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實驗水文地質學

作者：周志芳,竇智

書名：實驗水文地質學

定價：￥120 元

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開本： 

標準書號： 978-7-03-045511-6

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出版日期： 2015-10-27

發(fā)行號： P-2803.0101

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名人推薦

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獲獎情況

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圖書介紹

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  實驗水文地質學是通過室內實驗或野外試驗的方法掌握自然界中地下水的各種變化和運動規(guī)律的科學。本書針對水文地質學中若干主要的科學技術問題，包括地下水超采引起的地面變形問題、包氣帶水分-熱量運移問題、地下水回灌問題、地下水多相流問題、介質參數(shù)確定問題和數(shù)值模擬問題，設計了相關的實驗平臺、開發(fā)了相關的技術設備、開展實驗研究。通過實驗揭示模型條件下含水層系統(tǒng)釋水-變形、包氣帶水分-熱量運移、地下水回灌、裂隙介質溶質運移、單井水位振蕩等規(guī)律。
  本書可供從事地質、水利、土木、礦山、環(huán)境、石油等領域研究的科研人員參考，也可作為上述專業(yè)的研究生實驗教學參考書。

　

前言

.........................................................................................

  最近50年，基于現(xiàn)代科學的新理論、新技術、新方法的應用，學科交叉滲透研究成為水文地質學的主流方向。水文地質學自身本質、內涵很少有發(fā)展，沒有出現(xiàn)能與類似于達西定律、裘布依公式、泰斯公式發(fā)現(xiàn)相提并論的較大的理論突破和科學發(fā)現(xiàn)。以至于國內外的一些同行懷疑水文地質學是否已經走向消亡的末路。誠然，如果我們只是注重開發(fā)、使用或教育我們的學生掌握一些水文地質專業(yè)軟件，那么水文地質學可能暫時走向死胡同。但這并不代表水文地質學的發(fā)展已經是窮途末路。出現(xiàn)目前這種狀況的最重要原因是我們在使用現(xiàn)代化計算工具、方法，注重學科交叉滲透研究的同時逐漸脫離了水文地質發(fā)展最為本質的方法——實驗。毋庸置疑，現(xiàn)代化的計算工具和方法是水文地質計算中最有效的手段之一，但計算模擬必須通過模型來實現(xiàn)，而對模型全面、系統(tǒng)、正確的認識和把握在于實踐和實驗。以認識原型為基礎的實踐和實驗，才是水文地質學自身本質、內涵創(chuàng)新發(fā)展的必由之路。水文地質學不僅不會走向消亡的末路，而且正如它起源一樣伴隨著人類的文明史那樣悠久，水文地質學的未來也必將伴隨在人類整個歷史過程中。在人類的生產實踐和實驗中，通過不斷觀測各種新的水文地質現(xiàn)象，研究它們的規(guī)律，積累起更新的知識，，不斷地豐富發(fā)展水文地質學科。
  為了鼓勵更多的水文地質工作者從事開創(chuàng)性的實驗工作，我們撰寫了本書。書中面向解決的問題，主要介紹6種類型實驗，其內容全部來自近15年本人指導的部分博士研究生（王錦國、吳蓉、傅志敏、談葉飛、周彥章、徐海洋、蔡金龍、韓江波、趙燕容、劉國慶、竇智、戴云峰等）、碩士研究生（袁金芹、曾新翔、馬闖、高宗旗、王照竹、崔子騰等）的學位論文的總結。每一種類型的水文地質實驗研究都歷經了幾屆博士和碩士研究生的辛勤勞動，成果出自他們連續(xù)工作的積累。部分實驗得到了加拿大多倫多大學B. Sleep教授的指導。盡管這些實驗存在這樣那樣的不足，成果也有許多的局限性，但實驗工作給了我們很多啟發(fā)，水文地質學還有很多不成熟的方面：基礎理論中許多老的、最基本的問題尚有待我們進一步深究，具體應用中對水位、流量等的預測計算和各種方法確定參數(shù)的精度、正確性和可靠性都不令人滿意；與此同時，新的問題又不斷涌現(xiàn)；靜下心來我們可做的研究工作很多很多。我們只想借本書告訴現(xiàn)在和未來的同行，水文地質學永遠不會走向消亡的末路，除非我們人類自身即將走向消亡。這也正是我們撰寫本書的目的所在。
  本書共分7章，其中緒論和第一章由周志芳執(zhí)筆；第二章由周志芳、徐海洋撰寫；第三章由周志芳、趙燕容、戴云峰撰寫；第四章由劉國慶撰寫；第五章由韓江波撰寫；第六章、第七章及符號、含義與量綱，中英文名詞對照由竇智撰寫。為了方便讀者研究參考，實驗的原始數(shù)據都附在本書的相關章節(jié)中。全書由周志芳統(tǒng)稿。
  本書的研究工作得到國家自然科學基金項目“基于井流波動方程確定巖體滲透參數(shù)的理論和方法研究”（41172204）、“多尺度隨機裂隙介質中溶質運移規(guī)律研究”（50579012）、“裂隙巖體中地下水溶質與熱量運移的實驗和理論研究”（50179010）的資助和水利公益性項目 “疏勒河灌區(qū)地下水演變規(guī)律及評價方法”（201301083）的資助，在此表示衷心的感謝！
  由于實驗水文地質研究涉及的面很廣，未知的探索永無止境，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正。
                                                     
