环境水力学ch1
环境水力学ch2-3
另一种情况
O
L
如果在两岸距离为L 的水域，某一岸边有初始 有限分布，源宽h。在两岸反射情况下，其浓度 分布是：
c(x,t) c0 2
n
{ erf[
h 2nL x 4D t
] erf[
h 2nL x 4D t
]}
式中：c0是源的浓度。
2013年5月13日9时57分 环境水力学 27
]
式中：cs为营养物质的饱和浓度；y坐标是从营 养层底缘算起以向下为正，公式(2-21)只适用于y≥0 的情况。
2013年5月13日9时57分
环境水力学
30
环 境 水 力 学
谢谢大家 ！
2013年5月13日9时57分
环境水力学
31
环 境 水 力 学
在静止水体中，有一污染源，瞬时释放出
扩散质。与源相距L处，有一岸边界，求
存在边界完全反射时浓度分布状况。
岸边界பைடு நூலகம்
－Ｌ
2013年5月13日9时57分
环境水力学
O
13
分析
环 境 水 力 学
在x=-L处有一阻止物质扩散的壁存在， 而且是完全反射壁(线性边界条件)。由 Fick第一定律，该条件可表示为当x=-L 时，有
有限分布（一维、二维、三维扩散）
环境水力学 4
2013年5月13日9时57分
例如： 环 境 水 力 学
事故性突然排放可以看成瞬时源；装 载毒物的船只在大海中失事可看作点 源。 开闸泄水可看成是延伸源扩散。
2013年5月13日9时57分
环境水力学
5
应当注意
环 境 水 力 学
环境水力学
环境水力学1.环境水力学的主要研究污染物在水体中的扩散、输移规律及其在各种水环境问题中的应用。
2.水域的污染物质：1示踪质：是一种理想物质，它在水中扩散移动时，⑴不与水体发生生化或化学反应；⑵它的存在不会改变流场的力学性质。
2保守物质和非保守物质：⑴保守物质不会与环境水体发生生化、化学反应，不会在水体中发生生化降解，即这类物质的数量不会因在水体中扩散输移而发生改变。
⑵非保守物质能与环境水体发生生化、化学反应或生物降解，其总量随时间和空间变化。
3动力惰性物质和动力活性物质：⑴动力惰性物质：不会改变环境水体的密度及流场的力学性质，这类物质的密度通常与环境水体相同或相近。
⑵动力活性物质：能改变水体环境的密度，进而改变流场的力学性质。
3.反应水体受污染的指标：浓度、相对浓度（无量纲浓度）和稀释度。
4.浓度C表示单位体积水中所含污染物的质量。
5.相对浓度P（无量纲浓度）表示样品中污水体积所占的比例。
P=样品中污水的体积/样品总体积。
当P=1时表示样品全为污染物，当P=0时表示样品为净水。
6.稀释度S=样品总体积/样品中污水的体积。
当S=1 时表示样品全为污染物，当S趋近于无穷时表示样品为净水。
7.分子扩散是指物质分子由高浓度向低浓度的运动过程（即存在浓度梯度是分子扩散的必要条件）。
8.菲克第一定律：单位时间通过单位面积的溶质通量q与该面积上的溶质浓度梯度?c/?x成正比。
9.随流扩散方程与分子扩散方程相比，相同点：两者都是质量守恒定律在扩散问题上的体现；不同点：多了一些随流项。
10.紊流扩散与分子扩散的不同点：分子扩散符合马尔科夫过程，紊流质点连续而分子扩散不连续。
11.随流作用：由于时均流速的存在使污染物质发生输移，这时的流速作用称为随流作用。
12.由时均流速引起污染物质发生的输移称为随流扩散，由脉动流速引起污染物发生的输移则称为紊动扩散。
13.紊流可以分为两大类，即均匀各向同性紊流和剪切紊流。
14.分析紊动扩散的方法：欧拉法和拉格朗日法。
环境水力学
环境水力学1水库的污染指标：化学需氧量、总磷和五日生化需氧量。
2海域的污染指标：无机氮和活性磷酸盐。
3有哪些为特为河口区“避咸”，能举例。
