基本信息
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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。
内容简介
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。本书重点介绍污染物在湖泊、河流、海洋、土壤、地下水以及大气中迁移转化的数学模型及数值模拟方法，附有部分FORTRAN源程序。该书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。
目录
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
1.1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
书摘
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。
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。
