|
關(guān)于我們
 書單推薦 新書推薦 |
多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移數(shù)學(xué)模型 
定 價(jià)：88 元
9 7 3 8 2 7 7 0 7 3 4 0 1 讀者對(duì)象:環(huán)境科學(xué)與工程、水文學(xué)及水資源、土木工程、力學(xué)、農(nóng)學(xué)等學(xué)科的師生 
多孔介質(zhì)中水分、熱量和物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型涉及諸多學(xué)科領(lǐng)域。本書系統(tǒng)地介紹了多孔介質(zhì)滲流、傳熱、污染物遷移的基礎(chǔ)理論，以及濱海地區(qū)含水層海水入侵規(guī)律的最新研究成果，包括基本概念和定律、數(shù)學(xué)模型及其解析解和數(shù)值解、有限元和有限差分FORTRAN程序，以及模型應(yīng)用等。
本書可作為環(huán)境科學(xué)與工程、水文學(xué)及水資源、土木工程、力學(xué)、農(nóng)學(xué)等學(xué)科的本科生、碩士和博士研究生的教材，以及科研人員的參考書。 更多科學(xué)出版社服務(wù)，請(qǐng)掃碼獲取。 
本書系統(tǒng)地介紹多孔介質(zhì)污染物遷移問題的基礎(chǔ)理論和最新研究成果，包括多孔介質(zhì)基本概念、飽和與非飽和多孔介質(zhì)的滲流理論、污染物在多孔介質(zhì)中遷移與轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型及其解析解和數(shù)值解；多孔介質(zhì)傳熱理論及其在地源熱泵系統(tǒng)土壤熱傳輸中應(yīng)用、濱海地區(qū)海水入侵動(dòng)力學(xué)模型以及有限元和有限差分?jǐn)?shù)值模擬，并附有Fortran源程序。可供環(huán)境科學(xué)與工程、水文學(xué)及水資源、土木工程、化學(xué)工程、力學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、農(nóng)學(xué)等學(xué)科的本科生、碩士和博士研究生的教材以及研究人員的參考用書。
目錄
前言 第1章 緒論 1 1 為什么要學(xué)習(xí)這門課程(Why do we study this course?) 1 1.1.1 學(xué)科發(fā)展的需要——定量化、精確化的需求 1 1.1.2 學(xué)術(shù)研究的需要——揭示自然規(guī)律 重要的研究方法 1 1.1.3 工程實(shí)踐的需要 2 1.1.4 環(huán)境健康與生態(tài)學(xué)研究的需要 2 1.1.5 水文及水資源研究的需要 2 1.1.6 地球科學(xué)研究的需要 2 1.1.7 服裝科學(xué)研究的需要 3 1.1.8 巖土工程領(lǐng)域研究的需要 3 1.1.9 土壤水分與溶質(zhì)遷移研究的需要 3 1.1.10 地下水科學(xué)與工程研究的需要 3 1.2 本課程的教學(xué)內(nèi)容(What do we want to study?) 4 1.2.1 多孔介質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的基本概念 4 1.2.2 多孔介質(zhì)滲流的基本定律 4 1.2.3 飽和多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型 4 1.2.4 非飽和多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型 5 1.2.5 多孔介質(zhì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型 5 1.2.6 多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的解析解 5 1.2.7 多孔介質(zhì)傳熱過程及數(shù)學(xué)模型 5 1.2.8 濱海地區(qū)含水層海水入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型 6 1.2.9 多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解 6 1.3 如何學(xué)習(xí)這門課程(How to study this course?) 6 1.4 多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移數(shù)學(xué)模型在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用 6 1.5 多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展與趨勢(shì) 7 1.5.1 孔隙介質(zhì)滲流研究進(jìn)展 8 1.5.2 單裂隙滲流研究進(jìn)展 11 1.5.3 裂隙系統(tǒng)滲流研究進(jìn)展 11 1.5.4 巖溶介質(zhì)滲流研究進(jìn)展 14 1.5.5 多孔介質(zhì)滲流與應(yīng)力耦合研究進(jìn)展 15 1.5.6 多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移數(shù)學(xué)模}性的研究趨勢(shì) 21 第2章 多孔介質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的基本概念 24 2.1 環(huán)境介質(zhì)特點(diǎn) 24 2.1.1 多介質(zhì)遷移與轉(zhuǎn)化特點(diǎn) 25 2.1.2 多界面遷移的非線性特點(diǎn) 25 2.1.3 多組分特征 25 2.1.4 多過程特征 26 2.1.5 多相流特征 26 2.1.6 多尺度轉(zhuǎn)化特征 26 2.1.7 多場(chǎng)耦合特征 27 2.2 土壤、含水層與地下水的基本概念 27 2.3 地下水的研究意義 32 2.3.1 地下水與水資源 32 2.3.2 地下水與地質(zhì)過程 32 2.3.3 地下水與巖土力學(xué) 35 2.3.4 地下水與生態(tài)環(huán)境 37 2.4 土壤與地下水污染 37 2.5 土壤與地下水污染修復(fù) 41 2.6 多孔介質(zhì) 42 2.6.1 多孔介質(zhì)的定義 42 