地下水数值模拟

地下水数值模拟
薛禹群 谢春红 著
国家自然科学基金 资助出版
北 京
内 容 简 介
本书详细论述了各类水文地质问题 ， 包括水流问题 、 溶质运移 （地下水 污染）问题 、 热量运移问题的数学模型及其数值解法 。 全书共分 ３ 篇 。 第一 篇为数学模型 ， 内容包括各类基本方程 、 地下水流模型 、 溶质运移模型和热 量运移模型 ； 第二篇为数值方法 ， 除了对二维 、 三维各类问题的有限差分法 、 有限元法 、 边界元法 、 有限分析法等数值方法系统论述外 ， 还对近年来新出 现的混合有限元法 、 多尺度有限元法等进行了系统论述 ， 并以各类典型问 题， 如水资源评价 、 露天矿疏干 、 土坝渗漏 、 输水渠渗漏 、 地下水污染 、 海水入 侵及海水入侵条件下交换性阳离子运移行为 、 咸／卤水入侵问题 、 含水层贮 能和地面沉降等为例 ， 论述了上述各类模型的建立 、 求解过程 ， 展示了模拟 在有关地下水的各项工作中的广阔应用前景 ； 第三篇为反求参数的数值方 法， 包括解逆问题的数值方法和敏感度分析与模型的不确定性 。 本书除了 系统介绍国内外的最新进展外 ， 着重介绍作者近年来的研究成果 。 本书可供水文地质 、 水文与水资源 、 环境工程等专业科研人员 、 工程技 术人员和高等学校师生阅读和参考 。
北 京 东 黄 城 根 北 街 １６ 号 邮 政 编 码 ： １ ００７１７ h t tp ： ／／ w w w ． sciencep ． co m
出版
科学出版社发行 各地新华书店经销 倡 ２００７ 年 ９ 月 第 一 版 开 本 ： ７８７ × １０９２ １／１６ ２００７ 年 ９ 月 第 一 次 印 刷 印 张 ： ２９ 印 数 ： １ — ２ ０００ 字 数 ： ６８８ ０００ Nhomakorabea印刷
定价 ： 89 ． 00 元 （如有印装质量问题 ， 我社负责调换枙科印枛）
前 言
１９８０ 年我与谢春红教授合作出版了枟水文地质学的数值法枠一书 ， 这是我 国出版的第一部有关这方面的著作 ，很快就售完了 。 读者买不到 ，找到出版 社， 因而出版社希望我们做些勘误后重印 。 但因出国访学耽误了 。 回来后出 版社再次转达了他们的希望 ， 当时年纪还轻 ， 缺乏经验 ， 就说好几年过去了 ， 这 方面发展很快 ， 重印不如重写吧 。 出版社当然乐意 ，我们也制定了一个颇为 “宏伟”的计划 ， 要把各类主要的水文地质问题亲自建立模型 ， 算上一遍 ， 有了 自己的东西后再写 ， 这大概是 １９８４ ～ １９８５ 年的事 。 以后的实践证明 ， 这句话 说来容易 ， 做起来却很难 ， 会碰到很多意想不到的困难 。 最大的困难就是如何 取得满足模拟需要的各类观测资料 。 有些问题我国根本就没有这方面的任何 系统观测资料 ， 只好自己动手收集 。 海水入侵就是一个例子 ， 虽然列入了国家 “七五”重点科技攻关计划 ， 但还得从动员地方政府入手 ， 让他们认识到问题的 重要性 ， 愿意出钱出人和我们一起建立完整的三维监测网 ， 派人定期监测海水 入侵情况（５ 天测一次水位 ， １５ 天取样一次进行水质全分析） 。 这个监测网也 是当时世界上最完整的三维监测网 。 数年下来取得了系统的三维动态观测资 料， 为海水入侵模拟及以后的海水入侵过程中阳离子交换模拟奠定了基础 。 有些问题国内虽有比较完整的观测资料 ， 但由于当时地质资料非常保密 ， 外单 位是很难取得这些观测资料的 。 没有资料也就无法进行模拟 ， 直至进入 ２１ 世 纪， 随着改革开放的深入 ， 这些问题才逐步解决 。 这样完成上述愿望差不多用 了整整二十多年 ， 现在可以毫不夸张地说 ， 各类主要的地下水模拟问题我们都 进行了研究和实践 ， 在这个过程中我们不仅建立了许多模型 ， 还提出了很多新 的算法 。 这些内容有的已经写成论文发表过 ， 有的最新成果还没有来得及发 表， 都一起作为作者三十多年研究的总结放进这本书里了 ， 也了却了一个多年 来的心愿 。 除了孙讷正在 １９８１ 年和 １９８９ 年后出版的 枟地下水流的数学模型和数值 方法枠和枟地下水污染 ——— 数学模型和数值方法枠两本著作外 ， 这二十多年来就 没有出版过反映当代地下水模型和数值法进展的专门著作 。 但这些年来 ， 数 值方法发展很快 ， 新的方法不断出现 ， 缺少这方面的综合性著作 ， 显然不利于 我国地下水科学的发展 。 虽然这期间也有少量教材出版 ， 但内容简单 ， 缺少近 期进展和新出现的方法 ， 也没有涉及一些专门问题的模拟 ， 无法满足要求 。 我
