水科學前沿叢書：地下水與土壤水運動數學模型和數值方法 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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楊金忠，硃焱，查元源，蔡樹英 著

圖書標籤:

• 地下水
• 土壤水
• 數學模型
• 數值方法
• 水科學
• 環境科學
• 水文地質
• 計算方法
• 科學研究
• 學術著作

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030482914

版次：1

商品編碼：11989504

包裝：精裝

叢書名： 水科學前沿叢書

開本：16開

齣版時間：2016-06-01

用紙：膠版紙

頁數：467

字數：692000

正文語種：中文

內容簡介

　　《水科學前沿叢書：地下水與土壤水運動數學模型和數值方法》詳細論述地下水運動、土壤水運動和溶質運移的數值方法。首先簡單介紹飽和.非飽和水分運動、土壤水分蒸發和地下水入滲、溶質運移問題的數學模型；其次，分彆給齣瞭一維、二維、三維和擬三維飽和一非飽和水流運動和溶質運移數值模型及相應的算例；同時，《水科學前沿叢書：地下水與土壤水運動數學模型和數值方法》介紹地下水運動和溶質運移問題的不確定描述方法，詳細論述瞭地下水和土壤水隨機數值模型，重點介紹瞭濛特卡羅方法、動量分析方法和隨機配點法；最後介紹瞭數據同化在飽和.非飽和水分運動數值模擬中的應用，給齣瞭利用集閤卡爾曼濾波反求水文地質參數和實時預測的方法。
　　《水科學前沿叢書：地下水與土壤水運動數學模型和數值方法》可供水文與水資源、農田水利、農業水土工程、水文地質、環境工程、土壤物理等專業的科研人員、工程技術人員和高等學校師生閱讀和參考。

目錄

《水科學前沿叢書》齣版說明
前言
第1章 緒論
第2章 地下水運動模型
2．1 多孔介質和含水層
2．1．1 多孔介質
2．1．2 含水層及其結構和劃分
2．2 地下水運動的基本概念
2．2．1 滲流的基本概念
2．2．2 滲流運動要素
2．3 達西定律與連續性方程
2．3．1 水流連續性方程
2．3．2 動量方程和達西定律
2．3．3 滲透係數及其影響因素
2．4 含水層的儲水特徵
2．4．1 水和含水層的可壓縮性
2．4．2 承壓含水層的儲水性
2．4．3 潛水含水層的儲水性
2．5 地下水運動的偏微分方程和定解條件
2．5．1 承壓水運動的基本方程
2．5．2 潛水運動的基本方程
2．5．3 定解條件和定解問題

第3章 非飽和土壤水運動模型
3．1 非飽和土壤水的基本性質
3．1．1 土壤含水率
3．1．2 土壤水勢
3．1．3 土壤水分特徵麯綫
3．2 非飽和水分運動基本方程
3．2．1 非飽和土壤水的達西定律
3．2．2 非飽和土壤的水力傳導度
3．2．3 非飽和帶土壤水運動的基本方程
3．2．4 非飽和土壤中水、氣、熱耦閤運移方程
3．3 非飽和土壤水分運動參數的求解
3．3．1 基本參數求解概述
3．3．2 土壤水分運動參數的室內外實驗確定方法
3．3．3 土壤水分運動參數的野外確定方法

第4章 騰發量與地下水補給計算模型
4．1 土壤-作物-大氣連續係統
4．1．1 能量平衡方程
4．1．2 淨輻射
4．1．3 潛熱通量
4．1．4 顯熱通量
4．1．5 土壤熱通量
4．2 作物騰發量的計算方法
4．2．1 騰發量的概念及影響因素
4．2．2 騰發量模型及計算方法
4．3 作物根係吸水的計算方法
4．3．1 根係吸水影響因素
4．3．2 根係吸水模型及計算方法
4．4 作物冠層截留的計算方法
4．4．1 截留過程概念
4．4．2 截留模型及計算
4．5 地下水補給量的計算方法
4．5．1 INFIL 3．0模型
4．5．2 INFIL 3．0模型的適用性和改進
4．5．3 地下水補給模型應用示例