4三种净化：物理净化：稀释、扩散、沉积化学净化：氧化分解、凝聚（悬浮物沉淀，淤泥吸附）生物净化：微生物的氧化分解相互关系：交织在一起。
5污染的定义：排入水体的污染物使该物质在水体中的含量超过了水体的本底含量和水体的自净能力。
6污染物的定义与分类：外来物质；对环境造成非预期的影响，或影响资源的质量外来物质进入水体、且造成了水质的破坏污染分类：❝Point source (点源)；Nonpoint source (线源，面源)❝瞬时源、持续源（恒定、非恒定）❝I类水体；II类水体水体？❝毒？有机？金属？放射性？细菌？热?•污染物分类：无毒有机物(降解消耗溶解氧水体富营养化)•无毒无机物(盐水入侵)•有毒有机物(农药/化工产品难分解在生物体累计)•有毒无机物(剧毒无机盐，氧化分解)•重金属(微量即有毒)•放射性物质(各种射线，危害显然)•细菌(动物排泄物)•热污染(热废水-破坏水生生物生态环境)7 浓度（描述水体污染程度的指标）定义为：在单位体积的水中含有的污染物质量常用单位（mg/l、ppm）8 S稀释度样品总体积与样品中所含污水体积之比、相对浓度：P=1/S，样品内的污水体积率9 分子扩散、随流输运、紊动扩散、剪切扩散的定义与区别。
10分子扩散：分子的布朗运动引起的物质迁移。
污染物由于分子扩散作用，在单位时间内按一定方向通过一定面积的污染物质量与该方向的浓度梯度成正比。
条件：物质有浓度梯度，从浓度高向浓度低的地方移动。
特点：分子扩散与温度和压力也有一定的关系；分子扩散不可逆意义：对于自然水体环境，分子扩散可以忽略，因为其量级远小于其他因素引起的物质迁移的量级。
但对其研究学习具有重要的启示意义！11随流输运：含有物质随水流质点的流动而产生的迁移。
12紊动扩散：水体在紊动状态时，随机紊动作用引起的物质扩散。
环境水力学的发展趋势和前景展望
环境水力学的发展趋势和前景展望环境水力学是一门新兴学科,其研究内容尚在探索与发展中。
广义地讲,环境水力学研究与环境有关的水力学问题,除水污染、水生态问题外还有许多其它方面的问题,如水土保持、河道冲淤、洪水破坏作用、冰凌水力学等等。
美国环境与水资源研究所环境水力学技术委员会提出“环境水力学特别着重于将物理因素(水动力学、泥沙输移和地形条件)、化学因素(保守与非保守物质的传输、反应动力学和水质)和生物因素(生态学)作为一个系统来进行研究”。
从与水污染有关的水力学问题来说,环境水力学主要研究地面及地下水域中物质的扩散、输移和转化规律,建立其分析计算方法,确定物质浓度的时空分布及其应用。
工农业生产及生活中的污水、废热，未经足够处理，就排入河流、湖泊、海洋及地下水等水域中，污染水体，恶化水质，日益严重地影响生态、环境。
污染物在水体中会因与水体混合，随水流输移而稀释；也会因化学、生物作用而降解。
因此，水体本身有一定的自净能力。
环境水力学研究的方法有现场观测、模型试验、理论分析、数值计算等。
由于因素复杂，环境水力学具有跨学科性质，除流体力学外，还涉及化学、生物学、生态学的许多边缘内容。
它既是现代水力学的新分支，又是水资源保护和环境工程的重要组成部分，将日益受到重视而有着广阔的发展前景。
环境水力学的发展20世纪70年代以来,随着水环境问题研究的深入和相关学科及应用技术的发展,环境水力学无论在深度和广度上都取得了很大的进展。
a.远区紊动扩散与离散的研究从对规则边界中的恒定流动向复杂流动和非恒定流动发展,如天然河流、山区河流、分汊河段、交汇河段、潮汐河段、尾流、分层流等。
b.与污染近区有关的射流理论由规则边界中静止环境内的平面与单孔射流向复杂流动中的复杂射流发展,如横流、分层流、浅水域射流,潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋动射流等。
