地下水污染物迁移模拟（第2版） [Applied Contaminant Transport Modeling(second Edition)] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郑春苗，贝聂特 著，孙晋玉 等 译

图书标签:

• 地下水
• 污染物
• 迁移
• 模拟
• 水文地质
• 环境科学
• 数值模拟
• 模型
• 污染控制
• 水资源

出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040263633

版次：1

商品编码：10005391

包装：平装

丛书名： 地下水名著译丛

外文名称：Applied Contaminant Transport Modeling(second Edition)

开本：16开

出版时间：2009-09-01

用纸：胶版纸

页数：417

内容简介

　　现今，地下水科学与工程领域的问题需要诸多专业合作解决，如地质学、水力学、地球化学、地球物理学以及生命科学。同时，随着各学科的分支学科不断涌现，并且每个分支学科向着日益复杂化和定量化发展，充分融合各学科的基本理念构建整体认知变得愈加困难。迁移模拟方法应运而生，并不断更新以应对此难题，为综合不同来源的大量野外实际资料，以及认识各种物理、化学及生物过程搭建了平台。
　　《地下水污染物迁移模拟》一书涵盖各个分支学科的基本概念，包括地下水中溶质迁移的基本原理、迁移方程的常用数值求解技术，并介绍了建立野外实际问题迁移模型的详细步骤。
　　第二版在一版的基础上增添了污染物迁移理论与技术的新进展，包括：
　　含水层非均质性对溶质迁移的影响；
　　可替代传统对流一弥散模型的双域质量传输法；
　　在讨论化学迁移的部分增加了一些化学过程与反应；
　　在求解技术中加入了TVD（总变差减小）法；
　　全新的第三篇，其中前两章分别讨论密度与饱和度变化条件下的地下水运动与溶质迁移模拟，第三章 讨论模拟-优化方法在地下水修复系统设计中的运用。
　　《地下水污染物迁移模拟（第二版）》是水文地质、环境工程和相关领域工作人员以及研究生的优秀参考著作之一。1998年，因《地下水污染物迁移模拟(第2版)》一版的成就，作者荣获美国地下水协会John Hem杰出贡献奖。

作者简介

　　郑春苗（Chunmiao Zheng），当前国际水文地质界知名学者。1983年毕业于成都地质学院水文地质专业，随后赴美国威斯康星（麦迪逊）大学留学，1988年获得水文地质博士学位。现任美国亚拉巴马大学地质科学系教授、北京大学工学院水资源研究中心讲座教授、主任。已主持30余项美国政府资助的科研项目，2006年获中国国家自然科学基金委员会海外杰如青年合作基金（水文地质类）。撰写专著Applied Contaminant Transport Modeling（1995年初版，2002年再版），发表论文100多篇，内容涉及地下水模拟、含水层非均质性对溶质迁移的影响、地下水污染治理方案与监测网设计以及地下水可持续利用管理等。开发了地下水污染模拟标准软件MT3D和MT3DMS，在100多个国家得到广泛使用。目前担任国际学术刊物Ground Water和Journal of Hydrology副主编，美国国家科研委员会（National Research Council）水文科学小组成员，国际水文科协（IAHS）国际地下水委员会主席（2009-2013）。荣誉包括美国地质学会Fellow、美国地下水协会1998年度、John Hem杰出贡献奖获得者、《纽约时报》中国环境与水问题专家、美国地质学会2009年度Birdsall-Dreiss杰出讲席奖获得者等。
　　Gordon D. Bennett，当前国际水文地质界知名学者。于1959年获美国圣母大学地质学学士学位，1961年获宾夕法尼亚州立大学地质学硕士学位。主要研究方向为地下水中溶质迁移模拟，及模型技术在复杂地下水系统分析、废物场地修复、地下水资源规划与管理中的应用。其著作涉及地球物理测井、水井水力学、模拟技术、淡水／成水相互作用以及区域水文问题。因其在水文地质科学领域的贡献，Gordon D. Bennett获得了许多荣誉，包括美国地下水协会颁发的John Hem奖（1998年）、美国内务部颁发的杰出贡献奖（1986年）、美国地质协会颁发的O. E. Meinzer奖（1981年）。