                                            周志芳  
                                                   2014年12月

　

圖書目錄

.........................................................................................

前言
緒論 1
第一章  實驗水文地質理論基礎 6
1.1  地下水運動的基本概念 6
1.1.1  多孔介質 6
1.1.2  地下水和多孔介質的性質 7
1.1.3  滲流相關的物理量 11
1.1.4  多孔介質流體運動的描述方法 12
1.1.5  滲流相關的參數(shù) 15
1.1.6  裂隙介質滲流基本理論 18
1.2  多孔介質中的水流方程 28
1.2.1  滲流基本定律 28
1.2.2  地下水運動的控制方程 33
1.2.3  地下水運動的數(shù)學模型及其求解方法 35
1.3  地下水中的溶質與熱量運移 41
1.3.1  溶質與熱量運移基本概念 41
1.3.2  地下水溶質運移模型 45
1.4  非飽和帶水的運動理論 50
1.4.1  基本概念 51
1.4.2  非飽和流動方程 55
1.5  流動相似性原理 58
1.5.1  幾何相似 58
1.5.2  運動相似 59
1.5.3  動力相似 59
1.5.4  相似準則 59
參考文獻 62
第二章  含水層系統(tǒng)釋水變形實驗 63
2.1  概述 63
2.1.1  釋水引起地面沉降機理分析 64
2.1.2  土的微觀結構 65
2.1.3  土的微觀變形 66
 