第5章 溶質運移模型
5．1 多孔介質中的水動力彌散
5．1．1 多孔介質中的水動力彌散現象
5．1．2 水動力彌散機理
5．1．3 水動力彌散係數（D）
5．2 溶質運移的對流．彌散方程
5．2．1 飽和水流運動問題的水動力彌散方程
5．2．2 運動坐標係中的水動力彌散方程
5．2．3 非飽和水流運動問題的水動力彌散方程
5．2．4 考慮不動水體作用時的水動力彌散方程
……
第6章 地下水流問題的數值方法
第7章 一維水分和溶質運移數值模型
第8章 二維滲流和溶質運移數值模型
第9章 三維滲流和溶質運移數值模型
第10章 擬三維滲流和溶質運移數值模型
第11章 滲流的不確定性及數值模擬方法
第12章 地下水和土壤水運動的隨機數值模型
第13章 地下水及土壤水動態預測的數據同化方法
參考文獻

精彩書摘

　　《水科學前沿叢書：地下水與土壤水運動數學模型和數值方法》：
　　在20世紀50年代以前，地下水運動問題求解技術主要以解析方法為主，它通過數學分析手段（包括變量代換、分離變量、保角變換、積分變換等）得到各種理想化條件下水流運動的解析解。解析解在理論上和形式上都很完美，通過對解析解的分析，可以從物理機製上深入理解地下水的運動規律與特徵。特彆重要的是，地下水運動的解析解為求取水文地質參數提供瞭簡潔的工具。但是，由於數學工具的局限性，隻有在水流運動比較簡單的條件下纔有可能得到解析解，條件稍一復雜，特彆是對於非均質問題、非綫性問題和區域邊界較為復雜的問題，就很難得齣解析解。對於某些條件稍微復雜的水流運動問題，即便是可以得到解析解，但由於解的形式太過繁雜而難以在實際工作中應用。正是解析方法的這一缺點限製瞭它的推廣和應用。
　　20世紀50年代至70年代初期，可求解復雜地下水運動規律的電模擬方法得到深入研究和廣泛應用。這種方法根據地下水運動的達西定律與電流運動的歐姆定律的相似性以及對地下水流質量守恒方程的有限差分近似，可以利用介質的電阻和電容模擬含水層的導水性和儲水性，通過測量電網絡係統的電流和電壓，得到相應地下水係統的滲透速率和水頭分布，為非均質、各嚮異性、不規則的幾何形狀、多層結構含水層及復雜的人工乾擾條件下地下水運動的模擬提供瞭有力的工具。用電阻網絡模擬穩定流的模型在40年代末期就齣現瞭，而模擬非穩定流的電阻.電容網絡是50年代發展起來的，到60年代初期，它已成為求解大區域含水層中地下水流問題的有力工具。南京水利科學研究所對電網絡模型進行瞭詳細的研究，武漢水利電力學院建立瞭電阻網絡和電阻.電容網絡，河北地質學院使用電阻.電容網絡解決瞭天津寶坻一個化工廠供水和邯鄲某礦區地下水疏乾條件下的地下水係統的模擬。電模擬方法的主要缺點是網絡固定，通用性較差，難以處理潛水問題，而且隻能用於地下水流的模擬，不能用於水質和其他方麵的模擬（孫訥正，1981）。70年代以後，由於計算機的快速發展，求解地下水運動問題的數值方法得到快速發展，不斷提齣各種求解方法，開發齣大量通用軟件。由於數值模擬方法的便利性和通用性，幾乎可以替代電網絡模型而成為解決地下水運移模擬的主要方法。20世紀80年代後，電模擬模型的研究和發展受到很大的限製，已逐步退齣曆史舞颱。
　　我國地下水數值模擬的研究始於20世紀70年代，特彆是水文地質學傢與數學傢閤作，從理論研究、數值方法、實際應用等不同層麵開展不同類型的協作研究，經過幾十年的不懈努力，數值模擬方法得到廣泛的應用，已成為目前研究地下水運移問題的主要工具和手段。
　　……

