內容簡介
《水科學前沿叢書:水動力及水環境模擬方法與應用》針對自然水體的水動力與水環境特徵。圍繞岸邊汙染混閤區、大型水庫水溫分層、湖泊水庫的富營養化、過壩水流的溶解氣體超飽和、復雜河網的物質傳輸等水環境問題,模擬瞭水流動力條件的變化規律;在此基礎上,分析瞭相關的物理輸移和生化反應過程,建立瞭水環境模擬的數學模型,預測瞭水溫、營養鹽、葉綠素、溶解氧等重要環境要素的時空變化,探究瞭它們在不同條件下的發展趨勢。
《水科學前沿叢書:水動力及水環境模擬方法與應用》基礎理論嚴謹,模擬方法高效,並在三峽水庫、太湖、洞庭湖、三亞河等重要水域得到廣泛應用,可作為水動力學和水環境領域的研究生、研究人員和工程技術人員的參考書。
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目錄
《水科學前沿叢書》齣版說明
序
前言
第1章 緒論
1.1 自然水體環境及數值模擬
1.2 自然水體的流動特點及環境特徵
1.2.1 河流的流動特點及環境特徵
1.2.2 湖泊的流動特點及環境特徵
1.2.3水庫的流動特點及環境特徵
1.3 基本控製方程和常用數值方法
1.3.1 水流及物質輸移擴散的基本方程
1.3.2 常用數值離散方法
參考文獻
第2章 岸邊汙染混閤區及環境容量
2.1 岸邊排汙的基本概念
2.2 汙染混閤區預測模型
2.2.1 深度平均二維模型
2.2.2 斜分層三維模型
2.3 三峽水庫岸邊汙染混閤區的模擬預測
2.3.1 涪陵磷肥廠汙水排放模擬預測
2.3.2 萬州江段汙水排放模擬預測
2.4 三峽水庫岸邊水環境容量計算
2.4.1 主要排汙口的允許排汙負荷的計算
2.4.2 三峽水庫排汙口的適宜布局
2.4.3 岸邊水環境容量及變化分析
參考文獻
第3章 大型水庫的水溫模擬
3.1 水庫水溫分層和常用判據
3.1.1 水體分層現象
3.1.2 水庫分層類型及判據
3.1.3 溫度分層對水體運動的影響
3.2 水庫水溫模型
3.2.1 垂嚮一維水溫模型
3.2.2 三維水溫模型
3.2.3 水麵熱交換
3.3 密雲水庫的水溫模擬
3.3.1 參數的率定和模型選擇
3.3.2 1998~2007年水溫的變化
3.3.3 氣候變化對水溫分布的影響
3.4 三峽水庫水溫模擬分析
3.4.1 水庫氣象條件及特徵分析
3.4.2 實測水溫資料分析
3.4.3 蓄水前後水溫數值模擬
參考文獻
第4章 水體富營養化的動力過程
4.1 水體富營養化及其判彆方法
4.1.1 富營養化的危害
4.1.2 水體富營養化的形成機理
4.1.3 富營養化的判彆方法
4.2 藻類生長的生態動力學模型
4.2.1 控製方程
4.2.2 模型的生態流程結構
4.2.3 模型的生化反應項方程
4.3 太湖水體富營養化的模擬與分析
4.3.1 太湖的水環境特徵
4.3.2 五裏湖的模擬與分析
4.3.3 太湖的模擬與分析
4.3.4 太湖富營養化進程的空間變化
4.4 小江開縣段水體富營養化的預測分析
4.4.1 富營養化初步分析及模擬工況設計
4.4.2 富營養化模擬結果及分析
4.4.3 小江開縣段水體富營養化的防治建議
參考文獻
第5章 閘壩泄流的溶解氣體超飽和
5.1 泄流水體溶解氣體超飽和現象的機理分析
5.1.1 摻氣水流及氣體傳輸
5.1.2 溶解氣體超飽和的發生機理
5.1.3 壩下水體溶解氣體含量的影響因素
5.2 泄流水體的溶解氣體預測模型
5.2.1 水流模擬的VOF模型
5.2.2 溶解氣體傳輸模型
5.3 三峽大壩下遊溶解氣體超飽和模擬與分析
5.3.1 近壩水域溶解氧變化特性分析
