环境水力学作业

一、名词解释：1、示踪质：某一种在水体中扩散和输移时不发生化学和生化反应的物质，并且它的存在不会引起流场特性的改变。2、剪切流离散：剪切流中由于流速分布不均匀使污染物（或示踪质）随流散开的现象，称之为剪切流离散。3、时间连续源：污染源处所排放的污染物浓度大小随时间保持不变。4、污染带宽度：在不受边界约束的情况下，横向扩散的范围可延伸至无穷远，没有什么宽度范围。从实用角度出发，当边远点的浓度为同一断面上最大浓度的5%时，该点即认为是污染带的边界点。5、生化需氧量：在好气性条件下，细菌把有机废物氧化成二氧化碳、水和其它简单无机物质，其所需氧气的数量称为生化需氧量。6、5日生化需氧量:在温度为20℃条件下，测定细菌在5日内分解某有机物质所消耗的氧气数量，这种生化需氧量称为5日生化需氧量以mg/l计7、水质模型：水质模型是一些描述水体（如河流、湖泊等）的水质要素（如DO,BOD等），在其它诸因素（如物理、化学、生物等）作用下随时间和空间变化关系的数学表达式。8、BOD：即生化需氧量。它是测定某一数量有机物对水体潜在污染能力的一个最常用的参数。BOD值越高，说明水中有机物含量越多，因此BOD值可反映水体受有机物污染的程度。二、回答问题：1、简述分子扩散的菲克定律，分子扩散方程，写出其表达式及各项意义。答：分子扩散的菲克定律是：单位时间内通过单位面积的溶解物质的质量与溶解物质质量浓度在该面积法线方向的梯度成比例，用数学表达式表示为：，分子扩散方程：其中c为溶质浓度，为各个方向的分子扩散系数，qi为扩散通量。2、写出一维分子扩散方程的基本解该基本解，该基本解对求解紊动扩散、剪切流离散有何意义？答：一维分子扩散方程的基本解为：。当知道一维分子扩散方程的基本解，就可以将紊动扩散、剪切流离散与分子扩散进行比较，通过转换成分子扩散方程的形式，这样便可利用一维分子扩散方程的基本解继而得到紊动扩散、剪切流离散的解。3、污染源的移流扩散方程与分子扩散方程有何不同？如何利用分子扩散方程的基本解求解移流扩散方程？答：分子扩散方程研究的是污染物在静水中的扩散。而移流扩散方程研究的是污染物在作层流运动的水体中的随流输移和分子扩散。采用动坐标系，用新坐标代替原来的x坐标即可，转换成纯分子扩散，这样就可以利用分子扩散方程基本解求解移流扩散方程。4、分子扩散系数D与紊动扩散系数E、纵向离散系数El意义有何区别？紊动扩散系数E它与流动状态和紊流结构有关，一般来说，它在不同的空间位置和不同方向上的值是不相同的。而分子扩散系数D是流体和扩散质固有的物理属性，它与流动状态无关。纵向分散系数是通过类比分子扩散系数来定义的。反映了断面流速分布不均匀所产生的纵向纵向对流分散作用，与分子扩散类似，对于一维分散方程来说，它在整个断面上取一个值。5、离散与扩散有何区别?如何确定紊流管流的纵向离散系数、明渠水流的纵向离散系数？答：离散是由于流速沿断面具有梯度，即流速沿横断面上的分布不均匀所产生的。而扩散包含分子扩散和紊动扩散。分子扩散是指在水体中由于污染物浓度分布的不均匀性存在浓度梯度由高浓度向低浓度扩散的现象。紊动扩散是由于水体中存在脉动流速而引起的污染物质的质量传输。泰勒把紊流的分散与层流的分散相类比，并把他的分析方法推广到圆管紊流中去。当扩散时间足够长时，可认为纵向离散与径向紊动扩散相平衡。但首先要确定紊流流速分布和径向紊动扩散系数的确定。泰勒采用了圆管时均流速确定了紊流流速分布，紊动扩散系数通过雷诺类比求得；再通过数学工具的推导，最终确定了紊流管流的纵向离散系数K=10.06au*，其中a为管半经，u*为摩阻流速。埃尔德应用泰勒的方法分析了明渠水流的纵向离散系数，得到K=5.86hu*,h为水深。6、定性绘制中心排放沿河道中心线及岸边的纵向浓度分布曲线。说明岸边排放的纵向浓度分布曲线与中心排放的关系。当x=0.1所对应的距离就是断面上达到均匀混合所需的距离Lm，岸边排放需要四倍的中心排放距离才能达到断面上的均匀混合。7、何谓复氧？简述复氧过程的途径。答：水中氧气不断地消耗，同时也会得到补充，称为复氧。途径：除上游河水所带来的溶解氧，还有大气通过与水的交界面向水体输氧，另外水生植物白天通过光合作用产生氧气。8、何谓水质模型？其意义何在？答：水质模型是一些描述水体（如河流、湖泊等）的水质要素（如DO,BOD等），在其它诸因素（如物理、化学、生物等）作用下随时间和空间变化关系的数学表达式。建立水质模型的意义就是力图把这些互相制约因素（如水力学、水文、物理、化学、生物、生态、气候等）的定量关系确定下来，对水质进行预报，为水质的规划、控制和管理服务。三、计算题测得一流量Q=103.7m³/s的明渠水力要素如下：U=1.05m/s，h=1.09m，B=90.6m，u*=0.07m/s，Sf=0.0005。明渠水流为均匀流，缓流及紊流。有盐浓度Cu=30kg/m³的废水以流量Qu=0.5m³试对废水投放点分别位于明渠中心或侧壁两种情况下的横向扩散进行研究。假定垂向扩散瞬间完成。计算上述两种情况下在明渠整个宽度上达到完全混合所需要的距离。计算并绘制在L1=0.5km及L2=20km两个断面上废水浓度的横向分布。