本書(shū)涵蓋各個(gè)分支學(xué)科的基本概念，包括地下水中溶質(zhì)遷移的基本原理、遷移方程的常用數(shù)值求解技術(shù)，并介紹了建立野外實(shí)際問(wèn)題遷移模型的詳細(xì)步驟。全書(shū)分為概念與技術(shù)、野外應(yīng)用、深進(jìn)課題三篇。
《地下水污染物遷移模擬（Applied Contaminant Transport Modeling）（第二版）》反映了污染物遷移理論與模擬技術(shù)的最新研究成果。第一篇“概念與技術(shù)”有以下幾點(diǎn)顯著變化。首先，我們深入討論了含水層的非均質(zhì)性對(duì)溶質(zhì)遷移的影響，在此基礎(chǔ)上加進(jìn)雙域質(zhì)量傳輸法作為對(duì)傳統(tǒng)對(duì)流-彌散模型的補(bǔ)充。其次，在化學(xué)反應(yīng)遷移中增加了幾種化學(xué)過(guò)程與反應(yīng)的討論。包括非平衡吸附作用以及有微生物參與的多組分動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。另外，除第一版涉及的遷移模擬數(shù)值技術(shù)——?dú)W拉法、拉格朗曰法、混合歐拉-拉格朗日法之外，還增添有“TVD”（總變差減小，total-variation-diminishing）法，該法在許多問(wèn)題中顯示出其優(yōu)點(diǎn)。最后，我們新加一章描述非平衡過(guò)程和多組分動(dòng)力學(xué)反應(yīng)問(wèn)題及其求解策略，并提供一個(gè)研究例子說(shuō)明自然稀化和生物降解過(guò)程。
在第二篇“野外應(yīng)用”中，我們?cè)谟懻撘巴饽Ｐ蛻?yīng)用的幾個(gè)重要課題時(shí)，加入了最新的成果，包括遷移求解技術(shù)、可視化與圖像化用戶軟件、需要的數(shù)據(jù)、模型校準(zhǔn)，以及不確定性分析。此外本篇還新添了一個(gè)例子，演示雙域質(zhì)量傳輸法模擬示蹤劑在強(qiáng)非均質(zhì)性含水層中的遷移。
本版另一個(gè)重大改變是新增了第三篇“深進(jìn)課題”，它包括三章新的內(nèi)容。前兩章分別討論變密度和變飽和度條件下水流與溶質(zhì)遷移的基本概念和模擬方法。后一章介紹地下水質(zhì)量?jī)?yōu)化管理，并討論模擬-優(yōu)化方法在治理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
本書(shū)大部分章末都列有深入閱讀與思考題，以便作為研究生教材以及水文地質(zhì)工作者、環(huán)境科學(xué)工作者及工程人員的參考書(shū)。與本書(shū)相配的模擬軟件及輔助材料均可免費(fèi)下載，讀者可由此獲得污染物遷移模擬的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并完成與實(shí)際問(wèn)題相聯(lián)系的課程項(xiàng)目。
鄭春苗（Chunmiao Zheng），當(dāng)前國(guó)際水文地質(zhì)界知名學(xué)者。1983年畢業(yè)于成都地質(zhì)學(xué)院水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)，隨后赴美國(guó)威斯康星（麥迪遜）大學(xué)留學(xué)，1988年獲得水文地質(zhì)博士學(xué)位�，F(xiàn)任美國(guó)亞拉巴馬大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系教授、北京大學(xué)工學(xué)院水資源研究中心講座教授、主任。已主持30余項(xiàng)美國(guó)政府資助的科研項(xiàng)目，2006年獲中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)海外杰如青年合作基金（水文地質(zhì)類(lèi)）。撰寫(xiě)專(zhuān)著Applied Contaminant Transport Modeling（1995年初版，2002年再版），發(fā)表論文100多篇，內(nèi)容涉及地下水模擬、含水層非均質(zhì)性對(duì)溶質(zhì)遷移的影響、地下水污染治理方案與監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)以及地下水可持續(xù)利用管理等。