射流理论在水污染问题中的一个重要应用是分析计算排污混合区。
1985年美国环境保护局推荐了5个污水排海稀释度计算模型(UPLUME,UOUT2PLM,UMERGE,UDKHDEN和ULINE),后经修改与完善,于1992年又推出了RSB和UM两个计算模型,1995年又将这两个模型并入含有远区稀释度计算的PLUMES软件,从而使PLUMES模型能进行近区和远区的稀释计算。
环境水力学（教案）
环境水力学（教案）第一章液体流动的基本概念和基本方程（4学时） 1.1基本概念：一．研究对象：①连续介质假定，使物理量为空间坐标和时间的函数。
②描述流体运动特性的物理量v ，p ，ρ，T ，C 。
基本特征参量。
③lagrange Method （拉格朗日） Euler Method （欧拉）④两种方法研究对象不同：流体质点空间点流体微团微团控制体流体系统控制体二.基本参量表示法：用两种方法表示的基本参量方法不同。
Lagrange 法：标量（p ，T ，C ） p=（a ，b ，c ，t ）质点迹线γ= γ（a ，b ，c ，t ）矢量(,,,)d a b c t dt t γγυυ?===?d a dtυ=Euler 法：(,,,)x y z t υυ=①x ，y ，z 变，()d a dt tυυυυ?==+②附体性dx udt = dy udt = dz udt =i j kx y z ui v j wk υ=++=++?所以i i i i j u u a u t u ??=+?? （张量形式）三.迹线和流线。
迹线：dx udt dy udt dz udt =??=??=?流线：0d υγ?=dx dy dz u v w== （恒定流时重合）四.质点导数。
液体质点的流动参数B 随时间的变化律的欧拉法表示。
也称为随体导数。
DB B Dt t υ?? ?=+ ? ? ? ???迁移变率当地变率算子恒定流：B 0t=?均匀流：()0B υ??=不可压：0D Dtρ= 五.任意度量中系统体积分的随体导数。
①0B d ττ=B 为0τ系统体内积分。
例：?ρ=0d m τρτ=0DmDt=（连续性方程积分形式）（一般将其变为欧拉法形式）ρυ=0()d M τρυτ=动量DMF Dt=∑（动量方程） 2()2e υ?ρ=+20()2e d E τυρτ+=DEW Dt=（外力所做功） e 为内能（随温度、压力变化的能量）单位质量流体所具有的内能，状态函数。
环境水力学
环境水力学环境水力学是一门多学科交叉学科，它集水文学、水质学、河流学、水土保持、河道工程和地理学等诸多学科为一体，综合研究人类活动影响下的河流、海洋、湖泊、水域、湿地等水环境的流体力学特性。
其中的水文学在环境水力学中起着核心的作用，河流水力学则是水文学的一个重要组成部分。
环境水力学研究的一个重要方面是河流的水文特征，比如水流的流出量、流速、深度形态特征以及水力结构参数，它也研究大陆水系的水文特征，比如河流源、分支、汇流等，大陆水系水库、湖泊、河岸水体和湿地联合形成的完整水文系统。
此外，环境水力学还涉及污染扩散、水土保持工程及其影响、水体生物学特性等，旨在更好的管理水系的全过程，减轻人类活动带来的环境污染和环境破坏，保障环境水资源的健康可持续利用。
环境水力学研究中，大量计算和数值模拟都很重要，这些模拟作为研究的重要工具和依据，其作用是建立比较准确的模型来表示水系中河道、湖泊、溪流和管渠、人类活动所造成的环境问题。
通过模型模拟，可以准确描述污染扩散的过程，从而为水环境的管理和保护提供依据。
