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| 編輯推薦： |
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《环境污染数值模拟》可作为环境科学与工程、土壤学、地下水科学与工程、水文学及水资源等学科研究生教材和研究人员的参考书。
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| 內容簡介： |
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环境系统是一个复杂的多介质系统，污染物在多介质环境系统内迁移转化的定量描述，是控制和治理环境污染的基础。《环境污染数值模拟》重点介绍了空气质量数学模型、水环境数学模型、土壤与地下水污染物迁移数学模型、环境系统污染物迁移耦合数学模型以及环境系统数值模拟方法等。
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| 目錄：
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前言
第1章绪论
1.1为什么要学习“环境污染数值模拟”这门课程
1.1.1学科发展的需要一定量化、精确化的需求
1.1.2学术研究的需要一要揭示自然规律，重要的研究方法
1.1.3工程实践的需要
1.2如何学习这门课程
1.3本课程的教学内容
1.4环境系统的基本概念
1.4.1环境系统
1.4.2环境系统内的多界面性
1.4.3环境系统的非线性
1.4.4环境系统的多组分
1.4.5环境系统的多过程
1.4.6环境系统的多相流
1.4.7环境系统的多尺度转化性
1.4.8环境系统的多场耦合性
1.5模型与模拟
1.5.1模型
1.5.2数学模型的分类
1.5.3模拟或仿真
1.6环境系统数值模拟研究进展与趋势
1.6.1空气质量数学模型研究进展
1.6.2河流水质数学模型的研究和发展
1.6.3非点源污染模型研究进展
1.6.4土壤—地下水污染数学模型研究与发展
1.6.5环境系统耦合模型研究
1.6.6环境系统数学模型研究展望
第2章环境系统污染物迁移基本数学模型
2.1环境系统污染物多过程迁移分析
2.1.1污染物在环境介质中的对流作用
2.1.2污染物在环境介质中的扩散和弥散作用
2.1.3污染物在环境介质中的衰减与转化作用
2.2环境系统污染物迁移的基本方程
2.2.1环境系统污染物迁移的集总参数型方程
2.2.2环境系统污染物迁移的分布参数型方程
2.2.3环境系统污染物迁移转化的定解条件
2.3环境介质污染物迁移数学模型的解析解
2.3.1环境介质污染物迁移集总参数型模型的解析解
2.3.2环境介质中一维均匀场数学模型的解析解
2.3.3环境介质中二维均匀场数学模型的解析解
2.3.4环境介质中均匀流场三维数学模型的解析解
第3章地表水污染物迁移数学模型
3.1地表水污染物迁移的多过程分析
3.1.1地表水中污染物的主要类型
3.1.2地表水质监测要素’
3.1.3地表水中污染物迁移的物理过程
3.1.4地表水中污染物迁移转化的生物化学过程
3.1.5地表水体的好氧与复氧过程
3.2河流污染物迁移数学模型及其应用
3.2.1Streeter—Phelps模型的解
3.2.2河流综合水质数学模型
3.2.3河流水质数学模型在陕西泾河水质模拟中的应用
3.3湖泊（水库）污染物迁移数学模型
3.3.1Vollenweider模型
3.3.2Baca和Amett湖泊模型
3.4近海海域水体污染物迁移数学模型及其应用
3.4.1海洋水动力数学模型
3.4.2ECOMSED模型的基本原理
3.4.3边界条件
3.4.4初始条件
3.4.5数值计算方法
3.4.6ECOMSED模型在上海海域应用
3.4.7海洋污染物迁移数学模型
3.4.8上海海域及长江口地区三维水质数值模拟
第4章空气质量数学模型
