環(huán)境科學(xué)數(shù)值模擬的理論和實(shí)際應(yīng)用
定 價:98 元
叢書名:信息與計(jì)算科學(xué)叢書
- 作者:袁益讓,芮洪興,梁棟著
- 出版時間:2014/3/1
- ISBN:9787030400758
- 出 版 社:科學(xué)出版社
- 中圖法分類:X1
- 頁碼:245
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16K
《信息與計(jì)算科學(xué)叢書62:環(huán)境科學(xué)數(shù)值模擬的理論和實(shí)際應(yīng)用》前五章內(nèi)容是作者1992年1月-1995年12月主持承擔(dān)國家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目-《防治海水入侵主要工程后效及調(diào)控模式研究》(編號85-806-06-04)的部分理論成果,主要內(nèi)容:海水入侵?jǐn)?shù)值模擬概論,數(shù)值模擬和數(shù)值分析,防治工程后效預(yù)測,線性規(guī)劃和調(diào)控應(yīng)用模式。其應(yīng)用成果獲1997年國家水利部科技進(jìn)步三等獎,并已在山東萊州灣防治工程中實(shí)際采用。在此基礎(chǔ)上,科研梯隊(duì)又進(jìn)一步深入研究海水入侵?jǐn)?shù)值模擬的有限元方法及其數(shù)值分析理論,潛水面問題和水質(zhì)污染自由邊界問題的分裂-隱處理方法,得到了系統(tǒng)、深刻的國際領(lǐng)先水平的成果。
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本書是山東大學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)科研梯隊(duì)有關(guān)“防治海水入侵主要工程后效與調(diào)控模式研究”、“核廢料污染問題數(shù)值模擬”和“油田地層硫酸鹽結(jié)垢預(yù)測數(shù)值模擬”的科研成果總結(jié)和近期進(jìn)一步發(fā)展。
海水入侵的預(yù)測和主要工程后效與調(diào)控模式數(shù)值模擬方法的研究和實(shí)際應(yīng)用,是十分重要的環(huán)境、資源、防災(zāi)減災(zāi)課題。海水入侵沿海地區(qū),在自然海水環(huán)境條件改變和社會環(huán)境條件影響下,造成海水向沿海地區(qū)儲水層的侵入。我國的環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)情況特別嚴(yán)重,給山東省萊州灣沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活帶來極大的危害。因此深入研究海水入侵的成因、機(jī)制、規(guī)律,有的放矢地提出防治方案,采取切實(shí)可行的綜合治理措施,盡快制止海水入侵的發(fā)展,緩解海水入侵帶來的災(zāi)害,促進(jìn)環(huán)境和資源的良性循環(huán)是一項(xiàng)十分重要的科研和工程任務(wù)。海水入侵這種復(fù)雜的地下水運(yùn)動,具有危害大、隱蔽性強(qiáng)、動態(tài)變化多、難以治理等特點(diǎn)。利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力,在滲流力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)上,考慮地理環(huán)境、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等復(fù)雜條件的影響,建立合理的數(shù)學(xué)模型,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行定量描述海水入侵過程。對認(rèn)識、掌握海水入侵的機(jī)制和規(guī)律,預(yù)測海水入侵的發(fā)展趨勢,是切實(shí)可行、行之有效的方法。防治海水入侵的工程要花費(fèi)巨大的投資,要在長時間內(nèi)發(fā)揮重大的作用,因此依靠科學(xué)與工程計(jì)算的方法,采用計(jì)算機(jī)對工程的后效進(jìn)行數(shù)值模擬,對工程的作用給出定量預(yù)測是很有必要的,對提出工程調(diào)控應(yīng)用模式的研究,更具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。
本書內(nèi)容共分三部分。
第1部分內(nèi)容是作者1992年1月~1995年12月主持國家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目“防治海水入侵主要工程后效及調(diào)控模式研究”(編號85—806—06—04)的部分理論成果。其應(yīng)用成果獲1997年國家水利部科技進(jìn)步獎三等獎,已在山東省萊州灣防治工程中采用。本部分內(nèi)容為本書前5章。
