水科学前沿丛书：地下水与土壤水运动数学模型和数值方法 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

杨金忠，朱焱，查元源，蔡树英 著

图书标签:

• 地下水
• 土壤水
• 数学模型
• 数值方法
• 水科学
• 环境科学
• 水文地质
• 计算方法
• 科学研究
• 学术著作

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030482914

版次：1

商品编码：11989504

包装：精装

丛书名： 水科学前沿丛书

开本：16开

出版时间：2016-06-01

用纸：胶版纸

页数：467

字数：692000

正文语种：中文

内容简介

　　《水科学前沿丛书：地下水与土壤水运动数学模型和数值方法》详细论述地下水运动、土壤水运动和溶质运移的数值方法。首先简单介绍饱和.非饱和水分运动、土壤水分蒸发和地下水入渗、溶质运移问题的数学模型；其次，分别给出了一维、二维、三维和拟三维饱和一非饱和水流运动和溶质运移数值模型及相应的算例；同时，《水科学前沿丛书：地下水与土壤水运动数学模型和数值方法》介绍地下水运动和溶质运移问题的不确定描述方法，详细论述了地下水和土壤水随机数值模型，重点介绍了蒙特卡罗方法、动量分析方法和随机配点法；最后介绍了数据同化在饱和.非饱和水分运动数值模拟中的应用，给出了利用集合卡尔曼滤波反求水文地质参数和实时预测的方法。
　　《水科学前沿丛书：地下水与土壤水运动数学模型和数值方法》可供水文与水资源、农田水利、农业水土工程、水文地质、环境工程、土壤物理等专业的科研人员、工程技术人员和高等学校师生阅读和参考。

目录

《水科学前沿丛书》出版说明
前言
第1章 绪论
第2章 地下水运动模型
2．1 多孔介质和含水层
2．1．1 多孔介质
2．1．2 含水层及其结构和划分
2．2 地下水运动的基本概念
2．2．1 渗流的基本概念
2．2．2 渗流运动要素
2．3 达西定律与连续性方程
2．3．1 水流连续性方程
2．3．2 动量方程和达西定律
2．3．3 渗透系数及其影响因素
2．4 含水层的储水特征
2．4．1 水和含水层的可压缩性
2．4．2 承压含水层的储水性
2．4．3 潜水含水层的储水性
2．5 地下水运动的偏微分方程和定解条件
2．5．1 承压水运动的基本方程
2．5．2 潜水运动的基本方程
2．5．3 定解条件和定解问题

第3章 非饱和土壤水运动模型
3．1 非饱和土壤水的基本性质
3．1．1 土壤含水率
3．1．2 土壤水势
3．1．3 土壤水分特征曲线
3．2 非饱和水分运动基本方程
3．2．1 非饱和土壤水的达西定律
3．2．2 非饱和土壤的水力传导度
3．2．3 非饱和带土壤水运动的基本方程
3．2．4 非饱和土壤中水、气、热耦合运移方程
3．3 非饱和土壤水分运动参数的求解
3．3．1 基本参数求解概述
3．3．2 土壤水分运动参数的室内外实验确定方法
3．3．3 土壤水分运动参数的野外确定方法

第4章 腾发量与地下水补给计算模型
4．1 土壤-作物-大气连续系统
4．1．1 能量平衡方程
4．1．2 净辐射
4．1．3 潜热通量
4．1．4 显热通量
4．1．5 土壤热通量
4．2 作物腾发量的计算方法
4．2．1 腾发量的概念及影响因素
4．2．2 腾发量模型及计算方法
4．3 作物根系吸水的计算方法
4．3．1 根系吸水影响因素
4．3．2 根系吸水模型及计算方法
4．4 作物冠层截留的计算方法
4．4．1 截留过程概念
4．4．2 截留模型及计算
4．5 地下水补给量的计算方法
4．5．1 INFIL 3．0模型
4．5．2 INFIL 3．0模型的适用性和改进
4．5．3 地下水补给模型应用示例

