環(huán)境水力學(xué)ch1課件

2023/9/121環(huán)境水力學(xué)

EnvironmentalHydraulics環(huán)境工程教研室鄭天柱Tel:7979480E_mail:tzhzheng@2023/7/311環(huán)境水力學(xué)

Environmental2023/9/122第一章緒論第一節(jié)環(huán)境水力學(xué)的任務(wù)和研究內(nèi)容

1、環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念

2、污染物在水環(huán)境中發(fā)生的過程

3、從環(huán)境水力學(xué)的角度,對污染源進(jìn)行分類

4、環(huán)境水力學(xué)的研究進(jìn)展第二節(jié)幾個概念和研究方法

1、幾種假定

2、有關(guān)概念

3、環(huán)境水力學(xué)主要研究方法2023/7/312第一章緒論第一節(jié)環(huán)境水力學(xué)的任2023/9/123第一節(jié)

環(huán)境水力學(xué)的任務(wù)和研究內(nèi)容2023/7/313第一節(jié)

環(huán)境水力學(xué)的任務(wù)和研究內(nèi)容2023/9/124產(chǎn)生背景工農(nóng)業(yè)發(fā)展使水體遭受嚴(yán)重污染，人類社會的進(jìn)一步發(fā)展受到制約。水環(huán)境保護(hù)和水資源的可持續(xù)利用已成為當(dāng)今世界面臨的主要任務(wù)之一。各種水環(huán)境問題的解決需要統(tǒng)籌考慮水量和水質(zhì)，而由于流體運(yùn)動所導(dǎo)致的污染物質(zhì)的擴(kuò)散、隨流輸移問題是基礎(chǔ)。環(huán)境水力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生2023/7/314產(chǎn)生背景工農(nóng)業(yè)發(fā)展使水體遭受嚴(yán)重污染，人2023/9/1251、環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念1）環(huán)境水力學(xué)及其研究內(nèi)容環(huán)境水力學(xué)主要研究地表及地下水域中物質(zhì)的輸移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立其分析計算方法，確定物質(zhì)濃度的時空分布及其應(yīng)用。2023/7/3151、環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念1）環(huán)境水力學(xué)及其2023/9/1261）環(huán)境水力學(xué)及其研究內(nèi)容廣義地講，環(huán)境水力學(xué)是研究與環(huán)境有關(guān)的水力學(xué)問題。除水污染問題，還有許多其它方面的問題，如水土保持、河道沖淤、洪水破壞作用、水生態(tài)問題等等。美國環(huán)境水力學(xué)技術(shù)委員會提出“環(huán)境水力學(xué)特別著重于將物理因素（水動力學(xué)、泥砂輸移和地形條件）、化學(xué)因素（保守與非保守物質(zhì)的傳輸、反應(yīng)動力學(xué)和水質(zhì)）和生物因素（生態(tài)學(xué)）作為一個系統(tǒng)來進(jìn)行研究”。

1、環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念2023/7/3161）環(huán)境水力學(xué)及其研究內(nèi)容廣義地講，環(huán)境2023/9/1271）環(huán)境水力學(xué)及其研究內(nèi)容傳統(tǒng)水力學(xué)主要是研究水流自身運(yùn)動規(guī)律，如流速場。環(huán)境水力學(xué)（污染水力學(xué)）則主要是研究水體中所含物質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律，如濃度場。1、環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念2023/7/3171）環(huán)境水力學(xué)及其研究內(nèi)容傳統(tǒng)水力學(xué)主要2023/9/1281）環(huán)境水力學(xué)及其研究內(nèi)容