2.2  實驗模型 68
2.2.1  簡述 68
2.2.2  實驗裝置 68
2.2.3  實驗步驟 71
2.2.4  實驗內容及實驗步驟 74
2.2.5  實驗方案 77
2.3  沉降模型實驗 79
2.3.1  水頭降（升）引起沉降（回彈）變化響應 79
2.3.2  水頭反復變化引起沉降響應 81
2.3.3  實驗的時間尺度和變形尺度效應 82
2.3.4  承壓含水層儲水率實驗 83
2.4  含水層系統(tǒng)的孔隙水壓力變化規(guī)律 89
2.4.1  簡述 89
2.4.2  測壓管對孔隙水滲流的影響 89
2.4.3  釋水實驗孔隙水壓力變化 92
2.4.4  水頭恢復實驗孔隙水壓力變化 96
2.5  含水層系統(tǒng)的沉降變化規(guī)律 97
2.5.1  簡述 97
2.5.2  土體變形機理分析 98
2.5.3  實驗實測含水層系統(tǒng)變形分析 101
2.5.4  弱透水層參數(shù)的變化 106
2.6  飽和軟土滲流-變形規(guī)律 110
2.6.1  飽和軟土釋水-變形的概念模型 110
2.6.2  傳導系數(shù)與固結系數(shù)的關系 112
2.6.3  模型實驗 115
2.6.4  傳導系數(shù)確定的原理、方法 117
2.6.5  固結系數(shù)確定的原理、方法 121
2.6.6  釋水與固結的關系 125
2.6.7  幾點認識 127
參考文獻 128
附表 129
第三章  多孔介質水流振蕩實驗 139
3.1  概述 139
3.1.1  研究意義 139
3.1.2  國內外研究現(xiàn)狀 140
3.2  裂隙介質中井流振蕩理論 144
3.2.1  簡述 144
3.2.2  機械振動理論 145
3.2.3  水平裂隙中單井降深振蕩實驗理論 149
3.2.4  傾斜裂隙振蕩實驗原理 165
3.3  振蕩實驗測試系統(tǒng)開發(fā) 173
3.3.1  簡述 173
3.3.2  測試系統(tǒng)概況 174
3.3.3  電纜絞車系統(tǒng) 175
3.3.4  井下圖像識別定向系統(tǒng) 176
3.3.5  傳感器系統(tǒng) 180
3.3.6  實驗激發(fā)系統(tǒng) 181
3.3.7  數(shù)據采集系統(tǒng) 181
3.3.8  測試系統(tǒng)特點 184
3.3.9  測試系統(tǒng)測試技術方法 184
3.4  裂隙介質水流現(xiàn)場振蕩實驗 185
3.4.1  振蕩實驗及鉆孔定向編錄 185
3.4.2  有限邊界條件下振蕩實驗原理 200
3.5  振蕩實驗確定潛水含水層水文地質參數(shù) 211
3.5.1  現(xiàn)場實驗概況 211
3.5.2  振蕩實驗結果分析 212
3.6  其他方法 220
3.6.1  示蹤實驗分析 220
3.6.2  常規(guī)水文地質實驗 227
參考文獻 233
附圖 235
第四章  孔隙介質熱量運移規(guī)律實驗 246
4.1  概述 246
4.2  飽和孔隙介質水熱擴散大型圓柱實驗 248
4.2.1  實驗裝置研制及平臺簡介 248
4.2.2  地下水溫度采集系統(tǒng)開發(fā) 256
4.2.3  實驗原理及操作步驟 265
4.2.4  熱量運移實驗及成果分析 266
4.3  飽和孔隙介質水熱擴散土柱實驗 274
4.3.1  模型簡介 274
4.3.2  實驗介質參數(shù) 276
4.3.3  實驗思路及原理 276
4.3.4  熱物性參數(shù)計算與可靠性分析 278
4.3.5  有效導熱系數(shù)模型對比驗證 279
4.3.6  熱傳導參數(shù)敏感性分析 281
4.3.7  熱彌散效應的解析與評估 284
4.4  飽和孔隙介質水熱擴散矩形砂槽實驗 299
4.4.1  模型簡介 300
4.4.2  實驗結果分析 302
4.5  回灌的儲能特征實驗及模擬 305
4.5.1  物理模型的水流驗證 305
4.5.2  具體實施過程及結果 307
4.6  回灌與儲能過程數(shù)值模擬分析 315
4.6.1  砂槽模型中水熱強耦合數(shù)學模型的建立 315
4.6.2  自定義PEDs的數(shù)值求解與驗證 318
4.6.3  實驗工況模擬及分析 320
4.6.4  溫度場影響范圍及遷移量討論 323
4.6.5  流速與灌壓隨井距分布特征 327
4.7  含水層回灌—儲能—回收三階段數(shù)值模擬 331
4.7.1  模擬結果及分析 331
4.7.2  儲能效率計算 334
4.7.3  天然橫流對儲能效率的影響 335
4.7.4  無量綱儲能時間對儲能效率的影響 338
參考文獻 340
附表 342
第五章  非飽和帶水汽熱耦合運移實驗研究 352
5.1  概述 352
5.2  土壤水分運動基本知識 354
5.2.1  含水量 354
5.2.2  土水勢 356
5.2.3  土壤特征曲線 356
5.2.4  達西-白金漢方程 358
5.2.5  理查德方程 360
5.2.6  土壤水分水汽熱運動耦合模型 361
5.3  水汽熱耦合傳輸室內實驗 365
5.3.1  土柱系統(tǒng) 366
5.3.2  實驗過程 367
5.3.3  土壤水力屬性 367
5.3.4  定解條件 368
5.3.5  數(shù)值求解過程 369
5.3.6  結果與分析 370
5.4  水汽熱耦合傳輸?shù)奶镩g研究 387
5.4.1  實驗場地及實驗數(shù)據 387
5.4.2  數(shù)學模型 390
5.4.3  實驗結果分析 396
5.5  田間環(huán)境中水熱通量季節(jié)性變化規(guī)律 403
5.5.1  土壤含水量與溫度季節(jié)性變化過程 404
5.5.2  水分驅動機制與水力傳導系數(shù) 407
5.5.3  不同傳遞機制的土水通量季節(jié)性變化過程 410
5.5.4  不同傳遞機制的熱通量季節(jié)性變化過程 416
參考文獻 421
附表 426
第六章  裂隙介質多相流實驗 443
6.1  概述 443
6.1.1  溶質運移 443
6.1.2  不可混溶兩相流運移 444
6.2  溶質運移示蹤劑的性質及選擇 445
6.2.1  有色示蹤劑在溶質運移實驗中的數(shù)字圖像識別和處理 446
6.2.2  有色示蹤劑高錳酸鉀和亮藍的適用性對比 450
6.3  溝槽空腔溶質運移實驗 456
6.3.1  圓盤溝槽流溶質運移實驗 458
6.3.2  非完整貫通流溶質運移 474
6.3.3  空腔流溶質運移 480
6.3.4  混合結構模型溶質運移 487
6.4  優(yōu)勢流條件下充填裂隙溶質運移實驗 494
6.4.1  物理模型實驗 494
6.4.2  單圓管溶質運移實驗 497
6.4.3  分叉圓管溶質運移實驗 500
6.5  人工粗糙單裂隙溶質運移實驗 514
6.5.1  仿真粗糙單裂隙實驗平臺 515
6.5.2  裂隙特征分析及隙寬的獲取 516
6.5.3  實驗過程 521
6.5.4  實驗結果分析 523
6.6  空腔充填裂隙NAPL驅水實驗 541
6.6.1  Brooks-Corey-Burdine模型 542
6.6.2  Parker-Lenhard模型 544
6.6.3  毛細壓力與飽和度的實驗室測定 546
6.6.4  相對滲透率的實驗室測定 547
6.6.5  實驗結果分析 552
參考文獻 555
附錄 557
 