第5章 溶质运移模型
5．1 多孔介质中的水动力弥散
5．1．1 多孔介质中的水动力弥散现象
5．1．2 水动力弥散机理
5．1．3 水动力弥散系数（D）
5．2 溶质运移的对流．弥散方程
5．2．1 饱和水流运动问题的水动力弥散方程
5．2．2 运动坐标系中的水动力弥散方程
5．2．3 非饱和水流运动问题的水动力弥散方程
5．2．4 考虑不动水体作用时的水动力弥散方程
……
第6章 地下水流问题的数值方法
第7章 一维水分和溶质运移数值模型
第8章 二维渗流和溶质运移数值模型
第9章 三维渗流和溶质运移数值模型
第10章 拟三维渗流和溶质运移数值模型
第11章 渗流的不确定性及数值模拟方法
第12章 地下水和土壤水运动的随机数值模型
第13章 地下水及土壤水动态预测的数据同化方法
参考文献

精彩书摘

　　《水科学前沿丛书：地下水与土壤水运动数学模型和数值方法》：
　　在20世纪50年代以前，地下水运动问题求解技术主要以解析方法为主，它通过数学分析手段（包括变量代换、分离变量、保角变换、积分变换等）得到各种理想化条件下水流运动的解析解。解析解在理论上和形式上都很完美，通过对解析解的分析，可以从物理机制上深入理解地下水的运动规律与特征。特别重要的是，地下水运动的解析解为求取水文地质参数提供了简洁的工具。但是，由于数学工具的局限性，只有在水流运动比较简单的条件下才有可能得到解析解，条件稍一复杂，特别是对于非均质问题、非线性问题和区域边界较为复杂的问题，就很难得出解析解。对于某些条件稍微复杂的水流运动问题，即便是可以得到解析解，但由于解的形式太过繁杂而难以在实际工作中应用。正是解析方法的这一缺点限制了它的推广和应用。
　　20世纪50年代至70年代初期，可求解复杂地下水运动规律的电模拟方法得到深入研究和广泛应用。这种方法根据地下水运动的达西定律与电流运动的欧姆定律的相似性以及对地下水流质量守恒方程的有限差分近似，可以利用介质的电阻和电容模拟含水层的导水性和储水性，通过测量电网络系统的电流和电压，得到相应地下水系统的渗透速率和水头分布，为非均质、各向异性、不规则的几何形状、多层结构含水层及复杂的人工干扰条件下地下水运动的模拟提供了有力的工具。用电阻网络模拟稳定流的模型在40年代末期就出现了，而模拟非稳定流的电阻.电容网络是50年代发展起来的，到60年代初期，它已成为求解大区域含水层中地下水流问题的有力工具。南京水利科学研究所对电网络模型进行了详细的研究，武汉水利电力学院建立了电阻网络和电阻.电容网络，河北地质学院使用电阻.电容网络解决了天津宝坻一个化工厂供水和邯郸某矿区地下水疏干条件下的地下水系统的模拟。电模拟方法的主要缺点是网络固定，通用性较差，难以处理潜水问题，而且只能用于地下水流的模拟，不能用于水质和其他方面的模拟（孙讷正，1981）。70年代以后，由于计算机的快速发展，求解地下水运动问题的数值方法得到快速发展，不断提出各种求解方法，开发出大量通用软件。由于数值模拟方法的便利性和通用性，几乎可以替代电网络模型而成为解决地下水运移模拟的主要方法。20世纪80年代后，电模拟模型的研究和发展受到很大的限制，已逐步退出历史舞台。
　　我国地下水数值模拟的研究始于20世纪70年代，特别是水文地质学家与数学家合作，从理论研究、数值方法、实际应用等不同层面开展不同类型的协作研究，经过几十年的不懈努力，数值模拟方法得到广泛的应用，已成为目前研究地下水运移问题的主要工具和手段。
　　……

