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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Kumar, Praveen (EDT)/ Alameda, Jay/ Bajcsy, Peter/ Folk, Mike/ Markus, Momcilo

出品人:

页数:552

译者:

出版时间:2005-11

价格:$ 225.94

装帧:HRD

isbn号码:9780849328947

丛书系列:

图书标签:

• 软计算技术
• 水文数据管理
• 水信息学
• 数据模型
• 数据服务
• 数据处理与分析
• 地球科学
• GIS
• 水信息学
• 水资源
• 数据科学
• 人工智能
• 机器学习
• 水文建模
• 环境工程
• 计算水文学
• 遥感
• GIS

《水动力学与水文学的融合：前沿理论与实践应用》 本书深入探讨了水动力学与水文学两大领域前沿理论的交汇与融合，旨在为读者构建一个全面而深刻的理解框架，以应对日益复杂的水资源管理与环境挑战。我们不仅仅是陈述现有知识，更致力于揭示学科交叉点上的创新思维与技术突破，从而推动水科学研究迈向新的高度。 第一章：水动力学基础回顾与现代发展 本章将对水动力学的经典理论进行系统梳理，包括流体静力学、流体动力学（如纳维-斯托克斯方程及其简化形式）、边界层理论、紊乱流理论等。我们将聚焦于这些基础理论在现代水工程设计、水环境模拟中的实际应用，并介绍近年来的最新进展，例如： 计算流体动力学（CFD）在水动力学分析中的革命性作用： 详细阐述CFD技术如何通过数值模拟，以前所未有的精度揭示复杂水流现象，如湍流、空化、空蚀等，并探讨其在水坝设计、管道流优化、船舶设计等领域的具体应用案例。我们将分析不同CFD数值格式、湍流模型（如RANS、LES、DNS）的选择标准及其适用范围，并展示通过CFD模拟预测水流行为、优化结构设计、减少水力损失的典型工程案例。 多相流理论及其在水工程中的挑战： 深入讨论包含气泡、悬浮颗粒、泥沙等多种相态的水流模拟，如气液两相流在水轮机空化现象中的应用，液固两相流在泥沙输移和河床演变中的重要性。我们将介绍多相流模型的构建原理、耦合方法以及在实际工程问题中的求解策略，例如在水电站泄洪冲刷、河道采砂管理、水下结构物冲蚀防护等方面的应用。 非牛顿流体在水动力学中的特殊性： 探讨泥浆、生物污泥等非牛顿流体在水利、环境工程中的行为特点，以及如何修正传统流体动力学方程来描述其流动规律。我们将分析不同本构模型（如牛顿模型、幂律模型、Bingham模型）的适用性，并展示其在污水处理厂污泥输送、地质勘探钻井液流动等领域的应用。 水体中能量耗散与转化机制的深入研究： 关注湍流耗散、波浪破碎、结构物阻力等能量耗散过程，以及它们对水体能量平衡的影响。我们将介绍能量方程的应用，并分析在河流、湖泊、近海等不同水体环境中，能量转换和耗散的驱动因素与规律，例如在水力发电过程中的能量损失分析，以及海浪能量转化为其他形式能量的过程。 第二章：水文学基本原理与新兴观测手段 本章将回顾水文学的核心概念，包括降水、蒸发、径流、地下水等水循环要素的形成与转化机制，并重点介绍近年来在水文观测、数据获取方面取得的突破性进展： 遥感技术在水文监测中的应用： 详细介绍卫星遥感、无人机遥感等技术如何赋能水文监测，包括降雨量估算、地表温度监测、土壤湿度反演、积雪覆盖观测、湖泊与河流面积变化监测等。我们将分析不同遥感传感器（如可见光、红外、微波）的优缺点，介绍常用的遥感数据处理与分析方法，并展示其在洪水预警、干旱监测、水资源评估等方面的实际应用，例如利用卫星数据反演全球降雨分布，或者通过无人机航拍监测小型水库的蓄水情况。 物联网（IoT）与传感器网络在水文信息实时获取中的地位： 探讨基于IoT技术的传感器网络如何实现对水文要素（水位、流量、水质、地下水位等）的精细化、实时化监测。我们将分析各种传感器的技术特点、部署策略，以及数据传输与处理架构，并展示其在智慧水务、精细化灌溉、地下水超采监测等方面的应用，例如在城市排水系统中的智能水位监测，或在农业灌区的水分传感器网络。 同位素水文学的前沿进展： 介绍稳定同位素（如¹⁸O, ²H）和放射性同位素（如³H, ¹⁴C）在示踪水流路径、确定水体来源、估算地下水年龄、分析蒸发蒸腾过程等方面的独特作用。我们将阐述同位素分馏机制，介绍同位素分析技术，并展示其在水资源评价、地下水系统研究、古气候重建等领域的应用，例如利用同位素技术追踪河流补给来源，或研究地下水循环年际变化。 大数据与机器学习在水文模型构建中的潜力： 探讨如何利用海量水文观测数据，结合机器学习算法，构建更加准确、鲁棒的水文模型，以预测径流、洪水、干旱等水文现象。