4.1概述
4.2空气质量数学模型的类型
4.2.1按照数学方法分类
4.2.2按照模拟目的分类
4.2.3按照模拟的空间尺度分类
4.2.4按污染排放源的类型分类
4.3大气污染物迁移的物理和化学过程
4.4大气污染物迁移的基本数学模型
4.4.1无风瞬时点源排放的污染物迁移模型的解析解
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
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
4.5高架连续点源排放污染物迁移模型
4.5.1高架连续点源排放地面污染物浓度分布
4.5.2高架连续点源排放地面轴线污染物浓度分布
4.5.3高架连续点源排放最大落地污染物浓度分布
4.5.4地面连续点源排放污染物浓度分布
4.5.5逆温条件下空间污染物浓度分布
4.5.6沉降颗粒物的空间浓度分布
4.6线源、面源和体积源排放污染物迁移模型的解析解
4.6.1无限长线源排放污染物迁移模型的解析解
4.6.2有限长线源排放污染物迁移模型的解析解
4.6.3面源排放污染物迁移模型的解析解
4.6.4体积源排放污染物迁移模型的解析解
4.7三维大气污染物迁移欧拉模型
第5章土壤污染物迁移数学模型
5.1概述
5.2土壤水分运动的基本定律
5.3土壤水动力方程
5.3.1土壤水分运动的连续性方程
5.3.2土壤水分运动基本方程
5.3.3以含水量表示的土壤水分运动方程
5.3.4以毛细管压力水头表示的土壤水分运动方程
5.3.5以水相压力表示的土壤水分运动方程
5.4土壤多组分渗流方程
5.5土壤水分运动数学模型的定解条件
5.5.1初始条件
5.5.2边界条件
5.6土壤污染物迁移基本定理
5.6.1土壤污染物迁移的对流作用
5.6.2土壤污染物迁移的扩散作用
5.6.3土壤污染物迁移的机械弥散作用
5.6.4土壤水动力弥散作用
5.7土壤污染物迁移的对流一弥散方程
5.8土壤污染物迁移的对流一弥散吸附方程
5.9土壤污染物迁移的对流弥散一吸附化学反应方程
5.9.1氧化／还原反应
5.9.2酸／碱过程
5.9.3沉淀／溶解作用
5.9.4络合作用
5.9.5水解／置换作用
5.9.6生物降解或转化
5.9.7土壤氮转化动力学方程
5.10土壤污染物迁移的双域模型
5.11土壤双重介质优势流污染物迁移方程
5.12变饱和土壤渗流与污染物迁移方程
5.12.1变饱和土壤渗流方程
5.12.2变饱和土壤污染物迁移方程
5.13非饱和土壤污染物垂向一维迁移方程
5.14土壤污染物迁移的定解条件
5.14.1初始条件
5.14.2边界条件
第6章地下水污染物迁移数学模型
6.1概述
6.2地下水基本定律
6.2.1地下水流运动的达西定律
6.2.2地下水污染物迁移的对流作用
6.2.3地下水污染物扩散的菲克定律
6.2.4地下水污染物弥散的菲克定律
6.2.5地下水热迁移的傅里叶定律
6.3地下水流方程
6.3.1地下水流连续性方程
6.3.2地下水流基本方程
6.3.3潜水含水层水流方程
6.3.4承压含水层水流方程
6.3.5地下水多组分流动方程
6.3.6初始条件
6.3.7边界条件
6.4地下水污染物迁移的对流—弥散方程
6.5含水层的吸附与解吸附作用
6.5.1等温线性吸附
6.5.2等温非线性Langmuir吸附
6.5.3等温非线性Freundlich吸附
6.5.4动力学吸附（慢的、非平衡吸附）
6.6地下水污染物的衰减与转化作用
6.6.1发生在固体相中的源汇项
6.6.2发生在液体相中的源汇项
6.6.3生物降解或转化
6.7地下水污染物迁移的双域模型
6.8地下水多相多组分污染物迁移方程
6.9地下水密度变化时的污染物迁移方程
6.10多孔介质污染物迁移的定解条件
6.10.1初始条件
6.10.2边界条件
6.10.3潜水面边界条件
……
第7童环境系统污染物迁移耦合数学模型
第8章环境系统数值模拟方法
参考文献
