物理与化学水文地质学 第2版PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 什么是水文地质学？ 1

1.1.1 20世纪40年代早期之前的物理水文地质学 2

1.1.2 20世纪60年代之前的化学水文地质学 4

1.1.3 1960年之后的水文地质学 4

1.2 水文地质学与其他地质学科的关系 5

1.3 水文循环 6

1.3.1 水文循环的组成部分 6

1.3.2 蒸散作用及潜在蒸散作用 8

1.3.3 入渗和补给 10

1.3.4 基流 10

1.3.5 水均衡方程 12

习题 15

第2章 孔隙度和渗透性的起源 16

2.1 孔隙度和渗透性 16

2.1.1 孔隙度和有效孔隙度 16

2.1.2 渗透性 19

2.2 大陆环境 20

2.2.1 风化作用 20

2.2.2 侵蚀、搬运和沉积 22

冲积物 22

风积物 24

湖泊沉积物 25

冰川沉积物 25

2.3 大陆环境与海洋环境的边界 25

2.4 海洋环境 26

2.4.1 侧向地层序列和垂直地层序列 27

2.4.2 古海洋及其沉积物 28

古生代岩组 29

中生代岩组 29

新生代岩组 30

2.4.3 海洋环境中的成岩作用 30

孔隙度减小：压实和压溶 30

岩石-水的化学相互作用：砂岩中的次生孔隙 32

2.5 地壳隆起、成岩作用及侵蚀作用 33

2.5.1 与隆起有关的不同建造类型 34

2.5.2 碳酸盐岩中次生孔隙富集 36

2.6 构造活动与裂隙的形成 36

2.6.1 裂隙作用样式 37

2.6.2 流体压力和孔隙度 38

2.6.3 连通性 39

第3章 地下水运动 40

3.1 达西实验与野外拓展 40

3.1.1 达西流速的实质 41

3.1.2 水头：Hubbert势 42

3.1.3 梯度与地下水流 43

3.1.4 达西公式中比例系数的物理意义 45

3.1.5 单位与量纲 46

3.2 地质介质的水力传导系数与渗透率 46

3.2.1 水力传导系数的实测范围 46

3.2.2 水力传导系数的分布特征 48

3.2.3 单元内的各向异性与非均质性 49

3.2.4 单元间的非均质性与含水层分类 51

3.2.5 求取水力传导系数均值 52

3.2.6 各向异性介质中的达西定律 53

3.2.7 水力传导系数的测定 55

实验室测定 55

经验公式 56

3.3 地质系统渗流图的测绘 57

3.3.1 水文地质剖面 57

3.3.2 等势面与潜水面图 58

3.3.3 小结 60

3.4 裂隙岩石中的渗流 61

3.4.1 流体流动的连续性方法 61

粒间多孔介质 61

裂隙岩石 62

3.5 非饱和带中的渗流 65

3.5.1 水头与压力水头 65

3.5.2 水分特征曲线 66

3.5.3 不同饱和程度水流中达西定律的应用 68

3.5.4 裂隙岩层中的非饱和水流 68

习题 69

第4章 水流基本方程、边界条件及流网 73

4.1 地下水流方程构建 73

4.2 流体质量守恒 74

4.2.1 水流基本方程 75

4.3 多孔介质的储水性质 77

4.3.1 水的压缩性及其与承压含水层弹性储水的关系 78

4.3.2 岩石介质的压缩性：有效应力理论 80

4.3.3 介质的压缩性及其与承压含水层单位储水系数的关系 82

4.3.4 含水层的承压水流方程 84

4.3.5 含水层的重力给水度 85

4.4 边界条件与流网 86

4.4.1 流网的绘制 90

4.5 量纲分析 91

习题 92

第5章 盆地水文循环中的地下水 94

5.1 地形驱动力 94

5.1.1 早期的野外研究 94

5.1.2 非承压地下径流的概念模型、图解模型和数学模型 95

盆地几何形态对地下水径流的影响 98

盆地地质背景对地下水径流的影响 100

5.1.3 山区的地下水 104

5.1.4 碳酸盐岩区的地下水 109

5.1.5 滨海地区的地下水 110

5.1.6 滨海地区的咸-淡水分界面 111

Ghyben-Herzberg关系式 112

淡水排泄断面位于海面之下时咸-淡水分界面的形状 113

5.1.7 抽水井附近咸-淡水分界面的锥形上升 114

5.2 地下水径流的地表特征 114

5.2.1 补给-排泄关系 115

5.2.2 地下水-湖泊相互作用 119

5.2.3 地下水-地表水相互作用 121

