多孔介质渗流与污染物迁移数学模型

　　前言
　　第1章 绪论
　　1.1 为什么要学习这门课程(Why do we study this course?)
　　1.1.1 学科发展的需要--定量化、精确化的需求
　　1.1.2 学术研究的需要--揭示自然规律,重要的研究方法
　　1.1.3 工程实践的需要
　　1.1.4 环境健康与生态学研究的需要
　　1.1.5 水文及水资源研究的需要
　　1.1.6 地球科学研究的需要
　　1.1.7 服装科学研究的需要
　　1.1.8 岩土工程领域研究的需要
　　1.1.9 土壤水分与溶质迁移研究的需要
　　1.1.10 地下水科学与工程研究的需要
　　1.2 本课程的教学内容(What do we want to study?)
　　1.2.1 多孔介质环境系统的基本概念
　　1.2.2 多孔介质渗流的基本定律
　　1.2.3 饱和多孔介质渗流数学模型
　　1.2.4 非饱和多孔介质渗流数学模型
　　1.2.5 多孔介质污染物迁移转化的数学模型
　　1.2.6 多孔介质污染物迁移数学模型的解析解
　　1.2.7 多孔介质传热过程及数学模型
　　1.2.8 滨海地区含水层海水入侵数学模型
　　1.2.9 多孔介质渗流与污染物迁移数学模型的数值解
　　1.3 如何学习这门课程(How to study this course?)
　　1.4 多孔介质渗流与污染物迁移数学模型在环境领域的应用
　　1.5 多孔介质渗流与污染物迁移数学模型的研究进展与趋势
　　1.5.1 孔隙介质渗流研究进展
　　1.5.2 单裂隙渗流研究进展
　　1.5.3 裂隙系统渗流研究进展
　　1.5.4 岩溶介质渗流研究进展
　　1.5.5 多孔介质渗流与应力耦合研究进展
　　1.5.6 多孔介质渗流与污染物迁移数学模型的研究趋势
　　第2章 多孔介质环境系统的基本概念
　　2.1 环境介质特点
　　2.1.1 多介质迁移与转化特点
　　2.1.2 多界面迁移的非线性特点
　　2.1.3 多组分特征
　　2.1.4 多过程特征
　　2.1.5 多相流特征
　　2.1.6 多尺度转化特征
　　2.1.7 多场耦合特征
　　2.2 土壤、含水层与地下水的基本概念
　　2.3 地下水的研究意义
　　2.3.1 地下水与水资源
　　2.3.2 地下水与地质过程
　　2.3.3 地下水与岩土力学
　　2.3.4 地下水与生态环境
　　2.4 土壤与地下水污染
　　2.5 土壤与地下水污染修复
　　2.6 多孔介质
　　2.6.1 多孔介质的定义
　　2.6.2 多孔介质的基本性质
　　2.7 连续介质方法
　　2.7.1 流体连续介质
　　2.7.2 多孔连续介质
　　2.8 有关渗流物理量的定义
　　习题
　　第3章 多孔介质渗流的基本定律
　　3.1 有关渗流的基本概念
　　3.1.1 渗透与渗流
　　3.1.2 渗透速度与渗流速度
　　3.1.3 渗透压强、测压高度、位置高度、测压水头及总水头
　　3.1.4 水力坡度和等水头线
　　3.1.5 流线与迹线
　　3.1.6 稳定流与非稳定流
　　3.1.7 有压流与无压流
　　3.1.8 缓变流与急变流
　　3.1.9 层流与紊流
　　3.1.10 一维流、二维流与三维流
　　3.1.11 流线折射定律
　　3.2 多孔介质渗流基本定律--达西定律
　　3.2.1 达西定律原著
　　3.2.2 达西试验数据分析(Glenn Brown,November 19,1999)
　　3.2.3 达西实验及其公式
