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绪论1

第一章 实验水文地质理论基础6

1.1 地下水运动的基本概念6

1.1.1 多孔介质6

1.1.2 地下水和多孔介质的性质7

1.1.3 渗流相关的物理量11

1.1.4 多孔介质流体运动的描述方法12

1.1.5 渗流相关的参数15

1.1.6 裂隙介质渗流基本理论18

1.2 多孔介质中的水流方程28

1.2.1 渗流基本定律28

1.2.2 地下水运动的控制方程33

1.2.3 地下水运动的数学模型及其求解方法35

1.3 地下水中的溶质与热量运移41

1.3.1 溶质与热量运移基本概念41

1.3.2 地下水溶质运移模型45

1.4 非饱和带水的运动理论50

1.4.1 基本概念51

1.4.2 非饱和流动方程55

1.5 流动相似性原理58

1.5.1 几何相似58

1.5.2 运动相似59

1.5.3 动力相似59

1.5.4 相似准则59

参考文献62

第二章 含水层系统释水变形实验63

2.1 概述63

2.1.1 释水引起地面沉降机理分析64

2.1.2 土的微观结构65

2.1.3 土的微观变形66

2.2 实验模型68

2.2.1 简述68

2.2.2 实验装置68

2.2.3 实验步骤71

2.2.4 实验内容及实验步骤74

2.2.5 实验方案77

2.3 沉降模型实验79

2.3.1 水头降（升）引起沉降（回弹）变化响应79

2.3.2 水头反复变化引起沉降响应81

2.3.3 实验的时间尺度和变形尺度效应82

2.3.4 承压含水层储水率实验83

2.4 含水层系统的孔隙水压力变化规律89

2.4.1 简述89

2.4.2 测压管对孔隙水渗流的影响89

2.4.3 释水实验孔隙水压力变化92

2.4.4 水头恢复实验孔隙水压力变化96

2.5 含水层系统的沉降变化规律97

2.5.1 简述97

2.5.2 土体变形机理分析98

2.5.3 实验实测含水层系统变形分析101

2.5.4 弱透水层参数的变化106

2.6 饱和软土渗流-变形规律110

2.6.1 饱和软土释水-变形的概念模型110

2.6.2 传导系数与固结系数的关系112

2.6.3 模型实验115

2.6.4 传导系数确定的原理、方法117

2.6.5 固结系数确定的原理、方法121

2.6.6 释水与固结的关系125

2.6.7 几点认识127

参考文献128

附表129

第三章 多孔介质水流振荡实验139

3.1 概述139

3.1.1 研究意义139

3.1.2 国内外研究现状140

3.2 裂隙介质中井流振荡理论144

3.2.1 简述144

3.2.2 机械振动理论145

3.2.3 水平裂隙中单井降深振荡实验理论149

3.2.4 倾斜裂隙振荡实验原理165

3.3 振荡实验测试系统开发173

3.3.1 简述173

3.3.2 测试系统概况174

3.3.3 电缆绞车系统175

3.3.4 井下图像识别定向系统176

3.3.5 传感器系统180

3.3.6 实验激发系统181

3.3.7 数据采集系统181

3.3.8 测试系统特点184

3.3.9 测试系统测试技术方法184

3.4 裂隙介质水流现场振荡实验185

3.4.1 振荡实验及钻孔定向编录185

3.4.2 有限边界条件下振荡实验原理200

3.5 振荡实验确定潜水含水层水文地质参数211

3.5.1 现场实验概况211

3.5.2 振荡实验结果分析212

3.6 其他方法220

3.6.1 示踪实验分析220

3.6.2 常规水文地质实验227

参考文献233

附图235

第四章 孔隙介质热量运移规律实验246

4.1 概述246

4.2 饱和孔隙介质水热扩散大型圆柱实验248

4.2.1 实验装置研制及平台简介248

4.2.2 地下水温度采集系统开发256

4.2.3 实验原理及操作步骤265

4.2.4 热量运移实验及成果分析266

4.3 饱和孔隙介质水热扩散土柱实验274

4.3.1 模型简介274

4.3.2 实验介质参数276

4.3.3 实验思路及原理276

4.3.4 热物性参数计算与可靠性分析278

4.3.5 有效导热系数模型对比验证279

4.3.6 热传导参数敏感性分析281

4.3.7 热弥散效应的解析与评估284

4.4 饱和孔隙介质水热扩散矩形砂槽实验299

4.4.1 模型简介300

