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页数:357

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出版时间:2009-5

价格:39.00元

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isbn号码:9787508455389

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• 水资源
• 水利工程
• 工程学
• 水文
• 水力学
• 水资源管理
• 水土保持
• 环境工程
• 灌溉排水
• 河流工程

地下水动力学：理论、应用与前沿 本书导读： 在地球科学的宏大叙事中，水是驱动地质过程、塑造地表形态、并支撑生命延续的核心要素。而隐藏在地表之下，广袤而神秘的地下水系统，构成了全球淡水资源储量的主要部分。本书《地下水动力学：理论、应用与前沿》，旨在系统而深入地剖析控制地下水运动、储存和质量迁移的基本物理和数学原理，并将其应用于解决现代水资源管理、环境工程以及地球科学领域中最为紧迫的挑战。 本书的编写历程，植根于数十年来在多孔介质流体力学、水文地质学和环境工程领域积累的教学与科研经验。我们深知，理解地下水行为的复杂性，需要跨越经典流体力学、渗流理论和微分方程的藩篱，将理论模型与实际观测数据进行有机结合。因此，本书的结构设计力求清晰、逻辑严密，既能满足初学者的基础认知需求，也为专业研究人员提供深入探索的工具箱。 --- 第一部分：基础理论与物理机制 本部分着重构建理解地下水动力学的理论基石。我们从多孔介质的宏观描述出发，探究水在岩石孔隙网络中的微观行为。 第一章：多孔介质的描述与流体性质 本章首先界定何为多孔介质，详细阐述其关键几何参数，如孔隙度、渗透率张量、比表面积以及孔隙结构特征（如连通性和形状因子）。对这些参数的精确量化是后续所有模型构建的基础。随后，深入探讨流体自身的物理特性，包括水的粘滞性、密度随温度和压力的变化，以及气液固三相共存体系下的表面张力与毛管力学，这是理解非饱和带水流过程的关键。 第二章：宏观渗流定律的建立 这是全书的核心理论章节。本章从达西定律的实验观察出发，追溯其物理根源——牛顿第二定律在微观尺度上对粘滞流动的积分效应。我们将详尽分析达西定律的适用范围、各向异性、以及在不同尺度下的有效渗透率概念。在此基础上，引入傅科定律（Fick's Law）和能量守恒原理，为后续的溶质迁移和热力学过程奠定基础。特别地，本章会详细辨析达西流速与实际孔隙流速之间的区别，强调宏观平均的意义。 第三章：地下水流动的控制方程 本章的核心任务是将物理定律转化为可求解的数学模型。我们推导了不同条件下的连续性方程（质量守恒方程），包括定常流、非定常流、以及包含源汇项（如人工补给与开采）的情况。重点讨论了地下水流动的“主方程”——地下水流偏微分方程。本章还将介绍伯努利广义原理在地下水系统中的应用，特别是对压强水头、势能水头和重力水头的精确定义和相互转换。 第四章：非饱和带水流与土壤水分特征 地下水系统并非孤立存在，其上界——非饱和带的动力学过程，直接影响着补给量和地表水与地下水的相互作用。本章深入研究土壤水分特征曲线（Suction Curve）和相对渗透率曲线的建立与应用。重点讨论基于 Richards 方程的非饱和区水流模拟，分析毛管力在控制土壤水分张力梯度中的核心作用，并讨论植物蒸腾作用（Evapotranspiration）对地下水补给的影响机制。 --- 第二部分：分析方法与数值模拟 理论模型需要有效的求解工具。本部分将介绍解决复杂地下水问题的经典解析方法和现代数值技术。 第五章：解析解法与简化模型 对于许多二维和简化三维的恒定流问题，解析解仍然是理解系统响应、校核数值模型和进行快速估算的重要手段。本章系统回顾了共轭函数法、分离变量法在求解均匀介质中简单边界条件下的稳态流动问题。重点讨论了渗透边界、截断边界对水头分布的影响。此外，本章还将介绍瞬态问题的拉普拉斯变换法在特定情况下的应用。 第六章：有限差分法与数值求解基础 在实际工程中，地下水流场往往具有复杂的几何边界和非均质的介质参数，解析方法难以奏效。本章引入有限差分法（FDM）作为数值模拟的起点。