本书以河岸带潜流层为研究对象，借鉴河床潜流交换理论，通过数学推导、模型试验、数值模拟，揭示了均质与非均质、有植被与无植被河岸带潜流层水动力、溶质迁移、生态学等动态机理，建立了蜿蜒河岸带坡面水压力分布方程，提出了河岸带潜流层生态修复思路、步骤和基本措施。本书从基本概念到动态机理，再到生态修复，系统地建立了河岸带潜流交换理论，进一步丰富和发展了河岸带理论与潜流理论，为岸线科学保护与利用，以及河流生态保护和治理提供了理论参考。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 研究目的与意义 1
1.2 潜流研究发展史 2
1.2.1 潜流与潜流带 2
1.2.2 潜流研究的发展阶段 3
1.3 现有潜流研究的主要理论 7
1.3.1 潜流及潜流带的概念模型 7
1.3.2 潜流交换理论与数学模型 8
1.3.3 潜流驻留时间分布理论 8
1.3.4 潜流溶质迁移规律 9
1.4 潜流研究的主要方法 10
1.4.1 野外监测方法 10
1.4.2 数值模拟方法 10
1.4.3 室内试验方法 11
1.5 未来研究方向 12
1.6 本书内容组织架构 13
参考文献 13
第2章 河岸带潜流层结构及基本动态过程 21
2.1 河岸带的结构与功能 21
2.1.1 河岸带的概念 21
2.1.2 河岸带的结构 22
2.1.3 河岸带的功能 23
2.2 河岸带潜流层的结构与功能 25
2.2.1 河岸带潜流层的概念 25
2.2.2 河岸带潜流层的结构 26
2.2.3 河岸带潜流层的功能 28
2.3 河岸带潜流层的基本动态过程 29
2.3.1 水动力动态过程 29
2.3.2 溶质循环与化学动态过程 31
2.3.3 生态学动态过程 32
2.3.4 主要影响因素 32
参考文献 35
第3章 河岸带潜流层基本水动力学机制 39
3.1 流体运动的描述方法与基本方程 39
3.1.1 运动场的描述方法 39
3.1.2 流体运动的基本方程 41
3.1.3 小扰动理论的基本原理与方程 48
3.2 运动方程的数值求解方法 49
3.2.1 求解原理与步骤 49
3.2.2 常用的数值模拟软件 52
3.3 河岸带潜流交换基本水动力机制 53
3.3.1 潜流交换的基本方程 53
3.3.2 地表水水头梯度对潜流交换的作用机制 54
3.3.3 冲淤特征对潜流交换的作用机制 56
3.3.4 紊流扩散对潜流交换的作用机制 57
3.4 潜流交换的基本描述模型 58
3.4.1 潜流交换通量模型 58
3.4.2 潜流驻留时间描述模型 60
3.4.3 潜流交换宽度与深度模型 61
参考文献 62
第4章 近岸区水压力场分布与影响机制 65
4.1 基于小扰动理论的蜿蜒河岸坡面水压力方程推导 65
4.1.1 明渠水流运动基本方程的简化 65
4.1.2 蜿蜒河岸带的扰动特性 66
4.1.3 基于小扰动理论的河岸坡面水压力方程 67
4.2 蜿蜒河岸带坡面水压力方程的解析解 69
4.2.1 量纲分析 69
4.2.2 边界条件 70
4.2.3 坡面水压力问题描述与求解 71
4.2.4 解析解的试验验证 75
4.3 蜿蜒河岸带坡面水压力分布规律 79
4.3.1 不同水深分层扰动压力分布特性 79
4.3.2 弗劳德数对扰动压力分布的影响 80
4.3.3 河岸蜿蜒程度对扰动压力分布的影响 81
4.3.4 压力分布影响因素的敏感性分析 81
4.3.5 压力系数公式的适用性与简化 82
4.4 近岸区压力场的三维数学模型及求解方法 83
4.4.1 控制方程及离散方法与收敛准则 83
