环境水力学ch1

2020 2 8 1 环境水力学EnvironmentalHydraulics 环境工程教研室郑天柱 Tel 7979480E mail tzhzheng 2020 2 8 2 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第二节几个概念和研究方法1 几种假定2 有关概念3 环境水力学主要研究方法 2020 2 8 3 第一节环境水力学的任务和研究内容 2020 2 8 4 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 环境水力学应运而生 2020 2 8 5 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 2 8 6 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 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 1 环境水力学有关概念 2020 2 8 7 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 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 1 环境水力学有关概念 2020 2 8 8 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 2 8 9 1 环境水力学及其研究内容 研究内容水流紊流混合的基本理论河流中污染物的混合与输移规律潮汐河口及沿海岸地带污染物的混合与输移规律湖泊及水库中污染物的混合与输移规律河流水质模型 1 环境水力学有关概念 2020 2 8 10 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 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 1 环境水力学有关概念 2020 2 8 11 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 2 8 12 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 1 环境水力学有关概念 图1排放口示意图Fig 1Schematicdiagramoftheoutfall 2020 2 8 13 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 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 2 8 14 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 它是一个与水 水生生物和污染等有关的综合体 2020 2 8 15 2 污染物在水环境中发生的过程 污染源 转化 稀释扩散 迁移传递 分子扩散 紊动扩散 剪切离散 吸收与解吸 凝聚与分散 沉降与再悬浮 化学转化 生物转化 物理转化 2020 2 8 16 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 2 8 17 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 2 8 18 3 污染源的分类 主要从环境水力学的角度进行分类 2020 2 8 19 3 污染源的分类 1 从源进入水环境的时间过程来分瞬时源污染物在很短时间内泄入水体时间连续源污染物持续泄入水体 2020 2 8 20 3 污染源的分类 2 从源进入水环境的空间关系来分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 线源源在空间上占有一定长度 面源源均匀分布在平面上 体源实际污染源占有一定的空间体积 2020 2 8 21 3 污染源的分类 3 以污染物进入水体的运动性状来分射流污水相对于环境水体具有附加动量羽流污水密度小于环境水体的密度 因而具有浮力 浮射流污水同时具有动量和浮力 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 2 8 22 4 环境水力学研究进展 我国从50年代起 就已对火电厂的冷却水问题 河口的盐水入侵问题和地下水的溶质运移问题等进行了研究 70年代之后 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 环境水力学已逐步成为水力学的一个重要学科分支 2020 2 8 23 4 环境水力学研究进展 1 环境水力学中已展开深入研究的领域对静止和动水环境中射流的一些基本原理 基本规律研究对管道及明渠中异质混合的理论研究对一些特殊的水体环境 如河口 海湾 有密度分层 潮汐作用等 湖泊 水库 有温度分层等 中污染物质输移扩散的基本原理的研究对平原河网水污染控制模型的研究对水环境中石油污染 有机污染 重金属迁移转化等的数学模型研究地下水中的溶质运移模型研究等 2020 2 8 24 4 环境水力学研究进展 2 近年来环境水力学研究的主要进展 1 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 2 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 2020 2 8 25 4 环境水力学研究进展 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 美国环境保护局推荐的模型 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 UOUT PLM UMERGE UDKHDEN和ULINE 