地理信息系统指的是_实验水文地质学
本文关键词：水文地质学，由笔耕文化传播整理发布。
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实验水文地质学
作者：周志芳,窦智
书名：实验水文地质学
定价：￥120 元
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开本：
标准书号： 978-7-03-045511-6
字数(千)：
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出版日期： 2015-10-27
发行号： P-2803.0101
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实验水文地质学是通过室内实验或野外试验的方法掌握自然界中地下水的各种变化和运动规律的科学。本书针对水文地质学中若干主要的科学技术问题，包括地下水超采引起的地面变形问题、包气带水分-热量运移问题、地下水回灌问题、地下水多相流问题、介质参数确定问题和数值模拟问题，设计了相关的实验平台、开发了相关的技术设备、开展实验研究。通过实验揭示模型条件下含水层系统释水-变形、包气带水分-热量运移、地下水回灌、裂隙介质溶质运移、单井水位振荡等规律。
本书可供从事地质、水利、土木、矿山、环境、石油等领域研究的科研人员参考，也可作为上述专业的研究生实验教学参考书。
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最近50年，基于现代科学的新理论、新技术、新方法的应用，学科交叉渗透研究成为水文地质学的主流方向。水文地质学自身本质、内涵很少有发展，没有出现能与类似于达西定律、裘布依公式、泰斯公式发现相提并论的较大的理论突破和科学发现。以至于国内外的一些同行怀疑水文地质学是否已经走向消亡的末路。诚然，如果我们只是注重开发、使用或教育我们的学生掌握一些水文地质专业软件，那么水文地质学可能暂时走向死胡同。但这并不代表水文地质学的发展已经是穷途末路。出现目前这种状况的最重要原因是我们在使用现代化计算工具、方法，注重学科交叉渗透研究的同时逐渐脱离了水文地质发展最为本质的方法——实验。毋庸置疑，现代化的计算工具和方法是水文地质计算中最有效的手段之一，但计算模拟必须通过模型来实现，而对模型全面、系统、正确的认识和把握在于实践和实验。以认识原型为基础的实践和实验，才是水文地质学自身本质、内涵创新发展的必由之路。水文地质学不仅不会走向消亡的末路，而且正如它起源一样伴随着人类的文明史那样悠久，水文地质学的未来也必将伴随在人类整个历史过程中。在人类的生产实践和实验中，通过不断观测各种新的水文地质现象，研究它们的规律，积累起更新的知识，，不断地丰富发展水文地质学科。
为了鼓励更多的水文地质工作者从事开创性的实验工作，我们撰写了本书。书中面向解决的问题，主要介绍6种类型实验，其内容全部来自近15年本人指导的部分博士研究生（王锦国、吴蓉、傅志敏、谈叶飞、周彦章、徐海洋、蔡金龙、韩江波、赵燕容、刘国庆、窦智、戴云峰等）、硕士研究生（袁金芹、曾新翔、马闯、高宗旗、王照竹、崔子腾等）的学位论文的总结。每一种类型的水文地质实验研究都历经了几届博士和硕士研究生的辛勤劳动，成果出自他们连续工作的积累。部分实验得到了加拿大多伦多大学B. Sleep教授的指导。尽管这些实验存在这样那样的不足，成果也有许多的局限性，但实验工作给了我们很多启发，水文地质学还有很多不成熟的方面：基础理论中许多老的、最基本的问题尚有待我们进一步深究，具体应用中对水位、流量等的预测计算和各种方法确定参数的精度、正确性和可靠性都不令人满意；与此同时，新的问题又不断涌现；静下心来我们可做的研究工作很多很多。我们只想借本书告诉现在和未来的同行，水文地质学永远不会走向消亡的末路，除非我们人类自身即将走向消亡。这也正是我们撰写本书的目的所在。
本书共分7章，其中绪论和第一章由周志芳执笔；第二章由周志芳、徐海洋撰写；第三章由周志芳、赵燕容、戴云峰撰写；第四章由刘国庆撰写；第五章由韩江波撰写；第六章、第七章及符号、含义与量纲，中英文名词对照由窦智撰写。为了方便读者研究参考，实验的原始数据都附在本书的相关章节中。全书由周志芳统稿。
本书的研究工作得到国家自然科学基金项目“基于井流波动方程确定岩体渗透参数的理论和方法研究”（41172204）、“多尺度随机裂隙介质中溶质运移规律研究”（50579012）、“裂隙岩体中地下水溶质与热量运移的实验和理论研究”（50179010）的资助和水利公益性项目 “疏勒河灌区地下水演变规律及评价方法”（201301083）的资助，在此表示衷心的感谢！
由于实验水文地质研究涉及的面很广，未知的探索永无止境，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。