第1章海水入侵的數(shù)值模擬概論。主要討論我國特別是山東省沿海地區(qū)海水入侵的現(xiàn)狀及特點(diǎn)。這種災(zāi)害主要表現(xiàn)為海水(鹵水或古海水)在地下向內(nèi)陸入侵(鹵水入侵又稱咸水入侵)。在計(jì)算機(jī)上模擬海水入侵的運(yùn)動規(guī)律,首先必須研究這種多孔介質(zhì)地層中海水和淡水的運(yùn)動規(guī)律,研究其滿足的滲流力學(xué)數(shù)學(xué)模型,它具有非線性、強(qiáng)對流、自由邊界等特點(diǎn)。為了使數(shù)值模擬適合評價大范圍、三維問題,我們采用迎風(fēng)算子分裂算法,來離散水頭方程和鹽分濃度方程,研制了工程應(yīng)用軟件系統(tǒng)。
第2章數(shù)值模擬結(jié)果比較和數(shù)值分析。應(yīng)用我們研制的軟件系統(tǒng),對萊州灣地區(qū)的海水入侵,進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)值模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測一致,并對主要防治工程進(jìn)行后效預(yù)測和綜合工程后效預(yù)測,提出了調(diào)控應(yīng)用模式。在此基礎(chǔ)上,對求解問題的迎風(fēng)差分方法、特征差分方法進(jìn)行數(shù)值分析研究,使數(shù)值軟件模擬系統(tǒng),建立在堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)上。
第3章防治海水入侵主要工程的后效預(yù)測。防治海水入侵的主要工程如節(jié)水工程、引黃調(diào)水工程、攔蓄補(bǔ)源工程、人工增雨工程、地下壩、防潮堤工程等。其總體目標(biāo)就是增加地面可供水量,在保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人畜飲水需要的同時,盡量減少對地下水的開采。從而延緩地下水位下降,甚至促使地下水位回升,對防治海水入侵是非常有效的。
第4章線性規(guī)劃與工程調(diào)控應(yīng)用模式。我們將最優(yōu)化方法(線性規(guī)劃)和數(shù)值方法相結(jié)合來解決工程調(diào)控應(yīng)用模式。如對供水來說,如何使有限的地下水資源發(fā)揮最大的社會經(jīng)濟(jì)效益,如何使地下水位降深控制在我們限定的范圍,而使供水量達(dá)到最大,對資源保護(hù)來說,如何控制污染物以限制地下水被污染,使水質(zhì)保持在衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。
第5章海水入侵?jǐn)?shù)值模擬的有限元方法與潛水面問題。在第1章、第2章的基礎(chǔ)上,提出一類海水入侵?jǐn)?shù)值模擬的有限元程序,應(yīng)用微分方程先驗(yàn)估計(jì)的理論和技巧,得到了特征有限元方法的收斂性估計(jì)。并研究了帶自由潛水面地下滲流分裂一隱處理方法和水質(zhì)污染自由邊界問題的數(shù)值方法,這在水資源和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域均有重要的實(shí)用價值。
本書的第2部分,第6章核廢料污染問題的數(shù)值模擬方法。核廢料深埋在地層下,若遇到地震、巖石裂隙發(fā)生時,它就會擴(kuò)散,因此研究其擴(kuò)散及安全問題是十分重要的。對于不可壓縮、可壓縮、二維模型,它是一類地層中遷移的耦合拋物型方程組的初邊值問題。問題的數(shù)學(xué)模型由四類方程組成:①壓力函數(shù)的流動方程;②主要污染元素濃度函數(shù)的對流擴(kuò)散方程;③微量元素濃度函數(shù)組的對流擴(kuò)散方程組;④溫度函數(shù)的熱傳導(dǎo)方程。該章內(nèi)容主要是作者1987年1月~1988年3月在美國Wyoming大學(xué)石油工程數(shù)學(xué)研究所參加R.E.Ewing教授領(lǐng)導(dǎo)的“核廢料污染問題數(shù)值模擬研究”的部分理論成果。我國和美國一樣,也是地震高發(fā)區(qū),因此這些成果對我國核工業(yè)的發(fā)展和廢料的處理,均有一定的借鑒價值。該章主要討論不可壓縮核廢料污染問題的有限元方法,可壓縮核廢料污染問題的特征混合元方法,特征混合元一差分方法及其理論分析。