1992年推出了RSB和UM两个计算模型 1995年将RSB和UM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 1993年美国康乃尔大学Jirka等建立了一个基于长度尺度的CORMIX模型 它实际上是一个含有大量试验数据的专家系统 适用于对可能的初始混合情况进行筛选 自20世纪80年代后期以来 我国污水排江排海工程有了很大的发展 在总结国内外污染混合区计算的基础上 我国学者编著了 排污混合区分析计算指南 污水排海工程导论 等 2020 2 8 26 4 环境水力学研究进展 3 使时均流场与物质浓度场控制方程封闭的紊流模型由简单模型向精细模型发展 如k 双方程紊流模型 雷诺应力传输方程模型及大涡模拟等 20世纪90年代以来 基于多种紊流模型的计算软件已走向商业化 例如FLUENT Star CD Phoenix及CFX等软件 2020 2 8 27 4 环境水力学研究进展 4 水流 水质计算模型由零维 一维稳态模型向二维 三维动态模型发展 被模拟的状态变量不断增多 由开始的几个增加到二三十个 模拟的变量由非生命物质如 三氧 溶解氧 生化需氧及化学需氧 三氮 氨氮 亚硝酸盐氮和硝酸盐氮 等等向细菌 藻类 浮游动物 底栖动物等水生生物发展 2020 2 8 28 4 环境水力学研究进展 目前国内外常用的河流 水质模型 美国环境保护局研制的QUAL2 WASP5及BASINS美国陆军工程兵团研制的CE QUAL RI CE QUAL RIV1 CE QUAL W2及WQRRS美国地质调查局研制的GENSCN和MMS丹麦水力研究所研制的MIKE11 MIKE21 MIDE3及MIKESHE等 2020 2 8 29 小结 远区紊动扩散的研究从规则边界条件下恒定流动向复杂流动和非恒定流动发展 与污染近区有关的 由规则边界静止环境内的平面与单孔射流向复杂流动中的射流发展 紊流模型由简单模型向精细模型发展 水流 水质计算模型由零维 一维稳态模型向二维 三维动态模型发展 数字图像处理技术在环境水力学试验中的应用 2020 2 8 30 环境水力学的发展趋势 1 研究对象由无生命组分向有生命组分 环境水力学向生态水力学发展 20世纪60年代以前 环境水力学仅限于研究水域中非生命物质的扩散 输移与转化规律 70年代以来 随着水体富营养化等生态问题的突出 其研究对象扩展到藻类 浮游动物 鱼类 底栖动物等水生生物 水流条件 边界条件 非生物组分与生物组分间的相互作用以及水生物组分间的食物链关系成为环境水力学研究的重要内容 污染动力学与生物生长动力学结合使环境水力学向着生态水力学发展 2020 2 8 31 环境水力学的发展趋势 2 与 3S 地理信息系统GIS 遥感系统RS 全球定位系统GPS 结合 水流 水质模型的研究范围由单一的局部水域向流域级的综合水域发展 近期发展的一些模型 如BASINS MIKESHE GENSCN MMS等 可适用于包括支流 干流 闸坝等工程形成的湖泊水库 具有非恒定流动特性的感潮河段与河口等的流域性水域 模型计算还要求有大量的地形 水文 水质 点污染源和面污染源等实际资料 并能快速进行处理 这就促使这些计算模型与 3S 结合 2020 2 8 32 主要参考书目 环境水力学张书农河海大学环水所 1984 环境水力学赵文谦成都科技大学出版社环境水力学徐孝平水利电力出版社污水排放工程水力学科学出版社 2001 河流水质模型中国环境科学出版社 1993 6 余常昭等 水环境中污染物扩散输移原理与水质模型 中国环境科学出版社 1989 7 李炜 环境水力学进展 武汉水利电力大学出版社 1999 8 VijayP SinghandWilliH Hager EnvironmentalHydraulics KluwerAcademicPublishers 1996 2020 2 8 33 第二节几个概念和研究方法 1 三种假定1 中和性物质2 保守物质3 不可压缩性2 几个概念3 环境水力学的研究方法 2020 2 8 34 1 三种假定 1 中和性物质污染物密度 粘滞性与水十分接近 能与环境水体混合的扩散物质 这种污染物的存在不会引起流场特性的改变 2020 2 8 35 1 三种假定 2 保守物质ConservativeSubstances指扩散过程中污染物本身既不增生 也不衰减 环境水力学中又称为示踪物质 Tracer 即不考虑化学和生化因素而产生的转化和降解作用 有关化学和生化降解问题是水质动力学研究的重点 非保守物质NonconservativeSubstances 2020 2 8 36 1 三种假定 3 不可压缩性指带有污染物质的流体质点总体积在扩散过程中保持不变 2020 2 8 37 2 几个概念 浓度浓度场稀释度 2020 2 8 38 浓度 Concentration 定义 单位体积的水中含有的污染物质量 干物质质量 单位 mg L 式中 M是微小体积 V内的污染物质量 V1是一个尺寸充分小但包含足够多分子的特征体积 2020 2 8 39 浓度场 水环境中 某时刻污染物在水体中的分布可能是均匀的 也可能是不均匀的 这一时刻污染物在水体中的分布和另一时刻污染物在水体中的分布可以相同 也可以不同 即存在一个浓度的时间 空间分布 称为浓度场 C C x y z t 2020 2 8 40 基本概念 环境水力学的核心 是寻求水环境中污染物混合稀释过程的浓度时空分布规律 这里有两个与浓度相关的概念 时间平均浓度 空间平均浓度 式中 T为时段长 t0为讨论时段的起始时刻 V为污水体积 x0 y0 z0为空间V的中心坐标 2020 2 8 41 稀释度 定义 反映污水进入环境水体后与水体混合稀释的一种指标 稀释度为无量纲数 2020 2 8 42 如果环境水体中已经含有某种污染物它的背景浓度是Cs 而排出污水所含这种污物的浓度是Cd 当污水与环境水体混合后得到的浓度为C时 则不难推得 稀释度 式中 Cs是污物的背景浓度 Cd是污水所含这种污物的浓度 C为污水与环境水体混合后得到的浓度 2020 2 8 43 3 环境水力学的研究