详细阐述如何对地下水流方程进行空间离散化和时间离散化，讨论显式、隐式和半隐式时间步进方案的稳定性和精度。本章通过具体的二维流场问题实例，指导读者构建第一个基础的数值模型。 第七章：有限元法与现代地质建模 有限元法（FEM）因其处理复杂几何边界和不规则网格的优势，成为现代水文地质建模的主流方法。本章深入讲解加权残量法、伽辽金（Galerkin）方法的原理，以及形函数在求解区域内的近似作用。重点阐述如何将非均质性、各向异性以及不同尺度的参数变化融入到有限元矩阵的构建中。 第八章：参数识别与模型校准 任何数值模型都是对真实系统的简化。模型参数（如渗透率、储水系数）的准确性直接决定了预测结果的可信度。本章系统介绍参数识别的理论与实践。详细论述基于最小二乘法的反演技术，讨论灵敏度分析的重要性，以及如何利用自动校准软件将历史观测数据（水位、流量）与模型输出进行迭代拟合，从而优化模型参数。 --- 第三部分：溶质与热量迁移 地下水不仅是水的载体，也是污染物和热量的传输介质。本部分聚焦于物质迁移的动力学过程。 第九章：地下水中的溶质对流-弥散理论 溶质在地下水中的传输过程由两个主要机制控制：对流（随水流的整体移动）和弥散（由于流速差异和分子扩散造成的空间展布）。本章详细推导和分析了对流-弥散方程（ADE），重点解析了纵向弥散系数和横向弥散系数的物理意义及其与流速的关系。本章还将介绍溶质在不同介质中的吸附（Sorption）过程，包括线性吸附、Langmuir和Freundlich等非线性模型的应用。 第十章：反应性迁移与多过程耦合 现实环境中的污染物通常会发生化学反应，如水解、氧化还原反应、生物降解等。本章将反应动力学方程嵌入到对流-弥散方程中，形成反应性迁移模型。讨论如何模拟放射性核素衰变、有机污染物降解等复杂过程。此外，本章也简要介绍了热量在地下水系统中的传输机制及其对渗流场的影响（热力耦合效应）。 第十一章：多相流与污染迁移 在油品泄漏或高饱和度废物处置场等场景中，需要考虑油、水、气三相共存的流动问题。本章介绍多相流的基础，包括相对渗透率的概念以及三相流动的控制方程。重点分析非饱和/非均质介质中污染物（如非水相液体 NAPL）的迁移、扩散和相态转化过程，这是环境修复工程中的核心挑战。 --- 第四部分：工程应用与前沿研究 本部分将前述理论应用于实际的水资源管理和环境工程问题，并展望学科的发展方向。 第十二章：含水层测试与渗透率评价 含水层测试是获取地下水系统关键参数（导水系数、储水系数、渗透率）最直接的手段。本章系统介绍不同类型的抽水试验，包括稳定流抽水试验、瞬态抽水试验（如 Theis 曲线法、Jacob 修正法）。详细讨论瞬态解在有限导水层、弱透水层（Leakage）和边界效应下的修正方法，并介绍瞬时定降法等先进测试技术。 第十三章：区域地下水资源评估与数值模拟 本章以区域尺度为例，展示如何整合地质图件、遥感数据和水文观测，构建大型地下水流动数值模型。重点讨论模型的边界条件设定、水文平衡分析（水量收支）、以及如何利用模拟结果进行可持续开采量的计算与优化。将结合具体流域案例，演示如何预测气候变化和土地利用变化对区域地下水储量和水质的长期影响。 第十四章：环境修复与污染物羽流预测 本章专注于污染场地修复中的应用。详细介绍如何利用溶质迁移模型（如 MODFLOW-MT3DUS 或 MT3DMS）预测污染物羽流的形态、迁移速率和未来到达敏感目标点的时间。探讨主动修复技术（如泵送-处理）和被动修复技术（如自然衰减、生物增强）的机理，并通过模型来评估不同修复方案的长期有效性。 第十五章：前沿探索：随机水文地质学与多尺度建模 本章探讨当前地下水动力学研究的前沿方向。首先，深入讨论地下介质参数的随机性和不确定性，介绍随机场理论及其在蒙特卡洛模拟中的应用，以应对参数空间变异性带来的预测风险。其次，讨论如何处理多尺度问题，即如何将岩土尺度的微观特征（孔隙网络）与工程尺度的宏观模型进行有效耦合，提升模型的可靠性与普适性。 --- 总结： 《地下水动力学：理论、应用与前沿》不仅是一本工具书，更是一座连接基础科学与工程实践的桥梁。它力求通过严谨的数学推导、清晰的物理图像和丰富的工程案例，培养读者分析和解决复杂水文地质问题的能力。掌握本书内容，将使您能更科学地认知和管理我们赖以生存的地下水资源。