開(kāi)發(fā)了地下水污染模擬標(biāo)準(zhǔn)軟件MT3D和MT3DMS，在100多個(gè)國(guó)家得到廣泛使用。目前擔(dān)任國(guó)際學(xué)術(shù)刊物Ground Water和Journal of Hydrology副主編，美國(guó)國(guó)家科研委員會(huì)（National Research Council）水文科學(xué)小組成員，國(guó)際水文科協(xié)（IAHS）國(guó)際地下水委員會(huì)主席（2009-2013）。榮譽(yù)包括美國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)Fellow、美國(guó)地下水協(xié)會(huì)1998年度、John Hem杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)獲得者、《紐約時(shí)報(bào)》中國(guó)環(huán)境與水問(wèn)題專(zhuān)家、美國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)2009年度Birdsall-Dreiss杰出講席獎(jiǎng)獲得者等。
Gordon D. Bennett，當(dāng)前國(guó)際水文地質(zhì)界知名學(xué)者。于1959年獲美國(guó)圣母大學(xué)地質(zhì)學(xué)學(xué)士學(xué)位，1961年獲賓夕法尼亞州立大學(xué)地質(zhì)學(xué)碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)榈叵滤腥苜|(zhì)遷移模擬，及模型技術(shù)在復(fù)雜地下水系統(tǒng)分析、廢物場(chǎng)地修復(fù)、地下水資源規(guī)劃與管理中的應(yīng)用。其著作涉及地球物理測(cè)井、水井水力學(xué)、模擬技術(shù)、淡水／成水相互作用以及區(qū)域水文問(wèn)題。因其在水文地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，Gordon D. Bennett獲得了許多榮譽(yù)，包括美國(guó)地下水協(xié)會(huì)頒發(fā)的John Hem獎(jiǎng)（1998年）、美國(guó)內(nèi)務(wù)部頒發(fā)的杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)（1986年）、美國(guó)地質(zhì)協(xié)會(huì)頒發(fā)的O. E. Meinzer獎(jiǎng)（1981年）。
第1章 緒論
1.1 溶質(zhì)遷移及模擬的作用
1.2 歷程回顧
1.2.1 1960年以前
1.2.2 1960年以后
1.3 本書(shū)簡(jiǎn)介
1.4 關(guān)于計(jì)算軟件
第一篇 概念與技術(shù)
第2章 達(dá)西定律與對(duì)流遷移
2.1 粒子平均速度與運(yùn)移時(shí)間
2.2 廣義達(dá)西定律與地下水流方程
2.3 對(duì)流遷移
2.3.1 質(zhì)量守恒定律與求解對(duì)流遷移的歐拉法
2.3.2 求解對(duì)流遷移的粒子追蹤法
深入閱讀與思考題
第3章 彌散遷移與質(zhì)量傳輸
3.1 引言
3.2 微觀彌散過(guò)程
3.2.1 水動(dòng)力彌散機(jī)制
3.2.2 彌散遷移與分子擴(kuò)散的類(lèi)比
3.2.3 二維彌散通量與彌散系數(shù)
3.2.4 三維彌散通量與彌散系數(shù)
3.2.5 溶質(zhì)遷移計(jì)算中的孔隙度
3.3 宏觀彌散
3.4 建立對(duì)流-彌散方程
3.5 對(duì)流-擴(kuò)散系統(tǒng)
深入閱讀與思考題
第4章 化學(xué)反應(yīng)與遷移
4.1 引言
4.2 平衡吸附
4.2.1 吸附等溫線及遷移方程中的吸附項(xiàng)
4.2.2 有機(jī)化合物的吸附
4.2.3 離子交換
4.3 吸附動(dòng)力學(xué)
4.4 一級(jí)不可逆反應(yīng)
4.5 莫諾動(dòng)力學(xué)反應(yīng)
4.6 多組分動(dòng)力學(xué)反應(yīng)
4.6.1 快速反應(yīng)
4.6.2 多元莫諾動(dòng)力學(xué)反應(yīng)
