 (PDF)
Aquifers, Porosity, and Darcy's Law (PDF)
3 水力水頭和勢流 (PDF)
Hydraulic Head and Fluid Potential (PDF)
4 連續性和流網 (PDF)
Continuity and Flow Nets (PDF)
5 地下水水流型態 (PDF)
Groundwater Flow Patterns (PDF)
6 地下水/地表水的相互作用 (PDF)
Groundwater/Surface Water Interactions (PDF)
7 時變系統和地下水容量 (PDF)
Transient Systems and Groundwater Storage (PDF)
8 抽水試驗分析 (PDF)
Pump Test Analysis (PDF)
9 地下水數值模擬 (PDF)
Numerical Modeling of Groundwater Flow (PDF)
10 疊加 (PDF)
Superposition (PDF)
11 地下水的溶質輸送 (PDF)
Solute Transport in Groundwater (PDF)
12 土壤濕度I (PDF)
Soil Moisture I (PDF)
13 土壤濕度II (PDF)
Soil Moisture II (PDF)

 
本課程需要使用FEFLOW® 軟體完成兩個作業題。FEFLOW® (有限元素法地下水系統)是由德國的顧問公司WASY開發可建立三維的地下水模型軟體。該軟體採用有限元素法求解三維地下水流動方程。
FEFLOW® software is required for two problem sets in this section. FEFLOW® (Finite Element subsurface FLOW system) is a 3-D groundwater modeling software, developed by WASY, a German consulting firm. FEFLOW® uses the finite element method to solve 3D groundwater flow equations.

本課程共有兩種類型的作業。主要的問題集會跟隨課堂的進行。FEFLOW®的問題主要是利用執行FEFLOW®軟體解決問題。
There are two types of problem sets in this class. The main problem sets follow from the lectures. The FEFLOW® problem sets deal with flow modeling software.

作業
Problem Sets

作業1 (PDF)
Problem Set 1 (PDF)

作業2 (PDF)
Problem Set 2 (PDF)

作業3 (PDF)
Problem Set 3 (PDF)

FEFLOW® 的作業
FEFLOW® Problem Sets

FEFLOW® 的作業1 (PDF)
FEFLOW® Problem Set 1 (PDF)

FEFLOW® 的作業2 (PDF)
FEFLOW® Problem Set 2 (PDF)


 

需要RealOne™ Player software播放這裡的.rm檔案。
RealOne™ Player software is required to run the .rm files in this section.

這些影片拍攝自鱈魚角的地質實習,該地區是美國地質調查局USGS在麻州的實驗基地和瓦庫伊特灣的國家河口研究計劃保留區。在地質實習期間,本課程的學生會得到一本實習指導手冊。(PDF 3.11 MB)
These videos are all from the class field trip to the Cape Cod, MA USGS experimental site and Waquoit Bay National Estuary.  The class was given a supplemental handout for the tour (PDF 3.11 MB)

鱈魚角地質實習影片範例
Cape Cod Field Trip Video Samples 影片名稱
VIDEO TOPICS 影片連結
VIDEO LINKS 說明
DESCRIPTIONS
水樣採集和抽水實驗
Water sampling and pumping
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
在污水處置地區採集水樣和進行抽水實驗的要素。
Water sampling and pumping basics at the sewage disposal beds.
擴散取樣
Diffusion sampling
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
與 Denis Leblanc一起進行課堂問答:樣本收集、擴散取樣、污染物存放、取水系統、多水平取樣器、污染群的淨化。
Q&A with Denis Leblanc: Sample collection, diffusion sampling, contaminant storage, water lifting, multi-level samplers, contaminant plume cleanup.
大規模含水層的取樣
Large-scale aquifer sampling
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
多水平取樣器(15,000個取樣點),
Multi-level samplers (15,000 sampling points), bromide tracer injection.
AShumit池塘的介紹
Ashumit Pond introduction
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
該池塘形成的歷史,地下水的流入池塘,出現磷污染。
Pond formation history, groundwater flow-through ponds, phosphorous contamination.
地下水排放-含有鐵、錳離子
Groundwater discharge - iron and manganese presence
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
湖泊概述和背景;排入湖泊的地下水,分解含有鐵、錳等污染物。Pond description and background; groundwater discharge into lake, dissolved iron and manganese contamination.
取樣和監測工具
Sampling and monitoring devices
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
多水平取樣器,亨利取樣器,氣泡噴流,湖泊內的溶質運動,污染物的中和,取樣和監測工具。
Multi-level sampler, Henry sampler, plume discharge, solute movement in the pond, neutralization of contaminants, sampling and monitoring devices.
滲流儀1
Seepage Meter 1
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
測量水流通量、滲流儀。
Measuring flux, seepage meters.
取樣和監測工具
Sampling and monitoring devices
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
變水頭壓力計測試。
Differential head monometer test.
滲流儀2
Seepage Meter 2
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
滲流儀測試結果(10分鐘後),收集水,營養物流出檢測。
Results of seepage meter test (after 10 minutes), water collection, nutrient outflow tests.
蔓越莓池塘
Cranberry Bog
(RM - 56K)
(RM - 80K)
(RM - 220K)
在鱈魚角蔓越莓池塘種植和採摘蔓越莓,確定噴流位置。
Growing and harvesting cranberries in the Cape Cod cranberry marshes, locating plume discharges.