内页插图

目录

第1章 绪论
1.1 溶质迁移及模拟的作用
1.2 历程回顾
1.2.1 1960年以前
1.2.2 1960年以后
1.3 本书简介
1.4 关于计算软件

第一篇 概念与技术
第2章 达西定律与对流迁移
2.1 粒子平均速度与运移时间
2.2 广义达西定律与地下水流方程
2.3 对流迁移
2.3.1 质量守恒定律与求解对流迁移的欧拉法
2.3.2 求解对流迁移的粒子追踪法
深入阅读与思考题

第3章 弥散迁移与质量传输
3.1 引言
3.2 微观弥散过程
3.2.1 水动力弥散机制
3.2.2 弥散迁移与分子扩散的类比
3.2.3 二维弥散通量与弥散系数
3.2.4 三维弥散通量与弥散系数
3.2.5 溶质迁移计算中的孔隙度
3.3 宏观弥散
3.4 建立对流-弥散方程
3.5 对流-扩散系统
深入阅读与思考题

第4章 化学反应与迁移
4.1 引言
4.2 平衡吸附
4.2.1 吸附等温线及迁移方程中的吸附项
4.2.2 有机化合物的吸附
4.2.3 离子交换
4.3 吸附动力学
4.4 一级不可逆反应
4.5 莫诺动力学反应
4.6 多组分动力学反应
4.6.1 快速反应
4.6.2 多元莫诺动力学反应
4.6.3 一级母-子连锁反应
4.7 双域系统中的化学反应
深入阅读与思考题

第5章 数学模型及其解析解
5.1 溶质迁移的数学模型
5.1.1 控制方程
5.1.2 初始条件
5.1.3 边界条件
5.1.4 数学模型的解
5.2 解析解
深人阅读与思考题

第6章 对流迁移模拟
6.1 引言
6.2 粒子追踪法
6.2.1 速度插值
6.2.2 追踪方案
6.2.3 空间离散的影响
6.3 捕获带刻画
6.3.1 二维稳定流
6.3.2 三维稳定流
6.3.3 非稳定流
6.4 运移时间的估算
6.4.1 污染物到达／穿透分布
6.4.2 清理时间
6.4.3 居留时间及地球化学演变
6.5 常用粒子追踪法计算程序
深入阅读与思考题

第7章 对流-弥散迁移模拟
7.1 引言
7.2 欧拉法
7.2.1 有限差分法
7.2.2 有限元法
7.2.3 有限元法与有限差分法的比较
7.3 拉格朗日法
7.4 混合欧拉-拉格朗日法
7.4.1 特征法（MOC）
7.4.2 修正特征法（MMOC）
7.4.3 混合特征法
7.4.4 常用欧拉-拉格朗日法程序
7.5 总变差减小（TVD）法
深入阅读与思考题

第8章 非平衡过程和化学迁移的模拟
8.1 引言
8.2 非平衡吸附
8.3 双域质量传输
8.4 多组分动力学反应
8.4.1 联立求解法
8.4.2 算子分离法
8.5 迁移与地球化学耦合模拟
8.6 常用化学迁移计算程序
8.7 实例：自然稀化的模拟
8.7.1 场地描述
8.7.2 模拟方法
8.7.3 数值模型
8.7.4 结果讨论
深入阅读与思考题

第二篇 野外应用
第9章 模型应用的框架
9.1 模型应用的过程
9.2 确定目标
9.3 资料收集及概念模型的建立
9.4 计算程序的选择
9.5 建立污染物迁移模型
9.6 模型校准和敏感性分析
9.7 预测和不确定性
9.8 成功应用模型的关键
深入阅读与思考题

第10章 建立污染物迁移模型
10.1 起步工作
10.1.1 目前对水流系统的认识
10.1.2 模型的维度
10.1.3 模拟的范围
10.2 空间离散¨
10.2.1 水平节点间距
10.2.2 垂向离散
10.3 时间离散
10.4 初始条件
10.5 边界条件
10.5.1 指定浓度条件的使用
10.5.2 指定质量通量条件的使用
10.5.3 水流模型边界条件对溶质迁移的影响
10.5.4 水流与迁移边界条件的比较
10.5.5 水流与迁移模型的尺度效应
10.6 源和汇
10.6.1 源和汇的类型
10.6.2 源和汇的浓度
10.7 数据管理
10.7.1 预处理和后处理
10.7.2 地理信息系统（GIS）
深入阅读与思考题

