從事滲流理論、地下水數值模擬、地下水資源環境評價與管理等方面的教學和科研工作。主持國家重點科技項目38項(3項)、國家自然科學基金項目(3項)等科研項目,以第壹作者獲得壹等獎:1國家科技進步獎;省部級科技進步二等獎3項;部優秀教材二等獎1。他出版了12本書和100篇論文。中國地質大學211項目壹、二期“地質環境保護與地質災害防治”“地下水資源與地質環境保護”重點學科組學術帶頭人、首席科學家。
陳崇禧教授的主要學術成就如下:
1.地下水資源評價的理論問題
地下水可持續開采評價是水文水資源工程最重要的研究方向之壹。然而,長期以來,國內外壹直以地下水補給量作為評價依據。1966 ~ 1978陳崇喜教授論證:“鉆孔抽水引起的影響範圍隨時間發展,因為鉆孔抽水破壞了原有的水動力平衡。如果沒有因抽水而增加補給或減少排泄,影響範圍將無限發展。”此時抽取的地下水全部是儲存;“只有當地抽取地下水所獲得的地下水補給增量和排泄減量之和等於抽取量,地下水才能形成穩定的井流”。這是評價地下水可持續開采的基本標準。2002年,美國著名學者Bredehoeft證明了“可持續開發”的評價標準與陳崇禧教授在1966中論證的結論壹模壹樣。多年來,“地下水補給增量和排泄減量”的評價標準逐漸被人們所尊重,並未受到批評。
2.地下水動力學分析理論。
(1)1966 ~ 1981:糾正了“井流影響半徑穩定”模型的錯誤,還原了秋布衣“環島模型”的本來面目。裘布依模型是地下水穩定井流最基本的模型。20世紀50年代,該模型被前蘇聯作為“影響半徑”模型引入中國,幾十年來壹直作為地下水資源評價的主要依據。後來我才知道,當時在歐美,裘皮模型也被描述為“影響半徑”模型。直到1972,著名學者熊J在他的名著《多孔介質流體動力學》中也是這麽說的。
1966期間,陳崇喜教授對“有影響半徑的穩定井流”模型提出質疑,從理論上證明了該模型不僅在原假設的初始水頭水平下,而且在初始地下水流(有補給的徑流場)條件下,都不能形成穩定的井流。陳崇禧先生根據水量平衡原理,嚴格證明了形成穩定井流的條件。
1974年3月,陳崇喜教授進壹步指出,裘布依穩定井流方程的應用條件應為“島模型”而非“影響半徑”模型,裘布依公式中的“影響半徑”應改為“島半徑”。這從理論上糾正了20世紀50年代從國外引進並在中國產生深遠影響的“影響半徑模型”的錯誤。
陳崇禧教授的科學見解在當時很快得到了回應。65438-0975邀請陳崇喜先生為中國地質科學院水文地質與工程地質研究所及全國各省市同仁講解對裘布依穩定井流模型的理解,系統介紹地下水不穩定井流理論與方法。為此,陳崇禧教授撰寫了國內最早系統闡述地下水不穩定井流理論的著作——《地下水不穩定井流計算方法》。
在隨後的幾年裏,陳崇禧教授跑遍了國內各大城市的圖書館和信息所,尋找裘皮的原著,但未果。直到1981委托人將法國巴黎圖書館的裘皮原作復制到1863,才看清廬山真面目。原著表達的是陳崇禧教授在1974中提出的“環島模型”。陳崇禧教授對這壹問題十余年的執著追求,不僅糾正了水文地質文獻的長期誤傳和誤用,而且證明了“穩定半徑井流”模型的理論錯誤,並在此基礎上建立了地下水開采條件下的質量平衡方程,確定了正確評價地下水可持續開采的基本準則。
(2)拓寬泰斯公式和漢圖什公式的應用條件。溢流系統的泰斯模型和漢圖什模型都假定初始水頭水平分布,這在自然界中是很難滿足的。在1975中,陳教授證明了泰斯公式和漢圖什公式可以拓寬用於初始穩定的流場;對於不穩定的初始流場,必須用自然水頭進行動態修正才能使用。泰斯模型要求井眼直徑接近零,1975證明泰斯公式只能在短時間泵送後用於實際有限的井眼直徑。2002年和2003年與研究生合作,提出了修正的泰斯井流模型和漢圖什井流模型,並得到了解析解,從理論上證明了兩種模型在抽水初期的落差深度較小。
(3)在1966中,建立了多孔介質和裂隙介質滲透系數的水力學模型/方程。這壹成果揭示了水文地質學中最重要的參數——滲透系數的物理本質。在1972中,Bear提出了與陳崇禧先生相同的多孔介質滲透系數水力方程,在1967中,法國學者Louis也提出了與陳先生相似的裂隙介質水力模型。
(4)在1974中,提出了考慮含水層時變滲透系數的地下水承壓-無壓不穩定井流解析解。與Moench(1972)相比,將熱傳導中導管周圍凍結或融化的解法直接移植到有壓-無壓不穩定井流問題中,兩者各有優缺點。2006 ~ 2008年,我們與研究生合作,在該領域取得了新的成果。
(5)在巖溶泉流量衰減方面,國際上常用衰減系數為α的負指數函數進行分析預測,但該系數壹直作為經驗參數使用。在1988中,林敏教授和陳崇喜教授合作得到了層流和紊流狀態下衰減系數的水力方程,揭示了衰減系數與含水層基本參數之間的關系。
(6)2011建立了混合井流的壹些基本解析解,得到了壹些重要的認識。