 

需要軟體RealOne™ Player來播放此處的.rm檔案。
RealOne™ Player software is required to run the .rm files in this section.

這些錄影紀錄了最近在孟加拉某地進行的地質實習和案例研究。從2002年起,MIT研究計畫就將水 文地質數值模擬和詳細的現地與實驗室試驗相結合,以測試有關砷化物的運動和輸送理論。淺層岩心實驗和地下水化學物質的實地檢驗顯示,經過複雜的生化地質作 用可將砷化物固定。Harvey的研究小組正在開發相應的數值模擬工具,用來管理在生化反應作用下的地下水和農業用水系統。
These materials are from a case study and field trip recently undertaken in Bangladesh. Starting in 2002, the MIT research program has combined hydrogeologic modeling with detailed field and laboratory experiments to test theories of arsenic mobilization and transport. Experimentation with subsurface cores and field manipulation of aquifer chemistry has revealed that arsenic is held immobile through a complex system of biogeochemical processes. Harvey’s group is now developing numerical simulation tools to manage the groundwater and agricultural systems that couple groundwater flow with biogeochemical reactions.

演講稿1 – 孟加拉砷化物的案例研究:第一部分 (PDF - 2.4 MB)
Presentation 1 - Bangladesh Arsenic Case Study: Part 1 (PDF - 2.4 MB)

演講稿1 – 孟加拉砷化物的案例研究:第二部分 (PDF - 2.0 MB)
Presentation 1 - Bangladesh Arsenic Case Study: Part 2 (PDF - 2.0 MB)

演講稿2 – 補充材料 (PDF - 1.0 MB)
Presentation 2 - Supplemental Slides (PDF - 1.0 MB)

錄影資料 - 鑽井過程 (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)
Video - Well Drilling (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)


 

需要軟體RealOne™ Player來播放此處的.rm檔案。
RealOne™ Player software is required to run the .rm files in this section.

本頁包括四個動畫示範,淺顯易懂地說明了吸附和物質輸送的過程。
This page contains four animations showing adsorbtion and mass transfer, in a very easy to understand format.

吸附
Adsorption

隨時間變化的圖形 (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)
Graphing Over Time (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)

物質輸送過程的動畫示範
Mass Transfer Animations

主動的物質輸送移過程 (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)
Active Mass Transfer (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)

移流擴散的物質輸送過程 (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)
Advective with Dispersion Mass Transfer (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)

擴散的物質輸移過程 (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)
Diffusive Mass Transfer (RM - 56K) (RM - 80K) (RM - 220K)


 

對「課程 1.72:地下水水力學」這門課有興趣的教育家、學生和自學者們,歡迎來和其他應用這個教材學習或教課的人在這個討論群組上互動。

這個服務是由麻省理工學院開放式課程提供,由猶他州立大學教育科技系的「開放持續學習機會研究群」所管理。世界各地的獨立學員可以互相連繫、協同合作、組織學習小組,及就利用麻省理工「開放式課程網頁」教材資源於他們正規或非正規教育學習時得到支援。

「開放式學習支援網」(Open Learning Support, 簡稱OLS)是一個著眼著眼於建立「社群軟體」的研究計劃,讓非正規學習社群利用現存公開的教材而組織起來。OLS基本前提是完整的教育機會必須讓使用者 能夠與能解答其問題或提供支援的其他人建立起溝通管道。贊助者一般只能提供免費開放的網頁教材,但很難提供這樣的社群管道。社群支援必須由其他使用者提 供。因此,OLS是:

在麻省理工「開放式課程網頁」以外獨立運作的。
需要使用者註冊並登入才能參與的
並不頒授任何學位或文憑的計劃
不提供與麻省理工或猶他州立大學教職人員直接連繫的管道
馬上來本課程《1.72:地下水水力學》的討論群組看看吧。

「開放式學習支援網」是由The William and Flora Hewlett 基金會贊助提供。


 


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