4.4.2 模拟工况 83
4.4.3 计算区域、自由水面的处理与网格模型 84
4.4.4 近壁区处理与边界条件 85
4.4.5 模型验证与自由液面处理方法比选 86
4.5 河岸带特征对近岸压力场分布的影响机制 91
4.5.1 河岸带边坡系数对近岸压力场分布的影响 91
4.5.2 河岸带弯曲度对近岸压力场分布的影响 93
4.5.3 河岸形态对近岸压力场的扰动范围 94
参考文献 96
第5章 均质河岸带潜流交换机理 98
5.1 均质河岸带潜流交换试验设计 98
5.1.1 双循环河岸带试验模型设计 98
5.1.2 河岸带基质组成与形态塑造方法 100
5.1.3 试验工况与特征参数 101
5.1.4 试验步骤与方法 103
5.2 河岸带潜流交换基本特性 104
5.2.1 顺直型河岸带潜流交换特性 104
5.2.2 蜿蜒型河岸带潜流交换特性 105
5.2.3 蜿蜒特征引起的河岸带泵吸效应机理 106
5.3 均质河岸带潜流交换的三维耦合计算模型 107
5.3.1 近岸区地表水流场数值计算模型与边界条件 107
5.3.2 河岸带地下水流场计算模型 109
5.3.3 示踪剂运移模型 109
5.3.4 计算区域的网格模型与模拟工况 111
5.3.5 模型求解与验证 112
5.4 河岸带潜流交换范围的识别及表征参数 115
5.4.1 潜流交换路径的基本特征 115
5.4.2 交换区临界面的识别方法 115
5.4.3 交换范围的表征参数 117
5.5 潜流交换范围的主要影响因素及其作用机理 119
5.5.1 河岸带蜿蜒形态对交换范围特征参数的影响 119
5.5.2 地表水流速对交换范围特征参数的影响 119
5.5.3 河岸带形态雷诺数对交换范围特征参数的影响 120
5.5.4 地下水水面纵比降对交换范围特征参数的影响 121
5.5.5 交换范围特征参数间的相互关系 123
参考文献 124
第6章 非均质河岸带潜流交换机理 125
6.1 基质组成取样与测定方法 125
6.1.1 研究区概况 125
6.1.2 取样点布置与取样方法 126
6.1.3 样品测定方法 126
6.1.4 数据处理方法 127
6.2 河岸带非均质性特征与空间分布格局 131
6.2.1 土壤颗粒组成总体特征 131
6.2.2 土壤水文物理性质 133
6.2.3 不同河段土壤颗粒组成与分布特征 134
6.2.4 不同滩位土壤颗粒组成与分布特征 135
6.2.5 卵砾石物理性质与空间分布格局 136
6.3 非均质河岸带潜流交换试验设计 138
6.3.1 试验装置 138
6.3.2 试验基质组成与示踪剂的选择 139
6.3.3 试验工况与试验方法 140
6.4 河岸带基质组成对潜流交换量的影响 140
6.4.1 流速与基质组成对潜流交换量的复合影响 140
6.4.2 河岸形态与基质组成对潜流交换量的复合影响 141
6.5 河岸带基质组成对潜流入渗量的影响 142
6.5.1 潜流入渗量在河岸带纵向上的变化 142
6.5.2 河岸形态与基质组成对潜流入渗量的复合影响 143
6.5.3 流速与基质组成对潜流入渗量的复合影响 144
6.5.4 多因素作用下潜流入渗量的计算方法 145
6.6 河岸带基质组成对潜流交换宽度的影响 146
6.6.1 流速与基质组成对潜流交换宽度的复合影响 146
6.6.2 河岸形态与基质组成对潜流交换宽度的复合影响 148
参考文献 148
第7章 有植被河岸带潜流交换机理 150
7.1 试验设计与数值模拟方法 150
7.1.1 试验模型 150
7.1.2 试验材料与工况组合 151