5.3 地形驱动的地下水系统的工程和地质学意义 121

5.3.1 大型水库蓄水 121

5.3.2 开挖物：涌水量及稳定性 122

海平面运河 122

地下水涌入开挖物内的量 124

地下水排泄区内开挖物的稳定性 125

5.3.3 滑坡和边坡稳定性 126

习题 128

第6章 水力学试验：模型、方法与应用 129

6.1 水力学试验的地质模型原型 129

6.2 常规水力学试验方法和分析 131

6.2.1 泰斯非稳定井流抽水试验方法 131

配线法 134

假设及解译 135

6.2.2 非稳定井流方程的修正 135

时间-降深法 136

距离-降深法 136

6.2.3 稳态：瞬态响应的终端情况 137

6.2.4 越流含水层中的Hantush-Jacob求解法 138

6.2.5 潜水含水层 141

6.3 单井试验 143

6.3.1 水位恢复试验 143

6.3.2 钻杆试验 144

6.3.3 定容积瞬时抽（注）水试验 144

6.3.4 抽水井响应：单位流量与井效 146

6.4 非完整井、叠加和有界含水层 148

6.4.1 非完整井 148

6.4.2 叠加原理 149

6.4.3 有界含水层 151

6.5 裂隙岩体或低渗透性岩体中的水力学试验 155

6.5.1 单孔试验 155

6.5.2 多孔试验 156

6.6 水力学问题的应用实例 158

6.6.1 滤管直径与抽水流量 158

6.6.2 井的产水量：分段降深试验 158

6.6.3 一例含水层疏干排水问题 159

6.6.4 一例供水问题 161

6.7 计算机运算 162

6.7.1 代码示范 164

6.7.2 有界含水层回访 165

习题 167

第7章 作为资源的地下水 171

7.1 地下水资源的开发 171

7.1.1 含水层对抽水的响应 171

7.1.2 抽水量分析 172

案例分析：洛杉矶河上游地区 172

7.1.3 管理策略 174

人工补给 175

联合利用 177

7.2 地下水流模拟概述 178

7.2.1 建模的一般步骤 179

7.2.2 概念模型 179

7.2.3 地下水流模拟 180

7.2.4 模型结果评估 181

7.2.5 模型验证 182

7.2.6 注意事项 182

7.3 地下水流有限差分方程的构建 183

7.3.1 有限差分网格的描述 183

7.3.2 有限差分方程的推导 184

7.4 MODFLOW软件家族 186

7.4.1 有限差分方程组的求解 187

7.4.2 模块化程序结构 188

7.4.3 示例 189

7.4.4 软件的操作要点 193

时间步长的大小 193

“抽水”节点处的降深 193

地下水位条件 194

边界条件 195

7.5 MODFLOW应用案例 195

7.5.1 模型的构建 197

7.5.2 数据准备及模型校准 199

习题 200

第8章 应力、应变和孔隙流体 202

8.1 变形多孔介质 202

8.1.1 一维固结 202

渗流方程的建立 202

不排水条件下地下水位对自然荷载事件的响应 203

水位对自然荷载事件的排水响应 207

8.1.2 一维排水响应造成的地面沉降 208

地面沉降的数学描述 210

8.1.3 三维固结 217

变形问题中的弹性特性 217

变形介质的流动方程 219

8.2 活跃沉积环境中的异常流体压力 220

8.2.1 起源和分布 220

8.2.2 问题的数学表达式 223

8.2.3 等温盆地荷载和构造应变 224

一维盆地荷载 225

一维荷载模型的扩展 228

8.2.4 流体的热膨胀 230

8.2.5 流体压力和岩石裂隙 233

8.2.6 相变 236

8.2.7 异常低压 237

8.2.8 不可逆过程 237

8.3 构造作用中的孔隙流体 238

8.3.1 液体压力和逆冲断层的作用 238

8.3.2 流体注入引起的地震活动 239

8.3.3 水库附近诱发的地震活动 241

8.3.4 地壳中部的地震活动和孔隙流体 242

8.3.5 地下水测震仪：地震和膨胀模型 242

习题 244

第9章 地下水流中的热运移 246

9.1 传导、对流和热运移方程 246

9.1.1 傅里叶定律 247

9.1.2 对流运移 249

9.1.3 能量运移公式 250

热传导方程 251

传导-对流方程 252

