第1章 绪论 1
1.1为什么要学习“环境污染数值模拟”这门课程 1
1.1.1学科发展的需要——定量化、精确化的需求 1
1.1.2学术研究的需要——要揭示自然规律，重要的研究方法 2
1.1.3工程实践的需要 2
1.2如何学习这门课程 2
1.3本课程的教学内容 3
1.4环境系统的基本概念 4
1.4.1环境系统 4
1.4.2环境系统内的多界面性 4
1.4.3环境系统的非线性 4
1.4.4环境系统的多组分 5
1.4.5环境系统的多过程 5
1.4.6环境系统的多相流 5
1.4.7环境系统的多尺度转化性 5
1.4.8环境系统的多场耦合性 6
1.5模型与模拟 7
1.5.1模型 7
1.5.2数学模型的分类 8
1.5.3模拟或仿真 8
1.6环境系统数值模拟研究进展与趋势 9
1.6.1空气质量数学模型研究进展 9
1.6.2河流水质数学模型的研究和发展 10
1.6.3非点源污染模型研究进展 13
1.6.4土壤-地下水污染数学模型研究与发展 15
1.6.5环境系统耦合模型研究 16
1.6.6环境系统数学模型研究展望 20
第2章 环境系统污染物迁移基本数学模型 22
2.1环境系统污染物多过程迁移分析 22
2.1.1污染物在环境介质中的对流作用 22
2.1.2污染物在环境介质中的扩散和弥散作用 23
2.1.3污染物在环境介质中的衰减与转化作用 25
2.2环境系统污染物迁移的基本方程 26
2.2.1环境系统污染物迁移的集总参数型方程 26
2.2.2环境系统污染物迁移的分布参数型方程 31
2.2.3环境系统污染物迁移转化的定解条件 36
2.3环境介质污染物迁移数学模型的解析解 37
2.3.1环境介质污染物迁移集总参数型模型的解析解 37
2.3.2环境介质中一维均匀场数学模型的解析解 37
2.3.3环境介质中二维均匀场数学模型的解析解 42
2.3.4环境介质中均匀流场三维数学模型的解析解 50
第3章 地表水污染物迁移数学模型 52
3.1地表水污染物迁移的多过程分析 52
3.1.1地表水中污染物的主要类型 52
3.1.2地表水质监测要素 52
3.1.3地表水中污染物迁移的物理过程 52
3.1.4地表水中污染物迁移转化的生物化学过程 52
3.1.5地表水体的好氧与复氧过程 55
3.2河流污染物迁移数学模型及其应用 62
3.2.1 Streeter-Phelps模型的解 62
3.2.2河流综合水质数学模型 65
3.2.3河流水质数学模型在陕西径河水质模拟中的应用 69
3.3湖泊（水库）污染物迁移数学模型 74
3.3.1 Vollenweider模型 75
3.3.2 Baca和Arnett湖泊模型 75
3.4近海海域水体污染物迁移数学模型及其应用 80
3.4.1海洋水动力数学模型 80
3.4.2 ECOMSED模型的基本原理 80
3.4.3边界条件 84
3.4.4初始条件 86
3.4.5数值计算方法 86
3.4.6 ECOMSED模型在上海海域应用 87
3.4.7海洋污染物迁移数学模型 97
3.4.8上海海域及长江口地区三维水质数值模拟 102
第4章 空气质量数学模型 113
4.1概述 113
4.2空气质量数学模型的类型 113
4.2.1按照数学方法分类 113
4.2.2按照模拟目的分类 116
4.2.3按照模拟的空间尺度分类 118
4.2.4按污染排放源的类型分类 122
4.3大气污染物迁移的物理和化学过程 124
4.4大气污染物迁移的基本数学模型 125
4.4.1无风瞬时点源排放的污染物迁移模型的解析解 127
4.4.2有风条件下瞬时点源排放的污染物迁移模型的解析解 128
4.4.3有风条件下连续点源排放的污染物迁移模型的解析解 128
4.5高架连续点源排放污染物迁移模型 129
4.5.1高架连续点源排放地面污染物浓度分布 131
4.5.2高架连续点源排放地面轴线污染物浓度分布 131
4.5.3高架连续点源排放最大落地污染物浓度分布 131
4.5.4地面连续点源排放污染物浓度分布 132
4.5.5逆温条件下空间污染物浓度分布 132
4.5.6沉降颗粒物的空间浓度分布 133
4.6线源、面源和体积源排放污染物迁移模型的解析解 134
4.6.1无限长线源排放污染物迁移模型的解析解 134
4.6.2有限长线源排放污染物迁移模型的解析解 135
4.6.3面源排放污染物迁移模型的解析解 135
4.6.4体积源排放污染物迁移模型的解析解 136
4.7三维大气污染物迁移欧拉模型 137
第5章 土壤污染物迁移数学模型 139
5.1概述 139
