环境水力学(M3)
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。
环境水力学案例分析
1、 某河段河水的水温为15 ºC ，水力水质数据如下图，试计算距始端60，90km 处的BOD 、DO 浓度值。
Q 11L 11O 11解：此题不考虑弥散作用。
使用Streeter-Phelps 模型：)(211s O O K L K dxdO u LK dx dL u -+-=-=在上边界给定L(0)=0L ,O(0)=0O 的条件下，其解为：)()(//2101/0/02121ux K ux K ux K s s ux K eeK K L K eO O O O eL L ------+--==水温T 与s O 的关系是：s O ＝T+6.3146815度时s O =10.06 mg/L在第一个断面，有01L ＝,/8650.686400400004040*0600*864004000011111L mg Qq QL L q =++=++01O ＝,/9563.986400400004040*1*864004000011111L mg O Qq QO O q s =++=++x=60000m 时，L mg eL e L L ux K /58.332.0/60000*86400/3.001/01601===--O 60=L mg eeK K L K eO O O ux K ux K ux K s s /48.8)()(//21011/01212=--+-----在第二个断面，先发生混合，然后衰减。
L mg q Q q L q L Q q L /2889.4)(212260102=++++=L mg q Q q O q O Q q O /4696.8)(212260102=++++=在第二个断面，有 x=30000m 时，L mg eL eL L ux K /78.232.0/30000*86400/3.001/2901===--O 90=L mg eeK K L K eO O O ux K ux K ux K s s /42.8)()(//21021/02212=--+-----2、某船在河中出现事故性漏油，在很短的时间内有500公斤的柴油进入河中，已知该河段的流量为50m 3/s ，河段平均流速为30 km/d ，弥散系数为20 m 2/s ，求：（1） t ＝1000s 时，油浓度最大出现地点；（2） t ＝2000s 时，包含了95% 的柴油的河段长度； （3） 距出事地点800m 处最大浓度出现的时间。
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。
国家开放大学《环境水力学》形考作业1-9参考答案
国家开放大学《环境水力学》形考作业1-9参考答案形考任务1一、单选题（2个*15分=30分）1._______的含义是“以人类社会为主体的外部世界的总体”。
A. 环境B. 自然界C. 生态系统D. 无2.资源水利的核心是（）。
A. 水利工程设施的建设B. 水资源的优化配置C. 注重经济效益，轻视社会效益D. 工程的技术可行性二、多选题（2个*20分=40分）3.环境是指影响人类社会生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素总体，包括_____、______、_______和_______等。
A. 大气、水、海洋、土地B. 矿藏、森林、草原、野生动物C. 自然古迹、人文遗迹、自然保护区D. 风景名胜区、城市、乡村4.环境与社会经济可持续发展的关系是（）。
A. 环境与经济是对立统一的，既相互依存又相互制约。
B. 环境是发展经济的物质条件和基础，可以直接支持和促进经济发展。
C. 环境的承载力是有限的，因此环境又会在一定时期制约着经济发展的方向、规模和速度。
D. 经济增长战略和增长方式符合生态经济规律，经济发展就会有利于环境保护，可以为改善环境提供资金和技术支持；否则若以大量消耗资源、粗放经营为特征的传统发展模式盲目地进行掠夺式的开发建设，牺牲环境求发展，势必造成环境的污染与破坏。
三、判断题（3个*10分=30分）5.所谓“工程水利”，就是以水利工程设施的建设为核心，通过工程措施除水害、兴水利，以满足人们安居乐业的需要和实现社会经济的发展。
（√）6.所谓“资源水利”，就是把水资源与国民经济和社会发展紧密联系起来，进行综合开发，科学管理，实现水资源的可持续发展。
主要体现在水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护等六个方面。
（√）7.资源水利是工程水利的基础，工程水利是资源水利的发展与提高。
（×）形考任务2一、单选题（5个*8分=40分）1.化学指标是评价水质优劣的主要指标之一，下列哪一项不属于化学指标。
环境水力学习题
1、水体污染的定义是什么？（环境水力学第三章）水体污染的定义为：由于人类活动或天然过程而排入水体的污染物超过了其自净能力，从而引起水体的水质、生物质质量恶化，称为水体污染。