擴(kuò)散、輸移作用在排放口近區(qū)主要是射流運(yùn)動性質(zhì)，在遠(yuǎn)區(qū)則屬隨流擴(kuò)散性質(zhì)。近區(qū)遠(yuǎn)區(qū)排污口2023/7/3181）環(huán)境水力學(xué)及其研究內(nèi)容2023/9/1291）環(huán)境水力學(xué)及其研究內(nèi)容研究內(nèi)容水流紊流混合的基本理論河流中污染物的混合與輸移規(guī)律潮汐河口及沿海岸地帶污染物的混合與輸移規(guī)律湖泊及水庫中污染物的混合與輸移規(guī)律河流水質(zhì)模型1、環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念2023/7/3191）環(huán)境水力學(xué)及其研究內(nèi)容研究內(nèi)容1、環(huán)2023/9/12102）環(huán)境水力學(xué)的任務(wù)研究環(huán)境污染問題，人們最關(guān)心的是污染物濃度在空間的分布規(guī)律。一般來說，污染危害程度取決于污染物的濃度。（有時也要考慮它的總量問題）環(huán)境水力學(xué)的主要任務(wù)，就是要研究污染物排入水體以后，由于擴(kuò)散、輸移所造成的污染物濃度隨空間和時間的變化關(guān)系。1、環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念2023/7/31102）環(huán)境水力學(xué)的任務(wù)研究環(huán)境污染問題，2023/9/12113）環(huán)境水力學(xué)的應(yīng)用污染物濃度在水體中的分布狀況，是進(jìn)行水質(zhì)評價的基本依據(jù)。水作為資源，具有“量”和“質(zhì)”這兩個屬性。過去一個時期，人們在研究水資源的開發(fā)利用時，僅著眼于對水的量作出預(yù)報和規(guī)劃。環(huán)境水力學(xué)的成果廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評價、水質(zhì)預(yù)報、水質(zhì)規(guī)劃與管理以及水資源保護(hù)等方面。2023/7/31113）環(huán)境水力學(xué)的應(yīng)用污染物濃度在水體中2023/9/12123）環(huán)境水力學(xué)的應(yīng)用在環(huán)境工程中，如選擇排污口的位置、設(shè)計排污建筑物的型式等，都要應(yīng)用環(huán)境水力學(xué)的有關(guān)理論。在水環(huán)境整治中，有關(guān)工程的規(guī)劃、設(shè)計，都必須熟悉和應(yīng)用環(huán)境水力學(xué)的知識。1、環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念圖1排放口示意圖

Fig.1Schematicdiagramoftheoutfall2023/7/31123）環(huán)境水力學(xué)的應(yīng)用在環(huán)境工程中，如選2023/9/12134）學(xué)習(xí)本課程目的了解污染物在河流中混合輸移規(guī)律掌握基本原理和實(shí)用的估算方法為后繼課程和今后工作打下堅實(shí)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)要求：上課要主動參與、發(fā)現(xiàn)、探究將上課時的多媒體教案從教師手中轉(zhuǎn)化為自己的認(rèn)知工具，主動參與、發(fā)現(xiàn)、探究。獨(dú)立完成作業(yè)同學(xué)之間相互交流，一起討論，但一定要獨(dú)立完成作業(yè)。2023/7/31134）學(xué)習(xí)本課程目的了解污染物在河流中混2023/9/12142、污染物在水環(huán)境中發(fā)生的過程水環(huán)境是指一切影響水的貯存、循環(huán)、分布以及其化學(xué)和物理特性的各種自然因素的總體。它是一個與水、水生生物和污染等有關(guān)的綜合體。2023/7/31142、污染物在水環(huán)境中發(fā)生的過程水環(huán)境是2023/9/12152、污染物在水環(huán)境中發(fā)生的過程污染源轉(zhuǎn)化稀釋擴(kuò)散遷移傳遞分子擴(kuò)散紊動擴(kuò)散剪切離散吸收與解吸凝聚與分散沉降與再懸浮化學(xué)轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化物理轉(zhuǎn)化2023/7/31152、污染物在水環(huán)境中發(fā)生的過程污染源轉(zhuǎn)2023/9/1216對上述過程分析可知：環(huán)境水力學(xué)是研究污染物進(jìn)入環(huán)境水體后的稀釋擴(kuò)散規(guī)律的，屬于物理過程。污染物在水環(huán)境中的動力學(xué)過程，其能量來源有動能、化學(xué)能和生物能，但歸根結(jié)底來自于太陽能。2023/7/3116對上述過程分析可知：環(huán)境水力學(xué)是研究污2023/9/1217動力學(xué)過程水體流動所產(chǎn)生的動能是污染物在水體中稀釋擴(kuò)散過程的主要動力。有機(jī)污染物在水環(huán)境中轉(zhuǎn)化的動力則主要源自化學(xué)能和生物能。