　　3.2.4 变水头砂柱渗流试验
　　3.2.5 达西实验定律的适用范围
　　3.2.6 达西第二定律
　　3.3 达西定律的扩展
　　3.3.1 基本概念
　　3.3.2 均质各向同性多孔介质三维渗流定律
　　3.3.3 非均质各向同性多孔介质渗流定律
　　3.3.4 各向异性多孔介质渗流定律
　　3.3.5 均匀可压缩流体的渗透定律
　　3.3.6 达西定律在固-液两相流问题的扩展
　　3.4 多孔介质渗透系数的确定方法
　　3.5 二维潜水含水层渗流分析与裘布依假设
　　3.6 二维承压含水层渗流分析与导水系数
　　3.7 应用达西定律计算承压含水层的渗流量和水头
　　3.7.1 均质等厚承压含水层中地下水流运动方程
　　3.7.2 均质变厚度承压含水层中地下水水流运动方程
　　3.7.3 非均质等厚度承压含水层中地下水水流运动方程
　　3.7.4 承压复杂含水层中地下水水流运动方程
　　3.8 应用达西定律计算潜水含水层的渗流量和水头
　　3.8.1 均质潜水含水层底板水平
　　3.8.2 均质潜水含水层底板倾斜
　　3.8.3 非均质层状潜水含水层
　　3.8.4 渗透性突变潜水含水层
　　3.8.5 渗透性渐变潜水含水层
　　3.8.6 复杂潜水含水层
　　习题
　　第4章 饱和多孔介质渗流数学模型
　　4.1 饱和多孔介质体系的物理状态方程
　　4.1.1 均质等温流体密度的状态方程
　　4.1.2 多孔介质骨架的物理状态方程
　　4.2 饱和多孔介质渗流连续性方程
　　4.3 饱和多孔介质渗流偏微分方程
　　4.4 考虑多孔介质颗粒运动的渗流方程
　　4.5 饱和多孔介质渗流方程的扩展
　　4.5.1 均质各向同性饱和多孔介质渗流方程
　　4.5.2 饱和多孔介质稳定渗流方程
　　4.5.3 非均质各向异性饱和多孔介质渗流方程
　　4.5.4 存在源或汇的饱和多孔介质渗流方程
　　4.5.5 各向同性饱和多孔介质的平面(xoy)二维渗流方程
　　4.5.6 饱和多孔介质中具有自由面的平面(xoy)二维渗流方程
　　4.6 饱和多孔介质渗流的积分方程
　　4.7 饱和多孔介质多组分渗流方程
　　4.8 饱和多孔介质渗流的定解条件
　　4.8.1 初始条件
　　4.8.2 边界条件
　　4.9 饱和多孔介质渗流数学模型
　　4.10 河间潜水含水层中地下水稳定渗流数学模型
　　4.11 地下水流向井的稳定渗流数学模型
　　4.11.1 地下水流向承压含水层中井的稳定流
　　4.11.2 地下水流向潜水含水层中井的稳定流
　　4.11.3 地下水流向越流含水层中井的稳定流
　　4.12 地下水流向井的非稳定渗流数学模型
　　习题
　　第5章 非饱和多孔介质渗流数学模型
　　5.1 非饱和多孔介质渗流的基本概念
　　5.1.1 含水量和饱和度
　　5.1.2 毛细管压力和测压水头
　　5.1.3 给水度和持水度
　　5.2 非饱和多孔介质渗流的基本方程
　　5.2.1 非饱和多孔介质渗流定律
　　5.2.2 非饱和多孔介质渗流的连续性方程
　　5.2.3 非饱和多孔介质渗流偏微分方程
　　5.2.4 以含水量为变量的非饱和多孔介质渗流偏微分方程
　　5.2.5 以毛细管压力水头为变量的非饱和多孔介质渗流偏微分方程
　　5.2.6 以水压强为变量的非饱和多孔介质渗流偏微分方程
　　5.2.7 考虑水和非饱和多孔介质压缩性的渗流方程
　　5.2.8 非饱和多孔介质渗透系数的确定
　　5.2.9 变饱和多孔介质中湿润相流体渗流方程
　　5.2.10 变饱和多孔介质中非湿润相气体的运动方程