2、概括地说，水体污染可造成哪些危害？概括起来，水体污染可造成如下危害：（1）对人体健康的直接危害：主要表现在急（慢）性中毒、致癌、影响人体发育、破坏某些器官的功能。
这种危害一般涉及面大，潜伏期长，一旦发生后果很严重，甚至会影响下一代人。
（2）对工业的危害：由于污染引起水质恶化，使大量水不能满足工业用水的基本要求，从而造成工业设备的非正常损耗破坏（如锅炉腐蚀），导致产品质量降低或不合格。
对造成污染源的工矿企业来说，由于水污染造成的问题又严重制约其发展。
（3）对农业的危害：污水对土壤的性质有很大影响。
不经处理的污灌，往往会破坏土壤原有的结构、性能，使农作物直接或间接受到危害。
一方面表现在农作物生长不良，引起减产，另一方面一些有毒污染物潜伏隐藏在农作物的茎、叶、果实中，通过食物链富集危害人体，也可能引起地下水的污染。
（4）对渔业的危害：在淡水养殖业中，水体污染会造成水产品的绝收、减产、降质，而渔产品中污染物富集和湖、塘的富营养化问题，更是不能令人忽视。
（5）对社会生活的危害：由于水体污染经常引起社会矛盾、经济纠纷，从社会学角度看，这将影响社会生活的和谐和社会结构的安定，这种巨大损失很难用经济指标衡量。
3、水体的富营养化污染指什么？其危害是什么？水体富营养化指氮、磷等植物养料随工业废水和城市生活污水进入水体后，会使藻类等浮游生物迅速过量繁殖，水中溶解氧相应急剧减少，从而使水质恶化，造成水体富营养化。
其危害是：（1）使水质恶化，水体生态平衡被破坏水体的富营养化会使水质恶化，透明度降低，大量藻类生长，消耗大量溶解氧，使水底中的有机物处于腐化状态，并逐渐向上层扩展，严重时，可使部分水域成为腐化区。
这样，由一开始的水生植物大量增殖，到水生动植物大量死亡，破坏水体的生态平衡，最终导致并加速湖泊等水域的衰亡。
环境水力学(M3)
求极值
由 可得
dD dx xxc 0
xc
k2
u k1
ln[
k2 k1
(1
D0 C0
k2 k1 )] k1
S－P模型广泛应用于河流水质的模拟预测中。上述结 果可用于是u常数，且u很大，横向混合。
S－P模型的各种修正
• 非稳态模型 • Thamas修正 • Dobbins-Camp修正 • O’connor修正
103o 15 30 45 60 x
由于:
C10
m QuCu Qu Qe1
0.5 3106 15 0.5
Qe1=0.5m3/s Qe2=0.25m3/s 滩地
96770 MPN/100 ml
1
2
Qu=15m3/s
x
Cu=0
C20
Qu
m 2 Qe1 Qe2
0.25 3106 15 0.5 0.25
• 对于一维稳态河流的BOD—DO模型：通用性较强的是 多宾斯—坎普（Dobbins-Camp）模型，它全面地考虑 了河水中溶解的CBOD（或因地表径流引起CBOD的变 化）的迁移和反应，同时还考虑了与此相应的耗氧作用， 大气向河水的复氧作用、藻类的呼吸和光合作用等所引 起的溶解氧变化。
xl c2 (x) c20 exp[k1 V2 ], (x l)
c10
式中：c10
m 1 Q1
0
c20
c10
exp( k1
l V1
)
SD k1
(1
exp( k1
l V1
))
c20 浓度分布图
Q2 Q1
V2
Q2 A2
x
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。
- 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)。
xl c2 (x) c20 exp[k1 V2 ], (x l)
c10
式中：c10
m 1 Q1
0
c20
c10
exp( k1
l V1
)
SD k1
(1
exp( k1
l V1
))
c20 浓度分布图
Q2 Q1
V2
Q2 A2
x
Qe1=0.5m3/s
例题
1
Qu=15m3/s
Cu=0 V=0.25m/s
两污水处理厂出水总大肠杆菌浓度为3×106MPN/100ml， 要保证下游滩地总大肠杆菌不超过2000MPN/100ml，问污 水处理厂允许排放大肠杆菌浓度为多少？ lnc
解:
k1
V
ln( x2
c1
/ c2 x1
)
105
0.2586.4 ln( 35000 / 5000)
104
45 10
1.20 d1
即下游10km处BOD浓度为13.60mg/L
五、空间流量变化时分布源
基本扩散方程为：
Q dc A dx (v k1)c vcI SD 0
V 1 dQ A dx
式中:cI表示渗透入水体的浓度
Qu V Cu=0
sD为分布源排放量[M/L3T]
一般解为： c(x) [c0 I (x)]exp[(x)]
CR=300mg/L
解:
QR＝0.1m3/s
V Qu 1 0.056m/s A 18
Qu=1 V Cu=0
SD
QeCe LA
0.1 300 1000 18
1.667 103(g/m 3 s)