2.6.2 多孔介質(zhì)的基本性質(zhì) 43 2.7 連續(xù)介質(zhì)方法 45 2.7.1 流體連續(xù)介質(zhì) 45 2.7.2 多孔連續(xù)介質(zhì) 47 2.8 有關(guān)滲流物理量的定義 49 習(xí)題 52 第3章 多孔介質(zhì)滲流的基本定律 53 3.1 有關(guān)滲流的基本概念 53 3.1.1 滲透與滲流 53 3.1.2 滲透速度與滲流速度 53 3.1.3 滲透壓強(qiáng)、測(cè)壓高度、位置高度、測(cè)壓水頭及總水頭 54 3.1.4 水力坡度和等水頭線 55 3.1.5 流線與跡線 55 3.1.6 穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流 56 3.1.7 有壓流與無壓流 58 3.1.8 緩變流與急變流 58 3.1.9 層流與紊流 59 3.1.10一維流、二維流與三維流 59 3.1.11 流線折射定律 59 3.2 多孔介質(zhì)滲流基本定律——達(dá)西定律 60 3.2.1 達(dá)西定律原著 60 3.2.2 達(dá)西試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析(Glenn Brown November 19 1999) 65 3.2.3 達(dá)西實(shí)驗(yàn)及其公式 69 3.2.4 變水頭砂柱滲流試驗(yàn) 73 3.2.5 達(dá)西實(shí)驗(yàn)定律的適用范闈 75 3.2.6 達(dá)西第二定律 75 3.3 達(dá)西定律的擴(kuò)展 76 3.3.1 基本概念 76 3.3.2 均質(zhì)各向同性多孔介質(zhì)j維滲流定律 77 3.3.3 非均質(zhì)各向同性多孔介質(zhì)滲流定律 79 3.3.4 各向異性多孔介質(zhì)滲流定律 83 3.3.5 均勻町壓縮流體的滲透定律 85 3.3.6 達(dá)西定律在幽一液兩相流問題的擴(kuò)展 86 3.4 多孔介質(zhì)滲透系數(shù)的確定方法 87 3.5 二維潛水含水層滲流分析與裘布依假設(shè) 95 3.6 二維承壓含水層滲流分析與導(dǎo)水系數(shù) 97 3.7 應(yīng)用達(dá)西定律計(jì)算承壓含水層的滲流量和水頭 100 3.7.1 均質(zhì)等厚承壓含水層中地下水流運(yùn)動(dòng)方程 100 3.7.2 均質(zhì)變厚度承壓含水層中地下水水流運(yùn)動(dòng)方程 101 3.7.3 非均質(zhì)等厚度承壓含水層巾地卜-水水流運(yùn)動(dòng)方程 104 3.7.4 承壓復(fù)雜含水層中地下水水流運(yùn)動(dòng)方程 110 3.8 應(yīng)用達(dá)西定律計(jì)算潛水含水層的滲流量和水頭 111 3.8.1 均質(zhì)潛水含水層底板水平 111 3.8.2 均質(zhì)潛水含水層底板傾斜 113 3.8.3 非均質(zhì)層狀潛水含水層 115 3.8.4 洛透性突變潛水含水層 116 3.8.5 滲透性漸變潛水含水層 117 3.8.6 復(fù)雜潛水含水層 119 習(xí)題 123 第4章 飽和多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型 127 4.1 飽和多孔介質(zhì)體系的物理狀態(tài)方程 127 4.1.1 均質(zhì)等溫流體密度的狀態(tài)方程 128 4.1.2 多孔介質(zhì)骨架的物理狀態(tài)方程 130 4.2 飽和多孔介質(zhì)滲流連續(xù)性方程 131 4.3 飽和多孔介質(zhì)滲流偏微分方程 134 4.4 考慮多孔介質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)的滲流方程 139 4.5 飽和多孔介質(zhì)滲流方程的擴(kuò)展 143 4.5.1 均質(zhì)各向同性飽和多孔介質(zhì)滲流方程 143 4.5.2 飽和多孔介質(zhì)穩(wěn)定滲流方程 143 4.5.3 非均質(zhì)各向異性飽和多孔介質(zhì)滲流方程 143 4.5.4 存在源或匯的飽和多孔介質(zhì)滲流方程 144 4.5.5 各向同性飽和多孔介質(zhì)的平面（xoy）二維滲流方程 144 4.5.6 飽和多孔介質(zhì)中具有門由而的平而（xoy）二維滲流方程 146 4.6 飽和多孔介質(zhì)滲流的積分方程 147 4.7 飽和多孔介質(zhì)多組分滲流方程 148 4.8 飽和多孔介質(zhì)滲流的定解條件 149 4.8.1 初始條件 150 4.8.2 邊界條件 150 4.9 飽和多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型 160 4.10 河間潛水含水層中地下水穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型 163 4.11 地下水流向井的穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型 167 4.11.1 地下水流向承壓含水層中井的穩(wěn)定流 167 4.11.2 地下水流向潛水含水層中井的穩(wěn)定流 169 4.11.3 地線下水流向越流含水層中井的穩(wěn)定流 171 4.12 地下水流向井的非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型 175 習(xí)題 180 第5章 非飽和多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型 183 5.1 非飽和多孔介質(zhì)滲流的基本概念 1 84 5.1.1 含水量和飽和度 184 5.1.2 毛細(xì)管壓力和測(cè)壓水頭 184 5.1.3 給水度和持水度 187 5.2 非飽和多孔介質(zhì)滲流的基本方程 188 5.2.1 非飽和多孔介質(zhì)滲流定律 1 88 5.2.2 非飽和多孔介質(zhì)滲流的連續(xù)性方程 192 5.2.3 非飽和多孔介質(zhì)滲流偏微分方程 192 5.2.4 以含水量為變量的北飽和多孔介質(zhì)滲流偏微分方程 193 5.2.5 以毛細(xì)管壓力水頭為變量的非飽和多孔介質(zhì)滲流偏微分方程 194 5.2.6 以水壓強(qiáng)為變量的非飽和多孔介質(zhì)滲流偏微分方程 195 5.2.7 考慮水和非飽和多孔介質(zhì)壓縮性的滲流方程 195 5.2.8 