Transport Modeling for Environmental Engineers and Scientists

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出版者:Wiley
作者:Clark, Mark M.
出品人:
页数:664
译者:
出版时间:2009.Sept
价格:125
装帧:Hardcover
isbn号码:9780470260722
丛书系列:
图书标签:
  • engineering
  • Transport Phenomena
  • Environmental Engineering
  • Environmental Science
  • Modeling
  • Pollution Transport
  • Fluid Mechanics
  • Mass Transfer
  • Heat Transfer
  • Chemical Engineering
  • Environmental Modeling
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具体描述

Transport Modeling for Environmental Engineers and Scientists, Second Edition, builds on integrated transport courses in chemical engineering curricula, demonstrating the underlying unity of mass and momentum transport processes. It describes how these processes underlie the mechanics common to both pollutant transport and pollution control processes.

环境工程师与科学家实践指南:水文地质模型与污染物迁移模拟 本书深入探讨环境工程与科学领域的核心挑战——地下水流和污染物的迁移过程。旨在为从事环境修复、地下水资源管理、场地评估以及相关领域的专业人士和研究者提供一套全面、实用的建模方法论和技术指导。 核心内容概览: 本书的核心在于提供一套严谨且具有实践意义的水文地质建模框架,并将其应用于解决复杂的污染物迁移问题。内容涵盖: 理论基础与模型选择: 地下水流理论: 详细阐述达西定律、非饱和流动的基本原理,包括孔隙度、渗透性、水力梯度、含水层参数等关键概念。深入分析不同含水层介质(如砂土、粘土、岩石)的流体流动特性及其数学表述。 污染物迁移理论: 深入解析污染物在地下水中迁移的主要过程:平流(对流)、弥散、扩散、吸附/解吸、衰减(化学和生物)、相态转化等。重点介绍菲克定律在描述扩散和弥散中的应用,以及反应动力学在模拟污染物转化中的作用。 模型分类与选择: 系统介绍不同类型的地下水流模型(如解析解模型、数值模型)和污染物迁移模型(如稳态模型、瞬态模型、反应模型、多组分模型)。根据项目需求、数据可用性、研究尺度和预测精度要求,提供选择合适模型的指导原则和决策树。 数值模型详解与应用: 有限差分法(FDM)与有限元法(FEM): 详细介绍这两种最常用的数值模型离散化方法,包括网格划分、方程离散化、求解器选择等。通过实例展示如何将偏微分方程转化为代数方程组,并由计算机求解。 常用模型软件介绍: 重点介绍在环境领域广泛应用的专业地下水流和污染物迁移模拟软件,如MODFLOW(水流)、MT3DMS/RT3D/SEAWAT(污染物迁移)、FEFLOW(耦合流和迁移)等。详细说明这些软件的基本结构、输入参数、输出结果,以及如何进行模型校准和验证。 模型构建流程: 提供从概念模型建立、数据收集与预处理、模型参数化、模型运行、结果分析到模型不确定性评估的完整流程。强调数据质量在模型构建中的关键作用。 污染物迁移模拟的挑战与进阶: 多相流模拟: 探讨油品泄漏、溶剂污染等场景下,多相流体(水、油、气)在多孔介质中的复杂流动与迁移行为,以及相应的模型处理方法。 多组分迁移与反应: 针对多种污染物同时存在、发生相互作用(如协同效应、竞争吸附)的情况,介绍如何建立多组分迁移模型,并考虑化学和生物反应对迁移过程的影响。 不确定性分析与敏感性分析: 详细阐述模型参数的不确定性如何影响预测结果,以及如何通过蒙特卡洛模拟、贝叶斯方法等技术进行不确定性量化。介绍敏感性分析方法,用于识别对模型输出影响最大的参数。 模型集成与多尺度模拟: 探讨如何将不同的模型(如水文模型、生态毒理模型)进行集成,以更全面地评估环境影响。介绍不同尺度(现场、区域)模型之间的耦合与尺度转换方法。 实际案例分析与工程实践: 场地污染评估与修复方案设计: 通过实际案例,展示如何利用水文地质模型模拟污染物在污染场地(如工业遗址、垃圾填埋场)的扩散范围和演变趋势,并为修复技术(如抽出-处理、原地修复、封堵)的选择和效果评估提供科学依据。 地下水资源管理与保护: 分析如何在地下水开采、灌溉、工业用水等情境下,利用模型预测含水层水位变化、地下水质量退化风险,为可持续的水资源管理策略提供决策支持。 环境影响评价: 讲解如何利用模型评估工程项目(如水库建设、隧道开挖、化工厂选址)对周边地下水环境可能产生的影响,并提供规避或减缓风险的建议。 数据驱动的建模方法: 介绍如何结合现场监测数据、遥感数据、地球物理勘探数据等,通过机器学习、数据同化等技术,提升模型的准确性和预测能力。 本书的特点: 理论与实践紧密结合: 在介绍基本理论的同时,大量引用实际工程案例,展示模型的应用过程和效果。 工具性强: 侧重于介绍模型软件的使用方法和技巧,帮助读者快速掌握建模工具。 面向问题驱动: 以环境工程与科学中常见的实际问题为出发点,引导读者思考如何应用模型来解决问题。 条理清晰,循序渐进: 从基础理论到高级应用,内容组织合理,便于读者理解和掌握。 本书适合环境工程师、水文地质工程师、环境科学家、土壤与地下水修复专家、以及从事相关领域研究的本科生、研究生和博士生阅读。通过学习本书,读者将能够熟练运用各类水文地质模型,准确预测污染物迁移行为,从而为环境问题的解决提供科学、可靠的决策支持。