1km
c(x)
SD k1
[1
exp( k1
x V
)]
0<x<l
c(x)
c0
exp[ k1
x l ], V
Qe1
Ce1 1
1
l
Q1 Qu Qe1
V1
Q1 A1
Qe2 Ce2
2
2
Q2 Q1 Qe2
V2
Q2 A2
解得:
c1
(x)
c10
exp[
k1
x V1
],当0
x
l时
c2
(x)
c20
exp[ k1
x V2
l
],当x
l时
c10
式中：
c10
m 1 Q1
c20
m 2 Q2
Q1 Q2
c10
exp(
k1
l V1
103o 15 30 45 60 x
由于:
C10
m QuCu Qu Qe1
0.5 3106 15 0.5
Qe1=0.5m3/s Qe2=0.25m3/s 滩地
96770 MPN/100 ml
1
2
Qu=15m3/s
x
Cu=0
C20
Qu
m 2 Qe1 Qe2
0.25 3106 15 0.5 0.25
21.6
21.6
62047.0 40292.5
102339.5MPN/100 ml
排放量应削减 102339.5 2000 100% 98.1%
102339.5
允许排放浓度 3106 (1 0.981) 57000 MPN/100 ml
例题
合流雨水溢流管以0.1m3/s流量，BOD浓度300mg/L，均匀排入1km 长的河段，设上游来水流量1m3/s，BOD浓度为0，河流中BOD降解 速率为0.4d-1,试求下游10km处BOD浓度。（截面面积18m2)
1 某河段设有两个污水处理厂排水口，监测
5km
Qe2=0.25m3/s 滩地 2 x
2 3km
下游大肠杆菌资料如下：
Q1 Qu Qe1
Q2 Q1 Qe2
x(km)
12.5 26.0 38.6 51.6
c(MPN/100ml) 46500 16800 9000 3000
V1
Q1 A1
V2
Q2 A2
)
c20
0 浓度分布图
x
2、点源和分布源相叠加
Qu V
扩散方程简化为：
V
dc dx
k1c
Cu=0
SD
c(0) c10
c(l) c20
解得:
c1 ( x)
c10
exp[ k1
x V1
]
SD k1
(1
exp( k1
x V1
))
Qe1
Ce1
1
2
1
l
2
Q1 Qu Qe1
V1
Q1 A1
(0 x l)
当
k1t* 3
时， c 0.95 SD k1
当
k1t* 4.6
时， c 0.99 SD k1
V
o
m (g/m.s)
x
外部源输入
m SD A
A BH
c
SD k1
x
o
t*
四、多个源输入叠加
1、两点源叠加（忽略分散作用）
扩散方程简化为：
V
dc dx
k1c
c(0) c10
c(l) c20
Qu V Cu=0
边界条件： c(0) 0
式中，SD为连续输入分布源(g/m3.s)
H
V
o
m (g/m.s)
x
外部源输入
m SD A
A BH
o
x
V
S B (g/m2.s)
内部源输入
SD
SB H
上述方程的解为：
B
c(x)
SD k1
[1
exp( k1
x V
)]
SD k1
[1
exp( k1t * )]
式中：t*为行进时间。
环境水力学
郑天柱
扬州大学 环境科学与工程学院
第 2 节 河道远区浓度场的计算方法
一、瞬时点源远区动态解 二、连续点源远区稳态解 三、连续分布源远区稳态解 四、多个源输入的叠加 五、空间流量变化时的连续分布源远区稳态解
三、连续分布源远区稳态解
1、不考虑分散作用
• 一维随流方程
B
V
dc dx
k1c
SD
其中： (x) k1 vdx
xv
I (x) x vcI sD exp((x))dx 0v
渗透水 q SD
五、空间流量变化时分布源扩散解
c
1、线性输入
c0
当断面A处的流量为线性变化
时，Q＝Q0＋qx ,则 V Q0 qx
A
cI 0
v q A
(x) k1 q / Adx
xv
当k1=0时，
(x)
ln
Q0 Q0
qx
m c(x)
Q0 qx
k1=0 c c0
k1≠0
1 Ak1
当k1≠0时，
(
x)
ln
Q0 Q0
(x
l)
CR=300mg/L
QR＝0.1m3/s
c(x)
SD k1
[1
exp( k1
x V
)]
Qu=1 V Cu=0
1km
c0
SD k1
[1
exp( k1
l V
)]
28.80mg/L
c(x)
c0
exp[ k1
x V
l
]
C(10) 28.80 exp[ 0.4 (10 1) 1000] 13.60mg/L 86400 0.056
47600 MPN/100 ml
V=0.25m/s
1
5km
Q1 Qu Qe1
2 3km
Q2 Q1 Qe2
V 0.2586.4 21.6km/d
V1
Q1 A1
V2
Q2 A2
当x>5时:
c(x)
c10
exp( k1
x V
)
c20
exp( k1
x V
5)
在x=8km处, c(8) 96770 exp(1.2 8 ) 47600 exp(1.2 8 5)