Statistical Methods for Groundwater Monitoring pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Gibbons, Robert D.

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页数:0

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出版时间:

价格:160

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isbn号码:9780471587071

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图书标签:

• Groundwater
• Statistics
• Environmental Science
• Water Resources
• Monitoring
• Hydrology
• Data Analysis
• Geostatistics
• Contamination
• Sampling

引言 地下水是地球上最宝贵的资源之一，其监测和管理对于保障人类健康、生态环境以及经济发展至关重要。随着社会对水资源可持续利用的需求日益增长，如何科学、有效地监测地下水的水质和水量，成为了一个亟待解决的问题。本书并非《Statistical Methods for Groundwater Monitoring》，而是聚焦于另一重要领域——“Advances in Hydrogeological Modeling for Sustainable Water Resource Management”（可持续水资源管理的水文地质建模进展）。本书旨在深入探讨现代水文地质建模技术的最新发展及其在解决当前复杂水资源挑战中的关键作用，为水资源管理者、水文地质学家、工程师以及相关研究人员提供一套全面、前沿的理论框架和实践指导。 第一章：现代水文地质建模的理论基础与发展趋势 本章将从宏观视角审视水文地质建模的发展历程，追溯其从早期概念模型到如今高度复杂的数值模型的发展脉络。我们将深入阐述水文地质学基本原理在建模中的应用，包括地下水流理论、溶质运移理论、地下水与地表水相互作用以及非饱和带水文过程等。 地下水流理论的演进与建模： 探讨达西定律的局限性，以及在非均质、各向异性介质中的应用与扩展。介绍多孔介质、裂隙介质以及混合介质流动的不同建模方法，包括基于连续介质理论（如有限差分法、有限元法、谱元法）和离散单元法（DEM）的应用。 溶质运移机制与模型： 详细介绍弥散、对流、吸附、衰减等关键溶质运移过程，并分析其在不同地质环境下的表现。重点介绍守恒方程的建立与求解，以及基于颗粒追踪法（Particle Tracking）和数值模拟（如MOC、MT3DMS）的溶质运移模型。 水文地质系统耦合： 强调地表水与地下水的相互作用，包括河流补给、渗漏、地下水蒸发等过程。介绍能够耦合模拟这些过程的集成模型，如SWAT-MODFLOW、HydroGeoSphere等，及其在流域尺度水资源评估中的应用。 非饱和带水文过程建模： 关注土壤带的水分运动、蒸发蒸腾、降雨入渗等关键过程。介绍Richards方程在非饱和流模拟中的应用，以及考虑植物蒸腾、土壤特性变化等复杂因素的模型。 数据驱动与智能建模： 探讨机器学习、人工智能在水文地质建模中的新兴应用，例如利用神经网络预测地下水位，利用支持向量机分析水质变化趋势，以及利用遗传算法优化模型参数。分析这些方法的优势、局限性以及与传统物理模型的结合潜力。 模型不确定性分析： 强调模型参数、输入数据和模型结构的不确定性来源，并介绍多种不确定性量化技术，如蒙特卡洛模拟、贝叶斯推断（MCMC）等，以及如何通过不确定性分析提高模型预测的可靠性。 第二章：先进水文地质建模技术在水资源可持续管理中的应用 本章将聚焦于将前沿的水文地质建模技术应用于解决实际水资源管理问题，通过案例分析和技术阐述，展示建模在提高水资源利用效率、保障水质安全、应对气候变化冲击等方面的价值。 地下水资源评价与开采优化： 地下水资源承载力评估： 利用精细化的地下水流模型，结合地质、水文、气象等多源数据，准确评估区域地下水资源的补给量、可开采量，并预测长期开采对地下水位、出流量的影响。 地下水开采方案优化： 结合优化算法（如线性规划、非线性规划），将模型模拟结果作为约束条件，设计经济效益最优、环境影响最小的地下水开采方案，以实现地下水资源的可持续利用。 地下水超采区治理与恢复： 通过模型模拟不同程度的限制开采措施或人工回灌方案，评估其对地下水位回升、地质环境恢复的预期效果，为治理决策提供科学依据。 地下水污染溯源与修复策略制定： 污染源识别与迁移路径模拟： 利用溶质运移模型，根据地下水水质监测数据，反演污染物的释放源位置、释放强度以及迁移扩散范围。 风险评估与影响预测： 模拟污染物在不同地质条件下的迁移扩散，预测其对周边地下水井、地表水体、生态系统可能造成的长期影响。 修复技术效果评估： 模拟不同修复技术（如抽出-处理、原地修复、屏障隔离）的效率与效果，为修复方案的选择与实施提供决策支持。 地表水-地下水相互作用及其对水资源的影响： 河流地下水补给/排泄评估： 利用耦合模型，量化河流与地下水之间的水量交换，识别河流对地下水补给的贡献，或地下水对河流的排泄作用，这对于理解流域水循环至关重要。 