周志芳
2014年12月
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前言
绪论 1
第一章 实验水文地质理论基础 6
1.1 地下水运动的基本概念 6
1.1.1 多孔介质 6
1.1.2 地下水和多孔介质的性质 7
1.1.3 渗流相关的物理量 11
1.1.4 多孔介质流体运动的描述方法 12
1.1.5 渗流相关的参数 15
1.1.6 裂隙介质渗流基本理论 18
1.2 多孔介质中的水流方程 28
1.2.1 渗流基本定律 28
1.2.2 地下水运动的控制方程 33
1.2.3 地下水运动的数学模型及其求解方法 35
1.3 地下水中的溶质与热量运移 41
1.3.1 溶质与热量运移基本概念 41
1.3.2 地下水溶质运移模型 45
1.4 非饱和带水的运动理论 50
1.4.1 基本概念 51
1.4.2 非饱和流动方程 55
1.5 流动相似性原理 58
1.5.1 几何相似 58
1.5.2 运动相似 59
1.5.3 动力相似 59
1.5.4 相似准则 59
参考文献 62
第二章 含水层系统释水变形实验 63
2.1 概述 63
2.1.1 释水引起地面沉降机理分析 64
2.1.2 土的微观结构 65
2.1.3 土的微观变形 66
2.2 实验模型 68
2.2.1 简述 68
2.2.2 实验装置 68
2.2.3 实验步骤 71
2.2.4 实验内容及实验步骤 74
2.2.5 实验方案 77
2.3 沉降模型实验 79
2.3.1 水头降（升）引起沉降（回弹）变化响应 79
2.3.2 水头反复变化引起沉降响应 81
2.3.3 实验的时间尺度和变形尺度效应 82
2.3.4 承压含水层储水率实验 83
2.4 含水层系统的孔隙水压力变化规律 89
2.4.1 简述 89
2.4.2 测压管对孔隙水渗流的影响 89
2.4.3 释水实验孔隙水压力变化 92
2.4.4 水头恢复实验孔隙水压力变化 96
2.5 含水层系统的沉降变化规律 97
2.5.1 简述 97
2.5.2 土体变形机理分析 98
2.5.3 实验实测含水层系统变形分析 101
2.5.4 弱透水层参数的变化 106
2.6 饱和软土渗流-变形规律 110
2.6.1 饱和软土释水-变形的概念模型 110
2.6.2 传导系数与固结系数的关系 112
2.6.3 模型实验 115
2.6.4 传导系数确定的原理、方法 117
2.6.5 固结系数确定的原理、方法 121
2.6.6 释水与固结的关系 125
2.6.7 几点认识 127
参考文献 128
附表 129
第三章 多孔介质水流振荡实验 139
3.1 概述 139
3.1.1 研究意义 139
3.1.2 国内外研究现状 140
3.2 裂隙介质中井流振荡理论 144
3.2.1 简述 144
3.2.2 机械振动理论 145
3.2.3 水平裂隙中单井降深振荡实验理论 149
3.2.4 倾斜裂隙振荡实验原理 165
3.3 振荡实验测试系统开发 173
3.3.1 简述 173
3.3.2 测试系统概况 174
3.3.3 电缆绞车系统 175
3.3.4 井下图像识别定向系统 176
3.3.5 传感器系统 180
3.3.6 实验激发系统 181
3.3.7 数据采集系统 181
3.3.8 测试系统特点 184
3.3.9 测试系统测试技术方法 184
3.4 裂隙介质水流现场振荡实验 185
3.4.1 振荡实验及钻孔定向编录 185
3.4.2 有限边界条件下振荡实验原理 200
3.5 振荡实验确定潜水含水层水文地质参数 211
3.5.1 现场实验概况 211
3.5.2 振荡实验结果分析 212
3.6 其他方法 220
3.6.1 示踪实验分析 220
3.6.2 常规水文地质实验 227
参考文献 233
附图 235
第四章 孔隙介质热量运移规律实验 246
4.1 概述 246
4.2 饱和孔隙介质水热扩散大型圆柱实验 248
4.2.1 实验装置研制及平台简介 248
4.2.2 地下水温度采集系统开发 256
4.2.3 实验原理及操作步骤 265
4.2.4 热量运移实验及成果分析 266
4.3 饱和孔隙介质水热扩散土柱实验 274
4.3.1 模型简介 274
4.3.2 实验介质参数 276
4.3.3 实验思路及原理 276
4.3.4 热物性参数计算与可靠性分析 278
4.3.5 有效导热系数模型对比验证 279
4.3.6 热传导参数敏感性分析 281
4.3.7 热弥散效应的解析与评估 284
4.4 饱和孔隙介质水热扩散矩形砂槽实验 299
4.4.1 模型简介 300
4.4.2 实验结果分析 302
4.5 回灌的储能特征实验及模拟 305