第11章 模型的输入参数
11.1 迁移模拟需要的数据
11.2 水流参数
11.2.1 渗透系数
11.2.2 储水系数与给水度
11.3 溶质迁移参数
11.3.1 孔隙度
11.3.2 弥散度
11.4 化学参数
11.4.1 吸附常数
11.4.2 动力学反应速率

第12章 模型校准与敏感分析
12.1 模型校准的基本概念
12.1.1 校准过程
12.1.2 校准、验证和证实
……

第三篇 深进课题
附录A 达西定律与密度水流方程
附录B 地下水流流函数的应用
附录C 地下不模拟软件信息
参考文献
索引

精彩书摘

　　溶质迁移模拟确实是一项费力耗时的T作，在资料不足的情况下需要对相关作用过程及参数做出假定。但是溶质迁移问题的求解通常更为费力耗时，每次试算都包含假定条件；在计算一个或两个迁移过程时，实际上对所涉及的其他相关条件已进行了隐性的假定。
　　计算也同样是不能避免的。人们常常提出定量的溶质迁移问题。例如：某一点溶质的最终浓度是多少，某点的浓度在何时达到某一指定水平，治理方案能否在预定时间达到预期的浓度降低目标；又比如，重现某污染事件，并估计人群暴露于某污染物的浓度水平及时问。定性研究不能解决这些问题；只有通过计算才能够获得有意义的答案。在一些情况下，即便只要求定性的解，也需要通过计算认识迁移系统后，才能给出答案；模拟是最有现实意义的计算方法。正是因为以上这些原因，我们赞同Bredehoeft和Hall（1995）的评论“我们无法理解那些很少进行模拟的顾问专家”。
　　溶质迁移问题的复杂性转化为分析过程中的不确定性，并最终传播到计算结果。描述主要过程的参数往往具有不确定性；在某些情况下这些主要过程本身，其相对重要性或数学公式化过程也包含不确定性。这些不确定性时常也被作为避开模拟工作的理由；但实际上模拟是认识这些难题的唯一现实手段。为了认识不同作用过程相对重要程度的不确定性，可以选择性地逐一弱化或排除这些作用过程，并在试模拟中比较计算结果与观测值。基于模拟的参数估计技术可以最为有效地控制参数的不确定性；不确定性对计算结果及工程决策的影响可以通过参数不确定范围内的一系列模拟结果来认识。
　　模拟工作最主要的作用不是进行预测计算，而在于更深入地认识调查过程。在理想情况下，溶质迁移研究应该被看做是识别各类主要作用过程的持续努力，并最终在概念模型中全面反映这些作用及其相互影响。模拟为定量表示概念模型提供了一个平台，由此可以检验假说是否与理论及实测数据吻合。在迁移的调查研究中，我们发现化学数据能指示水流状况，地质信息能揭示主要化学反应的内因，而水力数据能反映地质结构的线索。只有通过模拟才能把这些主要作用相结合，才能充分评价这些解释是否合理。最后需要指出，溶质迁移课题涉及的专业技能需要许多具有不同背景知识的人员。模拟提供了一个定量的框架全面而集中地发挥这些专长，但是应确保不同学科的概念与解释协调统一。