本書第3部分,第7章地層硫酸鹽結(jié)垢數(shù)值模擬。該章內(nèi)容是作者主持的中國石油天然氣總公司“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“低滲注水油田地層結(jié)垢機(jī)理及防治技術(shù)研究”中“注水地層結(jié)垢預(yù)測及防治技術(shù)”專題的子課題(編號00-04-01)。由山東大學(xué)承擔(dān)。長慶石油管理局協(xié)助完成。從1991年年初起,到1992年年底基本完成。我們從地層結(jié)垢物生成機(jī)理提出了合理可靠具有共沉淀因素的結(jié)垢趨勢綜合預(yù)測數(shù)學(xué)模型,提出了解決這類問題的高精度計(jì)算方法,并采用新型的計(jì)算機(jī)技術(shù)編制程序。與國外的具體實(shí)例進(jìn)行比較,預(yù)測結(jié)果穩(wěn)定可靠,功能更加全面。還對長慶油田提供的實(shí)例預(yù)測,其結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)測結(jié)果基本吻合,它對油水資源的開發(fā)和利用有著重要的價值。
作者1985—1988年在美國和J.Douglas Jr ,R.E.Ewing合作,從事能源、環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的科研和軟件開發(fā)工作。回國后帶領(lǐng)課題組在此領(lǐng)域承擔(dān)了國家“973”計(jì)劃、攀登計(jì)劃(A、B)、自然科學(xué)基金(數(shù)學(xué)、力學(xué))、國家教委博士點(diǎn)基金、國家攻關(guān)、國家石油天然氣總公司、國家石油石化總公司的攻關(guān)課題,從事這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用軟件技術(shù)開發(fā)研究。
在能源和環(huán)境科學(xué)的基礎(chǔ)理論方面。課題組曾先后獲得1995年國家光華科技基金三等獎,2003年教育部提名國家科學(xué)技術(shù)獎(自然科學(xué))一等獎——能源數(shù)值模擬的理論和應(yīng)用,1997年國家教委科技進(jìn)步獎(甲類自然科學(xué))二等獎——油水資源數(shù)值方法的理論和應(yīng)用,1993年國家教委科技進(jìn)步獎f甲類自然科學(xué))二等獎——能源數(shù)值模擬的理論方法和應(yīng)用,1989年國家教委科技進(jìn)步獎f甲類自然科學(xué))二等獎——有限元方法及其在工程技術(shù)中的應(yīng)用,并于1993年由于培養(yǎng)研究生的突出成果——“面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場探索培養(yǎng)高層次數(shù)學(xué)人才的新途徑”獲國家優(yōu)秀教學(xué)成果一等獎。
在環(huán)境科學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算方法的理論和應(yīng)用課題的研究中,在數(shù)學(xué)、滲流力學(xué)方面我們始終得到J.Douglas Jr、R.E.Ewing姜禮尚教授、石鐘慈院士、符鴻源研究員的指導(dǎo)、幫助和支持,在計(jì)算滲流力學(xué)和地球科學(xué)方面得到郭尚平院士、汪集嚦院士的指導(dǎo)、幫助和支持,并一直得到山東大學(xué)、山東省農(nóng)業(yè)委員會和長慶石油管理局有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的大力支持,特在此表示深深的謝意!本書在出版過程中曾得到國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:11271231)的部分資助。
在環(huán)境科學(xué)數(shù)值模擬的攻關(guān)項(xiàng)目中,我的學(xué)生:王文洽教授,羊丹平、杜寧和李長峰等博士也先后做了很多工作。
作者
2012年10月于山東大學(xué)(濟(jì)南)
目錄
《信息與計(jì)算科學(xué)叢書》序
前言
第1章 海水入侵的鼓值模擬概論 1
1.1 海水入侵的現(xiàn)狀及特點(diǎn) 3
1.1.1 海水入侵的現(xiàn)狀及危害 3
1.1.2 海水入侵的原因 5
1.1.3 海水入侵區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 6
1.1.4 海水入侵區(qū)的水質(zhì)變化特征 7
1.1.5 綜合防治,減輕災(zāi)害 9
1.1.6 防治工程 10
1.1.7 加強(qiáng)海水入侵綜合防治示范區(qū)建設(shè) 12
1.2 海水入侵問題的三維數(shù)學(xué)模型 12
1.2.1 關(guān)于水頭方程 13
1.2.2 關(guān)于鹽分濃度方程 15
1.2.3 關(guān)于初邊值條件 17
1.2.4 問題的特點(diǎn)及難點(diǎn) 18
1.3 數(shù)值模擬方法及計(jì)算過程 19
1.3.1 水頭方程的算子分裂法 19
1.3.2 鹽分濃度方程的迎風(fēng)加權(quán)分裂算法 23