我们将介绍常用的机器学习算法（如支持向量机、随机森林、深度学习）在水文预测中的应用，并分析其与传统物理模型相结合的可能性，例如利用深度学习预测未来几天的降雨径流，或利用机器学习模型识别水质异常事件。 第三章：水动力学与水文学的交叉融合：关键议题与研究方向 本章是本书的核心，将系统阐述水动力学与水文学在理论、方法和应用上的深度融合，并探讨由此产生的关键议题和未来研究方向： 水动力学在水文学过程模拟中的作用： 深入分析水动力学模型如何为水文学过程模拟提供精细化的水流动力学信息。例如，在洪水模拟中，基于水动力学方程（如二维/三维圣维南方程）可以更准确地模拟洪水淹没范围、淹没深度、流速分布等关键信息，从而为洪水预警、防洪规划提供科学依据。我们将探讨如何将水动力学模型与水文模型（如降雨径流模型）耦合，以实现更全面的地表水动力学过程模拟。 水文学约束下的水动力学模型优化： 探讨水文学观测数据如何反过来用于校准和验证水动力学模型。例如，通过实测流量、水位等水文学数据，可以对水动力学模型中的糙率系数、边界条件等参数进行优化，提高模型预测的准确性。我们将讨论参数优化算法、不确定性分析在水动力学模型校准中的应用。 水沙耦合动力学与河床演变模拟： 详细阐述水流动力学与泥沙输移动力学之间的复杂耦合关系，以及这对河道形态、河床演变的影响。我们将介绍泥沙输移的多种机制（如悬移质、推移质），不同泥沙输移模型的构建原理，以及如何将水动力学模型与泥沙模型耦合，以模拟河道冲刷、淤积、河床展宽等现象。这在河流治理、水库淤积评估、海岸带侵蚀防护等领域具有重要意义。 地下水流与地表水体相互作用的水动力学机制： 深入探讨地下水与河流、湖泊、湿地等水体之间的相互补给、排泄关系，以及水动力学在其中的作用。我们将分析地下水流动的达西定律，介绍地下水模型，并探讨如何将地下水模型与地表水动力学模型耦合，以模拟地下水补给河流、河流渗漏补给地下水等过程，这对于区域水资源管理、水环境修复至关重要。 水质输移扩散的水动力学基础： 阐述污染物在水体中的输移扩散过程，以及水动力学（如流速、湍流混合）对其影响。我们将介绍对流-扩散方程，分析不同水体（河流、湖泊、近海）中污染物输移扩散的特点，并探讨如何利用水动力学模型预测污染物扩散范围、浓度变化，为水污染防治、饮用水源保护提供科学支撑。 模型耦合与不确定性分析： 强调在融合水动力学与水文学过程中，模型耦合的策略与挑战，包括模型尺度匹配、数据融合、数值求解等问题。同时，将深入探讨模型不确定性的来源（如数据不确定性、模型结构不确定性、参数不确定性），以及如何通过蒙特卡洛模拟、贝叶斯方法等技术进行不确定性分析，为水决策提供更稳健的科学依据。 第四章：实际应用与案例研究 本章将通过一系列具体的案例研究，展示水动力学与水文学融合理论在解决实际水问题中的强大能力： 智慧水务与水资源优化配置： 介绍如何利用耦合模型、大数据分析和人工智能技术，实现对城市供水、排水管网的实时监测与智能调度，优化水资源配置，提高供水可靠性，减少管网漏损。 流域水环境模拟与污染防治： 展示如何利用耦合模型模拟流域内的水文过程、水动力过程和水质输移扩散过程，识别污染源，预测污染事件，并评估不同污染防治措施的效果。 洪水风险评估与防洪减灾： 阐述如何利用高精度水动力学模型模拟洪水淹没过程，结合水文模型和遥感数据，进行精细化的洪水风险评估，为防洪规划、应急响应提供科学支持。 水利工程设计与运营优化： 以水库调度、水电站设计、渠道输水优化为例，说明如何利用耦合模型进行工程方案的比选与优化，提高工程效益，减少环境影响。 海岸带与海洋工程中的水动力学与水文学挑战： 探讨海平面上升、风暴潮、海岸侵蚀等问题，以及如何利用耦合模型进行预测与应对。 第五章：未来展望与挑战 本书最后将对水动力学与水文学交叉融合领域的未来发展进行展望，并指出当前面临的挑战和机遇，包括： 多尺度、多物理过程耦合模型的进一步发展： 探索如何构建能够同时处理不同空间尺度（从分子尺度到流域尺度）和不同物理过程（如水流、泥沙、水质、生态）的统一模型。 数据驱动与模型驱动方法的深度融合： 寻找数据驱动的机器学习方法与基于物理原理的模型之间的最佳结合点，以发挥各自优势，提高模拟精度与预测能力。 高性能计算与可视化技术的应用： 强调高性能计算在处理复杂耦合模型、大数据分析中的关键作用，以及先进可视化技术在理解复杂水现象、展示模拟结果中的重要性。 跨学科合作与人才培养： 指出水科学领域日益增长的复杂性要求不同学科背景的专家加强合作，并强调培养具备跨学科知识和技能的复合型人才的重要性。 通过对水动力学与水文学的深入剖析与融合探讨，本书致力于为水科学研究者、工程师、决策者提供一个坚实的理论基础和丰富的实践指导，共同应对全球水资源面临的严峻挑战，开创水科学研究与应用的新篇章。