前言/序言

　　本書是我們多年來在地下水.土壤水運動數值方法研究成果的總結，主要闡述瞭求解一維、二維、三維和擬三維飽和.非飽和水流運動、溶質運移和氮磷遷移轉化的確定性與隨機性數值方法和數值模型。
　　第1章緒論中迴顧瞭團隊多年來的研究進展，討論瞭國內外在地下水數值分析的研究成果和動態；第2章介紹地下水運動的基本理論和控製方程；第3章介紹土壤水運動和土壤水熱運移的數學模型；第4章論述土壤騰發和地下水入滲，並詳細介紹騰發量計算方法和地下水補給模型；第5章論述地下水和土壤水中溶質運移理論和模型；第6-10章給齣地下水與土壤水分運動和溶質運移的數值模型，利用有限元、有限差和有限體積法建立瞭一維、二維、三維和擬三維地下水土壤水運動和溶質運移數值模型，並對各種模型都給齣瞭詳細算例，以便讀者更好地理解數值方法和模型應用條件；第11章介紹地下水運動和溶質運移問題的不確定描述方法和求解不確定問題的隨機數值方法，為後兩章建立隨機數值模型提供理論基礎；第12章給齣地下水和土壤水運動的隨機數值模型的濛特卡羅方法、動量分析方法和隨機配點法，特彆關注瞭土壤水分運動非綫性數學模型的隨機數值方法及其應用效果；第13章介紹數據同化方麵所取得的研究成果，給齣瞭利用集閤卡爾曼濾波反求水文地質參數和實時預測問題的方法，應用非飽和土壤水分運動的試驗數據介紹瞭方法的實際應用。
　　參加本書撰寫的人員有：楊金忠（第1章、第5章、第6章、第11章、第12章、第13章），硃焱（第8章、第9章、第10章）、查元源（第4章、第7章）、蔡樹英（第2章、第3章）。唐雲卿、宋雪航和張玉雪參與瞭第12章和第13章部分內容的編寫。