湿地与地下水系统耦合研究： 模拟湿地生态系统与地下水系统的相互作用，评估湿地保护与恢复对地下水补给、水质净化的作用。 农业灌溉对地下水的影响： 模拟灌溉过程中水分在土壤带和地下水中的迁移转化，评估灌溉定额、灌溉方式对地下水位回升、土壤盐渍化及地下水硝酸盐污染的影响。 气候变化背景下的水资源脆弱性评估与适应性管理： 气候变化情景下的水文模拟： 将不同的气候变化预测情景（如温度升高、降雨格局改变）作为输入，利用水文地质模型模拟其对地下水补给、径流、蒸发蒸腾等水文要素的潜在影响。 水资源系统脆弱性分析： 结合模型模拟结果，评估在不同气候变化情景下，地下水供应、水质安全、生态健康等方面存在的脆弱性。 适应性管理策略研究： 提出并模拟不同适应性管理策略（如优化水库调度、推广节水技术、调整种植结构）的有效性，为制定应对气候变化的长期水资源管理计划提供科学支撑。 城市化与工程建设对水文地质系统的影响： 城市化扩张对地下水补给的影响： 模拟城市扩张过程中硬化地面增加、绿地减少等因素对地下水补给的影响，分析城市低影响开发（LID）措施的效果。 地下工程建设（如隧道、基坑）对地下水流场的影响： 利用精细化模型模拟地下工程施工对周边地下水位、流速、流向的改变，评估其对地质环境稳定性的影响，并提出缓解措施。 地下水污染的环境风险评估： 结合城市化活动产生的污染源（如污水、垃圾渗滤液），评估其对地下水环境的长期风险。 第三章：建模的实践操作与案例研究 本章将通过一系列具体的实践操作指南和详尽的案例研究，帮助读者将理论知识转化为实际应用能力。我们将涵盖模型选择、数据准备、参数率定、模型验证、结果解释与可视化等关键环节。 模型选择的原则与流程： 问题导向： 根据研究目的、研究区域特点、可获取的数据及计算资源，选择合适的模型类型（例如，区域尺度地下水流模型、点源污染运移模型、流域尺度耦合模型）。 模型能力评估： 了解不同模型的优势、局限性、适用范围以及对数据和计算能力的要求。 软件平台介绍： 简要介绍目前主流的水文地质建模软件平台，如MODFLOW、FEFLOW、HydroGeoSphere、GMS等，及其基本操作界面和功能。 数据准备与预处理： 地质数据： 地层结构、岩性、渗透性、孔隙度等数据的采集、插值与离散化。 水文数据： 地下水位、流量、水质、降雨、蒸发蒸腾、地表水流量等数据的收集、质量控制与格式化。 遥感与GIS的应用： 如何利用遥感影像提取地表覆盖信息、地形数据，以及如何利用GIS进行空间数据的管理、分析与可视化。 模型参数率定与验证： 参数敏感性分析： 识别对模型输出影响显著的参数，指导参数率定工作的重点。 自动化参数率定技术： 介绍基于优化算法（如Levenberg-Marquardt、遗传算法、粒子群优化）的自动化参数率定方法。 模型验证： 利用独立的数据集（如未用于率定的观测数据）来评估模型的预测精度和泛化能力。 案例研究： 案例一：某干旱区地下水资源可持续管理研究。 详细介绍如何利用MODFLOW-NWT构建该区域地下水流模型，进行地下水资源动态评估，并模拟不同开采情景下的地下水位变化，最终提出可持续开采建议。 案例二：某工业区地下水污染风险评估与修复策略。 重点阐述如何利用MT3DMS/RT3D模拟污染物（如重金属、有机物）的运移过程，识别污染羽的扩散趋势，并评估两种不同的修复技术（原地生物修复和抽出-处理）的效果。 案例三：流域尺度地表水-地下水耦合模拟及其对水资源管理的影响。 以某河流域为例，介绍如何使用HydroGeoSphere进行地表水-地下水耦合模拟，量化河流对地下水补给的贡献，评估农业灌溉对地下水位的影响，并为流域水资源优化配置提供决策支持。 案例四：气候变化对某城市地下水补给的长期影响预测。 采用不同RCP情景下的气候数据，结合水文模型，预测未来地下水补给量的变化趋势，并分析其对城市供水安全的影响，提出适应性管理措施。 第四章：未来展望与挑战 本章将探讨水文地质建模领域未来的发展方向，以及在实践中仍面临的挑战。 多尺度、多过程耦合建模： 发展能够同时模拟从宏观流域到微观孔隙尺度，从地下水流到溶质运移，再到生态反应等多种过程的集成模型。 高分辨率模型的构建与应用： 提高模型的空间分辨率和时间分辨率，以更精细地刻画复杂的水文地质现象。 实时监测与模型反馈： 结合物联网、传感器技术，实现地下水信息的实时获取，并将实时数据反馈到模型中，进行动态更新与预测。 与大数据、云计算的融合： 利用大数据技术处理海量水文地质数据，利用云计算平台提升模型计算能力和数据管理效率。 模型的可视化与人机交互： 开发更直观、易于理解的模型可视化工具，提升模型的易用性和决策支持能力。 应对新兴污染物与环境风险： 关注新兴污染物（如微塑料、药物残留）在地下水中的迁移转化，以及极端环境事件（如洪水、干旱）对水文地质系统的影响。 模型的不确定性与可信度提升： 持续研究和改进模型不确定性量化技术，提高模型的预测可靠性，增强模型在科学决策中的可信度。 跨学科合作的重要性： 强调水文地质学家、工程师、环境科学家、计算机科学家以及政策制定者之间的紧密合作，共同推动水资源可持续管理。 结论 本书通过对现代水文地质建模技术的深入剖析和广泛应用，旨在为解决当前日益严峻的水资源挑战提供强有力的科学工具和理论支持。我们相信，通过不断的技术创新和跨学科合作，水文地质建模将在保障全球水安全、促进可持续发展方面发挥越来越重要的作用。

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