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坦率地说，我最初对这种偏向技术交叉的领域抱持着一丝谨慎的态度，生怕内容过于晦涩难懂。然而，这本关于水文信息技术的著作，却展现出惊人的可读性和启发性。作者似乎深谙如何平衡学术的深度与读者的接受度。书中大量引用的真实世界数据和对比实验，为枯燥的算法描述注入了鲜活的生命力。我尤其欣赏作者在讨论数据挖掘和机器学习在水文预报中的潜力时所采取的审慎态度，既不过分夸大其能力，也充分展示了其作为未来趋势的巨大价值。那种脚踏实地，既仰望星空又立足现实的写作风格，让人倍感信服。它不是那种只能束之高阁的参考书，而是随时可以翻开，从中汲取新的灵感和解决实际问题的工具箱。每次重读，都会有新的领悟，仿佛这本书的深度会随着我自身经验的积累而不断延展。

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这本关于水文信息学的著作，给我的感觉简直是一次知识的饕餮盛宴。从我翻开第一页开始，就被作者那严谨而又充满激情的笔触深深吸引住了。书中对数据采集、处理与分析的探讨，深入浅出地揭示了现代水资源管理背后那套复杂而精妙的逻辑体系。我特别欣赏作者在阐述复杂模型时所采用的比喻，它们像一把把钥匙，瞬间打开了我对那些抽象概念的理解之门。记得有一次，我为一个具体的流域水文预测项目犯愁，书里关于时空插值算法的详细解析，如同沙漠中的甘泉，立刻点亮了我的思路。它不仅仅是堆砌理论，更重要的是提供了将理论应用于实践的清晰路径图。那种阅读体验，就像是跟一位经验丰富、耐心至极的行业前辈并肩工作，他总能在我迷茫时，用最恰当的方式引导我看到问题的核心。全书的结构布局也极为考究，章节间的过渡自然流畅，仿佛在讲述一个连贯而宏大的故事，让人忍不住想一口气读完，去探寻下一个知识的转角会带来怎样的惊喜。

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读完这本聚焦于“水信息学”的厚重书籍后，我最大的感受是，它彻底颠覆了我对传统水文测量的固有认知。作者的叙事方式非常具有画面感，仿佛能让人亲眼看到那些传感器如何精准地捕捉地表水和地下水的脉动。尤其是关于遥感技术在水文监测中的应用那一章，描述得细致入微，从卫星光谱的选取到反演模型的建立，每一步骤都经过了精心的推敲和论证。我过去一直觉得遥感数据处理是一块难以啃下的硬骨头，但这本书通过详尽的案例分析，将复杂的反演过程拆解成了若干个易于理解的小模块，让人豁然开朗。更值得称赞的是，作者并未止步于技术介绍，而是深刻探讨了数据质量控制和不确定性分析的哲学意义，这使得全书的立意提升到了一个更高的维度，不仅仅是技术手册，更是一部关于如何科学求真的思考录。它教会我的，远比书本上的公式要丰富得多。

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阅读这部关于水信息科学的鸿篇巨制，就像进行了一场精密的系统诊断。作者对水文数据链条的每一个环节——从传感器部署到最终决策支持系统的构建——都进行了详尽的剖析和批判性的审视。我被其中关于“数据治理”的章节深深触动。在当前大数据爆炸的时代，如何确保数据的可靠性、完整性和时效性，是所有水资源管理者面临的共同挑战。本书没有提供万能药方，而是系统地梳理了各种风险点，并给出了基于风险评估的应对策略。这种务实精神贯穿全书，使人感到作者不仅是理论家，更是久经沙场的实践者。阅读过程中，我不断地在脑海中将书中的原理与我过去遇到的各种“野蛮生长”的项目数据进行比对，每一次比对，都让我对如何建立更具韧性和可持续性的水文信息系统有了更深刻的理解。它是一本能够真正指导行动的参考书，而非仅仅停留在理论层面。

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这本书的价值，在于它成功搭建起了一座横跨信息科学与水文学的坚固桥梁。我曾尝试阅读其他类似主题的文献，但往往因专业术语的堆砌而感到力不从心。不同之处在于，此书的作者似乎拥有一种“翻译家”的天赋，他能够将最前沿的计算方法，用最贴近工程实践的语言进行转述。例如，在讲解分布式水文模型时，作者引入了并行计算的概念，并清晰地论证了这种计算范式如何有效应对大规模地理空间数据的处理瓶颈。这不仅仅是知识的传授，更是一种思维方式的重塑。它促使我反思：我们是否可以从计算机科学领域借鉴更多成熟的方法论，来解决水资源管理中那些看似无解的难题？这种跨学科的视野，无疑是这本书最宝贵的财富，它让我跳出了传统水文人的思维定势，看到了更广阔的研究空间。

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