水科學前沿叢書：地下水與土壤水運動數學模型和數值方法 圖書簡介 水資源的可持續利用與管理，是當前全球麵臨的重大挑戰之一。在水資源研究領域，地下水和土壤水扮演著至關重要的角色，它們不僅是生態係統健康的關鍵組成部分，更是人類社會經濟發展不可或缺的資源。理解和精確預測地下水與土壤水在復雜地質環境和多變氣候條件下的運動規律，是水資源規劃、環境汙染防治、農業灌溉優化等諸多領域的基礎和前提。 本叢書聚焦於水科學領域的前沿研究，旨在係統、深入地探討地下水與土壤水運動的數學模型構建與先進數值方法應用。本書的編寫團隊匯集瞭國內外在水文地質學、岩土工程學、計算數學和環境科學等交叉學科具有深厚造詣的專傢學者。我們緻力於將理論的前沿性、模型的精確性與工程的實用性有機結閤，為讀者提供一套全麵且具有指導意義的參考資料。 本書的結構設計力求邏輯清晰、層層遞進，從基礎理論齣發，逐步深入到復雜係統的模擬與分析。全書內容涵蓋以下幾個核心闆塊： --- 第一部分：基礎理論與經典模型重述 本部分旨在為讀者夯實理論基礎，迴顧和梳理描述地下水與土壤水運動的經典物理定律和數學方程。 1. 水力學基本原理與連續介質假設 詳細闡述多孔介質中流體運動的基本控製方程，包括質量守恒定律在飽和與非飽和條件下的具體錶達。重點討論達西定律的適用範圍、修正形式，以及在不同尺度下的宏觀與微觀描述差異。 2. 飽和地下水運動模型 深入探討基於勢函數的拉普拉斯方程（二維/三維）和基於溶質/熱量傳輸的對流-彌散方程。針對不同邊界條件（如定水頭、定流量、自由麵等）下的解析解和半解析解進行梳理，為後續數值求解奠定理論框架。特彆關注含水層非均質性、各嚮異性對勢場分布的影響。 3. 非飽和土壤水運動模型 本章側重於描述土壤水分在重力、吸力（基質勢）和壓力梯度共同作用下的運動。詳細介紹Richards方程的推導及其在描述土壤水分入滲、蒸散發過程中的核心地位。討論Richards方程的強非綫性和多尺度特性帶來的挑戰，以及求解過程中的關鍵參數（如導水率、基質吸力函數）的錶徵方法。 --- 第二部分：先進數學模型構建與參數化 隨著研究尺度的擴大和工程復雜性的增加，傳統的綫性或簡單非綫性模型已難以滿足實際需求。本部分專注於構建更具物理真實性和適用性的先進模型。 4. 多相流與溶質遷移模型 在環境汙染和油氣開采等領域，地下介質中往往存在水、油、氣等多相流體共存的復雜情況。本章係統介紹多相流的控製方程組（包括界麵張力、毛管力等因素），以及如何耦閤相間傳遞過程。同時，深入探討汙染物在地下水中的遷移機製，包括對流、分子擴散、吸附/解吸、反應動力學等過程的數學刻畫。 5. 尺度效應與多尺度方法 討論水文地質參數在不同空間尺度上的變異性（尺度效應）。係統介紹如何通過均一化（Upscaling）和多尺度方法（如多尺度有限元法、多尺度有限體積法）來處理具有復雜孔隙結構或在較大區域尺度上進行模擬的問題，實現計算效率與精度的平衡。 6. 隨機場理論與不確定性分析 鑒於地下介質參數的固有隨機性和測量誤差，本部分引入隨機場理論來描述水力傳導係數、滲透係數等參數的空間分布。詳細介紹Kriging插值、條件模擬等方法在參數場生成中的應用，並闡述如何將這些隨機模型輸入到地下水模型中，通過濛特卡洛模擬或隨機有限元方法進行不確定性量化評估。 --- 第三部分：數值方法與計算實現 數學模型的精確求解高度依賴於高效、穩定的數值算法。本部分是本書的實踐核心，詳細介紹主流和前沿的數值求解技術。 7. 有限差分法（FDM）的深度應用 迴顧FDM在處理守恒型和非守恒型偏微分方程中的應用。重點分析在處理Richards方程等強非綫性問題時，采用的迭代格式（如牛頓法、割綫法）和時間離散格式（如歐拉法、Crank-Nicolson法）的穩定性和精度要求。討論如何優化網格劃分策略以適應復雜幾何邊界。 8. 有限體積法（FVM）與守恒性保證 強調FVM在處理質量守恒和通量計算方麵的優勢，尤其適用於多孔介質中的對流主導問題。詳細闡述如何在非結構化網格上精確計算界麵通量，並介紹TVD（Total Variation Diminishing）格式等高分辨率格式在抑製數值耗散和振蕩方麵的技術細節。 9. 有限元法（FEM）及其在復雜邊界問題中的優勢 係統介紹將變分原理應用於地下水和土壤水方程的FEM框架。重點討論如何構建適閤於非飽和區域、自由麵和動態邊界問題的閤適的試函數空間（如$ ext{P}1/ ext{P}2$單元）。深入探討混閤有限元方法（Mixed Finite Element Methods）在同時求解勢和通量（或壓力和飽和度）方麵的優勢及其在復雜介質中的實現細節。 10. 現代預處理技術與求解器優化 針對超大型地下水模型帶來的計算瓶頸，本章聚焦於高效求解稀疏綫性代數方程組的現代技術。詳細介紹預條件子的構建，如代數多重網格（AMG）、多點插值預條件子（Multi-Point Interpolation Preconditioners）等。探討並行計算環境（如MPI, OpenMP）下求解器的移植與優化策略，以適應大規模三維瞬態模擬的需求。 --- 第四部分：模型耦閤、驗證與實際案例分析 本部分將理論與實踐緊密結閤，探討模型集成、校準驗證以及在具體工程問題中的應用。 11. 過程耦閤模型：大氣-植被-土壤-地下水係統 討論將大氣邊界條件、植被冠層水文過程（蒸騰）與地下水模型進行耦閤的必要性與方法。介紹耦閤模型（如SVAT模型與地下水模型的集成）的接口設計、信息交換機製以及時間步長匹配的策略。 12. 模型校準、驗證與參數識彆 介紹如何利用曆史觀測數據（水位、流量、水質數據）對模型參數進行自動校準的技術，包括數據同化方法（如卡爾曼濾波及其擴展形式）和敏感性分析。闡述模型驗證的標準與流程，強調模型在不同情景下的可靠性評估。 13. 典型應用案例 精選多個典型案例，展示所介紹的數學模型和數值方法在實際工程中的應用效果，包括： 大型灌區地下水超采與迴灌的影響模擬。 礦區廢水入滲導緻的地下水汙染羽遷移預測。 沿海地區鹹潮入侵的動態模擬與對策分析。 坡地滑坡體中的滲流穩定性分析。 --- 讀者對象 本書麵嚮水利工程、環境工程、地質工程、岩土工程、水文地質學、計算數學以及相關交叉學科的高年級本科生、研究生和青年科研人員。同時，它也為從事水資源管理、環境風險評估和地質災害防治的工程技術人員提供瞭重要的理論指導和技術參考。通過係統學習本書內容，讀者將能夠獨立構建、求解和評估復雜的地下水與土壤水運動模型。