5.2土壤水分运动的基本定律 139
5.3土壤水动力方程 142
5.3.1土壤水分运动的连续性方程 142
5.3.2土壤水分运动基本方程 142
5.3.3以含水量表示的土壤水分运动方程 143
5.3.4以毛细管压力水头表示的土壤水分运动方程 144
5.3.5以水相压力表示的土壤水分运动方程 145
5.4土壤多组分渗流方程 146
5.5土壤水分运动数学模型的定解条件 147
5.5.1初始条件 147
5.5.2边界条件 147
5.6土壤污染物迁移基本定理 149
5.6.1土壤污染物迁移的对流作用 149
5.6.2土壤污染物迁移的扩散作用 149
5.6.3土壤污染物迁移的机械弥散作用 150
5.6.4土壤水动力弥散作用 150
5.7土壤污染物迁移的对流-弥散方程 151
5.8土壤污染物迁移的对流-弥散-吸附方程 153
5.9土壤污染物迁移的对流-弥散-吸附-化学反应方程 155
5.9.1氧化/还原反应 155
5.9.2酸/碱过程 155
5.9.3沉淀/溶解作用 156
5.9.4络合作用 157
5.9.5水解/置换作用 157
5.9.6生物降解或转化 158
5.9.7土壤氮转化动力学方程 158
5.10土壤污染物迁移的双域模型 161
5.11土壤双重介质优势流污染物迁移方程 163
5.12变饱和土壤渗流与污染物迁移方程 163
5.12.1变饱和土壤渗流方程 163
5.12.2变饱和土壤污染物迁移方程 164
5.13非饱和土壤污染物垂向一维迁移方程 165
5.14土壤污染物迁移的定解条件 168
5.14.1初始条件 168
5.14.2边界条件 168
第6章 地下水污染物迁移数学模型 172
6.1概述 172
6.2地下水基本定律 173
6.2.1地下水流运动的达西定律 173
6.2.2地下水污染物迁移的对流作用 175
6.2.3地下水污染物扩散的菲克定律 176
6.2.4地下水污染物弥散的菲克定律 178
6.2.5地下水热迁移的傅里叶定律 181
6.3地下水流方程 183
6.3.1地下水流连续性方程 183
6.3.2地下水流基本方程 184
6.3.3潜水含水层水流方程 187
6.3.4承压含水层水流方程 189
6.3.5地下水多组分流动方程 191
6.3.6初始条件 192
6.3.7边界条件 192
6.4地下水污染物迁移的对流-弥散方程 197
6.5含水层的吸附与解吸附作用 201
6.5.1等温线性吸附 202
6.5.2等温非线性Langmuir吸附 202
6.5.3等温非线性Freundlich吸附 203
6.5.4动力学吸附（慢的、非平衡吸附） 203
6.6地下水污染物的衰减与转化作用 203
6.6.1发生在固体相中的源汇项 204
6.6.2发生在液体相中的源汇项 204
6.6.3生物降解或转化 207
6.7地下水污染物迁移的双域模型 210
6.8地下水多相多组分污染物迁移方程 211
6.9地下水密度变化时的污染物迁移方程 213
6.10多孔介质污染物迁移的定解条件 213
6.10.1初始条件 213
6.10.2边界条件 213
6.10.3潜水面边界条件 216
第7章 环境系统污染物迁移耦合数学模型 219
7.1环境系统数学模拟框架 219
7.2大气水-地表水-地下水污染物迁移耦合模型 220
7.2.1耦合地表水-地下水水流-污染物迁移模型 220
7.2.2大气-地表水-地下水耦合模型 222
7.3地下环境中水-热-力-化学（HTMC）多场耦合模型 223
第8章 环境系统数值模拟方法 227
8.1概述 227
8.2环境系统中普通微分方程的数值求解方法 227
8.2.1普通微分方程一般形式 228
8.2.2欧拉积分方法 228
8.2.3改进欧拉方法 229
8.2.4龙格-库塔方法 230
8.2.5隐式解法 231
8.2.6普通偏微分方程组的求解 233
8.3环境系统中偏微分方程的有限差分法 234
8.3.1概述 234
8.3.2有限差分法的基本概念 235
8.3.3一维非稳态地下水有限差分方法 238
8.3.4二维稳态地下水有限差分方法 240
8.3.5二维非稳态地下水有限差分方法 241
8.3.6三维地下水流有限差分数值求解 245
8.3.7三维地下水污染物迁移的有限差分数值求解 249
8.4环境系统中偏微分方程求解的有限元法 256
8.4.1概述 256
8.4.2二维地下水流有限元数值求解法 257
8.4.3三维地下水流有限元数值求解法 264
8.4.4三维地下水污染物迁移有限元数值求解法 266
参考文献 270