地下水污染物遷移模擬

前言

《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，該法在許多問題中顯示出其優(yōu)點(diǎn)。最后，我們新加一章描述非平衡過程和多組分動(dòng)力學(xué)反應(yīng)問題及其求解策略，并提供一個(gè)研究例子說明自然稀化和生物降解過程。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。與本書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)際問題相聯(lián)系的課程項(xiàng)目。

內(nèi)容概要

現(xiàn)今，地下水科學(xué)與工程領(lǐng)域的問題需要諸多專業(yè)合作解決，如地質(zhì)學(xué)、水力學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)以及生命科學(xué)。同時(shí)，隨著各學(xué)科的分支學(xué)科不斷涌現(xiàn)，并且每個(gè)分支學(xué)科向著日益復(fù)雜化和定量化發(fā)展，充分融合各學(xué)科的基本理念構(gòu)建整體認(rèn)知變得愈加困難。遷移模擬方法應(yīng)運(yùn)而生，并不斷更新以應(yīng)對(duì)此難題，為綜合不同來源的大量野外實(shí)際資料，以及認(rèn)識(shí)各種物理、化學(xué)及生物過程搭建了平臺(tái)。    《地下水污染物遷移模擬》一書涵蓋各個(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)際問題遷移模型的詳細(xì)步驟。    第二版在第一版的基礎(chǔ)上增添了污染物遷移理論與技術(shù)的最新進(jìn)展，包括：含水層非均質(zhì)性對(duì)溶質(zhì)遷移的影響；可替代傳統(tǒng)對(duì)流-彌散模型的雙域質(zhì)量傳輸法；在討論化學(xué)遷移的部分增加了一些化學(xué)過程與反應(yīng)；在求解技術(shù)中加入了TVD(總變差減小)法；全新的第三篇，其中前兩章分別討論密度與飽和度變化條件下的地下水運(yùn)動(dòng)與溶質(zhì)遷移模擬，第三章討論模擬一優(yōu)化方法在地下水修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。    《地下水污染物遷移模擬(第二版)》是水文地質(zhì)、環(huán)境工程和相關(guān)領(lǐng)域工作人員以及研究生的最佳參考著作之一。1998年，因本書第一版的成就，作者榮獲美國(guó)地下水協(xié)會(huì)John Hem杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

作者簡(jiǎn)介

作者：鄭春苗 (美國(guó))貝聶特(Gordon D.Benneff) 譯者：孫晉玉 盧國(guó)平鄭春苗（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）。撰寫專著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)境與水問題專家、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）。

書籍目錄

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)流一彌散方程  3.5  對(duì)流一擴(kuò)散系統(tǒng)  深入閱讀與思考題第4章  化學(xué)反應(yīng)與遷移第5章  數(shù)學(xué)模型及其解析題第6章  對(duì)流遷移模擬第7章  對(duì)流-彌散遷移模擬第8章  非平衡過程和化學(xué)遷移的模擬    第二篇  野外應(yīng)用第9章  模型應(yīng)用的框架第10章  建立污染物遷移模型第11章  模型的輸入?yún)?shù)第12章  模型校準(zhǔn)與敏感分析第13章  不確定性的處理第14章  污染遷移模擬：實(shí)例    第三篇  深進(jìn)課題第15章  變密度條件下的水流與遷移模擬第16章  包氣帶水流與遷移模擬第17章  地下水質(zhì)量?jī)?yōu)化管理附錄A  達(dá)西定律與變密度水流方程附錄B  地下水流流函數(shù)的應(yīng)用附錄C  地下水模擬軟件信息參考文獻(xiàn)索引

章節(jié)摘錄

插圖：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)作用過程及參數(shù)做出假定。但是溶質(zhì)遷移問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。定性研究不能解決這些問題；只有通過計(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“我們無法理解那些很少進(jìn)行模擬的顧問專家”。溶質(zhì)遷移問題的復(fù)雜性轉(zhuǎn)化為分析過程中的不確定性，并最終傳播到計(jì)算結(jié)果。描述主要過程的參數(shù)往往具有不確定性；在某些情況下這些主要過程本身，其相對(duì)重要性或數(shù)學(xué)公式化過程也包含不確定性。這些不確定性時(shí)常也被作為避開模擬工作的理由；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程，并在試模擬中比較計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)值?；谀M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參數(shù)不確定范圍內(nèi)的一系列模擬結(jié)果來認(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)別各類主要作用過程的持續(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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《地下水污染物遷移模擬(第2版)》地下水名著譯叢。污染物遷移模擬權(quán)威力著中文版隆重發(fā)行。

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