前言/序言

　　本书是我们多年来在地下水.土壤水运动数值方法研究成果的总结，主要阐述了求解一维、二维、三维和拟三维饱和.非饱和水流运动、溶质运移和氮磷迁移转化的确定性与随机性数值方法和数值模型。
　　第1章绪论中回顾了团队多年来的研究进展，讨论了国内外在地下水数值分析的研究成果和动态；第2章介绍地下水运动的基本理论和控制方程；第3章介绍土壤水运动和土壤水热运移的数学模型；第4章论述土壤腾发和地下水入渗，并详细介绍腾发量计算方法和地下水补给模型；第5章论述地下水和土壤水中溶质运移理论和模型；第6-10章给出地下水与土壤水分运动和溶质运移的数值模型，利用有限元、有限差和有限体积法建立了一维、二维、三维和拟三维地下水土壤水运动和溶质运移数值模型，并对各种模型都给出了详细算例，以便读者更好地理解数值方法和模型应用条件；第11章介绍地下水运动和溶质运移问题的不确定描述方法和求解不确定问题的随机数值方法，为后两章建立随机数值模型提供理论基础；第12章给出地下水和土壤水运动的随机数值模型的蒙特卡罗方法、动量分析方法和随机配点法，特别关注了土壤水分运动非线性数学模型的随机数值方法及其应用效果；第13章介绍数据同化方面所取得的研究成果，给出了利用集合卡尔曼滤波反求水文地质参数和实时预测问题的方法，应用非饱和土壤水分运动的试验数据介绍了方法的实际应用。
　　参加本书撰写的人员有：杨金忠（第1章、第5章、第6章、第11章、第12章、第13章），朱焱（第8章、第9章、第10章）、查元源（第4章、第7章）、蔡树英（第2章、第3章）。唐云卿、宋雪航和张玉雪参与了第12章和第13章部分内容的编写。