非飽和多孔介質(zhì)滲透系數(shù)的確定 199 5.2.9 變飽和多孔介質(zhì)巾濕潤(rùn)相流體滲流方程 201 5.2.10 變飽和多孔介質(zhì)中非濕潤(rùn)相氣體的運(yùn)動(dòng)方程 202 5.3 非飽和多孔介質(zhì)多組分滲流方程 204 5.4 非飽和多孔介質(zhì)滲流的定解條件 205 5.4.1 初始條件 205 5.4.2 邊界條件 205 5.5 非飽和多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型 207 5.5.1 一維垂向非飽和多孔介質(zhì)滲流問題 207 5.5.2 一維水平向非飽和多孔介質(zhì)滲流問題 208 5.5.3 一維垂向飽和-非飽和多孔介質(zhì)滲流問題 208 5.5.4 二維飽和-非飽和多孔介質(zhì)滲流問題 209 習(xí)題 211 第6章 多孔介質(zhì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型 213 6.1 概述 213 6.2 多孔介質(zhì)污染物遷移過程分析 214 6.2.1 對(duì)流作用 215 6.2.2 污染物擴(kuò)散的費(fèi)克定律 216 6.2.3 分了擴(kuò)散作用 218 6.2.4 機(jī)械彌散作用 219 6.2.5 沉淀與溶解 223 6.2.6 酸堿反應(yīng) 224 6.2.7 絡(luò)合作用 224 6.2.8 水解和置換作心 225 6.2.9 氧化還原反應(yīng) 225 6.2.10 生物轉(zhuǎn)化 226 6.3 多孔介質(zhì)污染物遷移的對(duì)流-彌散方程 226 6.4 多孔介質(zhì)的吸附與解吸附作用 233 6.4.1 等溫線性吸附 233 6.4.2 等溫非線性Langmuir吸附 235 6.4.3 等溫非線性Freundlich吸附 236 6.4.4 動(dòng)力學(xué)吸附（慢的、非平衡吸附） 237 6.4.5 四氯乙烯(PCE)在砂質(zhì)介質(zhì)中的吸附過程 241 6.4.6 新型交聯(lián)殼聚糖材料用于2n2+的吸附過程 248 6.5 多孔介質(zhì)污染物的衰減與轉(zhuǎn)化作用 250 6.5.1 發(fā)生在固體相中的源或匯項(xiàng) 250 6.5.2 發(fā)生在液體相中的源或匯項(xiàng) 251 6.5.3 存在點(diǎn)源污染時(shí)的點(diǎn)源或匯項(xiàng) 268 6.5.4 多孔介質(zhì)中的非移動(dòng)水效應(yīng) 269 6.5.5 固-液相互作用發(fā)生鏈?zhǔn)剿p時(shí)的多孔介質(zhì)污染物遷移方程 271 6.6 非飽和多孔介質(zhì)污染物垂向一維遷移方程 271 6.7 多孔介質(zhì)多相多組分污染物遷移方程 274 6.8 多孔介質(zhì)中流體密度變化時(shí)的污染物遷移方程 275 6.9 多孔介質(zhì)污染物遷移規(guī)律總結(jié) 276 6.10 多孔介質(zhì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的定解條件 277 6.10.1 初始條件 277 6.10.2 邊界條件 277 6.11 多孔介質(zhì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型 285 6.11.1 一維半無限域含水層污染物遷移數(shù)學(xué)模型 285 6.11.2 一維半無限域含水層污染物遷移數(shù)學(xué)模型 286 習(xí)題 288 第7章 多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的解析解 291 7.1 維多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的解析解 291 7.1 1 半無限柱狀多孔介質(zhì)巾污染物遷移數(shù)學(xué)模型的解析解 291 7.1.2 縱向彌散系數(shù)DL的反演計(jì)算 298 7.1.3 無限域含水層中污染物遷移數(shù)學(xué)模型的解析解 304 7.1.4 含水層中污染物遷移穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的解析解 306 7.2 二維多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的解析解 308 7.2.1 含水層中一維彌散問題的解析解 308 7.2.2 合水層中一維對(duì)流二維彌散問題的解析解 313 7.2.3 水平而二維滲流二維彌散問題的解析解 314 7.2.4 水平面一維滲流二維彌散問題的解析解 317 7.2.5 二維對(duì)流與一維彌散穩(wěn)態(tài)問題的解析解 319 7.3 三維多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的解析解 321 習(xí)題 323 第8章 多孔介質(zhì)傳熱過程與數(shù)學(xué)模型 324 8.1 多孔介質(zhì)熱量傳輸?shù)幕径ɡ?324 8.2 多孔介質(zhì)體系的熱量傳輸方程 327 8.2.1 多孔介質(zhì)熱量傳輸?shù)倪B續(xù)方程 327 8.2.2 多孔介質(zhì)穩(wěn)定滲流的熱傳輸方程 330 8.2.3 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的多孔介質(zhì)熱量傳輸方程 330 8.3 多孔介質(zhì)內(nèi)流體的熱量傳輸方程 331 8.3.1 對(duì)流作用引起流體的熱量通量的變化量 331 8.3.2 熱傳導(dǎo)與熱彌散作用引起流體的熱量通量的變化量 332 8.3.3 固相與流體相熱交換作用引起流體的熱量通量的變化量 332 8.3.4 多孔介質(zhì)中流體相的熱傳輸方程 332 8.4 多孔介質(zhì)內(nèi)固相的熱傳輸方程 334 8.5 多孔介質(zhì)熱傳輸數(shù)學(xué)模型 334 8.5.1 初始條件 334 8.5.2 邊界條件 334 8.5.3 多孔介質(zhì)熱墾傳輸數(shù)學(xué)模型及其解析解 335 8.6 多孔介質(zhì)熱量傳輸數(shù)學(xué)模型在地源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用 336 8.6.1 