环境水力学的关注点主要在水体流动环境，也就是水体内部的物质流动，以及水体外部的物质流入和流出。
比如：废水处理设备以及河流污染物的来源及分布状况，这种研究有助于提高环境水质，减少环境污染对生态系统的影响。
环境水力学的研究不仅对水环境的管理有重要的帮助，也为社会利益提供了可靠的服务。
比如把水力学计算与水资源利用进行结合，可以把水力学的理论应用到水利领域，促进水资源的可持续利用，为减少水资源浪费提供科学依据。
环境水力学是关注水环境管理过程中重要的一门多学科交叉学科，它研究和综合利用了水环境中的水文学、水质学、河流学、水土保持、排水工程等多学科知识，以把水资源管理科学、规范有效地运用，减少可能给社会带来的影响。
环境水力学教学设计
环境水力学教学设计前言环境水力学是土木工程和环境工程等相关专业的基础课程之一，它主要探讨与水有关的工程和环境问题，比如水的流动、淤积、沉降等。
如何将理论知识与实际应用相结合，是一个问题需要我们去思考。
本文主要探讨环境水力学的教学设计，从教学目标、教学内容、教学手段、教学评价等多个方面，为环境水力学的师生提供有益的指导。
教学目标•培养学生掌握环境水力学的基础理论和应用技能，能够有效地解决水文环境问题。
•培养学生了解水环境的整体概念，从而形成系统化思维模式。
•培养学生具有创新意识和实际应用能力，能够自主设计环境水利工程。
教学内容环境水力学的概述1.课程引入–环境水力学的定义和意义–学科前沿和发展趋势2.环境水力学的应用案例–河流治理工程–湖泊池塘治理工程–海岸带防护工程水动力学基础1.基本概念–液体的运动形式–流体的物理性质–流体与固体的相互作用2.流体运动的微分方程–连续性方程–动量方程–能量方程水文学基础1.基本概念–土地利用变化对水文循环的影响–降水量、蒸发量和径流量的测定2.降雨径流模型–均衡法–单峰过程模型–二峰过程模型河流和水库的水动力学问题1.水流的运动形式–河流水动力学概述–河流中的水流类型2.计算水流流速和水位–河流水位调控–水库控制流量3.河流冲刷和沉积分析–河道内锐化的机理–河床坡降的变化规律4.水库调度和泄洪–水库泄洪的原理–泄洪工程的设计和实施湖泊和海洋的水动力学问题1.湖泊、池塘和海洋的概述–湖泊和海洋的形成–湖泊和海洋的类型2.湖泊和海洋的水动力学–水热动力学概述–角动量平衡方程的应用3.湖泊和海洋的污染控制–污染物在水体中的传递和转化规律–污染控制的方法和技术教学手段为了让学生更好地理解环境水力学的概念和应用场景，我们可以通过以下教学手段去进行：1.实验教学–水流检测–水位测量–流速测量2.模拟仿真教学–建立河流、湖泊的数学模型，进行流场的计算和模拟3.讲解和讨论–课堂讲 explning–课后答疑教学评价1.考试为了检测学生掌握程度，我们可以设置期中和期末考试来检测学生的学习效果。
环境水力学是最近二三十年发展起来的一门新兴学科
环境水力学是最近二三十年发展起来的一门新兴学科，是在古老的水力学和崭新的环境科学的结合点上发展起来的一门交叉学科，其内容涉及水文学、水力学、水化学、水生物学、生态学、湖沼学、海洋学和沉积学等，着重于将物理因素(水动力学、泥砂输移和地形条件)、化学因素(保守与非保守物质的传输、反应动力学和水质)和生物因素(生态学)作为一个系统来进行研究。
正是由于这种学科之间的交叉，使得环境水力学的理论继承了许多传统内容，也不断地发展着自己的特有的理论基础，它涉及的内容有水力学、流体力学的基本理论:以及环境科学的一般理论。
从与水污染有关的水力学问题来说，环境水力学主要研究地表水及地下水域中物质的扩散、输移和转化规律，建立其分析计算方法，确定物质浓度的时空分布及其应用。