无量纲参数 253

9.2 强迫对流 253

9.2.1 温度剖面和地下水流速 254

9.2.2 区域地下水流的热运移 255

9.2.3 活跃的沉积环境中的热运移 262

9.2.4 山区的热运移 265

9.3 自由对流 267

9.3.1 自由对流的起始条件 267

9.3.2 倾斜地层 268

9.3.3 地质意义 269

9.4 能源资源 270

9.4.1 地热能源 270

9.4.2 含水层中的能量储存 271

9.5 热运移和核废物储存的地质贮藏处 271

9.5.1 核废物处置项目 271

9.5.2 岩石类型 272

9.5.3 热-水化学效应 275

9.5.4 热-机械效应 275

习题 276

第10章 溶质运移 277

10.1 对流 278

10.2 弥散的基本概念 279

10.2.1 扩散 280

10.2.2 机械弥散 282

10.3 弥散系数的特征 284

10.3.1 微观尺度的研究 284

10.3.2 作为介质特性的弥散度 285

10.3.3 宏观及更大尺度上的研究 285

10.4 弥散的菲克模型 289

10.5 裂隙介质中的混合作用 292

10.6 弥散的地统计学模拟 294

10.6.1 均值和方差 295

10.6.2 自协方差和自相关函数 295

10.6.3 相关随机场的产生 297

10.6.4 弥散度的估算 298

10.7 示踪剂和示踪试验 299

10.7.1 野外示踪试验 299

自然梯度试验 299

单井脉冲试验 300

双井示踪试验 300

具有多个观测井的单井注水或抽水 301

10.7.2 基于污染羽和环境示踪剂的估算 301

10.7.3 高密观测场地示踪试验 301

Borden示踪试验 302

弥散随机模型的验证 303

习题 304

第11章 水文地球化学原理 307

11.1 水系统简介 307

11.1.1 浓度度量单位 308

11.1.2 气相与固相 309

11.2 水的结构与水中的物质 310

11.3 反应的平衡与动力学描述 310

11.3.1 反应速率 311

11.4 化学反应的平衡模型 312

11.4.1 活度模型 312

11.5 化学平衡的偏离 315

11.6 化学反应动力学 316

11.7 有机组分 318

11.8 地下水组成 321

11.8.1 常规水分析 322

11.8.2 专项分析 323

11.9 化学数据的描述 324

11.9.1 丰度或相对丰度 324

11.9.2 丰度及其变化方式 325

习题 328

第12章 化学反应 330

12.1 酸-碱反应 330

12.1.1 天然弱酸-碱系统 331

12.1.2 CO2-水系统 332

12.1.3 碱度 333

12.2 溶解、出溶、挥发与沉淀 334

12.2.1 气体的溶解与出溶 334

12.2.2 水中有机溶质的溶解 335

12.2.3 挥发作用 336

12.2.4 固体的溶解与沉淀 339

12.2.5 固体的溶解度 339

12.3 络合反应 340

12.3.1 络合物的稳定性及形态模拟 341

12.3.2 主要离子的络合与平衡计算 343

12.3.3 增强金属离子的迁移性 343

12.3.4 有机络合反应 344

12.4 表面反应 345

12.4.1 等温吸附曲线 345

12.4.2 有机组分的疏水吸附 346

12.4.3 基于Kd的模拟金属元素吸附的方法 350

12.4.4 多参数平衡模型 350

12.5 氧化-还原反应 354

12.5.1 氧化数、半反应、电子活度及氧化还原电位 355

12.5.2 反应动力学与优势反应对 359

12.5.3 金属迁移能力的控制 360

12.5.4 有机组分的生物转化 361

12.6 水解作用 362

12.7 同位素过程 362

12.7.1 放射性衰变 363

12.7.2 同位素反应 364

12.7.3 氘和氧-18 365

习题 367

第13章 胶体与微生物 369

13.1 胶体输运概念模型 369

13.1.1 胶体物质的分布 370

13.1.2 稳定作用 370

13.1.3 输运与过滤 371

13.2 地下水中的胶体输运 372

13.2.1 采样与测试 372

13.2.2 科德角研究 373

13.3 微生物系统 374