土層中的熱量傳輸數(shù)學(xué)模型 336 8.6.2 土層中熱量傳輸有限冗數(shù)值方法 336 8.6.3 土層中熱傳輸數(shù)學(xué)模型校正 338 8.6.4 小型地源熱泵工程短期運(yùn)行地溫場(chǎng)模擬 346 8.6.5 大型地源熱泵系統(tǒng)中長(zhǎng)期運(yùn)行地溫場(chǎng)模擬 350 8.6.6 結(jié)論 354 習(xí)題 356 第9章 濱海地區(qū)含水層海水入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型 357 9.1 濱海地區(qū)含水層海水入侵的基本概念 357 9.2 濱海地區(qū)含水層海水入侵的突變面數(shù)學(xué)模型 360 9.2.1 濱海地區(qū)含水層海水入侵的突變面數(shù)學(xué)模型的一般表述 360 9.2.2 Ghyben-Herzberg近似解 363 9.2.3 濱海地區(qū)含水層海水入侵的剖面二維穩(wěn)態(tài)突變面數(shù)學(xué)模型 364 9.3 濱海地區(qū)含水層海水入侵的對(duì)流一彌散方程 366 9.3.1 濱海地區(qū)含水層海水入侵的變密度滲流方程 366 9.3.2 濱海地區(qū)含水層海水入侵的鹽分遷移方程 368 9.3.3 滇海地區(qū)含水層海水入侵的定解條件 368 9.4 濱海地區(qū)含水層海水入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型的有限元FORTRAN計(jì)算機(jī)源程序 369 9.4.1 濱海地區(qū)含水層剖而二維海水入侵?jǐn)?shù)學(xué)模 議的有限元FORTRAN計(jì)算機(jī)源程序（在MATLAB平臺(tái)上運(yùn)行） 369 9.4.2 濱海地區(qū)含水層、平面二維海水入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型的有限元FORTRAN計(jì)算機(jī)源程序（在MATLAB平臺(tái)上運(yùn)行） 379 習(xí)題 388 第10章 多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解 389 10.1 多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型 389 10.2 多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型的有限差分解法 390 10.2.1 有限差分基本概念 391 10.2.2 二維穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型的有限差分解法 391 10.2.3 二維非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型的有限差分解法 394 10.2.4 二維非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型的有限差交替迭代解法 399 10.2.5 非飽和土壤污染物遷移數(shù)學(xué)模型的有限差分解法 404 10.3 多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型的有限元解法 407 10.4 多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的有限元解法 422 10.4.1 多孔介質(zhì)污染物遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型 422 10.4.2 多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型的有限兀解法 422 10.4.3 多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的有限元解法 424 10.5 多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用 426 10.5.1 有限兀數(shù)僮模型 426 10.5.2 有限元數(shù)值模擬結(jié)果 431 10.6 多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的有限元FORTRAN計(jì)算機(jī)源程序 443 10.6.1 二維飽和承壓含水層穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型的有限元FORTRAN計(jì)算機(jī)源程序 443 10.6.2 二維地下水中PCE遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型的有限元FORTRAN計(jì)算機(jī)源程序 446 主要參考文獻(xiàn) 454
第1章 緒 論
1.1 為什么要學(xué)習(xí)這門課程（Why do we study this course？） 1.1.1 學(xué)科發(fā)展的需要――定量化、精確化的需求 當(dāng)今幾乎所有學(xué)科都把數(shù)學(xué)模型作為本學(xué)科或交叉學(xué)科的重要研究手段，目的是實(shí)現(xiàn)定量化和精確化，提高科學(xué)預(yù)測(cè)能力。每個(gè)學(xué)科在學(xué)術(shù)研究上的技術(shù)路線是：①科學(xué)問題的提出（new idea），這是科學(xué)研究的靈魂，是科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新的源泉�？茖W(xué)問題的提出，需要堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和雄厚的科學(xué)研究積累。②根據(jù)學(xué)術(shù)思想進(jìn)行提出問題的物理背景（physical background）的描述，揭示該問題的物理內(nèi)涵。③根據(jù)物理背景，進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以揭示提出問題的物理本質(zhì)（essence）、物理（或化學(xué)、生物等）過程和動(dòng)力學(xué)機(jī)理（dynamical process and mechanism）。