水科学前沿丛书：地下水与土壤水运动数学模型和数值方法 图书简介 水资源的可持续利用与管理，是当前全球面临的重大挑战之一。在水资源研究领域，地下水和土壤水扮演着至关重要的角色，它们不仅是生态系统健康的关键组成部分，更是人类社会经济发展不可或缺的资源。理解和精确预测地下水与土壤水在复杂地质环境和多变气候条件下的运动规律，是水资源规划、环境污染防治、农业灌溉优化等诸多领域的基础和前提。 本丛书聚焦于水科学领域的前沿研究，旨在系统、深入地探讨地下水与土壤水运动的数学模型构建与先进数值方法应用。本书的编写团队汇集了国内外在水文地质学、岩土工程学、计算数学和环境科学等交叉学科具有深厚造诣的专家学者。我们致力于将理论的前沿性、模型的精确性与工程的实用性有机结合，为读者提供一套全面且具有指导意义的参考资料。 本书的结构设计力求逻辑清晰、层层递进，从基础理论出发，逐步深入到复杂系统的模拟与分析。全书内容涵盖以下几个核心板块： --- 第一部分：基础理论与经典模型重述 本部分旨在为读者夯实理论基础，回顾和梳理描述地下水与土壤水运动的经典物理定律和数学方程。 1. 水力学基本原理与连续介质假设 详细阐述多孔介质中流体运动的基本控制方程，包括质量守恒定律在饱和与非饱和条件下的具体表达。重点讨论达西定律的适用范围、修正形式，以及在不同尺度下的宏观与微观描述差异。 2. 饱和地下水运动模型 深入探讨基于势函数的拉普拉斯方程（二维/三维）和基于溶质/热量传输的对流-弥散方程。针对不同边界条件（如定水头、定流量、自由面等）下的解析解和半解析解进行梳理，为后续数值求解奠定理论框架。特别关注含水层非均质性、各向异性对势场分布的影响。 3. 非饱和土壤水运动模型 本章侧重于描述土壤水分在重力、吸力（基质势）和压力梯度共同作用下的运动。详细介绍Richards方程的推导及其在描述土壤水分入渗、蒸散发过程中的核心地位。讨论Richards方程的强非线性和多尺度特性带来的挑战，以及求解过程中的关键参数（如导水率、基质吸力函数）的表征方法。 --- 第二部分：先进数学模型构建与参数化 随着研究尺度的扩大和工程复杂性的增加，传统的线性或简单非线性模型已难以满足实际需求。本部分专注于构建更具物理真实性和适用性的先进模型。 4. 多相流与溶质迁移模型 在环境污染和油气开采等领域，地下介质中往往存在水、油、气等多相流体共存的复杂情况。本章系统介绍多相流的控制方程组（包括界面张力、毛管力等因素），以及如何耦合相间传递过程。同时，深入探讨污染物在地下水中的迁移机制，包括对流、分子扩散、吸附/解吸、反应动力学等过程的数学刻画。 5. 尺度效应与多尺度方法 讨论水文地质参数在不同空间尺度上的变异性（尺度效应）。系统介绍如何通过均一化（Upscaling）和多尺度方法（如多尺度有限元法、多尺度有限体积法）来处理具有复杂孔隙结构或在较大区域尺度上进行模拟的问题，实现计算效率与精度的平衡。 6. 随机场理论与不确定性分析 鉴于地下介质参数的固有随机性和测量误差，本部分引入随机场理论来描述水力传导系数、渗透系数等参数的空间分布。详细介绍Kriging插值、条件模拟等方法在参数场生成中的应用，并阐述如何将这些随机模型输入到地下水模型中，通过蒙特卡洛模拟或随机有限元方法进行不确定性量化评估。 --- 第三部分：数值方法与计算实现 数学模型的精确求解高度依赖于高效、稳定的数值算法。本部分是本书的实践核心，详细介绍主流和前沿的数值求解技术。 7. 有限差分法（FDM）的深度应用 回顾FDM在处理守恒型和非守恒型偏微分方程中的应用。重点分析在处理Richards方程等强非线性问题时，采用的迭代格式（如牛顿法、割线法）和时间离散格式（如欧拉法、Crank-Nicolson法）的稳定性和精度要求。讨论如何优化网格划分策略以适应复杂几何边界。 8. 有限体积法（FVM）与守恒性保证 强调FVM在处理质量守恒和通量计算方面的优势，尤其适用于多孔介质中的对流主导问题。详细阐述如何在非结构化网格上精确计算界面通量，并介绍TVD（Total Variation Diminishing）格式等高分辨率格式在抑制数值耗散和振荡方面的技术细节。 9. 有限元法（FEM）及其在复杂边界问题中的优势 系统介绍将变分原理应用于地下水和土壤水方程的FEM框架。重点讨论如何构建适合于非饱和区域、自由面和动态边界问题的合适的试函数空间（如$ ext{P}1/ ext{P}2$单元）。深入探讨混合有限元方法（Mixed Finite Element Methods）在同时求解势和通量（或压力和饱和度）方面的优势及其在复杂介质中的实现细节。 10. 现代预处理技术与求解器优化 针对超大型地下水模型带来的计算瓶颈，本章聚焦于高效求解稀疏线性代数方程组的现代技术。详细介绍预条件子的构建，如代数多重网格（AMG）、多点插值预条件子（Multi-Point Interpolation Preconditioners）等。探讨并行计算环境（如MPI, OpenMP）下求解器的移植与优化策略，以适应大规模三维瞬态模拟的需求。 --- 第四部分：模型耦合、验证与实际案例分析 本部分将理论与实践紧密结合，探讨模型集成、校准验证以及在具体工程问题中的应用。 11. 过程耦合模型：大气-植被-土壤-地下水系统 讨论将大气边界条件、植被冠层水文过程（蒸腾）与地下水模型进行耦合的必要性与方法。介绍耦合模型（如SVAT模型与地下水模型的集成）的接口设计、信息交换机制以及时间步长匹配的策略。 12. 模型校准、验证与参数识别 介绍如何利用历史观测数据（水位、流量、水质数据）对模型参数进行自动校准的技术，包括数据同化方法（如卡尔曼滤波及其扩展形式）和敏感性分析。阐述模型验证的标准与流程，强调模型在不同情景下的可靠性评估。 13. 典型应用案例 精选多个典型案例，展示所介绍的数学模型和数值方法在实际工程中的应用效果，包括： 大型灌区地下水超采与回灌的影响模拟。 矿区废水入渗导致的地下水污染羽迁移预测。 沿海地区咸潮入侵的动态模拟与对策分析。 坡地滑坡体中的渗流稳定性分析。 --- 读者对象 本书面向水利工程、环境工程、地质工程、岩土工程、水文地质学、计算数学以及相关交叉学科的高年级本科生、研究生和青年科研人员。同时，它也为从事水资源管理、环境风险评估和地质灾害防治的工程技术人员提供了重要的理论指导和技术参考。通过系统学习本书内容，读者将能够独立构建、求解和评估复杂的地下水与土壤水运动模型。

