使用Laplace变换求解地下水运动方程,一般是对时间变化部分进行变换,然后在Laplace空间求解方程。为求解定解问题,边界条件也必须转换到Laplace空间。
在没有源汇项的情况下,一维非稳定流方程可以表示为式(3.1)的形式,即
地下水运动方程
在这个方程两侧针对时间t进行Laplace变换,则
地下水运动方程
根据式(4.2)有
地下水运动方程
其中G(x,s)为H(x,t)的Laplace变换。根据式(4.5)有
地下水运动方程
其中H(x,t=0)为初始条件。
取初始条件为H(x,t=0),则在Laplace空间地下水流方程(4.13)变为
地下水运动方程
现在可以视s为常数,则式(4.17)为一个线性齐次常微分方程,根据附录2,其通解为
地下水运动方程
式中:C1和C2是由边界条件决定的常量。下面分别考虑两种情况进行分析。
1)一侧定水头,另一侧无限远,边界条件表示为
地下水运动方程
利用表4.1,在Laplace空间边界条件变为
地下水运动方程
根据这种边界条件,在式(4.18)中应有
地下水运动方程
即在Laplace空间的解为
地下水运动方程
查表4.1可以得到原函数为
地下水运动方程
式中:erfc(u)表示u的余误差函数。水头分布特征如图4.1a所示。
图4.1 无限长一维非稳定流的水头分布
2)一侧定流量,另一侧无限远,边界条件表示为
地下水运动方程
在Laplace空间边界条件变为
地下水运动方程
根据这种边界条件,在式(4.18)中应有
地下水运动方程
即在Laplace空间的解为
地下水运动方程
对式(4.27)进行Laplace逆变换(张蔚榛,1983)可以得到其原函数为
地下水运动方程
其中ierfc(u)是余误差函数的积分:
地下水运动方程
因此最终的解为
地下水运动方程
其水头分布特征如图4.1b所示。