④依據(jù)機(jī)理研究結(jié)果建立具有物理背景的數(shù)學(xué)模型（mathematical model），運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得數(shù)學(xué)模型的解析解或數(shù)值解。對(duì)于復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)來說，往往難以獲得復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的解析解，通常要用到數(shù)值求解方法進(jìn)行數(shù)值模擬（numerical modeling or simulation），并科學(xué)預(yù)測(cè)（scientific predicting）未來系統(tǒng)狀態(tài)的變化。⑤用定量化的數(shù)據(jù)解決提出的科學(xué)問題（solution to scientific questions proposed）。 數(shù)學(xué)模型是科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究的核心工具，它總結(jié)了前人大量的科學(xué)研究成果，尤其是大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，成為普適的理論。它是一個(gè)學(xué)科發(fā)展成熟的標(biāo)志，如達(dá)西定律的提出（Darcy，1856），使得滲流（滲流是水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)）問題的研究從定性走向定量化，奠定了滲流力學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)科定量化研究的基礎(chǔ)，也標(biāo)志著這門學(xué)科開始走向成熟。 1.1.2 學(xué)術(shù)研究的需要――揭示自然規(guī)律，重要的研究方法 人類生存在地球上，人與自然的和諧相處是永恒的研究課題，而認(rèn)識(shí)自然、從自然中學(xué)習(xí)知識(shí)、從自然中學(xué)會(huì)創(chuàng)造，是人類生存的本能。在自然科學(xué)研究上，人們通過觀 測(cè)和試驗(yàn)獲得事物的本質(zhì)，用簡(jiǎn)單的、抽象的數(shù)學(xué)模型描述事物的本質(zhì)，用數(shù)學(xué)模擬來再現(xiàn)自然過程。因此，數(shù)學(xué)模型是前人通過大量觀測(cè)和試驗(yàn)獲得的具有普遍規(guī)律的知識(shí)的總結(jié)和結(jié)晶，是科學(xué)家核心的研究工具，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。數(shù)學(xué)模型作為科學(xué)研究的重要工具，它可以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)符號(hào)描述復(fù)雜的物理背景、物理過程、物理機(jī)制以及事物的本質(zhì)，同時(shí)數(shù)學(xué)模型也能夠再現(xiàn)過去、評(píng)價(jià)現(xiàn)在、預(yù)測(cè)未來，尤其是對(duì)復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)。 1.1.3 工程實(shí)踐的需要 對(duì)于復(fù)雜的物理系統(tǒng)，尤其是地球環(huán)境系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)過程難以觀測(cè)、物理模擬造價(jià)高、數(shù)學(xué)模擬方便、造價(jià)低、易于修改，也可以進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，如核爆炸數(shù)值試驗(yàn)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)、爆破工程的數(shù)值試驗(yàn)、化學(xué)工程中的數(shù)值試驗(yàn)、巖土工程數(shù)值試驗(yàn)、土壤?地下水污染修復(fù)的數(shù)值試驗(yàn)等。通過數(shù)值試驗(yàn)可以提高工程設(shè)計(jì)的水平，提高人們對(duì)研究問題的控制能力和預(yù)見能力。 1.1.4 環(huán)境健康與生態(tài)學(xué)研究的需要 生物體都是多孔介質(zhì)，生物滲流力學(xué)就是研究生物體內(nèi)的水分遷移、物質(zhì)輸運(yùn)、人體血液壓力分布等；人體水分遷移、病毒的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究；人體內(nèi)的熱擴(kuò)散與熱分布及其與健康的關(guān)系研究；污染物進(jìn)入人體的遷移轉(zhuǎn)化過程及其與健康的關(guān)系；人體劑量模型和暴露模型的研究；污染物通過植物根系進(jìn)入植物體內(nèi)的遷移、轉(zhuǎn)化、富積過程的研究；植物體中水分、養(yǎng)分和碳分遷移與轉(zhuǎn)化。這門課程是研究這些問題的基礎(chǔ)。 1.1.5 水文及水資源研究的需要 水文及水資源是水利工程中的基礎(chǔ)學(xué)科，水文循環(huán)、水環(huán)境演化、水資源利用以及水利工程對(duì)水文循環(huán)的影響、水利工程的穩(wěn)定性問題等，是水文及水資源學(xué)科研究的重 要內(nèi)容，而它的研究對(duì)象是流域水問題。國(guó)外將水科學(xué)研究描述為“from Hill to Ocean，簡(jiǎn)寫為H2O”，意思是從山區(qū)到海洋，即從流域角度系統(tǒng)研究水問題。在濱海地區(qū)過量開采地下水，導(dǎo)致海水入侵含水層，使得淡水資源減少；在陸地過量開采地下水，超出降水和地表水補(bǔ)給地下水的量，一方面導(dǎo)致地面沉降（我國(guó)100多個(gè)城市由于過量開采地下水而導(dǎo)致地面沉降，華北平原地下水過量開采嚴(yán)重）；另一方面抽出的地下水最終進(jìn)入海洋，導(dǎo)致海平面上升，科尼科夫通過長(zhǎng)期觀測(cè)46 個(gè)井地下水位變化，推算出全球從1900 年到2008 年間地下水開采量約為4500km3，同期海平面上升17cm，其中地下水開采導(dǎo)致海平面上升達(dá)1.26cm。