前言/序言

　　《地下水污染物迁移模拟（Applied Contaminant Transport Modeling）（第二版）》反映了污染物迁移理论与模拟技术的最新研究成果。第一篇“概念与技术”有以下几点显著变化。首先，我们深入讨论了含水层的非均质性对溶质迁移的影响，在此基础上加进双域质量传输法作为对传统对流-弥散模型的补充。其次，在化学反应迁移中增加了几种化学过程与反应的讨论。包括非平衡吸附作用以及有微生物参与的多组分动力学反应。另外，除第一版涉及的迁移模拟数值技术——欧拉法、拉格朗曰法、混合欧拉-拉格朗日法之外，还增添有“TVD”（总变差减小，total-variation-diminishing）法，该法在许多问题中显示出其优点。最后，我们新加一章描述非平衡过程和多组分动力学反应问题及其求解策略，并提供一个研究例子说明自然稀化和生物降解过程。
　　在第二篇“野外应用”中，我们在讨论野外模型应用的几个重要课题时，加入了最新的成果，包括迁移求解技术、可视化与图像化用户软件、需要的数据、模型校准，以及不确定性分析。此外本篇还新添了一个例子，演示双域质量传输法模拟示踪剂在强非均质性含水层中的迁移。
　　本版另一个重大改变是新增了第三篇“深进课题”，它包括三章新的内容。前两章分别讨论变密度和变饱和度条件下水流与溶质迁移的基本概念和模拟方法。后一章介绍地下水质量优化管理，并讨论模拟-优化方法在治理系统设计中的应用。
　　本书大部分章末都列有深入阅读与思考题，以便作为研究生教材以及水文地质工作者、环境科学工作者及工程人员的参考书。与本书相配的模拟软件及辅助材料均可免费下载，读者可由此获得污染物迁移模拟的实践经验，并完成与实际问题相联系的课程项目。