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这本书的理论深度令人咋舌，它绝非市面上那些浮于表面的“入门指南”。作者似乎将毕生的学术积累倾注其中，每一个章节的论述都建立在坚实的数学基础和物理原理之上。我花了好大力气才啃完关于“非线性水动力学”的那部分，书中对偏微分方程的推导过程细致入微，每一个步骤的逻辑衔接都天衣无缝，让人不得不佩服作者深厚的学术功底。更令人佩服的是，作者不仅限于理论的阐述，还穿插了大量的案例分析，这些案例往往选取自实际工程中的“硬骨头”，比如特大型水库的溃坝风险评估、复杂河道泥沙输运模型的修正等等，每一个案例都配有详尽的参数设定和结果验证，这使得理论知识瞬间“落地”，变得鲜活而有力量。对于我这种有一定基础的读者来说，这本书提供的知识密度已经到了需要反复研读、边做笔记边对照公式才能勉强跟上的程度，从中获得的知识增量是革命性的。

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作为一本工具书，这本书的实用性简直无懈可击。我特别关注了其中关于“洪水预报与调度”的那一节。它没有停留在传统的经验公式上，而是深入讲解了最新的遥感数据融合技术在流域尺度上的应用，以及如何利用机器学习算法来优化水库群的联合调度策略。书中提供了一整套详细的计算流程图和算法伪代码，如果能将其转化为实际的编程实现，无疑能大幅提升工作效率。我注意到书的附录部分，竟然收录了一份年代久远的、关于某特定地区地下水补给系数的历史观测数据表，这种罕见的第一手资料的加入，极大地丰富了模型的输入参数库，让原本看似冰冷的数据有了历史的厚度。这本书更像是一个经验丰富的高级工程师放在案头的“武器库”，需要时随时可以从中取出最尖锐、最有效的工具来解决实际问题，而不是空泛地讨论概念。

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这本书的包装设计简直是一场视觉的盛宴。封面那种深邃的蓝色调，让人联想到广袤无垠的海洋和河流，一下子就把我带入了一个关于水世界探索的宏大叙事中。纸张的质感也出乎意料地好，拿在手里沉甸甸的，透露着一种专业和严谨的气息。我翻开扉页时，那种油墨的清香混合着纸张特有的味道，让人感觉这不是一本简单的教科书，而是一部珍贵的典籍。尤其值得称赞的是，内页的排版布局非常讲究，字体大小适中，行间距也把握得恰到好处，即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。那些精美的插图和图表，色彩饱和度高，细节刻画得一丝不苟，让人一眼就能抓住核心概念。随便翻到一页，都能看到复杂的工程图纸被清晰、准确地呈现出来，这对于理解抽象的理论知识来说，无疑是巨大的帮助。这本制作精良的实体书，本身就是一件艺术品，体现了出版方对知识载体的尊重，也极大地提升了阅读体验的愉悦感。

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这本书的语言风格非常独特，它既有学术著作的严谨性，又时不时流露出一种深沉的哲思。作者在叙述一些宏观概念时，会不自觉地将人类与自然界水循环的互动提升到一种近乎人文关怀的高度。例如，在讨论可持续性发展与水资源分配的章节中，作者并没有简单地给出效率最大化的公式，而是探讨了公平性与代际责任的重要性，笔触细腻，引人深思。这种将工程技术与社会伦理相结合的写作方式，在我阅读的其他同类书籍中是极为罕见的。阅读过程中，我常常会停下来，思考技术决策背后更深层次的意义。这本书成功地将一门硬科学，注入了人文的温度和历史的重量感，让读者在学习技术的同时，也对我们赖以生存的水环境产生了更深层次的敬畏和责任感。

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这本书的章节组织结构体现出一种高度的逻辑性和递进性，读起来的体验就像是沿着一条精心规划的航线，从源头到入海口，对整个水系统进行了系统性的巡礼。开篇从水循环的基本原理入手，逐步过渡到地表水、地下水的勘探与评价，然后迅速切入到水利设施的设计与建造，最后落脚于复杂的防洪减灾和环境修复。这种“由表及里，由宏观到微观”的编排方式，非常有利于初学者建立起完整的知识框架。特别是关于“水工建筑物抗震分析”的章节，它没有孤立地讲解结构受力，而是将地震动输入、场地效应分析、结构响应计算和安全评估，紧密地串联成一个完整的链条，确保读者能理解每一个环节是如何服务于最终的安全目标。这种脉络清晰、层层递进的结构，保证了读者在阅读过程中，思路永远是连贯且顺畅的，有效地避免了知识点的碎片化。

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