環境水力學[水力學分支學科]

環境水力學，是研究污染物在水體中混合輸移的規律及其套用的學科,水力學的一個新分支。該學科以探求因混合、輸移而形成的污染物濃度隨空間和時間的變化關係，為水質評價與預報、水質規劃與管理、排污工程的規劃設計以及水資源保護的合理措施提供基本依據為目標。

基本信息

• 中文名稱：環境水力學
• 外文名：Environmental   hydraulics
• 研究對象：污染物
• 定義：研究污染物在水體中混合輸移的規律及其套用

• 類別：理工類

簡介

研究污染物在水體中混合輸移的規律及其套用的學科。水力學的一個新分支。工農業生產及生活中的污水、廢熱，未經足夠處理，就排入河流、湖泊、海洋及地下水等水域中，污染水體，惡化水質，日益嚴重地影響生態、環境。污染物在水體中會因與水體混合，隨水流輸移而稀釋；也會因化學、生物作用而降解。因此，水體本身有一定的自淨能力。環境水力學的主要目標是，探求因混合、輸移而形成的污染物濃度隨空間和時間的變化關係，為水質評價與預報、水質規劃與管理、排污工程的規劃設計以及水資源保護的合理措施提供基本依據。

產生背景

環境水力學

工農業生產及生活中的污水、廢熱，未經足夠處理，就排入河流、湖泊、海洋及地下水等水域中，污染水體，惡化水質，日益嚴重地影響生態、環境。污染物在水體中會因與水體混合，隨水流輸移而稀釋；也會因化學、生物作用而降解。因此，水體本身有一定的自淨能力。
污染物在水體中輸移的方式主要有：隨水流時均運動一道輸移的隨流，因溫度差或密度分層產生浮力作用而形成的對流,分子隨機運動所引起的分子擴散,紊流中因渦鏇脈動作用而形成的紊動擴散，斷面上流速分布不均勻而使斷面平均濃度沿流改變的剪下離散。通過以上方式,污染物與周圍水體不斷混合,其濃度不斷降低。合理地設計排污口，可以增加周圍水體對污水的稀釋。當出流流體的密度與周圍流體相等，出流主要由初始動量驅動，則為淹沒射流；若初始動量影響極小，出流主要由浮力驅動，則為羽流；一般情況下，浮力與動量均影響出流，則為浮射流。對污染物的不同情況會形成不同的濃度變化規律。首先是全溶於水且不發生化學與生物學作用的保守物質；其次考慮密度變化的影響，熱水和鹽水屬於這一類；而後再計入化學作用、生物學作用以及沖刷沉澱等物理作用對污染物混合、輸移與降解的影響。不同水域（河流、湖泊、水庫、河口、海洋、地下水）特別是其中出現溫度分層或密度分層水體時，所發生的混合，更有各自的特點，也分別在環境水力學中專門研究。

發展歷程

19世紀後半期至20世紀前半期，分子物理學與流體力學特別是紊流理論的發展，已經確立了分子擴散與紊動擴散的理論基礎。1921年G.I.泰勒對紊動擴散進行了統計分析。20世紀20～40年代L.F.理查森、H.傑弗里斯、G.H.科立根等研究了分層流中的紊動混合。50年代G.I.泰勒、J.W.埃爾德等相繼努力建立了剪下離散的理論。60～70年代H.B.費希爾等人對各種水域中的混合問題，廣泛地進行了理論分析、實驗研究和數值模擬。至70年代末，環境水力學發展為獨立的學科。

研究方法

根據水流情況、邊界條件和污染物質的不同，常採用分析計算、室內實驗和現場觀測等方法。分析計算，水流中物質濃度時空分布的分析計算常依據污染擴散、紊流擴散方程，該式是一個二階偏微分，當水流及邊界條件比較簡單時，可求其解析解，實際問題中這種情況比較少。水環境中流動情況和邊界條件經常是很複雜的，多數情況必須釆用數值計算求解。數值計算中有有限差分法、有限單元法和有限體積法，並已較普遍套用。對寬度和深度都比較小的河渠，一般採用一維水流一水質模型計算斷面平均的水流情況和濃度沿縱向的變化。對大江大河及水深較淺的湖泊、水庫及河口海灣，一般採用二維模型、計算垂向平均的水流情況及濃度在水平上的分布。對深水域中的排放近區，一般需採用三維模型計算空間各點的水流情況和濃度分布。由對深水域中的排放近區，一般需採用三維模型計算空間各點的水流情況和濃度分布。由於三維計算要求的初始及邊界條件比較高，且計算工作量較大，套用還比較少。對恆定流動中的穩定排放，一般釆用穩態模型。對非恆定流動（如感潮河段）中的排放和恆定流動中的不穩定排放（如發生污染事故），需採用動態模型計算污染物濃度隨時間的變化。

分類

環境水力學主要研究保守物質的擴散與輸移規律；對非保守物質則套用水質模型進行研究。保守物質是溶解於水且不改變水體流動特性的物質；非保守物質是在水流中除擴散、輸移外、同時有生物化學作用引起轉化作用的物質。

特點

由於水環境的類型不同，污染物混合輸移過程的特點也不同。在管道和較小的河渠中，由於垂向及橫向尺度較小，垂向及橫向混合很快完成，通常以污染物質的縱向離散作用為主要研究對象：在大江大河中，除縱向離散外，還必須研究橫向混合，污染帶的研究是十分重要的問題：對河口和港灣，要研究上游來流，潮流運動和風力的綜合作用：對水庫和湖泊，要研究水體密度的分層結構和水體垂向混合的作用：在地下水污染過程中，要研究多孔介質中的擴散和離散規律以及固體顆粒對物質的吸附和解吸作用：在空氣和水體交界面上，要研究物質的交換問題。