它还有属于本学科自身发展起来、不断充实的一些理论，如污染物在水体中的稀释、扩散、输移及自净规律，各种水体(湖泊、海洋与河流)中，各种排放条件下污染物的输移、运动规律等等。
环境水力学的研究对象主要包括污染物质在各种水体中的扩散和输移规律及其应用，它包括了天然环境中以及环境工程设施中水力学问题。
按动力特征区分，可将水域流动分为河道径流型、湖泊水库环流型，和河口海湾感潮型三种主要类型。
近年来，人们对污染物在各类典型河道中的输移扩散进行了大量的实验研究.要对河流、河口地区的水环境进行系统研究，必须弄清其动力因素，环境水动力学模型就是解决这类问题的有效手段。
水工模型试验在河流动力学、污染物对流、扩散机理研究中起着重要作用，但由于相似性问题、量测技术等技术性瓶颈使得物理模型的应用受到很大的限制。
随着数学模型和计算机硬件技术的快速发展，河流水动力学和物质输运过程的模拟己经成为现实。
因此有必要对河流、河口和海湾地区建立水动力数学模型，以便对宽浅型河流、河口进行长河段平面二维模拟，窄深型河流、水库进行立面二维模拟，对工程附近流动、强弯河流进行三维模拟，弄清水动力因素。
然后建立相应的水质模型，通过计算河流、河口中污染物的迁移过程，给出在各种排放形式和排放量情况下，各种污染物的浓度分布，给决策部门的水环境规划提供技术支持。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2020/1/30
2
第一节 环境水力学的任务和研究内容
2020/1/30
3
产生背景
工农业发展使水体遭受严重污染，人类 社会的进一步发展受到制约。
水环境保护和水资源的可持续利用已成 为当今世界面临的主要任务之一。
各种水环境问题的解决需要统筹考虑水量和 水质，而由于流体运动所导致的污染物质的 扩散、随流输移问题是基础。
– 环境水力学的 主要任务，就是要研究污染物排 入水体以后，由于扩散、输移所造成的污染物 浓度随 空间和时间的变化关系。
2020/1/30
10
3）环境水力学的应用
? 污染物浓度在水体中的分布状况，是进行水质评 价的基本依据。
– 水作为资源，具有“量”和“质”这两个属性。过去 一个时期，人们在研究水资源的开发利用时，仅着眼 于对水的量作出预报和规划。
环境水力学 Environmental Hydraulics
环境工程教研室 郑天柱
2020/1/30
Tel:7979480
E_mail: tzhzheng@
1
第一章 绪 论
第一节 环境水力学的任务和研究内容 1、环境水力学有关概念 2、污染物在水环境中发生的过程 3、从环境水力学的角度 ,对污染源进行分类 4、环境水力学的研究进展
污染源
稀释扩散 分紊剪 子动切 扩扩离 散散散
2020/1/30
迁移传递
吸凝 沉 收聚 降 与与 与 解分 再 吸散 悬
浮
转化 化 生物 学 物理 转 转转 化 化化
15
对上述过程分析可知：
? 环境水力学是研究污染物进入环境水体后的稀 释扩散规律的，属于 物理过程 。
? 污染物在水环境中的动力学过程，其能量来源 有动能、化学能和生物能，但归根结底来自于 太阳能。
2020/1/30
图1 排放口示意图
Fig.1 Schematic diagram of the 12
outfall
4）学习本课程目的
? 了解污染物在河流中混合输移规律 ? 掌握基本原理和实用的估算方法 ? 为后继课程和今后工作打下坚实基础
?学习要求：
–上课要主动参与、发现、探究
?将上课时的多媒体教案从教师手中转化为自己的认知工具 ， 主动参与、发现、探究。
1.水流紊流混合的基本理论 2.河流中污染物的混合与输移规律 3.潮汐河口及沿海岸地带污染物的混合与输移规律 4.湖泊及水库中污染物的混合与输移规律 5.河流水质模型