7.1.3 测量指标与试验方法 152
7.1.4 数值模拟三维模型及工况组合 152
7.1.5 边界条件与方程求解 155
7.2 植被密度与河岸带蜿蜒性对交界面压力场的影响 155
7.2.1 植被密度对交界面压力场的影响 155
7.2.2 河岸带蜿蜒性对交界面压力场的影响 159
7.2.3 植被密度与蜿蜒性对交界面压力场的复合影响 160
7.2.4 流量对交界面压力场的影响 163
7.3 植被密度与蜿蜒性对潜流交换通量的影响 164
7.3.1 顺直河岸带植被密度对潜流交换通量的影响 164
7.3.2 蜿蜒河岸带植被密度对潜流交换通量的影响 165
7.3.3 蜿蜒河岸带植被密度对潜流入渗量的影响 166
7.4 植被密度与蜿蜒性对潜流交换宽度的复合效应 167
7.4.1 顺直河岸带植被密度对潜流交换宽度的影响 167
7.4.2 蜿蜒河岸带植被密度对潜流交换宽度的影响 167
7.5 植被密度与河岸带蜿蜒性对潜流驻留时间的复合效应 169
7.5.1 植被密度对潜流驻留时间的影响 169
7.5.2 河岸带蜿蜒性对潜流驻留时间的影响 169
7.5.3 植被密度与河岸带蜿蜒性对潜流驻留时间的复合影响 170
7.6 潜流交换的最优评判量与敏感因子 171
7.6.1 主要影响因子的量纲分析 171
7.6.2 潜流交换的最优评判量确定 173
7.6.3 潜流驻留时间的敏感因子确定 175
7.6.4 潜流驻留时间追踪 177
参考文献 178
第8章 河岸带潜流层溶质迁移机理 179
8.1 河岸带潜流层溶质动态过程与环境效应 179
8.1.1 河岸带潜流层溶质迁移过程 179
8.1.2 河岸带潜流层溶质转化过程 180
8.1.3 主要溶质的迁移转化过程 181
8.1.4 河岸带潜流层对溶质的环境缓冲效应 182
8.2 溶质迁移过程的模拟与试验方法 184
8.2.1 溶质驻留时间 184
8.2.2 溶质迁移过程模拟方法 185
8.2.3 监测与试验方法 190
8.2.4 溶质迁移影响因子量纲分析 191
8.3 非均质性河岸带潜流层溶质迁移过程 191
8.3.1 地表水流速对潜流层溶质迁移过程的影响 191
8.3.2 河岸形态对潜流层溶质迁移过程的影响 193
8.3.3 基质组成对潜流层溶质迁移过程的影响 194
8.3.4 组合因素对潜流层溶质迁移的复合效应 196
8.4 有植被河岸带潜流层溶质迁移过程 197
8.4.1 顺直河岸带植被密度对溶质迁移的影响 197
8.4.2 蜿蜒河岸带植被密度对溶质迁移的影响 198
参考文献 201
第9章 河岸带潜流层生态系统与生态修复 205
9.1 生物组成与分布特征 205
9.1.1 生物组成 205
9.1.2 生物多样性 207
9.1.3 生物分布特征 208
9.2 食物链与养分循环 210
9.2.1 食物链与食物网的结构特征 210
9.2.2 营养循环与新陈代谢 211
9.3 生态交错性与生态连通性 213
9.3.1 生态交错性 213
9.3.2 生态连通性 215
9.4 潜流对生态系统的影响 217
9.4.1 潜流对生物食物来源的影响 217
9.4.2 潜流对生物栖息条件的影响 218
9.4.3 潜流层生物变化对邻近区域生态的影响 219
9.5 河岸带潜流层生态修复 220
9.5.1 生态修复的重要性 220
9.5.2 生态修复目标与步骤 221
9.5.3 生态修复措施 223
参考文献 224
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