(7)結合非穩定流解析法和數值法的優點——提出“數值-解析法”,解決了由於含水層補給,單純解析法(1978 ~ 1980)和數值模型中邊界處理(如韓城水源,65430)預測地下水開采動態的困難。
3.地下水流的數值模擬。
(1)完善了沿海地區含水層系統模型,提出了確定海洋邊界的理論和方法。在許多沿海地區的數值模型中,國內研究者將海岸線視為垂直邊界;國外大多同上,個別研究者以壹定的延伸距離為邊界,沒有任何依據。從1986到1988,陳崇禧教授認為大部分含水系統延伸到海底,並將不同的排泄類型總結為“等效排泄邊界”的概念。同時,他提出了利用地下水潮汐效應信息確定濱海含水層“等效排泄邊界”和水文地質參數的方法,分別用於評價北海市、海南島洋浦港區和煙臺市海水入侵等幾個水源地的地下水可持續開采情況。這種系統完整的確定海底邊界的理論和方法對建立海岸水文地質模型具有重要的理論意義和實用價值。(獲國家科技進步三等獎)
(2)將傳統的基於線匯流的鉆孔-含水系統模型升級為“滲流-管流耦合模型”,解決了長期以來鉆孔邊界劃定的水文地質問題。為了解決混抽井的模擬問題,陳崇禧教授提出了“滲流-管流耦合模型”。該模型成功求解了北海兩層混合抽水試驗確定的分層水文地質參數(1992)、鄭州三層混合抽水試驗確定的分層水文地質參數(1995)和西北地區四口地下水混合井的動態預測(1999 ~ 2005)。新模型的提出和混合井實例的應用,為“井眼-含水系統模型”創造了更高的平臺。
1995將“滲流-管流耦合模型”進壹步發展為“巖溶管道-裂隙-孔隙”的地下水“線性非線性流動”模型,突破了國外雙重介質模型和線性管流模型的局限性。該模型已成功地用於模擬廣西沿江巖溶地區非常復雜的泉水動態。
2003年至2005年,將“滲流-管流耦合模型”應用於自流井和水平井,將原有模型提高了壹個層次。2003年,觀測井水位形成的傳統概念受到質疑。國外著名學者(漢圖什、бочевер、紐曼等。)都認為常規觀測井中的水頭降可以看作濾管內各點的降的平均值。但陳崇禧教授指出:“這些計算觀測井水位降深的方法是缺乏物理基礎的純數學方法”,用“滲流-管流耦合模型”模擬了觀測井水位的形成。這壹問題的解決具有重要的理論意義和實用價值。
2004年,完成了“滲流-管流耦合模型”的砂池物理模擬,以進壹步驗證該模型。結果表明,數值模擬的水頭和流動動力學較好地再現了物理模擬的結果。因此,陳崇禧教授從提出“滲流-管流耦合模型”和“等效滲透系數”理論,到驗證物理模擬,再到在不同條件下的應用中進壹步檢驗,用了10多年的時間。
在1992中,陳教授提出了“滲流-管流耦合模型”,克服了傳統的基於線匯流的鉆孔-含水系統模型的不真實性,將鉆孔的邊界從濾管壁移到了井口,不需要人為給定濾管壁處的邊界條件,只需給定井口處的流量或水頭即可。這壹成果將水文地質學中長期使用的鉆孔-含水系統模型提高到壹個新的水平。陳教授卓有成效的工作使中國在相關領域的科學研究處於世界領先地位。
(3)九五國家科技攻關課題:開發地下水開采-地面沈降模型(以蘇州地區為例)。如何將土壤固結與地下水流耦合?陳教授批判了國際上“兩步耦合”的錯誤,提出了壹步求解法的理論基礎;準三維水流模型在國際上得到廣泛應用。陳教授指出,準三維流動模型不適用於具有“千層餅”狀弱透水層的多層含水系統(其誤差不小於5%,但大於30%),應采用真三維模型;建立了考慮土體固結引起的孔隙度、滲透系數和供水/儲水系數變化的水流模型。刻畫了地面沈降滯後於地下水開采層水頭動態的壹般規律,客觀模擬了蘇州地面沈降中心與地下水開采漏鬥不壹致的事實。
(4)2003年提出“防止模擬失真,提高模擬是數值模擬的核心”。在數值模擬方面,陳崇禧教授強調水文地質條件的正確分析、水流機理的研究和模擬技術的提高,完成了30多個實際模擬模型,從科學和實用兩方面提高了地下水數值模擬技術。2005年和研究生壹起開發了PGMS軟件,總體上比MODFLOW好。該軟件包括混合抽水井、常規觀測井、自流井、水平井、降雨/渠道、抽水井水位、泉水流動、地下水非線性蒸發、地下水-地表水相互作用等模塊。
4.結論
回顧陳崇禧教授50年的職業生涯,我們可以感受到他發現科學問題的敏感,解決問題的智慧,以及糾正前人錯誤、直面真相的勇氣。陳崇禧教授壹直推崇學術爭鳴,認為只有積極開展學術爭鳴和交流,才能更好地促進學科的發展。陳崇禧先生壹貫堅持“求真求實”的學術思想,鍥而不舍地為科學問題尋求答案。他經常教導學生“不僅要學會如何解決問題,還要培養科學發現問題和提出問題的能力”。
陳崇禧先生性格開朗坦率,他對科學的熱愛,作為科學家壹絲不茍的工作作風和攻堅克難的精神,深深影響了他的學生和工作夥伴。
(摘自《陳崇禧教授學術思想和學術成就概述》(焦等,2003年,略作補充)。