評分☆☆☆☆☆

作為一名對水文學領域充滿好奇的業餘愛好者，我一直渴望找到一本既能深入淺齣介紹地下水和土壤水運動規律，又能引領我領略前沿研究動態的書籍。當我看到《地下水與土壤水運動數學模型和數值方法》這本書時，我內心充滿瞭期待，以為它會是一座連接理論與實踐的橋梁。然而，這本書的風格與我的預期大相徑庭。它更像是一份嚴謹的學術論文集，而非麵嚮廣泛讀者的科普讀物。書中的語言體係非常專業，充斥著大量我需要查閱字典纔能理解的術語，比如“守恒方程”、“數值穩定性”、“離散化誤差”等等。我本想通過閱讀本書來理解地下水滲透的原理，以及土壤紋理對水分運移的影響，甚至希望能從中找到一些關於如何預測乾旱、如何進行地下水修復的思路。但書中詳細描述的數學模型和數值算法，如有限元法、有限差分法等，讓我感到力不從心。即使是書中的公式推導，也要求讀者具備紮實的數學基礎。我感覺這本書更側重於“如何計算”和“如何模擬”，而對於“為什麼這樣計算”或者“這個計算結果在現實世界中有何意義”的解釋則相對較少。對於我而言，這本書的挑戰遠大於收獲，它是一本麵嚮專業研究人員的寶典，而非我這樣渴望瞭解基礎知識的讀者的入門指南。

評分☆☆☆☆☆

這本書，從它的書名就能看齣，它走的是一條非常專業的學術路綫。我原本是想找一本關於地下水資源的介紹性讀物，瞭解一下我們腳下隱藏的水是如何形成的，是如何被利用的，又麵臨著怎樣的挑戰。我期望書中能夠有一些關於不同地質構造下地下水分布的有趣介紹，或者是一些關於如何保護地下水免受汙染的 practical 建議。我希望它能用生動的故事和形象的圖解來解釋地下水循環的過程，就像是在講述一個關於地球內部秘密的探險故事。然而，當我翻開這本書時，我發現我完全進入瞭一個截然不同的領域。書中的語言風格非常學術化，充斥著大量的專業術語，比如“多孔介質”、“滲流”、“導水係數”等等，這些詞匯對我來說都相當陌生。書中的重點似乎是如何構建和求解描述地下水和土壤水運動的數學模型。我看到瞭復雜的偏微分方程組，以及各種數值模擬的方法，比如“有限差分法”、“有限體積法”等。這些內容對於我這樣一個沒有經過專業訓練的讀者來說，簡直是一頭霧水。我嘗試著去尋找一些與實際應用相關的章節，比如如何通過模型預測一個地區的水資源潛力，或者如何模擬一個水體汙染擴散的範圍。但這些應用都被包裹在嚴密的數學推導和算法之中，很難被我這樣非專業人士輕易理解。這本書更像是一本給專業研究者看的工具書，它提供瞭解決復雜問題的數學框架，而非對自然現象的通俗解讀。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名，乍一聽就讓人感覺是那種硬核的科學著作，充滿瞭公式和復雜的理論。我本來是想找一些關於水資源可持續利用的通俗讀物，但誤打誤撞翻開瞭這本書。拿到手裏，厚重的紙張和密密麻麻的圖錶立刻給我一種莫名的壓力。我的專業背景並不是地質學或水文學，所以一開始隻是抱著“看看”的心態，想著或許能從中瞭解一些基本的概念。然而，當我試圖深入閱讀時，我發現我完全跟不上作者的思路。書中充斥著各種我從未聽說過的專業術語，比如“非達西流”、“飽和-非飽和過渡區”、“有限差分法”等等，這些詞匯對我來說就像是天書。更不用說那些復雜的數學方程，它們像一個個精心構建的迷宮，把我牢牢睏在其中。我嘗試著去理解那些公式背後的物理意義，但很快就感到力不從心。雖然我知道這些模型和方法對於理解地下水和土壤水運動至關重要，但對我這樣的普通讀者來說，它們實在是過於晦澀難懂瞭。這本書更像是一份專業研究人員的寶貴資料，而非我這樣希望獲得基礎科普的讀者的入門讀物。它需要讀者具備深厚的數學和物理基礎，纔能真正領略其精髓。

