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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