5.3.2 大壩下遊溶解氧主要影響因素分析
5.3.3 三峽工程深孔摻氣水流模擬
5.3.4 溶解氧飽和度的模擬
參考文獻
第6章 河網地區水動力與水環境模擬
6.1 河網水動力與水環境模擬概述
6.2 河網一維水動力模型
6.2.1 河網水動力控製方程組及數值離散
6.2.2 汊點水動力連接條件處理
6.2.3 河網中結構物的處理
6.2.4 離散方程組的集成與求解
6.2.5 河網水動力模型的驗證
6.3 復雜河網一維水質模型
6.4 三亞河水環境容量計算
6.4.1 三亞河概況
6.4.2 三亞河網水流一水質模型驗證
6.4.3 三亞河水環境容量分析及水質預測
6.5 洞庭湖區河湖係統水動力模擬
6.5.1 洞庭湖區概況
6.5.2 洞庭湖區水深平均二維水動力模型
6.5.3 一維和二維水動力模型的連接
6.5.4 洞庭湖河湖係統水動力模型驗證
6.5.5 洞庭湖區枯水期水動力特徵
參考文獻
附錄 虛擬調蓄麵積的推導過程
前言/序言
《流域尺度水文過程與可持續管理》 內容簡介 本書深入探討瞭流域尺度水文過程的復雜性、多尺度特徵及其在水資源可持續管理中的關鍵作用。麵對日益嚴峻的水資源短缺、洪水風險增加以及生態係統退化等挑戰,理解和量化地錶與地下水文通量、物質遷移轉化規律,並構建有效的管理框架,已成為現代水資源科學與工程的核心議題。 第一部分:流域水文過程的理論基礎與量化方法 本部分係統闡述瞭流域水循環的物理機製,重點聚焦於大氣降水、蒸散發、地錶徑流形成與匯流過程的尺度效應。 第一章:流域水循環的多尺度特徵與耦閤機製 尺度效應的量化: 詳細分析瞭從集水區尺度到大江大河流域尺度的水文響應差異。討論瞭地形、土地利用和氣候變率如何通過不同尺度的過程(如土壤水分重分配、地下水補給)影響整體水文平衡。 水熱耦閤: 深入研究瞭地錶能量平衡與水循環的相互作用。探討瞭植被冠層截留、土壤水分狀態對地錶反照率和湍流通量的反饋機製,尤其關注極端氣候條件下(如乾旱、熱浪)水熱耦閤的臨界點。 水沙輸沙耦閤: 闡述瞭水流驅動下的泥沙運動機製。重點剖析瞭土壤侵蝕的産沙過程、河道輸沙的動力學模型,以及在氣候變化和人類活動影響下,流域産沙量和輸沙能力的長期趨勢變化。 第二章:先進水文觀測技術與數據同化 遙感水文: 綜述瞭衛星遙感技術在流域尺度水文參數反演中的應用,包括降雨估算(如GPM)、地錶溫度(LST)、植被指數(NDVI)及其對土壤濕度的間接指示。討論瞭遙感數據在空間異質性處理中的優勢與局限。 同化技術與模型校正: 重點介紹瞭數據同化理論(如卡爾曼濾波、集閤卡爾曼濾波)在耦閤觀測數據與分布式水文模型中的應用。討論瞭如何利用多源異構數據(氣象站、遙感、流量站)來優化模型狀態變量和參數,提高短期預報和長期模擬的準確性。 同位素水文學在示蹤中的應用: 闡述瞭穩定同位素($delta^{18}O$, $delta D$)和環境同位素(如氚, $^{14}C$)在區分水流路徑、測定地下水年齡和量化蒸散發貢獻方麵的原理和實踐案例。 第二部分:流域水文過程的模擬與預測 本部分側重於建立和應用高分辨率、物理基礎紮實的流域水文模型,以應對復雜的水文情景預測需求。 第三章:分布式水文模型的構建與參數化 模型結構選擇: 對比分析瞭集總式、半分布式和全分布式水文模型的適用性、計算效率和對物理過程的錶徵能力。重點介紹瞭基於過程的(Process-based)模型框架,如 SWAT、VIC 等模型在模擬空間異質性方麵的改進。 高分辨率輸入數據的處理: 探討瞭如何將高分辨率地形數據(DEM)、土地利用/覆蓋數據(LULC)和氣象再分析數據有效地集成到模型中,特彆是對於參數空間異質性的處理策略。 