4.5.1 物理模型的水流验证 305
4.5.2 具体实施过程及结果 307
4.6 回灌与储能过程数值模拟分析 315
4.6.1 砂槽模型中水热强耦合数学模型的建立 315
4.6.2 自定义PEDs的数值求解与验证 318
4.6.3 实验工况模拟及分析 320
4.6.4 温度场影响范围及迁移量讨论 323
4.6.5 流速与灌压随井距分布特征 327
4.7 含水层回灌—储能—回收三阶段数值模拟 331
4.7.1 模拟结果及分析 331
4.7.2 储能效率计算 334
4.7.3 天然横流对储能效率的影响 335
4.7.4 无量纲储能时间对储能效率的影响 338
参考文献 340
附表 342
第五章 非饱和带水汽热耦合运移实验研究 352
5.1 概述 352
5.2 土壤水分运动基本知识 354
5.2.1 含水量 354
5.2.2 土水势 356
5.2.3 土壤特征曲线 356
5.2.4 达西-白金汉方程 358
5.2.5 理查德方程 360
5.2.6 土壤水分水汽热运动耦合模型 361
5.3 水汽热耦合传输室内实验 365
5.3.1 土柱系统 366
5.3.2 实验过程 367
5.3.3 土壤水力属性 367
5.3.4 定解条件 368
5.3.5 数值求解过程 369
5.3.6 结果与分析 370
5.4 水汽热耦合传输的田间研究 387
5.4.1 实验场地及实验数据 387
5.4.2 数学模型 390
5.4.3 实验结果分析 396
5.5 田间环境中水热通量季节性变化规律 403
5.5.1 土壤含水量与温度季节性变化过程 404
5.5.2 水分驱动机制与水力传导系数 407
5.5.3 不同传递机制的土水通量季节性变化过程 410
5.5.4 不同传递机制的热通量季节性变化过程 416
参考文献 421
附表 426
第六章 裂隙介质多相流实验 443
6.1 概述 443
6.1.1 溶质运移 443
6.1.2 不可混溶两相流运移 444
6.2 溶质运移示踪剂的性质及选择 445
6.2.1 有色示踪剂在溶质运移实验中的数字图像识别和处理 446
6.2.2 有色示踪剂高锰酸钾和亮蓝的适用性对比 450
6.3 沟槽空腔溶质运移实验 456
6.3.1 圆盘沟槽流溶质运移实验 458
6.3.2 非完整贯通流溶质运移 474
6.3.3 空腔流溶质运移 480
6.3.4 混合结构模型溶质运移 487
6.4 优势流条件下充填裂隙溶质运移实验 494
6.4.1 物理模型实验 494
6.4.2 单圆管溶质运移实验 497
6.4.3 分叉圆管溶质运移实验 500
6.5 人工粗糙单裂隙溶质运移实验 514
6.5.1 仿真粗糙单裂隙实验平台 515
6.5.2 裂隙特征分析及隙宽的获取 516
6.5.3 实验过程 521
6.5.4 实验结果分析 523
6.6 空腔充填裂隙NAPL驱水实验 541
6.6.1 Brooks-Corey-Burdine模型 542
6.6.2 Parker-Lenhard模型 544
6.6.3 毛细压力与饱和度的实验室测定 546
6.6.4 相对渗透率的实验室测定 547
6.6.5 实验结果分析 552
参考文献 555
附录 557
第七章 数值实验 597
7.1 格子玻尔兹曼方法（LBM） 597
7.1.1 格子玻尔兹曼方程的定解条件 600
7.1.2 构建多孔介质结构的LBM自适应方法 603
7.2 LBM水流运移数值实验 611
7.2.1 数值验证 611
7.2.2 完整贯通裂隙（或空腔）水流模拟 613
7.3 LBM溶质运移数值实验 614
7.3.1 对流弥散方程的格子玻尔兹曼求解 614
7.3.2 泰勒水动力弥散验证 618
7.3.3 非完整贯通裂隙的溶质运移 619
7.3.4 粗糙裂隙溶质运移问题 623
7.4 LBM两相流运移数值实验 634
7.4.1 湿润角的模拟 636
7.4.2 相对渗透率数值验证 638
7.4.3 相对渗透率影响因素分析 639
7.4.4 充填裂隙介质NAPL淤堵模拟分析 646
7.4.5 三维粗糙裂隙NAPL入侵过程模拟 649
7.5 水力扫描技术 663
7.6 水力扫描方法 665
7.6.1 SSLE算法在水力扫描技术中的应用 665
7.6.2 SSLE算法 665
7.7 水力扫描数值实验 670
7.7.1 实验概况 670
7.7.2 实验结果 671
7.7.3 分析与讨论 674
参考文献 678
附录 683
符号、含义与量纲 686
中英文名词对照表 693
本文关键词：水文地质学，由笔耕文化传播整理发布。
本文编号：136251
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