因此，污染物在水環(huán)境中所發(fā)生的動力學(xué)過程就是各種不同形式能量傳遞和轉(zhuǎn)化的過程。

2023/7/3117動力學(xué)過程水體流動所產(chǎn)生的動能是污染物2023/9/12183、污染源的分類主要從環(huán)境水力學(xué)的角度進(jìn)行分類。2023/7/31183、污染源的分類主要從環(huán)境水力學(xué)的角度2023/9/12193、污染源的分類1）從源進(jìn)入水環(huán)境的時間過程來分瞬時源污染物在很短時間內(nèi)泄入水體時間連續(xù)源污染物持續(xù)泄入水體

2023/7/31193、污染源的分類1）從源進(jìn)入水環(huán)境的時2023/9/12203、污染源的分類2）從源進(jìn)入水環(huán)境的空間關(guān)系來分點(diǎn)源

源占有的空間尺度相對很小，作為點(diǎn)考慮不影響計算精度。線源

源在空間上占有一定長度。面源

源均勻分布在平面上。體源

實(shí)際污染源占有一定的空間體積。2023/7/31203、污染源的分類2）從源進(jìn)入水環(huán)境的空2023/9/12213、污染源的分類3）以污染物進(jìn)入水體的運(yùn)動性狀來分射流

污水相對于環(huán)境水體具有附加動量羽流

污水密度小于環(huán)境水體的密度，因而具有浮力。浮射流

污水同時具有動量和浮力。隨流

沒有附加動量和浮力，污染物進(jìn)入水環(huán)境后就隨同水流一起作遷移運(yùn)動。2023/7/31213、污染源的分類3）以污染物進(jìn)入水體的2023/9/12224、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展我國從50年代起，就已對火電廠的冷卻水問題、河口的鹽水入侵問題和地下水的溶質(zhì)運(yùn)移問題等進(jìn)行了研究。

70年代之后，隨著水環(huán)境問題研究的深入和相關(guān)學(xué)科及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境水力學(xué)已逐步成為水力學(xué)的一個重要學(xué)科分支。2023/7/31224、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展我國從50年2023/9/12234、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展1、環(huán)境水力學(xué)中已展開深入研究的領(lǐng)域?qū)o止和動水環(huán)境中射流的一些基本原理、基本規(guī)律研究對管道及明渠中異質(zhì)混合的理論研究對一些特殊的水體環(huán)境，如河口、海灣（有密度分層、潮汐作用等）、湖泊、水庫（有溫度分層等）中污染物質(zhì)輸移擴(kuò)散的基本原理的研究對平原河網(wǎng)水污染控制模型的研究對水環(huán)境中石油污染、有機(jī)污染、重金屬遷移轉(zhuǎn)化等的數(shù)學(xué)模型研究地下水中的溶質(zhì)運(yùn)移模型研究等2023/7/31234、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展1、環(huán)境水力學(xué)中2023/9/12244、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展2、近年來環(huán)境水力學(xué)研究的主要進(jìn)展(1)遠(yuǎn)區(qū)紊動擴(kuò)散與離散的研究從對規(guī)則邊界中的恒定流動向復(fù)雜流動和非恒定流動發(fā)展。如天然河流、山區(qū)河流、分汊河段、交匯河段、潮汐河段、尾流、分層流等。(2)與污染近區(qū)有關(guān)的射流理論由規(guī)則邊界中靜止環(huán)境內(nèi)的平面與單孔射流向復(fù)雜流動中的復(fù)雜射流發(fā)展。如橫流、分層流、淺水域射流，潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋動射流等。

2023/7/31244、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展2、近年來環(huán)境水2023/9/12254、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展射流理論在水污染問題中的一個重要應(yīng)用是分析計算排污混合區(qū)。

美國環(huán)境保護(hù)局推薦的模型

1985年美國環(huán)境保護(hù)局推薦了5個污水排海稀釋度計算模型（UPLUME，UOUT－PLM，UMERGE，UDKHDEN和ULINE）

1992年推出了RSB和UM兩個計算模型

1995年將RSB和UM兩個模型并入含有遠(yuǎn)區(qū)稀釋度計算的PLUMES軟件，從而使PLUMES模型能進(jìn)行近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的稀釋計算。