评分☆☆☆☆☆

我一直对大自然中的水体运动充满敬畏，特别是那些隐藏在地下的水流，总让我觉得神秘而有趣。抱着希望能够深入了解这些地下秘密的心情，我购买了这本《地下水与土壤水运动数学模型和数值方法》。我设想中，这本书应该会描绘地下水如何穿梭于岩石缝隙，土壤如何像海绵一样吸收和释放水分，甚至会介绍一些科学家如何利用科技手段去“看见”这些看不见的河流。我期待的是一些生动的比喻，一些直观的插图，能够帮助我理解水分子是如何在这种复杂介质中移动的。然而，这本书的内容却将我带入了一个完全不同的世界。它似乎专注于如何用一套极其精确的数学语言来描述这种运动。我看到了各种各样的方程，它们似乎代表着能量守恒、质量守恒等等物理定律，但对我而言，这些符号组合在一起就像是天书。书中的数值方法，例如“求解偏微分方程”、“网格划分”、“边界条件设定”，听起来就像是某种高精尖的科学实验。我尝试去理解其中的某些章节，希望能找到一些关于地下水流速、渗透系数的实际意义，或者土壤含水量如何影响植物生长的具体案例。但这些信息似乎都被隐藏在冰冷的数学公式和抽象的算法之中。这本书更像是为地质学家、水文学家这样的专业人士量身打造的，它提供的是解决问题的工具和方法，而不是对于自然现象的直观描绘。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对水文学领域充满好奇的业余爱好者，我一直渴望找到一本既能深入浅出介绍地下水和土壤水运动规律，又能引领我领略前沿研究动态的书籍。当我看到《地下水与土壤水运动数学模型和数值方法》这本书时，我内心充满了期待，以为它会是一座连接理论与实践的桥梁。然而，这本书的风格与我的预期大相径庭。它更像是一份严谨的学术论文集，而非面向广泛读者的科普读物。书中的语言体系非常专业，充斥着大量我需要查阅字典才能理解的术语，比如“守恒方程”、“数值稳定性”、“离散化误差”等等。我本想通过阅读本书来理解地下水渗透的原理，以及土壤纹理对水分运移的影响，甚至希望能从中找到一些关于如何预测干旱、如何进行地下水修复的思路。但书中详细描述的数学模型和数值算法，如有限元法、有限差分法等，让我感到力不从心。即使是书中的公式推导，也要求读者具备扎实的数学基础。我感觉这本书更侧重于“如何计算”和“如何模拟”，而对于“为什么这样计算”或者“这个计算结果在现实世界中有何意义”的解释则相对较少。对于我而言，这本书的挑战远大于收获，它是一本面向专业研究人员的宝典，而非我这样渴望了解基础知识的读者的入门指南。