作者简介

Mark M. Clark, PhD, was Professor of Civil and Environmental Engineering at the University of Illinois for over twenty years, and is currently Clinical Professor of Civil and Environmental Engineering at Northwestern University, Evanston, Illinois.

目录信息

Preface.
Acknowledgments.
List of Symbols.
1 Conservation Laws and Continua.
1.1. Introduction.
1.2. Conservation Laws: Systems Approach.
1.3. Conservation Laws: Control Volume Approach.
1.4. Conservation Laws: Differential Element Approach.
1.5. Continua.
1.6. Sources, Sinks, Reactions, and Box Models.
1.7. Summary.
Exercises.
References.
Bibliography.
2 Low-Concentration Particle Suspensions and Flows.
2.1. Introduction.
2.2. Drag on a Sphere.
2.3. Drag Force on Nonspherical Particles.
2.4. Low Reynolds Number Particle Dynamics and Stokes’ Law.
2.5. Particle Motions in Electric Fields.
2.6. Quiescent and Perfect-Mix Batch Sedimentation.
2.7. Continuous Sedimentation Processes.
2.8. Inertial Forces on Particles and Stopping Distance.
2.9. Inertial Forces in Particle Flows.
2.10. Rotating Flows.
2.11. Centrifugation.
2.12. Summary.
Exercises.
References.
Bibliography.
3 Interactions of Small Charged Particles.
3.1. Introduction.
3.2. Importance of Surface.
3.3. Acquisition of Surface Charge.
3.4. Particle Size, Shape, and Polydispersity.
3.5. The Double Layer and Colloidal Stability.
3.6. The Schulze-Hardy Rule.
3.7. Electrophoresis and Zeta Potential.
3.8. Particle Collision and Fast Coagulation.
3.9. Slow Coagulation.
3.10. Summary.
Exercises.
References.
Bibliography.
4 Adsorption, Partitioning, and Interfaces.
4.1. Introduction.
4.2. Accumulation of Solutes at Interfaces.
4.3. Adsorption at Solid-Liquid and Solid-Gas Interfaces.
4.4. Adsorption Isotherms.
4.5. Linear Equilibrium Partitioning Between Two Phases.
4.6. Partitioning and Separation in Flow Systems.
4.7. Summary.
Exercises.
References.
Bibliography.
5 Basic Fluid Mechanics of Environmental Transport.
5.1. Introduction.
5.2. The Joy of Fluid Mechanics.
5.3. The Navier-Stokes Equations.
5.4. Fluid Statics and the Buoyancy Force.
5.5. Capillarity and Interfacial Tension.
5.6. The Modified Pressure and Free-Surface Flows.
5.7. Steady Unidirectional Circular Streamline Flows.
5.8. Fluid Shear Stresses and the Viscosity of Newtonian Fluids.
5.9. Slip Flow.
5.10. Field-Flow Fractionation.
5.11. Nonsteady Unidirectional Flows: Stokes' First Problem.
5.12. Low Reynolds Number Flows.
5.13. Ideal Fluids, Potential Flows, and Stream Functions.
5.14. The Bernoulli Equation.
5.15. Steady Viscous Momentum Boundary Layers.
5.16. Turbulent Flows.
5.17. Summary.
Exercises.
References.
Bibliography.
6 Diffusive Mass Transport.
6.1. Introduction.
6.2. Thermodynamics of Diffusion.
6.3. Fick’s First Law and General Diffusive Transport.
6.4. The Diffusion Coefficient.
6.5. Steady-State Diffusion Problems with No Overall Diffusive Mass Transfer.
6.6. Steady-State Mass Balances Over Differential Elements.
6.7. Fick’s Second Law and Nonsteady-State Diffusion.
6.8. Effective Diffusion Coefficients in Porous Media.