4.6.3 一級(jí)母-子連鎖反應(yīng)
4.7 雙域系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)
深入閱讀與思考題
第5章 數(shù)學(xué)模型及其解析解
5.1 溶質(zhì)遷移的數(shù)學(xué)模型
5.1.1 控制方程
5.1.2 初始條件
5.1.3 邊界條件
5.1.4 數(shù)學(xué)模型的解
5.2 解析解
深人閱讀與思考題
第6章 對(duì)流遷移模擬
6.1 引言
6.2 粒子追蹤法
6.2.1 速度插值
6.2.2 追蹤方案
6.2.3 空間離散的影響
6.3 捕獲帶刻畫(huà)
6.3.1 二維穩(wěn)定流
6.3.2 三維穩(wěn)定流
6.3.3 非穩(wěn)定流
6.4 運(yùn)移時(shí)間的估算
6.4.1 污染物到達(dá)／穿透分布
6.4.2 清理時(shí)間
6.4.3 居留時(shí)間及地球化學(xué)演變
6.5 常用粒子追蹤法計(jì)算程序
深入閱讀與思考題
第7章 對(duì)流-彌散遷移模擬
7.1 引言
7.2 歐拉法
7.2.1 有限差分法
7.2.2 有限元法
7.2.3 有限元法與有限差分法的比較
7.3 拉格朗日法
7.4 混合歐拉-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 常用歐拉-拉格朗日法程序
7.5 總變差減�。═VD）法
深入閱讀與思考題
第8章 非平衡過(guò)程和化學(xué)遷移的模擬
8.1 引言
8.2 非平衡吸附
8.3 雙域質(zhì)量傳輸
8.4 多組分動(dòng)力學(xué)反應(yīng)
8.4.1 聯(lián)立求解法
8.4.2 算子分離法
8.5 遷移與地球化學(xué)耦合模擬
8.6 常用化學(xué)遷移計(jì)算程序
8.7 實(shí)例：自然稀化的模擬
8.7.1 場(chǎng)地描述
8.7.2 模擬方法
8.7.3 數(shù)值模型
8.7.4 結(jié)果討論
深入閱讀與思考題
第二篇 野外應(yīng)用
第9章 模型應(yīng)用的框架
9.1 模型應(yīng)用的過(guò)程
9.2 確定目標(biāo)
9.3 資料收集及概念模型的建立
9.4 計(jì)算程序的選擇
9.5 建立污染物遷移模型
9.6 模型校準(zhǔn)和敏感性分析
9.7 預(yù)測(cè)和不確定性
9.8 成功應(yīng)用模型的關(guān)鍵
深入閱讀與思考題
第10章 建立污染物遷移模型
10.1 起步工作
10.1.1 目前對(duì)水流系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)
10.1.2 模型的維度
10.1.3 模擬的范圍
10.2 空間離散¨
10.2.1 水平節(jié)點(diǎn)間距
10.2.2 垂向離散
10.3 時(shí)間離散
10.4 初始條件
10.5 邊界條件
10.5.1 指定濃度條件的使用
10.5.2 指定質(zhì)量通量條件的使用
10.5.3 水流模型邊界條件對(duì)溶質(zhì)遷移的影響
10.5.4 水流與遷移邊界條件的比較
10.5.5 水流與遷移模型的尺度效應(yīng)
10.6 源和匯
10.6.1 源和匯的類(lèi)型
10.6.2 源和匯的濃度
10.7 數(shù)據(jù)管理
10.7.1 預(yù)處理和后處理
10.7.2 地理信息系統(tǒng)（GIS）
深入閱讀與思考題
第11章 模型的輸入?yún)?shù)
11.1 遷移模擬需要的數(shù)據(jù)
11.2 水流參數(shù)
11.2.1 滲透系數(shù)
11.2.2 儲(chǔ)水系數(shù)與給水度
11.3 溶質(zhì)遷移參數(shù)
11.3.1 孔隙度
11.3.2 彌散度
11.4 化學(xué)參數(shù)
11.4.1 吸附常數(shù)
11.4.2 動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率
第12章 模型校準(zhǔn)與敏感分析
12.1 模型校準(zhǔn)的基本概念
12.1.1 校準(zhǔn)過(guò)程
12.1.2 校準(zhǔn)、驗(yàn)證和證實(shí)
……
第三篇 深進(jìn)課題
附錄A 達(dá)西定律與密度水流方程
附錄B 地下水流流函數(shù)的應(yīng)用
附錄C 地下不模擬軟件信息
