Infiltration Theory for Hydrologic Applications pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Amer Geophysical Union

作者:Smith, Roger Elton (EDT)/ Smettem, Keith R. J./ Broadbridge, Philip/ Smith, Roger Elton

出品人:

页数:212

译者:

出版时间:

价格:39

装帧:Pap

isbn号码:9780875903194

丛书系列:

图书标签:

• Hydrology
• Infiltration
• Hydrologic Modeling
• Water Resources
• Soil Physics
• Groundwater
• Runoff
• Climate Change
• Water Management
• Environmental Science

《湍流动力学与地下水相互作用：跨尺度过程的精细化模拟》 第一部分：理论基础与模型构建 本书深入探讨了地表水文过程与地下水系统之间复杂的、跨尺度的相互作用，重点聚焦于湍流动力学在描述这些相互作用中的关键作用。在传统的水文模型中，往往将地表与地下水的耦合视为一个相对线性的过程，然而，在强烈的地表-地下水交换区域，如河岸带、洪泛平原和喀斯特地区，湍流效应和非线性动力学占据主导地位。 第一章：湍流输运的微观机制 本章首先回顾了经典流体力学中对湍流的理解，从雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程出发，阐述了紊流粘性、涡流结构及其能量级串。我们将重点分析地表水体中由地形起伏、水面波浪和河床粗糙度引起的脉动速度场。通过高分辨率的粒子图像测速（PIV）数据，揭示了水-土界面附近的湍流边界层结构，特别是在渗透性边界处，湍流对溶质和热量向上渗透的影响。深入讨论了湍动能（TKE）的产生、传输和耗散机制，这些机制直接决定了地表水污染物向下渗入地下水的速率和空间分布。 第二章：非饱和带的多相流与界面现象 水文过程的复杂性往往体现在土壤介质中的多相流，特别是气-水-土三相的相互作用。本章构建了描述非饱和带水分传输的修正广义达西定律，并引入了毛细管滞后和土壤结构孔隙度对有效扩散系数的影响。核心内容是分析地表水快速入渗过程中，由于压力梯度急剧变化导致的“湿润锋”传播动力学。我们将详细考察气穴现象（Air Entrapment）在快速入渗时对水流路径和时间的显著影响，以及如何通过引入界面张力和接触角效应，精确模拟水-气-土界面的动态变化。 第三部分：耦合模型的数学框架 本书提出了一套新的耦合框架，它超越了简单的双孔隙模型，旨在捕捉地表湍流对地下水补给的瞬时响应。 第三章：地表-地下水耦合的非线性偏微分方程组 我们建立了基于能量守恒和质量守恒的完整偏微分方程组。地表流部分采用浅水方程（Saint-Venant Equations），并引入了基于湍流剪切应力的底床摩阻项。地下水部分则采用修正的Boussinesq方程，其中渗透系数不再是常数，而是地表水文条件和地下水水位的函数。关键在于如何处理地表和地下水之间的动态交换项（Q_exchange）。该交换项通过一个考虑了水力梯度和界面孔隙有效性的非线性函数来表示，从而避免了传统模型中常见的流量不连续性问题。 第四章：数值求解策略与尺度效应 由于方程组的高度非线性，本章详细阐述了采用有限元/有限体积混合方法的数值求解技术。重点讨论了如何处理多尺度问题，即地表湍流变化的微秒级时间尺度与地下水径流的日/月尺度之间的耦合。我们采用了自适应时间步长技术，确保在强烈的入渗事件中保持解的稳定性，并在稳态条件下使用更长的时间步长以提高计算效率。此外，对不同尺度下的参数化方法进行了批判性评估，特别是对于区域尺度水文响应，如何有效地将局部湍流特征进行空间平均和有效化处理。 第二部分：应用案例与敏感性分析 第三章：河岸带的快速交换过程模拟 本章选取了典型的大型河流蜿蜒段作为研究对象，利用三维数值模型模拟了河流水位周期性涨落过程中，河岸带沉积物孔隙水中的污染物迁移。我们重点关注了氧化还原前沿（Redox Front）的动态变化，湍流引起的冲刷和沉积作用如何改变了沉积物的垂直异质性，进而影响了有机碳的降解速率和营养盐的释放。通过敏感性分析，量化了河床渗透率的微小变化（例如，由生物扰动引起的孔隙度变化）对地下水水质的长期影响。 第四章：喀斯特水文系统中的快速响应 喀斯特地区由于其高度发育的裂隙和溶洞网络，对地表降雨的响应速度极快，且极易受污染。本章将湍流动力学模型应用于喀斯特集水区。我们假设在主要溶洞通道内水流状态接近完全湍流，而在基质岩中则遵循扩散模型。通过建立一个分层的双重孔隙度模型，并利用示踪实验数据进行校正，我们成功模拟了短历时暴雨事件后，地表污染物在数小时内传输至深层地下水含水层的情况。模拟结果强调了在喀斯特地区进行预警模型的建立时，必须将地表湍流导致的瞬态对流过程纳入考虑。 第五章：模型验证与不确定性评估 为了确保模型的可靠性，本章引入了多源观测数据进行验证，包括长期水位监测数据、稳定同位素示踪剂数据以及高频的流速剖面数据。我们采用了贝叶斯方法对模型参数进行了校准，并重点分析了模型中对湍流耗散率和界面传热系数的敏感性。最终，通过蒙特卡洛模拟，量化了模型预测结果的置信区间，为实际水资源管理和环境风险评估提供了科学依据。 结论与展望 本书强调，要准确理解和预测现代水文系统的响应，必须从根本上认识到湍流在能量和质量交换中的核心驱动力作用。未来的研究方向应侧重于开发更具鲁棒性的、能够处理超临界流和复杂多相界面流的数值技术，并将机器学习方法融入到湍流参数的实时反演中。

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