1993年美國康乃爾大學(xué)Jirka等建立了一個基于長度尺度的CORMIX模型，它實(shí)際上是一個含有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的專家系統(tǒng)，適用于對可能的初始混合情況進(jìn)行篩選。

自20世紀(jì)80年代后期以來，我國污水排江排海工程有了很大的發(fā)展，在總結(jié)國內(nèi)外污染混合區(qū)計算的基礎(chǔ)上，我國學(xué)者編著了《排污混合區(qū)分析計算指南》、《污水排海工程導(dǎo)論》等。2023/7/31254、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展射流理論在水污染2023/9/12264、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展(3)使時均流場與物質(zhì)濃度場控制方程封閉的紊流模型由簡單模型向精細(xì)模型發(fā)展，如k-ε雙方程紊流模型，雷諾應(yīng)力傳輸方程模型及大渦模擬等。

20世紀(jì)90年代以來，基于多種紊流模型的計算軟件已走向商業(yè)化，例如FLUENT，Star-CD，Phoenix及CFX等軟件。2023/7/31264、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展(3)使時均流場2023/9/12274、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展(4)水流－水質(zhì)計算模型由零維、一維穩(wěn)態(tài)模型向二維、三維動態(tài)模型發(fā)展；

被模擬的狀態(tài)變量不斷增多，由開始的幾個增加到二三十個，模擬的變量由非生命物質(zhì)如“三氧”（溶解氧、生化需氧及化學(xué)需氧）、“三氮”（氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮）等等向細(xì)菌、藻類、浮游動物、底棲動物等水生生物發(fā)展；2023/7/31274、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展(4)水流－水質(zhì)2023/9/12284、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展目前國內(nèi)外常用的河流－水質(zhì)模型：美國環(huán)境保護(hù)局研制的QUAL2，WASP5及BASINS美國陸軍工程兵團(tuán)研制的CE-QUAL-RI，CE-QUAL-RIV1，CE-QUAL-W2及WQRRS美國地質(zhì)調(diào)查局研制的GENSCN和MMS丹麥水力研究所研制的MIKE11，MIKE21，MIDE3及MIKESHE等。2023/7/31284、環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展目前國內(nèi)外常用的2023/9/1229小結(jié)：遠(yuǎn)區(qū)紊動擴(kuò)散的研究從規(guī)則邊界條件下恒定流動向復(fù)雜流動和非恒定流動發(fā)展。與污染近區(qū)有關(guān)的，由規(guī)則邊界靜止環(huán)境內(nèi)的平面與單孔射流向復(fù)雜流動中的射流發(fā)展。紊流模型由簡單模型向精細(xì)模型發(fā)展。水流－水質(zhì)計算模型由零維、一維穩(wěn)態(tài)模型向二維、三維動態(tài)模型發(fā)展。數(shù)字圖像處理技術(shù)在環(huán)境水力學(xué)試驗(yàn)中的應(yīng)用。2023/7/3129小結(jié)：遠(yuǎn)區(qū)紊動擴(kuò)散的研究從規(guī)則邊界條件2023/9/1230環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展趨勢

1）研究對象由無生命組分向有生命組分，環(huán)境水力學(xué)向生態(tài)水力學(xué)發(fā)展。20世紀(jì)60年代以前，環(huán)境水力學(xué)僅限于研究水域中非生命物質(zhì)的擴(kuò)散、輸移與轉(zhuǎn)化規(guī)律，70年代以來，隨著水體富營養(yǎng)化等生態(tài)問題的突出，其研究對象擴(kuò)展到藻類、浮游動物、魚類、底棲動物等水生生物。水流條件、邊界條件、非生物組分與生物組分間的相互作用以及水生物組分間的食物鏈關(guān)系成為環(huán)境水力學(xué)研究的重要內(nèi)容，污染動力學(xué)與生物生長動力學(xué)結(jié)合使環(huán)境水力學(xué)向著生態(tài)水力學(xué)發(fā)展。