13.3.1 生物膜 375

13.3.2 微生物群落采样与计数 376

平板计数 376

直接计数法 377

生化技术 378

13.3.3 微生物反应速率 378

13.3.4 地下微生物生态 380

13.4 微生物过程 381

13.4.1 生物降解 381

13.4.2 生物膜动力学 382

13.5 常见污染物的生物转化 383

13.5.1 烃类及衍生物 384

13.5.2 卤代脂肪族化合物 384

13.5.3 卤代芳香族化合物 385

13.5.4 多氯联苯 385

13.5.5 复杂的转化途径 385

习题 386

第14章 溶质运移方程 387

14.1 溶质运移方程 387

14.1.1 扩散方程 388

14.1.2 对流-扩散方程 388

14.1.3 对流-弥散方程 389

14.2 溶质反应运移 389

14.2.1 一级动力学反应 390

14.2.2 平衡吸附反应 391

14.2.3 非均相动力学反应 392

14.3 边界条件和初始条件 393

习题 395

第15章 天然地下水系统中的溶质运移 396

15.1 引起化学变化的混合作用 396

15.1.1 大气降水与原生沉积水的混合作用 396

15.1.2 深部沉积环境中的扩散 398

15.2 非饱和带中的化学反应 400

15.2.1 气体溶解与重分布 400

15.2.2 弱酸-强碱反应 401

15.2.3 硫化物的氧化 404

15.2.4 石膏的沉淀与溶解 404

15.2.5 阳离子交换 404

15.2.6 有机反应 405

15.3 饱和带中的化学反应 405

15.3.1 弱酸-强碱反应 406

15.3.2 可溶盐的溶解 409

15.3.3 氧化-还原反应 410

15.3.4 阳离子交换 413

15.4 Milk河含水层实例研究 414

15.5 地下水定年 418

15.5.1 直接法 418

氘 419

碳-14 420

氯-36 422

15.5.2 间接法 423

δ18O和δD 423

氯氟烃 423

习题 425

第16章 地下水流中的质量输运：地质系统 427

16.1 碳酸盐岩中的质量输运 427

16.1.1 碳酸盐沉积物中趋于化学平衡的途径 428

16.1.2 未饱和问题 431

16.1.3 白云石化作用 432

16.2 成矿作用 434

16.2.1 矿床的成因 434

卷积带前锋型铀矿床 435

密西西比河谷型铅锌矿 435

非商业矿化作用：盐渍土和蒸发岩 441

16.3 烃的运移与圈闭 443

16.3.1 驱替与圈闭 443

16.3.2 盆地迁移模型 445

16.4 水文地质系统中的自组织 447

16.4.1 与溶解相关的有序化 447

16.4.2 与沉淀和混合现象相关的有序化 448

习题 449

第17章 污染物水文地质学概论 450

17.1 地下水污染源 451

17.1.1 放射性核素污染 456

17.1.2 微量金属 456

17.1.3 营养物质 457

17.1.4 其他无机成分 457

17.1.5 有机污染物 458

石油烃及其衍生物 458

卤代脂肪族化合物 461

卤代芳香族化合物 461

多氯联苯 462

健康影响 462

17.1.6 生物污染物 462

17.2 溶质羽对于过程的指示作用 462

17.2.1 裂隙和岩溶系统 467

17.2.2 纽约Babylon案例研究 468

17.2.3 俄勒冈州Alkali湖案例分析 470

17.3 溶质采样设计和质量保证问题 472

17.3.1 采样网络设计 472

17.3.2 化学数据质量保证 473

17.4 采样方法 474

17.4.1 常规监测井或测压管 474

17.4.2 多水平取样器 475

17.4.3 固体取样法和流体取样法 477

17.4.4 静力触探法 478

17.4.5 其他取样方法 480

17.4.6 非饱和带中的溶解污染物 480

17.5 污染物检测的间接方法 480

17.5.1 土壤气体表征 481

17.5.2 物探方法 482

电法勘探 483

探地雷达 484

磁法 484

地震法 485

习题 485

第18章 溶解性污染物的运移模拟 486

18.1 解析方法 486

18.1.1 对流和纵向弥散 487

18.1.2 滞后方程 490