近十年來地下水開采量大幅度增加，2000年到2008年間，全球地下水開采量約為1300km3，在此期間海平面上升2.79cm，其中地下水的貢獻(xiàn)為0.36cm。因此，研究地表水與地下水相互作用過程、機(jī)理與模擬，都涉及土壤、地下水、巖土介質(zhì)，研究多孔介質(zhì)滲流力學(xué)問題，是這一學(xué)科的重要方向。 1.1.6 地球科學(xué)研究的需要 研究地質(zhì)體內(nèi)各種離子的遷移、礦產(chǎn)的形成（地質(zhì)時(shí)期巖石中離子在水?熱?力作用下的遷移與富積，形成各種礦產(chǎn)）、地震控制與預(yù)報(bào)（地下流體沿?cái)鄬舆\(yùn)動(dòng)誘發(fā)地震、地應(yīng)力變化使得地下流體壓力發(fā)生異常改變，地下流體與巖體應(yīng)力相互作用，可以進(jìn)行地震控制與預(yù)報(bào)）、地球板塊運(yùn)動(dòng)、石油天然氣的開發(fā)以及各種地質(zhì)過程，都涉及多孔介質(zhì)滲流理論。 1.1.7 服裝科學(xué)研究的需要 服裝是人造材料，研究服裝的舒適程度、高寒地區(qū)服裝的保暖，需要研究服裝材料的透氣、濕度、溫度分布和擴(kuò)散過程，提供服裝設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，這里用的基礎(chǔ)理論就 是非飽和多孔介質(zhì)滲流理論。 1.1.8 巖土工程領(lǐng)域研究的需要 巖土工程的研究對(duì)象就是巖土介質(zhì)，巖土介質(zhì)是典型的多孔介質(zhì)。巖土工程是研究工程與巖土介質(zhì)間的相互力學(xué)作用規(guī)律，提供工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和工程安全控制的一門應(yīng) 用學(xué)科。一門新的交叉學(xué)科――巖土水力學(xué)，是研究巖土介質(zhì)滲流?應(yīng)力應(yīng)變?溫度?生物化學(xué)耦合模型，分析巖土工程的穩(wěn)定性問題，提出巖土工程設(shè)計(jì)方案。最近出現(xiàn)的生物巖土工程（biogeotechnical engineering），是用快速淤堵多孔介質(zhì)孔隙的微生物形成生物膜技術(shù)，用于巖土工程的防滲。在環(huán)境工程領(lǐng)域生物淤堵是有害的，需要去除生物淤堵物（如水處理中的膜污染），而在巖土工程領(lǐng)域是要利用生物淤堵防滲。這里需要研究多孔介質(zhì)微生物的淤堵機(jī)理、過程和定量化數(shù)值模擬。環(huán)境巖土工程是研究巖土工程對(duì)環(huán)境的影響和環(huán)境工程中的巖土工程問題，如垃圾填埋場(chǎng)的沉降?滲濾液（氣）?熱?生物化學(xué)作用過程；核廢料深埋處置庫(kù)中滲流?應(yīng)力?熱?化學(xué)過程耦合作用。地面沉降中變形?滲流耦合模型研究；天然坡體或人工邊坡的變形破壞過程描述，需要建立巖土體滲流?變形耦合模型，以分析巖土體的變形破壞機(jī)理和過程。 1.1.9 土壤水分與溶質(zhì)遷移研究的需要 土壤是典型的多孔介質(zhì)，土壤是一種非飽和多孔介質(zhì)，在非飽和土壤介質(zhì)中存在水、氣和土壤顆粒，即水、氣、固三相，土壤中水分、養(yǎng)分、碳分遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究，是多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移數(shù)學(xué)模型研究重要內(nèi)容。從環(huán)境角度研究土壤問題，我們關(guān)心的是污染物通過土壤的遷移與轉(zhuǎn)化、土壤污染與植被、微生物的相互作用，提供土壤污染物的修復(fù)的理論基礎(chǔ)，土壤污染與食品安全和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，土壤污染對(duì)地下水的影響，土壤層中熱能利用（地源熱泵），土壤中CO2 的儲(chǔ)存與釋放對(duì)氣候變化的影響。這些問題的研究都涉及非飽和多孔介質(zhì)滲流與物質(zhì)遷移數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)理論。 1.1.10 地下水科學(xué)與工程研究的需要 狹義地下水是指潛水面以下飽和含水層的水，稱為地下水（groundwater）；廣義地下水是指地表以下土壤和含水層中的水，稱為地下水（subsurface water）。大多數(shù)含水層屬于多孔介質(zhì)（除高度離散的裂隙和巖溶含水層外）。從水資源角度研究地下水時(shí)，涉及地下水在含水層中的運(yùn)動(dòng)（滲流）規(guī)律研究，地下水開采條件下含水層中水位變化、水質(zhì)變化、地面沉降及其生態(tài)環(huán)境影響問題，地下水人工補(bǔ)給對(duì)含水層水位和水質(zhì)的影響，地下水補(bǔ)給過程化學(xué)淤堵和生物淤堵對(duì)補(bǔ)給效率的影響等。從環(huán)境角度研究地下水，涉及天然條件下地下水與含水層相互生物地球化學(xué)過程研究，在人工開采條件下地下水與含水層相互生物地球化學(xué)過程對(duì)水質(zhì)的影響，污染物在含水層中的遷移與轉(zhuǎn)化機(jī)理、過程及污染控制問題，地下水污染修復(fù)。這些問題的解決，需要多孔介質(zhì)滲流和污染物遷移理論。 1.2 本課程的教學(xué)內(nèi)容（What do we want to study?） 本書重點(diǎn)介紹多孔介質(zhì)的滲流與污染物遷移的基本理論和部分應(yīng)用問題，尤其是數(shù)學(xué)模型建立、求解、編程及其應(yīng)用問題。在環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域，污染物的控制是一個(gè)重要的研究方向，而要做到對(duì)污染物在多介質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中進(jìn)行有效的控制，首先要知道污染物在環(huán)境介質(zhì)中的遷移過程、轉(zhuǎn)化機(jī)理及其變化規(guī)律。 1.2.1 多孔介質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的基本概念 介紹環(huán)境介質(zhì)的定義和特點(diǎn)，包括多介質(zhì)、多界面、多組分、多相流、多過程、多場(chǎng)耦合以及多尺度等特點(diǎn)。