6.9. Hindered Diffusion.
6.10. When Chemicals Diffuse Against a Concentration Gradient.
6.11. Summary.
Exercises.
References.
Bibliography.
7 Convective Diffusion, Dispersion, and Mass Transfer.
7.1. Introduction and Simple Example of Convective Diffusion.
7.2. The Convective-Diffusion Equation.
7.3. Mass Transport in Steady Laminar Flow in a Cylindrical Tube.
7.4. Taylor-Aris Dispersion.
7.5. Turbulent Dispersion: The Lagrangian Approach.
7.6. Turbulent Dispersion: The Eulerian Approach.
7.7. Mass Transfer in Laminar Flow Along Reacting or Dissolving Solid Surfaces.
7.8. Mass-Transfer Coefficients, Models, and Correlations for Laminar and Turbulent Flows.
7.9. Interphase Mass Transport and Resistance Models.
7.10. Summary.
Exercises.
References.
8 Filtration and Mass Transport in Porous Media.
8.1. Introduction.
8.2. Porosity, Velocity, and Porous Media Continua.
8.3. Coefficients of Mechanical, Molecular, and Hydrodynamic Dispersion.
8.4. Porous Media Dispersion Equation in a Homogeneous Isotropic Medium.
8.5. Solution of the Dispersion Equation in an Infinite One-Dimensional Medium.
8.6. Analytical Chromatography.
8.7. Filtration.
8.8. Osmotic Pressure and Reverse Osmosis.
8.9. Summary.
Exercises.
References.
Bibliography.
9 Reaction Kinetics.
9.1. Introduction.
9.2. First-Order Reactions.
9.3. Second-Order Reactions.
9.4. Pseudo-First-Order Reactions.
9.5. Zero-Order Reactions.
9.6. Elementary and Nonelementary Reactions.
9.7. Simple Series and Parallel Reactions.
9.8. Reversible Reactions.
9.9. Characteristic Reaction Times.
9.10. Arrhenius' Law and the Effect of Temperature on Reaction Rate.
9.11. The Fastest Reactions: Diffusion-Controlled Reactions.
9.12. Summary.
Exercises.
References.
Bibliography.
10 Mixing and Reactor Modeling.
10.1. Introduction.
10.2. Simple Closed-Reactor and Residence-Time Distributions.
10.3. Measurement of Residence-Time Distributions.
10.4. Residence-Time Distributions from Discrete Data.
10.5. Perfect Mixing and Ideal Plug Flow.
10.6. F, W, and Disinfection.
10.7. Moments of Residence-Time Distributions.
10.8. Other Residence-Time Models.
10.9. Axial-Dispersion Model.
10.10. Fitting Residence-Time Distributions to Data.
10.11. Mixing and Reactions.
10.12. Summary.
Exercises.
References.
Bibliography.
Appendix I. S I Units and Physical Constants.
Bibliography.
Appendix II. Review of Vectors.
Bibliography.
Appendix III. Equations of Fluid Mechanics and Convective Diffusion in Rectangular, Cylindrical, and Spherical Coordinates.
Bibliography.
Appendix IV. Physical Properties of Water and Air.
Bibliography.
Index.
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书的封面设计初看有些保守,但一翻开内页,立刻感受到一股扎实的学术气息扑面而来。它的排版非常工整,图表清晰易读,这对于需要处理大量复杂数据的环境工程师和科研人员来说简直是福音。我尤其欣赏它在基础理论部分的阐述,作者并没有急于展示那些花哨的最新模型,而是耐心地从最核心的交通流理论和环境影响评估框架讲起。例如,在描述污染物扩散模型时,它深入浅出地解释了拉格朗日和欧拉方法的适用场景差异,并配上了详尽的数学推导,这让我这个非纯交通背景出身的读者也能迅速抓住问题的本质。书中对不同尺度下交通排放估算的讨论,也体现了作者深厚的实践经验,不像有些教材只停留在理论层面,这本书似乎真的考虑到了实际项目中的数据可获取性和模型约束。章节之间的逻辑衔接非常流畅,读完一个部分,自然而然就会对下一个部分产生期待,整体阅读体验是连贯且富有启发性的。如果说有什么可以改进的地方,或许是在前几章对软件工具的介绍上可以再增加一些案例演示,但瑕不掩瑜,对于希望打下坚实基础的人来说,这无疑是一本极具价值的参考书。