1.3.3 數(shù)值模擬過程及框圖 25
參考文獻(xiàn) 27
第2章 數(shù)值模擬結(jié)果比較和數(shù)值分析 30
2.1 數(shù)值模擬結(jié)果的比較和分析 30
2.1.1 模擬區(qū)域 30
2.1.2 各種數(shù)據(jù)資料 31
2.1.3 計(jì)算與結(jié)果比較 32
2.1.4 結(jié)果分析 37
2.2 海水入侵的迎風(fēng)分?jǐn)?shù)步差分格式 39
2.2.1 數(shù)學(xué)模型 40
2.2.2 修正迎風(fēng)分?jǐn)?shù)步差分格式 41
2.2.3 收斂性分析 43
2.3 海水入侵?jǐn)?shù)值模擬的特征差分方法 57
2.3.1 數(shù)學(xué)模型 57
2.3.2 特征差分格式 60
2.3.3 收斂性分析 63
參考文獻(xiàn) 67
第3章 防治海水入侵主要工程的后效預(yù)測 69
3.1 節(jié)水工程和預(yù)測 69
3.1.1 節(jié)水工程 69
3.1.2 后效預(yù)測 69
3.2 引黃調(diào)水工程 74
3.2.1 工程概述 74
3.2.2 后效預(yù)測 77
3.3 攔蓄補(bǔ)源和人工增雨工程 81
3.3.1 攔蓄補(bǔ)源工程 81
3.3.2 人工增雨工程 82
3.3.3 后效預(yù)測 82
3.4 綜合工程后效預(yù)測 69
3.5 地下壩、防潮堤工程后效預(yù)測 92
3.5.1 地下壩、地下水庫 92
3.5.2 防潮堤 93
3.5.3 后效預(yù)測 93
3.5.4 結(jié)論 109
參考文獻(xiàn) 109
第4章 線性規(guī)劃與工程調(diào)控應(yīng)用模式 111
4.1 線性規(guī)劃問題 111
4.1.1 線性規(guī)劃簡介 111
4.1.2 單純形法 115
4.2 有限差分法與線性規(guī)劃的結(jié)合 119
4.2.1 一維穩(wěn)定流問題 120
4.2.2 二維穩(wěn)定流問題 122
4.2.3 一維非穩(wěn)定流問題 123
4.3 工程調(diào)控應(yīng)用模式研究 126
4.3.1 數(shù)值方法與線性規(guī)劃的結(jié)合 126
4.3.2 調(diào)控應(yīng)用模式計(jì)算 129
4.3.3 結(jié)論 129
4.4 結(jié)束語 130
參考文獻(xiàn) 131
第5章 海水入侵?jǐn)?shù)值模擬的有限元方法與潛水面問題 133
5.1 有限元內(nèi)插函數(shù) 133
5.1.1 一維單元 133
5.1.2 二維單一型一次單元 135
5.1.3 三維單一型單元 136
5.1.4 等參數(shù)單元 138
5.2 海水入侵?jǐn)?shù)值模擬的有限元程序 143
5.2.1 數(shù)學(xué)模型 143
5.2.2 有限元方法程序 145
5.3 特征有限元方法的數(shù)值分析 148
5.3.1 特征有限元格式 148
5.3.2 收斂性分析 150
5.4 帶自由潛水面地下清流分裂隱處理方法 159
5.4.1 數(shù)學(xué)模型 160
5.4.2 分裂隱處理方法 161
5.4.3 隱處理有限元格式 163
5.4.4 一維隱處理格式的理論分析 165
5.5 水質(zhì)污染自由邊界問題的數(shù)值方法 165
5.5.1 問題的數(shù)學(xué)模型 165
5.5.2 問題的分裂方法 168
5.5.3 隱處理有限元方法 170
5.5.4 格式分析 173
5.6 間斷有限元方法求解海水入侵問題 173
5.6.1 水頭方程的混合元弱形式 173
5.6.2 濃度方程的間斷弱形式 174
5.6.3 半離散格式 175
5.6.4 半離散格式的誤差估計(jì) 176
參考文獻(xiàn) 176
第6章 模廢料污染問題的數(shù)值模擬方法 178
6.1 不可壓縮核廢料污染問題的有限元方法 178
6.1.1 引言 178
6.1.2 半離散有限元程序 179
6.1.3 有限元方法的數(shù)值分析 182
6.1.4 全離散混合元方法 188
6.1.5 全離散混合元方法的數(shù)值分析 190
6.2 可壓縮核廢料污染問題的特征混合元有限元方法 195
6.2.1 數(shù)學(xué)模型 195
6.2.2 特征混舍元有限元格式 196
6.2.3 收斂性分析 197
6.3 可壓縮核廢料污染問題的特征混合元一差分方法 204
6.3.1 數(shù)學(xué)模型 204
6.3.2 混合元-特征差分程序 207
6.3.3 格式I的誤差估計(jì) 210
6.3.4 格式II的誤差估計(jì) 218
參考文獻(xiàn) 219
第7章 地層硫酸鹽結(jié)垢數(shù)值模擬 221
7.1 基本原理和數(shù)值計(jì)算方法 222
7.1.1 溶度積方程 222
7.1.2 Pitzer 方程 222