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第1章绪论
1.1为什么要学习“环境污染数值模拟”这门课程
1.1.1学科发展的需要——定量化、精确化的需求
当今几乎所有学科都把数学模型作为本学科或交叉学科的重要研究手段，目的是实现定量化和精确化，提高科学预测能力。每个学科在学术研究上的技术路线是：首先，科学问题的提出（newidea），这是科学研究的灵魂，是科学和技术创新的源泉。科学问题的提出，需要坚实的理论基础和雄厚的科学研究积累。其次，根据学术思想进行提出问题的物理背景（physicalbackground）的描述，揭示该问题的物理内涵。再次，根据物理背景，进行室内和现场试验，以揭示提出问题的物理本质（essence）、物理（或化学、生物等）过程和动力学机理（dynamicalprocessandmechanism）。然后，依据机理研究结果建立具有物理背景的数学模型（mathematicalmodel），运用数学方法对建立的数学模型进行求解，获得数学模型的解析解或数值解。对于复杂的环境系统来说，往往难以获得复杂数学模型的解析解，通常要用到数值求解方法进行数值模拟（numericalmodelingorsimulation），并科学预测（scientificpredicting）未来系统状态的变化。最后，用定量化的数据解决提出的科学问题（solutiontoscientificquestionsproposed）。
数学模型是科学家进行科学研究的核心工具，它总结了前人大量的科学研究成果，尤其是大量的实验结果，成为普适的理论。它是一个学科发展成熟的标志，如流体力学的雷诺（Reynolds）输运定理，也称为输运方程或输运公式：输运公式遵循质量守恒和能量守恒原理，它奠定了流体力学的基础；伯努利（NicolausBernoulli）方程：该方程在实验的基础上，通过理论分析形成现今的普适公式，它遵循能量守恒原理，并奠定了水力学基础；太沙基（Terzaghi，1923）提出了有效应力原理该公式反映了力学平衡原理，奠定了土力学基础；达西（Darcy，1856）定律：（1.4）达西定律在实验的基础上，通过理论分析形成现今的普适公式，它遵循能量守恒原理。该公式奠定了渗流力学的基础，达西定律的提出使得渗流（渗流是水文地质学的基础）问题的研究从定性走向定量化，奠定了渗流力学和水文地质学科定量化研究的基础，也标志着这门学科开始走向成熟。
1.1.2学术研究的需要——要揭示自然规律，重要的研究方法
人类生存在地球上，人与自然的和谐相处是永恒的研究课题，而认识自然、从自然中学习知识、从自然中学会创造，是人类生存的本能。在自然科学研究上，人们通过观测和试验获得事物的本质，用简单的、抽象的数学模型描述事物的本质，用数学模拟来再现自然过程，因此，数学模型是前人通过大量观测和试验获得的具有普遍规律的知识的总结和结晶，是科学家核心的研究工具，已经广泛地应用于各个领域。数学模型是科学研究的重要工具，它可以用简单的数学符号描述复杂的物理背景、物理过程、物理机制以及事物的本质，同时数学模型也能够再现过去、评价现在、预测未来，尤其是对复杂的环境系统。
1.1.3工程实践的需要
对于复杂的物理系统，尤其是地球环境系统，现场过程难以观测、物理模拟造价高，而数学模拟方便、造价低、易于修改，也可以进行数值试验，如核爆炸数值试验、材料力学和结构力学数值试验、爆破工程的数值试验、化学工程中的数值试验、岩土工程数值试验、土壤-地下水污染修复的数值试验等。通过数值试验可以提高工程设计的水平，提高人们对研究问题的控制能力和预见能力。
“环境污染数值模拟”这门课程，作为环境科学与工程专业博士生的专业基础课（化学、生物学、数学模型），目的是通过这门课程的学习，使博士生打下本领域研究的重要基础，同时能运用数学模型进行本领域的课题研究。
1.2如何学习这门课程
这门课程内容比较多，需要有一定的数学功底，因此，学生在学习了高等数学、流体力学之后，可以继续学习这门课程，重点掌握环境系统中污染迁移转化规律、污染物迁移转化的数学模型以及数值解法。