　　5.3 非饱和多孔介质多组分渗流方程
　　5.4 非饱和多孔介质渗流的定解条件
　　5.4.1 初始条件
　　5.4.2 边界条件
　　5.5 非饱和多孔介质渗流数学模型
　　5.5.1 一维垂向非饱和多孔介质渗流问题
　　5.5.2 一维水平向非饱和多孔介质渗流问题
　　5.5.3 一维垂向饱和-非饱和多孔介质渗流问题
　　5.5.4 三维饱和-非饱和多孔介质渗流问题
　　习题
　　第6章 多孔介质污染物迁移转化的数学模型
　　6.1 概述
　　6.2 多孔介质污染物迁移过程分析
　　6.2.1 对流作用
　　6.2.2 污染物扩散的费克定律
　　6.2.3 分子扩散作用
　　6.2.4 机械弥散作用
　　6.2.5 沉淀与溶解
　　6.2.6 酸碱反应
　　6.2.7 络合作用
　　6.2.8 水解和置换作用
　　6.2.9 氧化还原反应
　　6.2.10 生物转化
　　6.3 多孔介质污染物迁移的对流-弥散方程
　　6.4 多孔介质的吸附与解吸附作用
　　6.4.1 等温线性吸附
　　6.4.2 等温非线性Langmuir吸附
　　6.4.3 等温非线性Freundlich吸附
　　6.4.4 动力学吸附(慢的、非平衡吸附)
　　6.4.5 四氯乙烯(PCE)在砂质介质中的吸附过程
　　6.4.6 新型交联壳聚糖材料用于Zn2+的吸附过程
　　6.5 多孔介质污染物的衰减与转化作用
　　6.5.1 发生在固体相中的源或汇项
　　6.5.2 发生在液体相中的源或汇项
　　6.5.3 存在点源污染时的点源或汇项
　　6.5.4 多孔介质中的非移动水效应
　　6.5.5 固-液相互作用发生链式衰减时的多孔介质污染物迁移方程
　　6.6 非饱和多孔介质污染物垂向一维迁移方程
　　6.7 多孔介质多相多组分污染物迁移方程
　　6.8 多孔介质中流体密度变化时的污染物迁移方程
　　6.9 多孔介质污染物迁移规律总结
　　6.10 多孔介质污染物迁移转化的定解条件
　　6.10.1 初始条件
　　6.10.2 边界条件
　　6.11 多孔介质污染物迁移转化的数学模型
　　6.11.1 一维半无限域含水层污染物迁移数学模型
　　6.11.2 一维半无限域含水层污染物迁移数学模型
　　习题
　　第7章 多孔介质污染物迁移数学模型的解析解
　　7.1 一维多孔介质污染物迁移数学模型的解析解
　　7.1.1 半无限柱状多孔介质中污染物迁移数学模型的解析解
　　7.1.2 纵向弥散系数DL的反演计算
　　7.1.3 无限域含水层中污染物迁移数学模型的解析解
　　7.1.4 含水层中污染物迁移稳态数学模型的解析解
　　7.2 二维多孔介质污染物迁移数学模型的解析解
　　7.2.1 含水层中二维弥散问题的解析解
　　7.2.2 含水层中一维对流二维弥散问题的解析解
　　7.2.3 水平面二维渗流二维弥散问题的解析解
　　7.2.4 水平面一维渗流二维弥散问题的解析解
　　7.2.5 二维对流与二维弥散稳态问题的解析解
　　7.3 三维多孔介质污染物迁移数学模型的解析解
　　习题
　　第8章 多孔介质传热过程与数学模型
　　8.1 多孔介质热量传输的基本定理
　　8.2 多孔介质体系的热量传输方程
　　8.2.1 多孔介质热量传输的连续方程
　　8.2.2 多孔介质稳定渗流的热传输方程
　　8.2.3 运动坐标系下的多孔介质热量传输方程
　　8.3 多孔介质内流体的热量传输方程
　　8.3.1 对流作用引起流体的热量通量的变化量
　　8.3.2 热传导与热弥散作用引起流体的热量通量的变化量