4.4.2 实验结果分析302

4.5 回灌的储能特征实验及模拟305

4.5.1 物理模型的水流验证305

4.5.2 具体实施过程及结果307

4.6 回灌与储能过程数值模拟分析315

4.6.1 砂槽模型中水热强耦合数学模型的建立315

4.6.2 自定义PEDs的数值求解与验证318

4.6.3 实验工况模拟及分析320

4.6.4 温度场影响范围及迁移量讨论323

4.6.5 流速与灌压随井距分布特征327

4.7 含水层回灌—储能—回收三阶段数值模拟331

4.7.1 模拟结果及分析331

4.7.2 储能效率计算334

4.7.3 天然横流对储能效率的影响335

4.7.4 无量纲储能时间对储能效率的影响338

参考文献340

附表342

第五章 非饱和带水汽热耦合运移实验研究352

5.1 概述352

5.2 土壤水分运动基本知识354

5.2.1 含水量354

5.2.2 土水势356

5.2.3 土壤特征曲线356

5.2.4 达西-白金汉方程358

5.2.5 理查德方程360

5.2.6 土壤水分水汽热运动耦合模型361

5.3 水汽热耦合传输室内实验365

5.3.1 土柱系统366

5.3.2 实验过程367

5.3.3 土壤水力属性367

5.3.4 定解条件368

5.3.5 数值求解过程369

5.3.6 结果与分析370

5.4 水汽热耦合传输的田间研究387

5.4.1 实验场地及实验数据387

5.4.2 数学模型390

5.4.3 实验结果分析396

5.5 田间环境中水热通量季节性变化规律403

5.5.1 土壤含水量与温度季节性变化过程404

5.5.2 水分驱动机制与水力传导系数407

5.5.3 不同传递机制的土水通量季节性变化过程410

5.5.4 不同传递机制的热通量季节性变化过程416

参考文献421

附表426

第六章 裂隙介质多相流实验443

6.1 概述443

6.1.1 溶质运移443

6.1.2 不可混溶两相流运移444

6.2 溶质运移示踪剂的性质及选择445

6.2.1 有色示踪剂在溶质运移实验中的数字图像识别和处理446

6.2.2 有色示踪剂高锰酸钾和亮蓝的适用性对比450

6.3 沟槽空腔溶质运移实验456

6.3.1 圆盘沟槽流溶质运移实验458

6.3.2 非完整贯通流溶质运移474

6.3.3 空腔流溶质运移480

6.3.4 混合结构模型溶质运移487

6.4 优势流条件下充填裂隙溶质运移实验494

6.4.1 物理模型实验494

6.4.2 单圆管溶质运移实验497

6.4.3 分叉圆管溶质运移实验500

6.5 人工粗糙单裂隙溶质运移实验514

6.5.1 仿真粗糙单裂隙实验平台515

6.5.2 裂隙特征分析及隙宽的获取516

6.5.3 实验过程521

6.5.4 实验结果分析523

6.6 空腔充填裂隙NAPL驱水实验541

6.6.1 Brooks-Corey-Burdine模型542

6.6.2 Parker-Lenhard模型544

6.6.3 毛细压力与饱和度的实验室测定546

6.6.4 相对渗透率的实验室测定547

6.6.5 实验结果分析552

参考文献555

附录557

第七章 数值实验597

7.1 格子玻尔兹曼方法（LBM）597

7.1.1 格子玻尔兹曼方程的定解条件600

7.1.2 构建多孔介质结构的LBM自适应方法603

7.2 LBM水流运移数值实验611

7.2.1 数值验证611

7.2.2 完整贯通裂隙（或空腔）水流模拟613

7.3 LBM溶质运移数值实验614

7.3.1 对流弥散方程的格子玻尔兹曼求解614

7.3.2 泰勒水动力弥散验证618

7.3.3 非完整贯通裂隙的溶质运移619

7.3.4 粗糙裂隙溶质运移问题623

7.4 LBM两相流运移数值实验634

7.4.1 湿润角的模拟636

7.4.2 相对渗透率数值验证638

7.4.3 相对渗透率影响因素分析639

7.4.4 充填裂隙介质NAPL淤堵模拟分析646

7.4.5 三维粗糙裂隙NAPL入侵过程模拟649

7.5 水力扫描技术663

7.6 水力扫描方法665

7.6.1 SSLE算法在水力扫描技术中的应用665

7.6.2 SSLE算法665

7.7 水力扫描数值实验670

7.7.1 实验概况670

7.7.2 实验结果671

7.7.3 分析与讨论674

参考文献678

附录683

符号、含义与量纲686

中英文名词对照表693