多孔介質(zhì)非均勻流動(dòng)顯色示蹤技術(shù)與模擬方法

前言

研究多孔介質(zhì)的非飽和帶（vadose zone）中水流及溶質(zhì)運(yùn)移是為了保持農(nóng)業(yè)、自然資源（土壤和水等）和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展必須進(jìn)行的重要課題。非飽和土壤是保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，維持和改善森林、草原系統(tǒng)質(zhì)量的基礎(chǔ)。但同時(shí)，許多污染物經(jīng)過(guò)非飽和土壤運(yùn)移到達(dá)地下水而造成難以治理的污染，如地下水中化肥和農(nóng)藥的污染，還發(fā)現(xiàn)放射性元素、重油和高分子化合物經(jīng)過(guò)土壤運(yùn)移到100～200m以下的地下水中。非飽和土壤中水流及溶質(zhì)（肥料或污染物）運(yùn)移問(wèn)題是國(guó)際土壤水文學(xué)界近年來(lái)最熱門(mén)的研究課題之一。在2001年，美國(guó)能源部提出了一份“非飽和帶科學(xué)和技術(shù)的國(guó)家路線圖”草案，這份草案目前正在美國(guó)的科學(xué)家、決策者和基金組織中進(jìn)行討論和修改。2002年美國(guó)土壤科學(xué)學(xué)會(huì)創(chuàng)辦了《非飽和帶雜志》（Vadose Zone Jourhal），專(zhuān)門(mén)出版非飽和多孔介質(zhì)和裂隙介質(zhì)中水流及溶質(zhì)運(yùn)移方面的研究成果，發(fā)表了許多具有影響力的論文。由于多孔介質(zhì)高度的空間變異性和各向異性，非飽和帶中水流及溶質(zhì)運(yùn)移的研究十分具有挑戰(zhàn)性。這些挑戰(zhàn)性表現(xiàn)在流體運(yùn)動(dòng)的尺度效應(yīng)、各向異性和高度非線性?？臻g變異性和流體運(yùn)動(dòng)的非線性的結(jié)合導(dǎo)致不均勻的流體運(yùn)動(dòng)途徑，形成指狀流。其實(shí)，即使在均質(zhì)土壤中，流體運(yùn)動(dòng)的非線性（或非穩(wěn)定性）也會(huì)導(dǎo)致指狀流的出現(xiàn)。結(jié)果是，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室尺度和均質(zhì)土壤的假定建立起來(lái)的、傳統(tǒng)的連續(xù)性模型不能很好地預(yù)測(cè)非飽和的流體運(yùn)移規(guī)律，特別是不能預(yù)測(cè)非飽和系統(tǒng)中快速的指狀流，而快速指狀流對(duì)環(huán)境問(wèn)題的研究具有特別重要的意義。為了解決以上問(wèn)題，世界各國(guó)的科學(xué)工作者把注意力集中到建立多孔介質(zhì)非飽和帶中水流及溶質(zhì)運(yùn)移的新一代理論和方法上。

內(nèi)容概要

本書(shū)為作者所主持和主要參加的多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目研究成果的系統(tǒng)的總結(jié)和提升?！　∪珪?shū)共6章，第1章系統(tǒng)地總結(jié)和回顧了國(guó)內(nèi)外多孔介質(zhì)中流動(dòng)示蹤技術(shù)和非均勻流動(dòng)模擬方法，并對(duì)顯色技術(shù)相關(guān)理論和非均勻流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了概述；第2章分別采用基本分形、不完全分形和連續(xù)分形理論描述了多孔介質(zhì)（土壤）的孔隙結(jié)構(gòu)及水動(dòng)力參數(shù)（水分特征曲線、非飽和水力傳導(dǎo)度、擴(kuò)散系數(shù)等）；第3章論述了多孔介質(zhì)中非均勻流動(dòng)顯（染）色示蹤理論與技術(shù)、示蹤方法、數(shù)據(jù)提取及分析方法，通過(guò)多組現(xiàn)場(chǎng)（In-situ）試驗(yàn)資料分析了多孔介質(zhì)中非均勻流動(dòng)特性；第4章根據(jù)信息熵理論、多重分形理論、聚類(lèi)分析方法及環(huán)狀直方圖分析方法調(diào)查了多孔介質(zhì)中非均勻流動(dòng)模式；第5章分別采用連續(xù)性方法（基于Richards方程和對(duì)流彌散方程）和離散方法（隨機(jī)層疊模型、彌散限制聚合模型等）模擬非均勻流動(dòng)，并分析了各種方法的適用性和效果；第6章在活動(dòng)性流場(chǎng)模型本構(gòu)關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，從模型基本理論、參數(shù)確定方法及模型模擬非均勻流動(dòng)宏觀特性等方面系統(tǒng)地分析了活動(dòng)性流場(chǎng)模型?！　”緯?shū)對(duì)于土壤水非均勻流動(dòng)問(wèn)題的研究具有一定意義，可供從事土壤水動(dòng)力學(xué)、土壤水環(huán)境等方面的科研人員及大專(zhuān)院校師生參考。