不確定性分析: 深入探討瞭模型輸入數據、模型結構和參數估計帶來的不確定性來源。介紹瞭貝葉斯方法、濛特卡洛模擬等工具在量化模型預測不確定性範圍中的應用。 第四章:極端水文事件的模擬與預報 洪水過程的精細化模擬: 針對暴雨洪水事件,探討瞭基於不透水麵積響應、淺層土壤水流動和河道潰決的快速響應機製模擬。重點關注城市化和流域下墊麵變化對洪水峰值和曆時(Time-to-Peak)的影響。 乾旱的識彆與預測: 區分瞭氣象乾旱、土壤水分乾旱和水文乾旱。介紹瞭幾種基於多源指數的乾旱監測體係(如SPEI、SPI),並討論瞭在氣候預測背景下對未來乾旱頻率和強度的概率性預報方法。 第三部分:流域水資源的可持續管理與生態響應 本部分將水文模擬結果與實際管理目標相結閤,探討如何實現水資源係統的生態完整性與經濟效益的平衡。 第五章:氣候變化背景下的水資源承載力評估 氣候情景的構建與影響評估: 介紹瞭 IPCC 排放情景(SSPs/RCPs)到區域水文情景的降尺度方法。評估瞭未來氣候變化對區域總水資源量、季節性分配和極端事件頻率的影響。 地下水資源的可持續性: 探討瞭地下水補給機製在不同氣候條件下的變化。利用大尺度水文模型結閤地下水模型(如 MODFLOW)進行耦閤模擬,評估超采導緻的基流下降和地麵沉降風險。 水資源承載力評估框架: 建立瞭一套綜閤考慮生態需水、社會經濟用水和環境承載力的流域水資源承載力評價指標體係,為製定區域用水紅綫提供科學依據。 第六章:水環境與生態水文反饋機製 水質過程的流域模擬: 重點關注營養物質(氮、磷)和特定汙染物在流域尺度上的遷移、轉化和匯集過程。討論瞭土地管理措施(如最佳管理實踐 BMPs)對削減非點源汙染負荷的有效性。 生態需水與河流水文連通性: 闡述瞭河流生態係統健康所需的最小流量(Minimum Streamflow)和季節性水文脈衝(Flow Regime)。利用水文模型模擬不同調水調沙方案對河流連通性、棲息地適宜性的影響。 水-土地利用協同管理: 提齣瞭一種基於生態係統服務功能評估的水土資源協同管理策略。探討瞭濕地恢復、林業措施對徑流調節和水質淨化的綜閤效益。 總結與展望 本書旨在為水文科研人員、水資源規劃師和流域管理者提供一套係統性的理論框架和實用的技術方法。未來的研究方嚮將集中於更精細的地下水-地錶水相互作用、人-水係統反饋機製的建模,以及在不確定性約束下實現流域韌性管理的目標。本書強調,理解流域作為一個復雜、動態的開放係統,是實現區域水安全與可持續發展的基石。
在一次偶然的機會中,我看到瞭這本書,雖然我並非科班齣身,但我對自然科學,特彆是與我們生活息息相關的水資源問題一直懷有濃厚的興趣。我們生活的地區近年來麵臨著越來越嚴峻的水資源短缺和水汙染問題,每一次的討論都讓我感到憂慮。這本書的書名——“水動力及水環境模擬方法與應用”——聽起來就非常專業,但“應用”二字吸引瞭我。我希望它不僅僅是枯燥的理論推導,而是能讓我理解,科學傢們是如何通過模擬來預測和解決這些現實問題的。比如,當地的河流經常發生季節性斷流,我想知道是否有什麼方法可以模擬齣斷流的風險,並提齣相應的應對策略?或者,工業排汙對下遊水質的影響,是否能通過模擬來量化,進而製定更有效的治理方案?我尤其好奇,這些模擬“方法”究竟包含哪些內容,是基於什麼原理,又需要哪些數據?我希望能從中獲得一些科普性的解讀,即使我無法深入理解所有的數學公式,也能大緻瞭解科學傢們解決問題的思路和手段,從而更好地理解和支持相關的環保決策。如果書中能有一些生動的圖錶或者案例分析,就更好瞭,能幫助我這樣一個非專業人士更好地吸收知識。