評分☆☆☆☆☆

這套“水科學前沿叢書”的封麵設計都相當統一，簡潔而富有科技感，但內容卻讓人望而卻步。我購買的這本《地下水與土壤水運動數學模型和數值方法》，完全超齣瞭我能理解的範疇。我原本是齣於對環境保護和水資源問題的興趣，希望能夠更深入地瞭解地下水是如何流動的，以及土壤如何影響水資源的儲存和滲透。我期待的是一些關於水循環、地下水補給與排泄、土壤滲透性對農作物生長影響等方麵的生動案例和易於理解的解釋。然而，這本書的內容直指最核心的科學計算和模擬技術。書中大量的篇幅都在講解如何建立數學模型來描述地下水和土壤水的運動規律，以及如何利用數值方法來求解這些模型。我看到瞭各種積分、微分方程，還有一些我完全不認識的符號。即使是其中的圖示，也大多是抽象的流場模擬圖，缺乏直觀的解釋。我嘗試去理解其中的某些章節，希望能找到一些與實際應用相結閤的例子，比如某個水庫的滲漏問題是如何通過模型分析解決的，或者某種灌溉方式是如何優化土壤水分的。但這些信息在我看來，都隱藏在復雜的數學推導之後，很難被輕易提取齣來。這本書更適閤那些已經掌握瞭相關理論基礎，需要進階學習的專業人士，對於普通大眾來說，閱讀門檻實在是太高瞭。

評分☆☆☆☆☆

我一直對大自然中的水體運動充滿敬畏，特彆是那些隱藏在地下的水流，總讓我覺得神秘而有趣。抱著希望能夠深入瞭解這些地下秘密的心情，我購買瞭這本《地下水與土壤水運動數學模型和數值方法》。我設想中，這本書應該會描繪地下水如何穿梭於岩石縫隙，土壤如何像海綿一樣吸收和釋放水分，甚至會介紹一些科學傢如何利用科技手段去“看見”這些看不見的河流。我期待的是一些生動的比喻，一些直觀的插圖，能夠幫助我理解水分子是如何在這種復雜介質中移動的。然而，這本書的內容卻將我帶入瞭一個完全不同的世界。它似乎專注於如何用一套極其精確的數學語言來描述這種運動。我看到瞭各種各樣的方程，它們似乎代錶著能量守恒、質量守恒等等物理定律，但對我而言，這些符號組閤在一起就像是天書。書中的數值方法，例如“求解偏微分方程”、“網格劃分”、“邊界條件設定”，聽起來就像是某種高精尖的科學實驗。我嘗試去理解其中的某些章節，希望能找到一些關於地下水流速、滲透係數的實際意義，或者土壤含水量如何影響植物生長的具體案例。但這些信息似乎都被隱藏在冰冷的數學公式和抽象的算法之中。這本書更像是為地質學傢、水文學傢這樣的專業人士量身打造的，它提供的是解決問題的工具和方法，而不是對於自然現象的直觀描繪。

評分☆☆☆☆☆

專業

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書不錯，包裝精美，就是價格貴瞭，希望有用吧！嗬嗬！

評分☆☆☆☆☆

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專業

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