图书在版编目（CIP）数据 地下水数值模拟／薛禹群 ， 谢春红著 ． — 北京 ： 科学出版社 ， ２００７ ISBN ９７８唱７唱０３唱０１９６５１唱４
中国版本图书馆 CIP 数据核字（２００７）第 １２６３８１ 号
Ⅰ 畅 地 … Ⅱ 畅 ① 薛 … ② 谢 … Ⅲ 畅 地下水 数值模拟 Ⅳ 畅 P６４１畅 ２ 责任编辑 ： 谢洪源 赵 峰／责任校对 ： 鲁 素 责任印制 ： 钱玉芬／封面设计 ： 王 浩
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地下水数值模拟
们不仅自己参与了这方面的研究 ， 也尽量更新内容 ， 反映近二十多年来国内外 的地下水模拟的研究成果 。 在突出基础理论的同时尽量保持老一版 枟水文地 质学的数值法枠的优点 ， 即既保持数学上的严密 ， 又为了适应广大水文地质工 作者的实际情况 ， 尽可能采用他们比较容易理解的写法来写 ， 有利于全国从事 地下水研究 、 学习的广大水文地质 、 水文与水资源 、 环境科学的教学科研人员 、 研究生 、 高年级本科生能够自学本书 ， 以推进我国地下水科学的发展 。 全书共分 ３ 篇 ， 即数学模型 、 数值方法和反求参数的数值方法 。 第一篇除 了扼要地讲述进行数值模拟时可能要用到的各类基本方程 、 地下水流模型 、 溶 质运移模型和热量运移模型外 ， 还重点讲述了一些由作者建立的一些专门针 对复杂 、 典型水文地质问题 ，如海水入侵 、 海水入侵过程中阳离子交换 、 咸／卤 水入侵 、 地面沉降 、 热量运移 、 含水层贮能 、 地下水污染 、 双重介质和交叉裂隙 系统中水流运动等建立的模型 。 随着国民经济的快速发展 ， 很多过去见得不 多的问题 ， 如地面沉降 、 海水入侵 、 地下水污染等等逐渐成为普遍性问题 ， 需要 给予专门的讨论 ， 以适应国民经济发展的需要 。 第二篇数值方法是本书的主 体， 讲述求解上述模型的各种主要数值方法 ， 包括有限差分法 、 有限元法 、 随机 游动法 、 特征线法和与之有关的方法 、 混合有限元法 、 多尺度有限元法 、 边界元 法、 有限分析法和自适应法 ， 供读者选用 。 其中不少新的或较新的方法在国内 还是首次被系统介绍 ， 也包括作者提出还没有来得及发表的一些方法（如混合 有限元法求解溶质运移问题的方法 、多尺度有限元法 、自适应有限元法等） 。 在讲述这些方法的同时 ， 还以各类典型问题 ， 如水资源评价 、 露天矿疏干 、 土坝 渗漏 、 输水渠渗漏 、 地下水污染 、 海水入侵及海水入侵条件下交换阳离子运移 行为 、 咸／卤水入侵问题 、 含水层贮能和地面沉降等为例 ， 论述了各类模型的建 立、 求解过程 ， 展示了模拟在有关地下水的各项工作中的广阔应用前景 。 第三 篇为反求参数的数值方法 ， 包括解逆问题的数值方法和敏感度分析与模型的 不确定性 。 敏感度分析与模型的不确定性在国内水文地质界过去重视不够 ， 考虑到它的重要性 ， 也参考国外文献做了必要的介绍 ， 以便国内开展这方面工 作时参考 。 全书所有研究成果都是在国家自然科学基金的资助下完成的 ， 没有自然 科学基金的资助［共包括两项重点基金（４０３３５０４５ ， ４９２３２０４２）和 ５ 项面上基金 （４０１７２０８２ ，４９７７２１６１ ，４９４７２１５９ ，４９０７０１４４ ，４８６０１５４）］ 就不可能取得这些成 果， 也就不会有这本著作 ， 在此特向国家自然科学基金委员会有关领导致以衷 心的感谢 。 全书大纲由薛禹群 、 谢春红共同商定 ， 然后由薛禹群执笔并负责修改 、 校 对， 谢春红则对全书审阅并提出修改意见 。 为了减少打印错误 ， 全书打印均由