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这本书的阅读体验,用“沉浸式学习”来形容可能最为贴切。它并非那种可以快速翻阅或作为速查手册的书籍,它要求读者必须静下心来,与作者进行一场深入的“智力对话”。尤其是在描述空气质量预测与交通控制策略耦合建模的那几章,作者展现了一种近乎严苛的系统性思维。他不仅解释了“如何建”模型,更重要的是阐明了“为什么必须这样建”,以及在不同政策目标下,模型结构应如何调整的内在逻辑。我注意到,书中对不确定性处理的讨论非常到位,这在环境工程领域至关重要,因为我们面对的输入数据往往充满了噪音和缺失。作者并未将不确定性视为模型应用的障碍,而是将其纳入模型框架的一部分,这体现了高度的学术成熟度。书中的图表设计极具信息密度,初看可能会觉得有些压迫感,但一旦掌握了作者的符号系统和逻辑线索,就会发现这些图表是提炼复杂信息的艺术品。可以说,这本书更像是一本高级研修班的教材,它在不断地向读者提出挑战,推动我们超越现有的知识边界。

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如果要用一个词来概括这本书的精髓,那大概是“审慎的创新”。它既没有盲目追逐当下最热门的机器学习或大数据技术在交通环境领域的应用,也没有固步自封于经典的线性模型。作者采取了一种非常成熟的姿态:首先确保基础理论的牢不可破,然后有选择、有侧重地引入新兴技术,并对其适用范围和潜在的误导性保持高度警惕。例如,书中对“黑箱模型”在环境影响预测中的应用持谨慎态度,详细论证了在法规遵循和公众信任层面,模型的可解释性(Interpretability)为何比单纯的预测精度更为关键。这种对工程伦理和科学严谨性的重视,使得这本书区别于市面上很多浮于表面的“前沿技术手册”。对于年轻的科研人员来说,这本书提供了一个极佳的范例,展示了如何既能保持创新精神,又能坚守科学的客观与审慎。阅读全书,如同与一位经验丰富的导师进行了一次漫长的学术对话,受益匪浅。

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这本书的价值,不在于提供了若干“即插即用”的解决方案,而在于它构建了一个思考的“元框架”。对于我们这些常年在第一线处理实际环境问题的工程师而言,我们面对的往往是高度非标准化的情境。而这本书提供的强大理论基础,使得我们能够将任何特定的地方性问题,抽象化为可建模的结构。我特别欣赏它在描述动态系统建模(如基于个体的模拟,ABM)与传统宏观模型结合的章节。作者非常坦诚地指出了将微观行为数据融入大尺度环境评估的难度与必要性,并提供了一些行之有效的初步融合策略。这在很多其他教科书中往往是被一带而过的部分。这本书的语言风格非常专业、严谨,几乎没有冗余的描述,每一个句子似乎都承载着特定的信息量。这种密度要求读者必须具备一定的背景知识储备,否则可能会感到吃力,但对于那些已经积累了基础知识的人来说,这简直就是一笔巨大的知识财富,它能帮助我们将零散的知识点编织成一张结构严谨的知识网。

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读完这本关于交通建模的巨著,我不得不说,它在视角上展现出了一种非常难得的“跨界融合”的视野。很多同类书籍要么过于偏重交通规划的技术细节,要么仅仅停留在环境科学的宏观叙事,而这本书成功地在两者之间架起了一座坚实的桥梁。让我印象深刻的是其中关于“人本尺度”与“系统尺度”交互影响的分析。作者并没有孤立地看待交通流的效率与环境后果,而是深入探讨了城市形态、土地利用变化如何反作用于出行需求和排放负荷的长期演变。特别是关于行人与自行车交通网络对区域空气质量改善潜力的定量评估部分,提供了一套完整的分析框架,这对于那些正在努力推动绿色出行的城市规划师来说,无疑是及时雨。书中的案例研究选取得非常巧妙,横跨了发达国家的大都市圈和发展中地区面临的特定挑战,使得模型的适用性得到了充分的检验。虽然模型参数的敏感性分析部分需要读者投入大量精力去消化,但这恰恰是其价值所在——它教导我们如何审慎地使用和解释模型结果,而不是盲目地相信数字的表象。

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