2023/7/3130環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展趨勢1）研究對象由無2023/9/1231環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展趨勢2）與“3S”（地理信息系統(tǒng)GIS、遙感系統(tǒng)RS、全球定位系統(tǒng)GPS）結(jié)合，水流—水質(zhì)模型的研究范圍由單一的局部水域向流域級的綜合水域發(fā)展。近期發(fā)展的一些模型（如BASINS，MIKESHE，GENSCN，MMS等）可適用于包括支流、干流、閘壩等工程形成的湖泊水庫，具有非恒定流動特性的感潮河段與河口等的流域性水域。模型計算還要求有大量的地形、水文、水質(zhì)、點(diǎn)污染源和面污染源等實(shí)際資料，并能快速進(jìn)行處理，這就促使這些計算模型與“3S”結(jié)合。2023/7/3131環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展趨勢2）與“3S”（地2023/9/1232主要參考書目環(huán)境水力學(xué)張書農(nóng)河海大學(xué)環(huán)水所（1984）環(huán)境水力學(xué)趙文謙成都科技大學(xué)出版社環(huán)境水力學(xué)徐孝平水利電力出版社污水排放工程水力學(xué)科學(xué)出版社（2001）河流水質(zhì)模型中國環(huán)境科學(xué)出版社（1993）6.余常昭等.水環(huán)境中污染物擴(kuò)散輸移原理與水質(zhì)模型.中國環(huán)境科學(xué)出版社，1989.7.李煒.環(huán)境水力學(xué)進(jìn)展.武漢水利電力大學(xué)出版社,1999.8.VijayP.SinghandWilliH.Hager.EnvironmentalHydraulics.KluwerAcademicPublishers,1996.2023/7/3132主要參考書目環(huán)境水力學(xué)張書農(nóng)河海2023/9/1233第二節(jié)幾個概念和研究方法1、三種假定1）中和性物質(zhì)2）保守物質(zhì)3）不可壓縮性2、幾個概念3、環(huán)境水力學(xué)的研究方法2023/7/3133第二節(jié)幾個概念和研究方法1、三種假定2023/9/12341、三種假定1）中和性物質(zhì)污染物密度、粘滯性與水十分接近，能與環(huán)境水體混合的擴(kuò)散物質(zhì)。這種污染物的存在不會引起流場特性的改變。2023/7/31341、三種假定1）中和性物質(zhì)2023/9/12351、三種假定2）保守物質(zhì)

ConservativeSubstances指擴(kuò)散過程中污染物本身既不增生，也不衰減。環(huán)境水力學(xué)中又稱為示蹤物質(zhì)（Tracer），即不考慮化學(xué)和生化因素而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化和降解作用，有關(guān)化學(xué)和生化降解問題是水質(zhì)動力學(xué)研究的重點(diǎn)。非保守物質(zhì)

NonconservativeSubstances2023/7/31351、三種假定2）保守物質(zhì)Conse2023/9/12361、三種假定3）不可壓縮性

指帶有污染物質(zhì)的流體質(zhì)點(diǎn)總體積在擴(kuò)散過程中保持不變。2023/7/31361、三種假定3）不可壓縮性指帶有污2023/9/12372、幾個概念濃度濃度場稀釋度2023/7/31372、幾個概念濃度2023/9/1238濃度（Concentration)定義

：

單位體積的水中含有的污染物質(zhì)量(干物質(zhì)質(zhì)量)。單位：mg/L式中：ΔM是微小體積ΔV內(nèi)的污染物質(zhì)量；ΔV1是一個尺寸充分小但包含足夠多分子的特征體積。2023/7/3138濃度（Concentration)定義2023/9/1239濃度場水環(huán)境中，某時刻污染物在水體中的分布可能是均勻的，也可能是不均勻的；這一時刻污染物在水體中的分布和另一時刻污染物在水體中的分布可以相同，也可以不同。即存在一個濃度的時間－空間分布，稱為濃度場。

C＝C(x,y,z，t)2023/7/3139濃度場水環(huán)境中，某時刻污染物在水體中的2023/9/1240基本概念環(huán)境水力學(xué)的核心，是尋求水環(huán)境中污染物混合稀釋過程的濃度時空分布規(guī)律。這里有兩個與濃度相關(guān)的概念：時間平均濃度：空間平均濃度：式中：T為時段長；t0為討論時段的起始時刻；

V為污水體積；x0,y0,z0為空間V的中心坐標(biāo)。2023/7/3140基本概念環(huán)境水力學(xué)的