环境水力学

水力学分支学科

环境水力学，是研究污染物在水体中混合输移的规律及其应用的学科。水力学的一个新分支。环境水力学的主要目标是，探求因混合、输移而形成的污染物浓度随空间和时间的变化关系，为水质评价与预报、水质规划与管理、排污工程的规划设计以及水资源保护的合理措施提供基本依据。

产生背景

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。

污染物在水体中输移的方式主要有：随水流时均运动一道输移的随流，因温度差或密度分层产生浮力作用而形成的对流，分子随机运动所引起的分子扩散，紊流中因涡旋脉动作用而形成的紊动扩散，断面上流速分布不均匀而使断面平均浓度沿流改变的剪切离散。通过以上方式，污染物与周围水体不断混合，其浓度不断降低。合理地设计排污口，可以增加周围水体对污水的稀释。当出流流体的密度与周围流体相等，出流主要由初始动量驱动，则为淹没射流；若初始动量影响极小，出流主要由浮力驱动，则为羽流；一般情况下，浮力与动量均影响出流，则为浮射流。对污染物的不同情况会形成不同的浓度变化规律。首先是全溶于水且不发生化学与生物学作用的保守物质；其次考虑密度变化的影响，热水和盐水属于这一类；而后再计入化学作用、生物学作用以及冲刷沉淀等物理作用对污染物混合、输移与降解的影响。不同水域（河流、湖泊、水库、河口、海洋、地下水）特别是其中出现温度分层或密度分层水体时，所发生的混合，更有各自的特点，也分别在环境水力学中专门研究。

发展历史

19世纪后半期至20世纪前半期，分子物理学与流体力学特别是紊流理论的发展，已经确立了分子扩散与紊动扩散的理论基础。1921年G.I.泰勒对紊动扩散进行了统计分析。20世纪20～40年代L.F.理查森、H.杰弗里斯、G.H.科立根等研究了分层流中的紊动混合。50年代G.I.泰勒、J.W.埃尔德等相继努力建立了剪切离散的理论。60～70年代H.B.费希尔等人对各种水域中的混合问题，广泛地进行了理论分析、实验研究和数值模拟。至70年代末，环境水力学发展为独立的学科。

分类

环境水力学主要研究保守物质的扩散与输移规律；对非保守物质则应用水质模型进行研究。保守物质是溶解于水且不改变水体流动特性的物质；非保守物质是在水流中除扩散、输移外、同时有生物化学作用引起转化作用的物质。

研究内容

研究污染物质在水体中混合与输移的基本理论，包括水流紊动，扩散与离散、射流与浮射流，沉降与悬浮，吸附与解吸，凝聚与分散，溶解与蒸发，热扩散传导与水沙两相流，异重流等。污水流入受纳水体后，一般分为近区与远区，近区的研究同排污口设计及混合区范围有关；远区的研究主要是污染影响的程度和范围。对于近区，主要是射流卷吸掺混问题。当排泄的水体和受纳水体的密度不相等时，要同时考虑出流动量和浮力的作用，按浮射研究。对于远区，主要是扩散和离散问题。在静止水体及层流中扩散仅含分子扩散，在紊流中扩散主要是紊动扩散，分子扩散因远小于紊动扩散常被忽略。离散是因流速在空间分布不均匀而引起的物质分散。当用空间平均化的方法（采用一维、二维模型）来简化物质的扩散输移问题时，要考虑离散的作用。

特点

由于水环境的类型不同，污染物混合输移过程的特点也不同。在管道和较小的河渠中，由于垂向及横向尺度较小，垂向及横向混合很快完成，通常以污染物质的纵向离散作用为主要研究对象：在大江大河中，除纵向离散外，还必须研究横向混合，污染带的研究是十分重要的问题：对河口和港湾，要研究上游来流，潮流运动和风力的综合作用：对水库和湖泊，要研究水体密度的分层结构和水体垂向混合的作用：在地下水污染过程中，要研究多孔介质中的扩散和离散规律以及固体颗粒对物质的吸附和解吸作用：在空气和水体交界面上，要研究物质的交换问题。

研究方法

根据水流情况、边界条件和污染物质的不同，常采用分析计算、室内实验和现场观测等方法。分析计算，水流中物质浓度时空分布的分析计算常依据污染扩散、紊流扩散方程，该式是一个二阶偏微分，当水流及边界条件比较简单时，可求其解析解，实际问题中这种情况比较少。水环境中流动情况和边界条件经常是很复杂的，多数情况必须采用数值计算求解。数值计算中有有限差分法、有限单元法和有限体积法，并已较普遍应用。对宽度和深度都比较小的河渠，一般采用一维水流一水质模型计算断面平均的水流情况和浓度沿纵向的变化。对大江大河及水深较浅的湖泊、水库及河口海湾，一般采用二维模型、计算垂向平均的水流情况及浓度在水平上的分布。对深水域中的排放近区，一般需采用三维模型计算空间各点的水流情况和浓度分布。由对深水域中的排放近区，一般需采用三维模型计算空间各点的水流情况和浓度分布。由于三维计算要求的初始及边界条件比较高，且计算工作量较大，应用还比较少。对恒定流动中的稳定排放，一般采用稳态模型。对非恒定流动（如感潮河段）中的排放和恒定流动中的不稳定排放（如发生污染事故），需采用动态模型计算污染物浓度随时间的变化。

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