參考文獻(xiàn)
索引
溶質(zhì)遷移模擬確實(shí)是一項(xiàng)費(fèi)力耗時(shí)的T作，在資料不足的情況下需要對(duì)相關(guān)作用過(guò)程及參數(shù)做出假定。但是溶質(zhì)遷移問(wèn)題的求解通常更為費(fèi)力耗時(shí)，每次試算都包含假定條件；在計(jì)算一個(gè)或兩個(gè)遷移過(guò)程時(shí)，實(shí)際上對(duì)所涉及的其他相關(guān)條件已進(jìn)行了隱性的假定。
計(jì)算也同樣是不能避免的。人們常常提出定量的溶質(zhì)遷移問(wèn)題。例如：某一點(diǎn)溶質(zhì)的最終濃度是多少，某點(diǎn)的濃度在何時(shí)達(dá)到某一指定水平，治理方案能否在預(yù)定時(shí)間達(dá)到預(yù)期的濃度降低目標(biāo)；又比如，重現(xiàn)某污染事件，并估計(jì)人群暴露于某污染物的濃度水平及時(shí)問(wèn)。定性研究不能解決這些問(wèn)題；只有通過(guò)計(jì)算才能夠獲得有意義的答案。在一些情況下，即便只要求定性的解，也需要通過(guò)計(jì)算認(rèn)識(shí)遷移系統(tǒng)后，才能給出答案；模擬是最有現(xiàn)實(shí)意義的計(jì)算方法。正是因?yàn)橐陨线@些原因，我們贊同Bredehoeft和Hall（1995）的評(píng)論“我們無(wú)法理解那些很少進(jìn)行模擬的顧問(wèn)專(zhuān)家”。
溶質(zhì)遷移問(wèn)題的復(fù)雜性轉(zhuǎn)化為分析過(guò)程中的不確定性，并最終傳播到計(jì)算結(jié)果。描述主要過(guò)程的參數(shù)往往具有不確定性；在某些情況下這些主要過(guò)程本身，其相對(duì)重要性或數(shù)學(xué)公式化過(guò)程也包含不確定性。這些不確定性時(shí)常也被作為避開(kāi)模擬工作的理由；但實(shí)際上模擬是認(rèn)識(shí)這些難題的唯一現(xiàn)實(shí)手段。為了認(rèn)識(shí)不同作用過(guò)程相對(duì)重要程度的不確定性，可以選擇性地逐一弱化或排除這些作用過(guò)程，并在試模擬中比較計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)值。基于模擬的參數(shù)估計(jì)技術(shù)可以最為有效地控制參數(shù)的不確定性；不確定性對(duì)計(jì)算結(jié)果及工程決策的影響可以通過(guò)參數(shù)不確定范圍內(nèi)的一系列模擬結(jié)果來(lái)認(rèn)識(shí)。
模擬工作最主要的作用不是進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，而在于更深入地認(rèn)識(shí)調(diào)查過(guò)程。在理想情況下，溶質(zhì)遷移研究應(yīng)該被看做是識(shí)別各類(lèi)主要作用過(guò)程的持續(xù)努力，并最終在概念模型中全面反映這些作用及其相互影響。模擬為定量表示概念模型提供了一個(gè)平臺(tái)，由此可以檢驗(yàn)假說(shuō)是否與理論及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。在遷移的調(diào)查研究中，我們發(fā)現(xiàn)化學(xué)數(shù)據(jù)能指示水流狀況，地質(zhì)信息能揭示主要化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)因，而水力數(shù)據(jù)能反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)的線索。只有通過(guò)模擬才能把這些主要作用相結(jié)合，才能充分評(píng)價(jià)這些解釋是否合理。最后需要指出，溶質(zhì)遷移課題涉及的專(zhuān)業(yè)技能需要許多具有不同背景知識(shí)的人員。模擬提供了一個(gè)定量的框架全面而集中地發(fā)揮這些專(zhuān)長(zhǎng)，但是應(yīng)確保不同學(xué)科的概念與解釋協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
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