然而土壤、含水層與地下水是環(huán)境介質(zhì)中的一部分，是最為 復(fù)雜的環(huán)境介質(zhì)，研究污染物在土壤?含水層中的遷移與轉(zhuǎn)化，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，因此，第2章介紹了土壤、含水層和地下水的有關(guān)概念。污染物在土壤?含水層中的遷移與介質(zhì)的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，用微觀方法無法研究這一問題，必須從宏觀平均化思想出發(fā)，將土壤、含水層概化為多孔介質(zhì)，定義多孔介質(zhì)的概念，運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)方法來表述有關(guān)滲流的物理量。在此基礎(chǔ)上，就可以運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)思想研究污染物在多孔介質(zhì)中的遷移與轉(zhuǎn)化問題。 1.2.2 多孔介質(zhì)滲流的基本定律 污染物在多孔介質(zhì)中遷移的驅(qū)動(dòng)力是滲流，滲流即流體在多孔介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。多孔介質(zhì)滲流定律是由法國(guó)科學(xué)家達(dá)西（1856）在室內(nèi)進(jìn)行砂柱水流試驗(yàn)，得出通過砂柱中水流規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式。第3章重點(diǎn)介紹達(dá)西定律（Darcy’s law）、達(dá)西定律的適用范圍、達(dá)西定律在不同性質(zhì)的多孔介質(zhì)中的滲流擴(kuò)展；對(duì)于具有自由面的潛水含水層來說，滲流為三維流動(dòng)，如果潛水流為緩變流，即潛水面曲面的曲率較小時(shí)，可以使用裘布依假設(shè)，將潛水流動(dòng)簡(jiǎn)化為平面二維滲流問題；第3 章還介紹了二維承壓含水層滲流問題及導(dǎo)水系數(shù)的概念；最后，介紹多孔介質(zhì)滲流定律在含水層水頭和單寬流量計(jì)算中的應(yīng)用。 1.2.3 飽和多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型 污染物在多孔介質(zhì)中遷移模型的基礎(chǔ)是滲流數(shù)學(xué)模型。第4 章從介紹多孔介質(zhì)體系中固體骨架的物理狀態(tài)方程、流體的物理狀態(tài)方程、流體在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程 （質(zhì)量守恒原理）入手，依據(jù)多孔連續(xù)介質(zhì)方法，以流體力學(xué)的控制體（即表征體元）為基本單元，推導(dǎo)多孔介質(zhì)滲流基本微分方程和積分方程，依據(jù)含水層的特點(diǎn)，將多孔介質(zhì)滲流基本微分方程進(jìn)行推廣；有了多孔介質(zhì)滲流方程，然后介紹滲流數(shù)學(xué)模型中的定解條件，即初始條件和邊界條件，再介紹多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型、河間潛水含水層滲流數(shù)學(xué)模型的求解及滲流規(guī)律分析、地下水流向井的穩(wěn)定流和非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型及其解析解。 1.2.4 非飽和多孔介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型 從非飽和滲流的基本概念出發(fā)，介紹毛細(xì)管壓力和毛管細(xì)水頭、給水度和持水度、含水率和飽和度等；以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，介紹非飽和多孔介質(zhì)滲流定律、滲流基本微分 方程及數(shù)學(xué)模型、非飽和?飽和多孔介質(zhì)滲流耦合數(shù)學(xué)模型、非飽和多孔介質(zhì)中氣體運(yùn)動(dòng)方程、非飽和多孔介質(zhì)多組分遷移數(shù)學(xué)模型等。 1.2.5 多孔介質(zhì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型 重點(diǎn)介紹污染物在多孔介質(zhì)中遷移的物理過程，包括對(duì)流、彌散及吸附過程（等溫線性吸附、等溫非線性Langmuir吸附、等溫非線性Freundlich吸附以及動(dòng)力學(xué)吸附）；化學(xué)過程（溶解與沉淀、水解與置換、酸堿作用、氧化與還原、衰減性反應(yīng)和多組分化學(xué)反應(yīng)等）和生物降解過程（生物降解或轉(zhuǎn)化）等；介紹費(fèi)克定律（Fick’s law）及其在多孔介質(zhì)污染物擴(kuò)散中的應(yīng)用，污染物在多孔介質(zhì)中遷移的基本微分方程、固?液相互作用發(fā)生鏈?zhǔn)剿p時(shí)的多孔介質(zhì)污染物遷移方程、多孔介質(zhì)多相多組分污染物遷移的一般方程、多孔介質(zhì)中流體密度變化時(shí)的污染物遷移方程，以及多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型等。 1.2.6 多孔介質(zhì)污染物遷移數(shù)學(xué)模型的解析解 第7 章主要介紹多孔介質(zhì)污染物遷移的一些簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型的解析解，包括污染物在多孔介質(zhì)中遷移的一維數(shù)學(xué)模型的解析解法，包括污染物在半無限長(zhǎng)柱狀多孔介質(zhì)中遷移的一維數(shù)學(xué)模型的解析解法、縱向彌散系數(shù)LD 的反演計(jì)算、無限域多孔介質(zhì)含水層污染物一維吸附?對(duì)流?彌散非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的解析解法、多孔介質(zhì)含水層污染物遷移一維對(duì)流?彌散?