書(shū)籍目錄

前言第1章　顯色示蹤方法和非均勻流動(dòng)模擬概論　1.1　染色示蹤方法概述　　1.1.1　人工示蹤劑　　1.1.2　染色示蹤劑歷史發(fā)展　　1.1.3　染色示蹤劑相關(guān)化學(xué)性質(zhì)　　1.1.4　染色劑在水文示蹤中的應(yīng)用　　1.1.5　染色示蹤劑可視化技術(shù)　　1.1.6　染色示蹤劑的環(huán)境效應(yīng)評(píng)估　1.2　圖像分析基本理論　　1.2.1　顏色模式　　1.2.2　BMP文件格式　1.3　土壤水非均勻流動(dòng)及其影響　　1.3.1　非均勻流問(wèn)題　　1.3.2　非均勻流的形成機(jī)理　　1.3.3　土壤水和溶質(zhì)非均勻遷移的影響　參考文獻(xiàn)第2章　土壤介質(zhì)和水動(dòng)力參數(shù)關(guān)系分形描述　2.1　土壤結(jié)構(gòu)的分形描述　　2.1.1　土壤孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)量　　2.1.2　孔隙結(jié)構(gòu)分形特性　2.2　基于土壤孔隙一般描述的土壤水分特征曲線模型　　2.2.1　模型推導(dǎo)　　2.2.2　模型分析　　2.2.3　模型驗(yàn)證及參數(shù)分析　2.3　基于孔隙連續(xù)性的非飽和水力傳導(dǎo)度模型　　2.3.1　多孔介質(zhì)的連續(xù)分形模型　　2.3.2　非飽和水力傳導(dǎo)度模型　　2.3.3　模型驗(yàn)證及參數(shù)分析  2.4　土壤水動(dòng)力彌散參數(shù)分形尺度模型　　2.4.1　模型建立　　2.4.2　模型驗(yàn)證和分析  參考文獻(xiàn)第3章　非均勻流動(dòng)顯色示蹤試驗(yàn)與數(shù)據(jù)信息化  3.1　顯色示蹤原理試驗(yàn)　　3.1.1　pH顯色示蹤方法  　　3.1.2　溴離子顯色示蹤方法　　3.1.3　碘離子顯色示蹤方法  3.2　非均勻流動(dòng)顯色示蹤試驗(yàn)　　3.2.1　砂土條件下土壤水運(yùn)動(dòng)染色示蹤試驗(yàn)　　3.2.2　壤土條件下非均勻水流運(yùn)動(dòng)及溶質(zhì)遷移顯色示蹤試驗(yàn)　　3.2.3　黏土土質(zhì)不同尺度及邊界影響條件下非均勻流動(dòng)顯色示蹤試驗(yàn)  3.3　顯色圖像信息化　　3.3.1　圖像標(biāo)準(zhǔn)化　　3.3.2　表面分形　　3.3.3　流動(dòng)模式臨界值算法　　3.3.4　濃度顏色關(guān)系  3.4　土壤水和溶質(zhì)非均勻遷移性質(zhì)　　3.4.1　入滲模式分析　　3.4.2　非均勻水流運(yùn)動(dòng)及溶質(zhì)遷移特性　　3.4.3　局部非均勻流動(dòng)特性　　3.4.4　水流非均勻運(yùn)動(dòng)尺度特性　　3.4.5　非均勻入滲條件下溶質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和分布規(guī)律　3.5　利用顯色示蹤方法調(diào)查微噴系統(tǒng)灌水效率　　3.5.1　田間試驗(yàn)　　3.5.2　微灌系統(tǒng)灌水效率　參考文獻(xiàn)第4章　土壤水和溶質(zhì)遷移非均勻性描述　4.1　土壤水和溶質(zhì)遷移非均勻流動(dòng)信息度量……第5章　非均勻流動(dòng)模擬理論與方法第6章　活動(dòng)性流場(chǎng)模型模擬非均勻水流及溶質(zhì)遷移附錄　BMP圖像分析程序（Fortran）

章節(jié)摘錄

插圖：1.1 染色示蹤方法概述一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，染色示蹤方法取得了很大的發(fā)展，不僅能夠示蹤水文循環(huán)過(guò)程，還能示蹤地下水流動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程。地下水的污染主要源于非飽和帶的污染，如土壤表面施加的化肥、人類(lèi)活動(dòng)不慎溢出的有毒化合物，以及垃圾填埋場(chǎng)滲出的污染物質(zhì)等，這些物質(zhì)進(jìn)入非飽和帶并最終污染地下水資源。示蹤劑在化學(xué)、物理及生物系統(tǒng)的試驗(yàn)研究中起到了不可忽視的作用。對(duì)于研究系統(tǒng)中某一無(wú)法或者難于直接采用試驗(yàn)方法測(cè)定，而通過(guò)示蹤劑則可以較為容易地測(cè)定其運(yùn)動(dòng)遷移情況的對(duì)象，通過(guò)建立這種研究對(duì)象和示蹤劑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可通過(guò)示蹤劑對(duì)研究系統(tǒng)進(jìn)行研究。目前已有很多不同種類(lèi)的示蹤劑投入使用，包括化學(xué)物質(zhì)、固體微粒甚至能量（如溫度）等。在水文學(xué)領(lǐng)域特別是在地下水文學(xué)領(lǐng)域，示蹤劑對(duì)于了解水文循環(huán)和地下水流動(dòng)與溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程起了非常大的作用。常用的示蹤劑主要用于確定流線、流速和水動(dòng)力彌散系數(shù)等方面。而由于較易識(shí)別（可視化）和量化（化學(xué)分析），在諸多示蹤劑中，染色示蹤劑是使用最為廣泛的一種。 非飽和帶位于土壤表面和地下水位之間，對(duì)于保護(hù)地下水資源免受污染起到了極大的作用?？梢哉f(shuō)非飽和帶是地下水系統(tǒng)的一個(gè)天然過(guò)濾器，能對(duì)化學(xué)生物污染物進(jìn)行有效的過(guò)濾。而大面積的地下水污染也正揭示了這層過(guò)濾器的脆弱性，如化肥、垃圾填埋場(chǎng)的垃圾及其他有毒化合物都可以透過(guò)非飽和帶滲入地下水中從而產(chǎn)生污染。染色劑則是了解其流動(dòng)路徑和傳播機(jī)制的有利工具，由此能有效地管理和保護(hù)地下水資源。

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