评分☆☆☆☆☆

这本书，从它的书名就能看出，它走的是一条非常专业的学术路线。我原本是想找一本关于地下水资源的介绍性读物，了解一下我们脚下隐藏的水是如何形成的，是如何被利用的，又面临着怎样的挑战。我期望书中能够有一些关于不同地质构造下地下水分布的有趣介绍，或者是一些关于如何保护地下水免受污染的 practical 建议。我希望它能用生动的故事和形象的图解来解释地下水循环的过程，就像是在讲述一个关于地球内部秘密的探险故事。然而，当我翻开这本书时，我发现我完全进入了一个截然不同的领域。书中的语言风格非常学术化，充斥着大量的专业术语，比如“多孔介质”、“渗流”、“导水系数”等等，这些词汇对我来说都相当陌生。书中的重点似乎是如何构建和求解描述地下水和土壤水运动的数学模型。我看到了复杂的偏微分方程组，以及各种数值模拟的方法，比如“有限差分法”、“有限体积法”等。这些内容对于我这样一个没有经过专业训练的读者来说，简直是一头雾水。我尝试着去寻找一些与实际应用相关的章节，比如如何通过模型预测一个地区的水资源潜力，或者如何模拟一个水体污染扩散的范围。但这些应用都被包裹在严密的数学推导和算法之中，很难被我这样非专业人士轻易理解。这本书更像是一本给专业研究者看的工具书，它提供了解决复杂问题的数学框架，而非对自然现象的通俗解读。

评分☆☆☆☆☆

这套“水科学前沿丛书”的封面设计都相当统一，简洁而富有科技感，但内容却让人望而却步。我购买的这本《地下水与土壤水运动数学模型和数值方法》，完全超出了我能理解的范畴。我原本是出于对环境保护和水资源问题的兴趣，希望能够更深入地了解地下水是如何流动的，以及土壤如何影响水资源的储存和渗透。我期待的是一些关于水循环、地下水补给与排泄、土壤渗透性对农作物生长影响等方面的生动案例和易于理解的解释。然而，这本书的内容直指最核心的科学计算和模拟技术。书中大量的篇幅都在讲解如何建立数学模型来描述地下水和土壤水的运动规律，以及如何利用数值方法来求解这些模型。我看到了各种积分、微分方程，还有一些我完全不认识的符号。即使是其中的图示，也大多是抽象的流场模拟图，缺乏直观的解释。我尝试去理解其中的某些章节，希望能找到一些与实际应用相结合的例子，比如某个水库的渗漏问题是如何通过模型分析解决的，或者某种灌溉方式是如何优化土壤水分的。但这些信息在我看来，都隐藏在复杂的数学推导之后，很难被轻易提取出来。这本书更适合那些已经掌握了相关理论基础，需要进阶学习的专业人士，对于普通大众来说，阅读门槛实在是太高了。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名，乍一听就让人感觉是那种硬核的科学著作，充满了公式和复杂的理论。我本来是想找一些关于水资源可持续利用的通俗读物，但误打误撞翻开了这本书。拿到手里，厚重的纸张和密密麻麻的图表立刻给我一种莫名的压力。我的专业背景并不是地质学或水文学，所以一开始只是抱着“看看”的心态，想着或许能从中了解一些基本的概念。然而，当我试图深入阅读时，我发现我完全跟不上作者的思路。书中充斥着各种我从未听说过的专业术语，比如“非达西流”、“饱和-非饱和过渡区”、“有限差分法”等等，这些词汇对我来说就像是天书。更不用说那些复杂的数学方程，它们像一个个精心构建的迷宫，把我牢牢困在其中。我尝试着去理解那些公式背后的物理意义，但很快就感到力不从心。虽然我知道这些模型和方法对于理解地下水和土壤水运动至关重要，但对我这样的普通读者来说，它们实在是过于晦涩难懂了。这本书更像是一份专业研究人员的宝贵资料，而非我这样希望获得基础科普的读者的入门读物。它需要读者具备深厚的数学和物理基础，才能真正领略其精髓。

评分☆☆☆☆☆

专业

评分☆☆☆☆☆

专业

评分☆☆☆☆☆

书不错，包装精美，就是价格贵了，希望有用吧！呵呵！

评分☆☆☆☆☆

专业

评分☆☆☆☆☆

专业

评分☆☆☆☆☆

专业

评分☆☆☆☆☆

书不错，包装精美，就是价格贵了，希望有用吧！呵呵！

评分☆☆☆☆☆

专业

评分☆☆☆☆☆

专业