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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-18365

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-14420

氯-36422

15.5.2 间接法423

δ18O和δD423

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DNAPLs522

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Nashua579

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