在教学过程中，重点掌握基本概念、基本定律、基本数学模型，培养学生的实践能力、直观理解问题和解决问题的能力；引导学生学会污染物在环境介质中迁移数学建模方法和部分求解方法，学会用简单的数学模型定量描述复杂的物理背景，以及定量分析和解决环境问题的能力。
在学习这门课程的同时，教学中要引导学生能够查阅部分参考书籍和这方面的参考文献，尽可能读作者原著，从原著中分析作者的研究方法、研究思想的构建以及分析问题的思路和全过程，使学生从中悟出科学研究的精髓。
1.3本课程的教学内容
本书重点介绍环境系统的基本概念、基本理论、数学模型和数值求解方法，尤其是数学模型建立、求解、编程及其应用问题。在环境科学与工程领域，污染物的控制是一个重要的研究方向，而要做到对污染物在多介质环境系统中有效地控制，首先要知道污染物在环境介质中的迁移过程、转化机理及其变化规律。
第1章绪论，包括环境系统的基本概念，模型与模拟，数学模型类型的基本概念，环境系统污染物迁移数值模拟的研究内容、研究进展与趋势。
第2章环境系统污染物迁移基本数学模型，包括环境系统污染物多过程迁移分析；环境系统污染物迁移的基本方程；环境系统污染物迁移数学模型的解析解。
第3章地表水污染物迁移数学模型，包括地表水体污染物迁移的多过程分析；河流污染物迁移数学模型及其应用；湖泊（水库）污染物迁移数学模型；近海海域水体污染物迁移数学模型及其应用。
第4章空气质量数学模型，包括空气质量数学模型的类型，大气污染物迁移的物理和化学过程，大气污染物迁移的基本数学模型，高架连续点源扩散模型，线源、面源和体积源排放扩散模型以及多尺度大气污染物迁移数学模型。
第5章土壤污染物迁移数学模型，包括土壤水分迁移达西定律、土壤污染物扩散菲克定律、土壤水动力方程、土壤污染物迁移的对流-弥散-吸附-生物化学反应模型、变饱和土壤污染物迁移数学模型、土壤污染物迁移的双域模型、双重介质优势流迁移模型、一维土壤污染物迁移方程以及定解条件。
第6章地下水污染物迁移数学模型，包括地下水传力的达西定律、地下水传质的菲克定律、地下水传热的傅里叶定律、地下水流基本方程和数学模型、地下水污染物对流-弥散-吸附-生物化学反应方程以及地下水污染物迁移数学模型等。
第7章环境系统污染物迁移耦合数学模型，包括大气-地表界面、植被-大气界面、地表-地下水界面以及多介质系统耦合模型。
第8章环境系统数值模拟方法，介绍普通微分方程的数值求解方法，包括欧拉积分法、改进欧拉法、龙格-库塔法、隐式解法等；偏微分方程的数值求解方法，包括有限差分法、有限元法。
1.4环境系统的基本概念
.4.1环境系统
环境系统（environmentalsystem）是由大气圈、水圈、岩石圈、生物圈组成的，污染物排放到环境系统中，与不同的环境要素发生物理的、化学的和生物的相互作用，产生着各种各样的变化；不同的污染物在不同的环境介质中，有着各自的迁移转化方式，但无论如何，都遵循质量守恒、能量守恒和物质不灭定律。
环境系统的要素有大气、水、岩土、生物体；从地球环境来讲是指大气圈（atmosphere）、水圈（hydrosphere）、生物圈（biosphere）和岩石圈（lithosphere）。有的将土壤圈（pedosphere）从岩石圈中分离开来。环境系统为多介质环境系统（multi-mediaenvironmentalsystem），该系统具有多种性质，如多介质（multi-media）、多界面（multi-interfaces）、多组分（multi-components）、多过程（multi-processes）、多场耦合（couplingmulti-fields）、多尺度转化（transformationofmulti-scales）、多相流（multi-phaseflow）等特点。
1.4.2环境系统内的多界面性