第七章  數(shù)值實驗 597
7.1  格子玻爾茲曼方法（LBM） 597
7.1.1  格子玻爾茲曼方程的定解條件 600
7.1.2  構建多孔介質結構的LBM自適應方法 603
7.2  LBM水流運移數(shù)值實驗 611
7.2.1  數(shù)值驗證 611
7.2.2  完整貫通裂隙（或空腔）水流模擬 613
7.3  LBM溶質運移數(shù)值實驗 614
7.3.1  對流彌散方程的格子玻爾茲曼求解 614
7.3.2  泰勒水動力彌散驗證 618
7.3.3  非完整貫通裂隙的溶質運移 619
7.3.4  粗糙裂隙溶質運移問題 623
7.4  LBM兩相流運移數(shù)值實驗 634
7.4.1  濕潤角的模擬 636
7.4.2  相對滲透率數(shù)值驗證 638
7.4.3  相對滲透率影響因素分析 639
7.4.4  充填裂隙介質NAPL淤堵模擬分析 646
7.4.5  三維粗糙裂隙NAPL入侵過程模擬 649
7.5  水力掃描技術 663
7.6  水力掃描方法 665
7.6.1  SSLE算法在水力掃描技術中的應用 665
7.6.2  SSLE算法 665
7.7  水力掃描數(shù)值實驗 670
7.7.1  實驗概況 670
7.7.2  實驗結果 671
7.7.3  分析與討論 674
參考文獻 678
附錄 683
符號、含義與量綱 686
中英文名詞對照表 693

　

  本文關鍵詞：水文地質學，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：136251