　　8.3.3 固相与流体相热交换作用引起流体的热量通量的变化量
　　8.3.4 多孔介质中流体相的热传输方程
　　8.4 多孔介质内固相的热传输方程
　　8.5 多孔介质热传输数学模型
　　8.5.1 初始条件
　　8.5.2 边界条件
　　8.5.3 多孔介质热量传输数学模型及其解析解
　　8.6 多孔介质热量传输数学模型在地源热泵系统中的应用
　　8.6.1 土层中的热量传输数学模型
　　8.6.2 土层中热量传输有限元数值方法
　　8.6.3 土层中热传输数学模型校正
　　8.6.4 小型地源热泵工程短期运行地温场模拟
　　8.6.5 大型地源热泵系统中长期运行地温场模拟
　　8.6.6 结论
　　习题
　　第9章 滨海地区含水层海水入侵数学模型
　　9.1 滨海地区含水层海水入侵的基本概念
　　9.2 滨海地区含水层海水入侵的突变面数学模型
　　9.2.1 滨海地区含水层海水入侵的突变面数学模型的一般表述
　　9.2.2 Ghyben-Herzberg近似解
　　9.2.3 滨海地区含水层海水入侵的剖面二维稳态突变面数学模型
　　9.3 滨海地区含水层海水入侵的对流-弥散方程
　　9.3.1 滨海地区含水层海水入侵的变密度渗流方程
　　9.3.2 滨海地区含水层海水入侵的盐分迁移方程
　　9.3.3 滨海地区含水层海水入侵的定解条件
　　9.4 滨海地区含水层海水入侵数学模型的有限元FORTRAN计算机源程序
　　9.4.1 滨海地区含水层剖面二维海水入侵数学模型的有限元FORTRAN计算机源程序(在MATLAB平台上运行)
　　9.4.2 滨海地区含水层平面二维海水入侵数学模型的有限元FORTRAN计算机源程序(在MATLAB平台上运行)
　　习题
　　第10章 多孔介质渗流与污染物迁移数学模型的数值解
　　10.1 多孔介质渗流数学模型
　　10.2 多孔介质渗流数学模型的有限差分解法
　　10.2.1 有限差分基本概念
　　10.2.2 二维稳定渗流数学模型的有限差分解法
　　10.2.3 二维非稳定渗流数学模型的有限差分解法
　　10.2.4 二维非稳定渗流数学模型的有限差交替迭代解法
　　10.2.5 非饱和土壤污染物迁移数学模型的有限差分解法
　　10.3 多孔介质渗流数学模型的有限元解法
　　10.4 多孔介质污染物迁移数学模型的有限元解法
　　10.4.1 多孔介质污染物迁移转化数学模型
　　10.4.2 多孔介质渗流数学模型的有限元解法
　　10.4.3 多孔介质污染物迁移数学模型的有限元解法
　　10.5 多孔介质污染物迁移数学模型的应用
　　10.5.1 有限元数值模型
　　10.5.2 有限元数值模拟结果
　　10.6 多孔介质污染物迁移数学模型的有限元FORTRAN计算机源程序
　　10.6.1 二维饱和承压含水层稳定渗流数学模型的有限元FORTRAN计算机源程序
　　10.6.2 二维地下水中PCE迁移转化数学模型的有限元FORTRAN计算机源程序
　　主要参考文献

　　    多孔介质中水分、热量和物质迁移转化数学模型涉及诸多学科领域。《多孔介质渗流与污染物迁移数学模型》系统地介绍了多孔介质渗流、传热、污染物迁移的基础理论，以及滨海地区含水层海水入侵规律的*新研究成果，包括基本概念和定律、数学模型及其解析解和数值解、有限元和有限差分FORTRAN程序，以及模型应用等。
　　    《多孔介质渗流与污染物迁移数学模型》可作为环境科学与工程、水文学及水资源、土木工程、力学、农学等学科的本科生、硕士和博士研究生的教材，以及科研人员的参考书。