7.1.3 溶解度關(guān)系方程 223
7.1.4 預(yù)測模型 224
7.1.5 共沉淀數(shù)值計(jì)算方法 225
7.1.6 軟件系統(tǒng)(SDCQPC)的功能與特點(diǎn) 227
7.1.7 SDCQPC系統(tǒng)使用說明 227
7.2 測試分析 228
7.3 長慶油田油井結(jié)垢趨勢預(yù)測結(jié)果 235
參考文獻(xiàn) 241
索引 242
《信息與計(jì)算科學(xué)叢書》已出版書目 246
第1章海水入侵的數(shù)值模擬概論
海水入侵是沿海地區(qū)自然水環(huán)境條件改變和社會環(huán)境條件影響下造成的海水向沿海地區(qū)儲水層的侵入,自20世紀(jì)70年代以來,我國陸續(xù)出現(xiàn)零星的海水入侵,進(jìn)入80年代中期以后,入侵范圍逐漸擴(kuò)大,情況日益嚴(yán)重,特別是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)的山東、河北、遼寧等沿岸尤為突出,而山東省萊州灣沿海地區(qū)成為海水入侵的典型區(qū)域,海水入侵給該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活帶來極大的危害。深入研究萊州灣地區(qū)海水入侵的成因、機(jī)理、規(guī)律,有的放矢地提出綜合防治方案,采取各種切實(shí)可行的綜合治理措施,盡快制止海水入侵的發(fā)展,緩解海水入侵帶來的災(zāi)害,促進(jìn)資源與環(huán)境的良性循環(huán),是一項(xiàng)十分重要的科研和工程任務(wù)。
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,電子計(jì)算機(jī)作為強(qiáng)化人的思維和智能的工具也像望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡帶動天文學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展一樣,正影響著一切科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,使科學(xué)與工程計(jì)算方法成為繼Galileo和Newton開創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)與理論兩大科學(xué)方法之后的第三類科學(xué)研究方法。海水入侵這種復(fù)雜的地下運(yùn)動,具有危害大、隱蔽性強(qiáng)、動態(tài)變化多、難以治理等特點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力,在滲流力學(xué)、水文地質(zhì)科學(xué)基礎(chǔ)上,考慮地理環(huán)境、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等復(fù)雜條件的影響,建立合理適用的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而在計(jì)算機(jī)上定量描述海水入侵過程,對認(rèn)識、掌握海水入侵問題的機(jī)理和規(guī)律,預(yù)測海水入侵的發(fā)展趨勢,是切實(shí)可行、行之有效的方法。防治海水入侵的工程要花費(fèi)巨大的投資,要在長時間內(nèi)發(fā)揮巨大作用,因此,依靠科學(xué)與工程計(jì)算的方法,采用計(jì)算機(jī)對工程的后效進(jìn)行數(shù)值模擬,對工程的作用給出定量預(yù)測,是很有必要的,對提出工程的調(diào)控應(yīng)用模式具有更現(xiàn)實(shí)的意義。
海水入侵定量研究是一個較新的學(xué)科領(lǐng)域。國外關(guān)于海水入侵研究始于20世紀(jì)中期,自70年代以來,隨著海水入侵的危害的日益加劇,對海水入侵的研究也逐步深入。如以色列、美國、墨西哥、荷蘭、澳大利亞、日本等國家都針對各自沿海地區(qū)的海水入侵問題進(jìn)行了不同程度的研究,1985年國際水文地區(qū)工作者協(xié)會(IAH)第13屆大會上,集中討論了海水入侵的研究問題,把這一方面的研究推向高潮。我國海水入侵的研究起步較晚,80年代后期許多專家、學(xué)者也開始研究秦皇島北戴河區(qū)和大連市、山東萊州灣、江蘇射陽、海南海口、廣西北海、浙江舟山等地的海水入侵問題,做了大量的調(diào)查研究,取得了一些階段性的成果,
對海水入侵問題的模型與算法通常有兩類:一類是認(rèn)為海水和淡水是互不相溶的液體,兩者之間存在一個嚴(yán)格的突變界面;另一類則認(rèn)為兩者是可混溶液體,由于水動力彌散作用它們之間有一個從淡水密度變到海水密度的過渡帶。
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