深入浅出：河流动力学与水环境过程研究 作者：[此处可虚构一位领域内资深学者的姓名] 出版社：[此处可虚构一家权威学术出版社的名称] 出版年份：[例如，2024年] --- 图书概述：河流动力学与水环境过程的综合探索 本书旨在为水文学、河流工程、环境科学及相关领域的学者、工程师和高级学生提供一个关于河流系统复杂动力学过程及其与水环境要素相互作用的全面、深入的参考。我们着眼于河流这一生态系统和服务系统的核心——水流运动的物理机制、泥沙输运的规律，以及这些过程如何驱动和调控水体中的物质（包括污染物、营养盐等）迁移与转化。本书跳出了单一学科的局限，力求构建一个多学科交叉的知识框架，聚焦于地表水体，特别是河流廊道内的物质循环与过程控制。 全书结构清晰，内容涵盖了从基础的流体力学原理到高度复杂的现场监测与数值模拟技术的应用。我们相信，只有深刻理解了驱动河流系统的基础物理过程，才能有效地预测和管理河流健康及其承载的环境负荷。 第一部分：河流动力学基础与水流结构分析 (约 400 字) 本部分奠定了理解河流系统行为的物理基础。我们从纳维-斯托克斯方程在河流尺度上的简化和适用性开始，详细阐述了二维（2D）和三维（3D）浅水方程的推导与应用。 核心内容包括： 1. 层流与湍流： 深入探讨河流中湍流的产生机制、特征尺度（如卡门涡街与大尺度涡流）以及湍流脉动在混合过程中的关键作用。重点分析了湍流动能（TKE）的演化方程及其在能量耗散链中的位置。 2. 边界层理论在河流中的应用： 详述河床与河岸边界层结构，包括对数律壁面函数和线性律的适用条件，以及如何利用边界层参数化方法来估算河床剪切应力。 3. 水流结构剖面： 区分主流区、回流区、死水区和紊动区的水流特征。通过分析河流横向流、纵向流、垂向流的耦合关系，解释了弯道流、分汊流等复杂水沙相互作用中水流结构的畸变规律。 4. 水面波与洪水动力学： 讨论浅水波理论，如圣维南方程组（Saint-Venant Equations）的建立与求解，用于描述河流沿程的非恒定流和洪水传播过程，强调了地形变化对波速和波形的影响。 第二部分：泥沙输运与河床演变 (约 450 字) 泥沙是塑造河流形态、调节水质和影响水利工程安全的关键介质。本部分将泥沙视为一种动态的、与水流强耦合的组分进行研究。 详细涵盖了以下关键议题： 1. 泥沙运动的物理学： 区分悬移质（Suspended Load）和推移质（Bed Load）的运动机理。对推移质的起动条件（如临界剪应力、 Shields 参数）进行了严谨的推导和讨论，并对比了经典的起动公式（如 Hjulström 曲线、Meyer-Peter & Müller 公式）。 2. 悬沙浓度的垂向分布： 阐述水流挟沙能力、泥沙沉降速度（考虑颗粒沉降的修正模型，如 Stokes 定律的适用范围）与水流速度的相互作用，推导并应用了基于对数律的悬沙浓度垂向分布公式。 3. 泥沙输运方程： 详细介绍一维、二维的连续性方程（如 Exner 泥沙平衡方程在河床演变中的应用），并探讨了不同尺度下（从局部冲刷到流域尺度的岸线后退）的演化模型。 4. 复杂环境下的泥沙问题： 专门讨论了泥沙在水工建筑物（如大坝、桥墩）周围的局部冲刷问题，包括冲刷坑的几何形态预测，以及在不均匀颗粒条件下泥沙的淘选效应。 第三部分：水环境过程与物质迁移（不含地下水内容）(约 450 字) 本部分聚焦于水流、泥沙与水体中溶解或悬浮物质的相互作用，这是理解河流生态健康和环境承载力的核心。 研究重点聚焦于河流过程，包括： 1. 对流-弥散过程： 建立描述污染物在河流中沿程输运的对流-反应方程（Advection-Dispersion Equation, ADE）。详细分析了对流（水流携带）和弥散（湍流混合作用）在纵向和横向扩散中的相对贡献。重点讨论了河流横向混合系数（$E_y$）和纵向弥散系数（$E_x$）的经验估算方法与影响因素。 2. 河流中的反应与衰减： 探讨物质在河流中经历的各类非保守过程，如水解、光解、生物降解（好氧与厌氧过程）以及挥发损失。这些反应速率（一级或零级反应）如何影响污染物的实际迁移路径和归宿。 3. 水-泥沙界面物质交换： 深入研究污染物在水相和沉积物（底泥）之间的吸附-解吸平衡（使用线性或非线性吸附等温线模型，如 $K_d$ 值）和速率限制过程。阐明沉积物作为“源”和“汇”对水质长期控制的意义。 4. 富营养化过程的动力学控制： 分析氮、磷等营养盐在水体中的循环。结合水流动力学，模拟藻类生长（光照、温度、营养限制）与沉降、再悬浮过程对水体叶绿素浓度的时空分布的影响。 第四部分：河流环境过程的数值模拟与案例分析 (约 200 字) 本部分将理论与实践相结合，介绍了用于解决上述复杂问题的现代计算工具。 内容侧重于地表水模拟技术： 1. 一维、二维水动力模型： 介绍如 HEC-RAS 等模型在河流水位、流速模拟中的应用原理。 2. 二维/三维水环境模型： 阐述如何将物质输运方程（对流-弥散-反应模型）耦合到水动力模型中，以模拟污染物（如热量、泥沙、化学物质）在河道中的二维或三维分布。 3. 模型校正与不确定性分析： 强调现场测量数据（流速、悬沙、水质参数）在模型参数率定和验证中的重要性，以及如何评估模型预测结果的可靠性。 本书力求提供一个扎实且全面的河流系统分析框架，强调水动力驱动下的物质循环与过程控制，是水环境工程、河流科学研究人员不可或缺的工具书。

评分☆☆☆☆☆

作为一名资深的地下水工程师，我在实际工作中经常需要评估地下水污染的风险和制定修复方案。这本书的第二版，无疑是我的案头必备。与我之前阅读的同类书籍相比，这本书在对数理模型的介绍上更加严谨和全面，同时又保持了很强的可读性。我特别欣赏书中对数值方法的阐述，比如有限差分法和有限元法在地下水流和污染物迁移模型中的应用，以及它们各自的优缺点。书中还提供了大量关于模型参数校准和验证的实用建议，这对于保证模型预测的准确性至关重要。我还在书中看到了关于如何选择合适的模型以及如何处理模型尺度效应的讨论，这些都是我在项目实践中经常遇到的难题。而且，这本书的案例研究非常丰富，涵盖了不同地质环境和污染情景，这为我提供了宝贵的参考。它让我能够更好地理解和应用先进的模拟工具，从而更有效地解决实际工程问题。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图表质量给我留下了非常好的印象。每一张示意图都清晰明了，能够直观地展示复杂的地下水流和污染物迁移过程。书中对各种数学公式的推导过程也清晰易懂，即使是对于没有深厚数学背景的读者，也能逐步理解。我尤其喜欢书中关于不同数值算法的比较分析，这让我能够根据具体问题的需求，选择最合适的计算方法。书中对模型不确定性和敏感性分析的讲解，让我对如何评估模型预测的可靠性有了更深的认识。例如，书中对不同输入参数变化如何影响模型输出的分析，为我在实际工作中进行风险评估提供了重要的参考。此外，本书还涵盖了与地下水模型相关的软件工具介绍，这为我后续的学习和实践提供了指引。总体而言，这本书在理论深度、实践指导和学习体验上都达到了很高的水准。

