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)含水層海水入侵數(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)模型的研究進展與趨勢 7
1.5.1 孔隙介質(zhì)滲流研究進展 8
1.5.2 單裂隙滲流研究進展 11
1.5.3 裂隙系統(tǒng)滲流研究進展 11
1.5.4 巖溶介質(zhì)滲流研究進展 14
1.5.5 多孔介質(zhì)滲流與應(yīng)力耦合研究進展 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 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 24
2.1.1 多介質(zhì)遷移與轉(zhuǎn)化特點 25
2.1.2 多界面遷移的非線性特點 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、測壓高度、位置高度、測壓水頭及總水頭 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——達西定律 60
3.2.1 達西定律原著 60
3.2.2 達西試驗數(shù)據(jù)分析(Glenn Brown November 19 1999) 65
3.2.3 達西實驗及其公式 69
3.2.4 變水頭砂柱滲流試驗 73
3.2.5 達西實驗定律的適用范闈 75
3.2.6 達西第二定律 75
3.3 達西定律的擴展 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 達西定律在幽一液兩相流問題的擴展 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)用達西定律計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動方程 100
3.7.2 均質(zhì)變厚度承壓含水層中地下水水流運動方程 101
3.7.3 非均質(zhì)等厚度承壓含水層巾地卜-水水流運動方程 104
3.7.4 承壓復(fù)雜含水層中地下水水流運動方程 110
3.8 應(yīng)用達西定律計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)顆粒運動的滲流方程 139
4.5 飽和多孔介質(zhì)滲流方程的擴展 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 毛細管壓力和測壓水頭 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)巾濕潤相流體滲流方程 201
5.2.10 變飽和多孔介質(zhì)中非濕潤相氣體的運動方程 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 對流作用 215
6.2.2 污染物擴散的費克定律 216
6.2.3 分了擴散作用 218
6.2.4 機械彌散作用 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 250
6.5.2 發(fā)生在液體相中的源或匯項 251
6.5.3 存在點源污染時的點源或匯項 268
6.5.4 多孔介質(zhì)中的非移動水效應(yīng) 269
6.5.5 固-液相互作用發(fā)生鏈?zhǔn)剿�減時的多孔介質(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�本定�?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 運動坐標(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行地溫場模擬 346
8.6.5 大型地源熱泵系統(tǒng)中長期運行地溫場模擬 350
8.6.6 結(jié)論 354
習(xí)題 356
第9章 濱海地區(qū)含水層海水入侵數(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)含水層海水入侵數(shù)學(xué)模型的有限元FORTRAN計算機源程序 369
9.4.1 濱海地區(qū)含水層剖而二維海水入侵數(shù)學(xué)模 議的有限元FORTRAN計算機源程序（在MATLAB平臺上運行） 369
9.4.2 濱海地區(qū)含水層、平面二維海水入侵數(shù)學(xué)模型的有限元FORTRAN計算機源程序（在MATLAB平臺上運行） 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計算機源程序 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計算機源程序 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計算機源程序 446
主要參考文獻 454