多介质迁移与转化（transportandtransformationofcontaminantsinenvironmentalmulti-media）是污染物在环境介质中运动的重要形式。由于环境介质具有不同的环境界面，诸如气-水界面（air-waterinterface）、气-土界面（air-soilinterface）、气-植物界面（air-plantinterface）、气-动物界面（air-animalinterface）、水-土界面（water-soilinterface）以及水-生物界面（water-livingbeingsinterface）等，污染物在环境介质中的分布是通过多介质迁移与转化来实现的。
污染物从它的发生源排出之后，通过三种途径进入周围环境：①单一污染物从污染源同时排入不同的环境介质单元，然后在这些不同的环境介质单元之间进行迁移与转化。②单一污染物首先排入某一环境介质单元，然后再由该介质单元转移到其他的介质单元。在这种情况下，前一个环境介质单元便成为后一个介质单元的污染源。③多种污染物从污染源同时排入不同的环境介质单元，然后在各介质间进行迁移与转化。
1.4.3环境系统的非线性
在环境系统中存在着介质与介质之间的物理转换区，即界面（interface）。界面两侧的环境介质表现出状态、结构以及物理、化学性质的不同，污染物通过界面时的传输相对于它原来所在介质中的传输将会加快或减慢，表现出明显的非线性（non-linear）特征。如空气与水界面的双膜理论，地表水与地下水之间的物质传输函数，生物新陈代谢与周围环境介质进行物质和能量交换的过程，以及有机污染物在有机碳含量极低的矿物质上的吸附行为等，都涉及污染物或其他物质在多介质环境界面行为的过程，这些过程大多数是非线性的，这种非线性使得污染物的迁移与转化更加复杂化。
1.4.4环境系统的多组分
环境系统中存在着多种物质，当流体运动时，多种物质随同流体一起运动。第一种情况与流体的运动速度相同，处于混溶状态；第二种情况由于密度差异与流体运动速度不同，如比水轻的油和比水重的硝基苯等，处于不混溶状态；第三种情况为多种组分在迁移的过程中发生化学反应。多组分物质的生物地球化学作用改变了岩土介质的化学组分和结构，从而影响岩土介质的力学性质；同时也改变了流体的组分和迁移特性。在大气环境系统中存在多种组分的物质，该物质不仅随大气迁移，同时也因发生光化学反应而转化成另外物质；在地表水体中同样存在多组分物质，这些物质不仅随地表水体迁移，也因发生化学反应和生物降解而转化成另外物质。
1.4.5环境系统的多过程
环境系统污染物迁移过程中存在物理、化学和生物作用。物理过程：对流、弥散与扩散；化学过程：溶解（盐岩、碳酸盐岩及黄土等）、沉淀（化学淤堵）、放射性衰减（核素迁移）、酸离子反应（文化建筑物酸蚀、风化等）、络合、水解与置换（膨胀土）、离子交换、氧化与还原等化学反应；生物过程：有机物的生物降解，生物在多孔介质中生长、繁衍与死亡引起的空隙堵塞导致的渗流通道堵塞，生物作用会加速或改变化学过程。
1.4.6环境系统的多相流
环境系统中存在着气相、固相、可移动的胶体相和液相［水、油、非水溶相液体（non-aqueousphaseliquids，NAPLs）］。非水溶相液体由于密度的不同，又可分为两类：第一类是非水溶相重液（densenon-aqueousphaseliquids，DNAPLs），像密度大于水的硝基苯、三氯乙烯等；第二类是非水溶相轻液（lightnon-aqueousphaseliquids，LNAPLs），像密度小于水的汽油等。由于多相的存在，使得环境介质中污染物迁移动力学过程极为复杂。
1.4.7环境系统的多尺度转化性
多尺度涉及时间尺度（temporalscale），如：日、月、年、10年、100年、1000年等。不同时间尺度，环境介质的物理过程、化学过程和生物过程不同，污染物的迁移转化过程也不同，因此，在分析研究污染物在多介质环境中迁移和环境系统的自然降解污染物的能力（环境介）
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