评分☆☆☆☆☆

这本《地下水污染物迁移模拟（第2版）》在内容编排上非常有逻辑性，从基础的地下水流理论，到复杂的污染物迁移过程，再到实际应用中的模型建立和参数化，层层递进，非常适合作为一本教材或者参考书。书中的语言风格清晰流畅，避免了不必要的专业术语堆砌，使得即使是初学者也能较快地理解其中的概念。书中对污染物迁移的多种影响因素，例如水文地质条件、污染物性质、以及人为活动等，进行了细致的分析，让我能够更全面地认识到地下水污染的复杂性。我对书中关于污染物迁移的数值模拟方法有更深入的了解，并且认识到在实际应用中，模型的选择和参数的准确性是至关重要的。此外，书中还提供了许多实际案例，这让我能够将理论知识与实际问题相结合，进一步加深理解。这本书为我理解和处理地下水污染问题提供了坚实的理论基础和实践指导。

评分☆☆☆☆☆

我一直对地下水污染的治理和修复技术很感兴趣，也读过一些相关的文献，但总是觉得缺乏一个系统性的框架来理解污染物的迁移过程。这本《地下水污染物迁移模拟（第2版）》恰好填补了我的这一空白。它不仅详细介绍了多种多样的污染物迁移机制，比如对流、弥散、吸附、衰减等，还深刻剖析了这些机制在不同环境条件下的相互作用。书中对于化学反应和生物降解在污染物转化中的作用的讨论，给我留下了深刻的印象。我注意到书中特别强调了参数不确定性对模型结果的影响，并介绍了一些处理这种不确定性的方法，这对于提高模型的可靠性非常有价值。另外，书中对某些特殊污染物（如重金属、有机污染物）迁移特性的案例分析，也让我受益匪浅，能够更具体地理解不同污染物在地下水中的行为模式。总的来说，这本书的理论深度和实践指导性都非常出色，它帮助我更全面地认识了地下水污染的复杂性，并为我思考有效的治理策略提供了重要的理论支撑。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是给我打开了一个全新的世界！作为一名刚接触地下水污染物迁移领域的研究生，我之前对于如何在复杂的地质环境中预测污染物扩散的方向和速度感到非常迷茫。这本书，就像一位经验丰富的向导，一步步地将我从基本概念引向深入的建模技术。第一部分对地下水流的基本原理讲解得非常透彻，从达西定律到地下水系统的数学描述，再到各种水文地质参数的测量与估算，都提供了详实易懂的解释。我尤其喜欢书中对不同含水层类型（如均质、非均质、各向同性、各向异性）的详细阐述，这对于理解实际地质条件下的水流行为至关重要。更让我惊喜的是，书中并没有停留在理论层面，而是花了大量篇幅介绍了几种常用的污染物迁移模型，并结合实际案例展示了如何应用这些模型来模拟不同类型污染物的扩散过程。虽然我还没有完全掌握所有的建模细节，但这本书为我打下了坚实的基础，让我对接下来的实践操作充满了信心。它就像一本宝典，让我觉得污染物迁移这个曾经遥不可及的概念，如今变得触手可及。

评分☆☆☆☆☆

多读书，也能使你的心情便得快乐。读书也是一种休闲，一种娱乐的方式。读书可以调节身体的血管流动，使你身心健康。所以在书的海洋里遨游也是一种无限快乐的事情。用读书来为自己放松心情也是一种十分明智的。

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很详细的一本书，体现了科研精神！

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书的送货速度很快，有时间好好学习一下。