化學(xué)反應(yīng)衰減穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的解析解；多孔介質(zhì)污染物遷移二維數(shù)學(xué)模型的解析解法，包括污染物在多孔介質(zhì)含水層中的二維彌散問題、多孔介質(zhì)含水層的一維對(duì)流二維彌散問題、水平面內(nèi)的二維滲流二維彌散問題、水平面內(nèi)的一維對(duì)流滲流二維彌散問題、二維穩(wěn)態(tài)問題；以及污染物在多孔介質(zhì)中遷移的三維數(shù)學(xué)模型的解析解法等。對(duì)于復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，采用解析解法無法求解，需要運(yùn)用數(shù)值解法，如有限差分法、有限單元法和邊界元法。 1.2.7 多孔介質(zhì)傳熱過程及數(shù)學(xué)模型 在多孔介質(zhì)污染物遷移與轉(zhuǎn)化過程中，往往伴隨著熱傳輸過程。多孔介質(zhì)中的溫度變化，不僅影響流體的流動(dòng)速度，而且影響污染物的吸附性能、化學(xué)反應(yīng)速率，以及生 物的降解速率和生物的繁衍。因此，多孔介質(zhì)傳熱規(guī)律是研究多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型中重要的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。第8 章從多孔介質(zhì)熱量傳輸?shù)幕径ɡ沓霭l(fā)，介紹多孔介質(zhì)體系的熱量傳輸連續(xù)方程、穩(wěn)定滲流的熱傳輸方程、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的熱量傳輸方程；多孔介質(zhì)內(nèi)流體的熱量傳輸方程包括對(duì)流作用引起水的熱量通量的變化量、熱傳導(dǎo)與熱彌散作用引起水的熱量通量的變化量、固相與水相熱交換作用引起水的熱量通量的變化量、多孔介質(zhì)中水相的熱傳輸方程、多孔介質(zhì)內(nèi)固相的熱傳輸方程以及多孔介質(zhì)熱傳輸數(shù)學(xué)模型。最后介紹地源熱泵系統(tǒng)研究中土層的溫度場(chǎng)分析與評(píng)價(jià)的實(shí)例。 1.2.8 濱海地區(qū)含水層海水入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型 濱海地區(qū)是人口聚居最密集的地區(qū)，水資源的需求和地下水的大量開采，使得原本地下水流向海洋變成海水倒灌進(jìn)地下水含水層中，從而改變地下水環(huán)境，會(huì)引起淡水資源減少、含水層中的某些有害物質(zhì)溶出，富積到地下水中。同時(shí)，地下淡水補(bǔ)給海岸帶減少也會(huì)使海岸帶海水咸化，影響海洋生態(tài)系統(tǒng)。海水入侵實(shí)質(zhì)上是兩種密度不同的流體在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，兩種密度不同的流體相互作用的界面移動(dòng)是這一問題研究的難點(diǎn)，第9 章重點(diǎn)介紹了海水入侵的基本概念、數(shù)學(xué)模型和有限元計(jì)算機(jī)源程序。作為一種多孔介質(zhì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的應(yīng)用特例介紹，同時(shí)，介紹含水層海水入侵?jǐn)?shù)值模擬的有限元FORTRAN計(jì)算機(jī)源程序。 1.2.9 多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解 第10章重點(diǎn)介紹了多孔介質(zhì)滲流、污染物遷移數(shù)學(xué)模型的有限元和有限差分解法，并介紹有限差分法和有限元法FORTRAN 計(jì)算機(jī)源程序，地下水中四氯乙烯遷移有限元 數(shù)值方法以及FORTRAN計(jì)算機(jī)源程序。 1.3 如何學(xué)習(xí)這門課程（How to study this course?） 這門課程內(nèi)容比較多，需要有一定的數(shù)學(xué)功底，因此，對(duì)于本科生來說，在學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)之后，可以繼續(xù)學(xué)習(xí)這門課程，重點(diǎn)學(xué)習(xí)第1~6 章內(nèi)容。對(duì)于研究 生來說，可以全部學(xué)習(xí)，也可以側(cè)重學(xué)習(xí)第7~10章內(nèi)容，重點(diǎn)掌握多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解法及其應(yīng)用。 在教學(xué)過程中，要求學(xué)生重點(diǎn)掌握基本概念、基本定律、基本數(shù)學(xué)模型，通過習(xí)題作業(yè)使學(xué)生深刻理解基本理論；也可以增加達(dá)西滲流試驗(yàn)、土壤污染物擴(kuò)散試驗(yàn)、砂箱試驗(yàn)等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和直觀理解問題和解決問題的能力；也可以增加計(jì)算機(jī)模擬實(shí)踐課程，并引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)污染物在環(huán)境介質(zhì)中遷移數(shù)學(xué)建模方法和部分求解方法，學(xué)會(huì)用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型定量描述復(fù)雜的物理背景，以及定量分析和解決環(huán)境問題的能力。 在學(xué)習(xí)這門課程的同時(shí)，教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生能夠查閱部分參考書籍和這方面的參考文獻(xiàn)，盡可能看到作者原著，從原著分析作者的研究方法、研究思想的構(gòu)建以及分析問題的思路和全過程，使學(xué)生從中悟出科學(xué)研究的精髓。 1.4 多孔介質(zhì)滲流與污染物遷移數(shù)學(xué)模型在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用 研究自然環(huán)境問題涉及的介質(zhì)為環(huán)境介質(zhì)，如大氣、水、土壤和地層、生物，后兩者都是多孔介質(zhì)。對(duì)被污染的環(huán)境進(jìn)行修復(fù)所用的環(huán)境功能材料，大多是多孔介質(zhì)。
你還可能感興趣
我要評(píng)論
|