2020/1/30
9
1、环境水力学有关概念
2）环境水力学的任务
? 研究环境污染问题，人们最关心的是污染 物浓度在空间的分布规律。
– 一般来说，污染危害程度取决于污染物的浓度 。（有时也要考虑它的总量问题）
2从源进入水环境的时间过程来分
i. 瞬时源 污染物在很短时间内泄入水体 ii.时间连续源 污染物持续泄入水体
2020/1/30
19
3、污染源的分类
2）从源进入水环境的空间关系来分
i. 点源 源占有的空间尺度 相对很小，作为点 考虑不影响计算精度。
ii. 线源 源在空间上占有一定长度。 iii. 面源 源均匀分布在平面上。 iv. 体源 实际污染源占有一定的空间体积。
2020/1/30
16
动力学过程
?水体流动所产生的 动能是污染物在水体中稀释扩 散过程的主要动力。 ?有机污染物在水环境中转化的动力则主要源自 化 学能和生物能 。
因此， 污染物在水环境中所发生的动力学过 程就是各种不同形式 能量传递和转化 的过程。
2020/1/30
17
3、污染源的分类
? 主要从环境水力学的角度进行分类。
? 环境水力学（污染水 力学） 则主要是研究 水体中所含物质 的运 动规律，如 浓度场。
2020/1/30
7
1）环境水力学及其研究内容
扩散、输移作用在排放口近区主要是射流运动 性质，在远区则属随流扩散性质。
2020/1/30
近区 远区
排污口
8
1、环境水力学有关概念
1）环境水力学及其研究内容
? 研究内容
2020/1/30
20
3、污染源的分类
3）以污染物进入水体的运动性状来分
i. 射流 污水相对于环境水体具有附加动量
ii. 羽流 污水密度小于环境水体的密度，因而 具有浮力。
iii.浮射流 污水同时具有动量和浮力。
iv. 随流 没有附加动量和浮力，污染物进入水
环境后就随同水流一起作迁移运动。
2020/1/30
2020/1/30
环境水力学应运而生 4
1、环境水力学有关概念
1）环境水力学及其研究内容 环境水力学 主要研究地表及地下水域中
物质的输移、扩散和转化规律 ，建立其 分析 计算方法 ，确定物质浓度的 时空分布及其应 用。
2020/1/30
5
1、环境水力学有关概念
1）环境水力学及其研究内容
? 广义地讲，环境水力学是研究与环境有关的水力 学问题。除 水污染问题 ，还有许多其它方面的问 题，如水土保持、河道冲淤、洪水破坏作用、水 生态问题等等。
21
4、环境水力学研究进展
?独立完成作业
?同学之间相互交流，一起讨论，但一定要独立完成作业。
2020/1/30
13
2、污染物在 水环境 中发生的过程
?水环境是指一切影响水的 贮存、循环、分布以及其化 学和物理特性的各种自然因 素的总体。
2020/1/30
它是一个与水、水 生生物和污染等有 关的综合体。
14
2、污染物在水环境中发生的过程
– 环境水力学的成果广泛应用于水质评价、水质预报、 水质规划与管理以及水资源保护等方面。
2020/1/30
11
1、环境水力学有关概念
3）环境水力学的应用
? 在环境工程中，如选择排污口的位置、设计排污建筑物 的型式等，都要应用环境水力学的有关理论。
? 在水环境整治中，有关工程的规划、设计，都必须熟悉 和应用环境水力学的知识。
? 美国环境水力学技术委员会提出“ 环境水力学 特 别着重于将 物理因素（水动力学、泥砂输移和地 形条件）、 化学因素（保守与非保守物质的传输 、反应动力学和水质）和 生物因素（生态学）作 为一个系统来进行研究”。
2020/1/30
6
1、环境水力学有关概念
1）环境水力学及其研究内容
? 传统水力学主要是研 究水流自身运动规律 ，如 流速场 。