18.1.3 放射性衰变、生物降解和水解 492

18.1.4 横向弥散 493

18.1.5 多维运移模型 495

连续源 495

解析解的数值积分 498

瞬时点源模型 498

18.2 解析解的计算机编程 500

18.3 数值方法 503

18.3.1 通用的模型方法 503

18.3.2 常用的求解技术 504

18.3.3 添加化学反应 506

18.4 数值模型应用实例 506

习题 511

第19章 多相流体系统 515

19.1 基本概念 515

19.1.1 饱和度和润湿性 515

19.1.2 表面张力和毛细作用 516

19.1.3 吸入和排出 517

19.1.4 相对渗透率 518

19.1.5 溶解度和有效溶解度 521

19.2 LNAPLs和DNAPLs 522

19.2.1 地下水中LNAPLs分布的概念模型 523

19.2.2 DNAPLs在地下水中的运移 526

19.2.3 NAPLs的二次污染 528

19.2.4 概念模型和定量方法 529

19.2.5 汽油泄漏案例研究 531

19.2.6 纽约海德公园垃圾填埋场案例研究 532

19.3 分配 535

19.4 有机物在非饱和带的归宿 535

19.4.1 挥发作用 536

19.4.2 气体扩散运移 537

19.4.3 质量分布平衡计算 538

19.5 有机物在饱水带的归宿 541

质量分布的平衡计算 541

19.6 空气渗透率测试 542

19.7 DNAPLs场地识别 543

19.7.1 系统筛选流程 544

习题 546

第20章 修复：概述与去除方案 548

20.1 封堵 549

20.1.1 连续墙 549

20.1.2 板桩墙 550

20.1.3 灌浆 550

20.1.4 地面密封和地面排放 550

20.1.5 水动力控制 551

20.1.6 稳定和固化 552

20.2 管理选项 552

20.3 污染物去除方法概述 553

20.3.1 挖掘和异位处理 553

20.3.2 抽出处理 553

20.3.3 拦截系统 553

20.3.4 土壤气体抽吸法 554

20.4 抽出处理 554

20.4.1 抽出处理的问题 554

20.4.2 注入-回收系统的技术要求 557

20.4.3 抽出处理系统的设计方法 560

扩大中试系统 560

捕获区 560

捕获区分析方法 561

基于模型的回收系统设计方法 564

模拟优化技术 564

捕获区设计遇到的问题 565

20.5 NAPLs回收拦截系统 566

20.6 土壤气体抽吸法 568

20.6.1 SVE系统的构成 569

20.6.2 SVE系统何时可以使用？ 570

预估去除率 571

净化速率计算 572

20.6.3 土壤渗透性现场评估 573

20.6.4 非均质性和SVE系统的效率 574

20.7 注气法 576

20.7.1 气流和管道流 576

20.7.2 注气系统设计 577

20.8 原位修复案例研究 578

20.8.1 油泄漏：加拿大艾伯塔省卡尔加里 578

20.8.2 Gilson Road：美国新罕布什尔州Nashua 579

20.8.3 海德公园填埋场：美国纽约尼亚加拉瀑布 580

20.8.4 美国马萨诸塞州Groveland地下水源地场地 581

习题 583

第21章 原位处理和风险评价 585

21.1 固有生物修复法 585

21.2 生物通气法和生物吸吮法 587

21.2.1 生物通气技术在处理污染物族中的应用 589

21.2.2 生物通气系统成功的条件 589

21.2.3 原位呼吸作用试验 590

21.2.4 溶剂生物修复的进展 593

21.3 非生物化学处理 594

21.3.1 反应屏障系统 595

21.3.2 漏斗和闸门系统 595

21.4 风险评价 597

21.4.1 数据收集和评估 597

21.4.2 暴露评价 597

21.4.3 毒性评价 599

21.4.4 健康风险评价 599

21.4.5 风险评价类型 601

21.4.6 环境风险评价 602

21.5 Fernald案例研究 602

详细的风险评价 604

习题 607

习题答案 608

附录A 变形介质中的水流方程推导 613

附录B 计算机磁盘使用说明 615

附录C 相对原子质量表 618

参考文献 620

索引 662