解:（1）横向扩散系数：=0.15h=0.15*1.09*0.07=0.01145中心排放Lm=0.1*∴Lm=0.1*1.05*=75.27km岸边排放Lm=0.4=301.1km(2)中心排放当L1=0.5km=500m污染带宽：2b=2*3.46=6.92=16.15m同理当L2=20km=20000m2b=102.17m在500m处:由=exp(-)=0.05=exp(-)得b=8.08m0.5km处断面上最大浓度Cmax===1.58g/L所以5%Cmax=0.079g/L浓度为最大浓度的50%处的b为：由=exp(-)=0.5代入有关值得b=3.89m浓度为最大浓度的90%处的b=1.52m浓度为最大浓度的80%~40%处的b依次为2.21m,2.79m,3.34m,3.89m,4.47mb-8.08-4.47-3.89-3.34-2.79-2.21-1.520c0.0790.6320.790.9481.1061.2641.4221.58b1.522.212.793.343.894.478.08c1.4221.2641.1060.9480.790.6320.07920km处断面上最大浓度由=exp(-)=0.05=exp(-)得b=51.12mCmax===0.25g/L所以5%Cmax=0.013g/L浓度为最大浓度的90%处的b=9.58m浓度为最大浓度的80%40%处的b依次为13.95m,17.63m,21.11m,24.59m,28.27m由岸边排放浓度与中心排放浓度规律可知岸边排放浓度是中心排放浓度的2倍四、计算题废水经初步处理后，五日生化需氧量为130毫克/升，排污量为75000米。河流最小流量为，五日生化需氧量为2毫克，流速为。废水与河水混合后，水温为20解：废水五日耗氧量BOD5=130mg/L河水五日耗氧量BOD5=2mg/L1混合水温为T=202混合水溶解氧：排污流量75000m3/日合为0.868m3/s由T=20℃查表得Os河水的溶解氧=9.17*75%=6.88mg/L混合水体溶解氧：=6.01mg/L混合水体5日生化需氧量：=18.18mg/L初始生化需氧量L0===25.48mg/L初始氧亏D0=9.71-6.01=3.7mg/LXc=ln{[1-（-1）]}==1.6==0.145=0.15U=2.4*24=57.6km/日所以Xc=145.53km氧亏D=[exp（-xk1/u）-exp（-xk2/u）]+D0exp（-xk2/u）D=[exp（-x*0.25/57.6）-exp（-x*0.4/57.6）]+3.7*exp（-x*0.4/57.6）=42.47*[exp（-x*0.25/57.6）-exp（-x*0.4/57.6）]+3.7*exp（-x*0.4/57.6）当x=0.25*Xc=36.38km时D=6.15mg/L当x=0.5*Xc=72.77km时D=7.58mg/L当x=0.75*Xc=109.15km时D=8.27mg/L当x=Xc=145.53km时D=8.47mg/L单位：ｘ（Ｋｍ）Ｄｏ（ｍｇ／ｌ）x=036.3872.76109.14145.52181.9218.28254.66Do=5.473.017881.592020.893370.699850.84771.217141.72153x=291.04327.42363.8400.18436.56472.94509.32Do=2.298982.906053.512984.100024.654735.16995.64205五、对近5年的环境水力学的研究进展进行综述，并查阅2篇近5年有关环境水力学方面的研究论文，并说明其内容摘要、主要观点、研究方法及结论。综述：环境水力学是一门新兴学科,其研究内容尚在探索与发展之中。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。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。1.研究对象由无生命的组分进入有生命的组分,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、输移与转化的规律。70年代以来,随着水体富营养化等生态问题的突显,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,污染动力学与生长动力学结合,使环境水力学向着生态水力学发展。2.与“3S”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。“3S”是指地理信息系统GIS、遥感系统RS、全球定位系统GPS。以往的一些水流-水质模型常常是针对单一流动型式的局部水域,如河流、湖泊、水库、河口等,而像BASIN、MIKE、SHE、GENSCN、MMS等后期的模型则可适用于包括支流、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。这一方面,要求模型在空间上具有多维计算的功能,在时间上具有非恒定与动态计算的能力;另一方面,为实现快速可靠的计算,还必须为计算模型迅速地提供大量的地形、水文、水质、点污染源和面污染源等实际资料,并快速进行处理,这就促使计算模型与“3S”结合。GIS技术可把复杂多变的自然、社会变化以及变化过程以图形、图像的方式进行数字化处理。在其空间和属性库中输入河道基本数据、水文及污染源数据,利用其空间数据库的采集、管理、操作和分析能力,可使水质监测与评价产生全新的面貌。通过水流-水质模型计算,可得出反映水域水流、水质变化特性的断面位置,并以逼真的图像显示水域水流水质变化的空间特征、统计特性和未来趋势等。3.自20世纪60年代以来,在地球物理、生命科学、材料科学、遥感技术、模式识别、信号(图像)处理、工业控制乃至经济决策等众多的科学领域中,都提出了各自领域的反问题。近年来,环境水力学反问题作为一个交叉热点课题正逐渐受到国内外众多学者的关注,并取得了一些阶段性研究成果规律。所为环境水力学反问题是指已知污染物时空分布的部分信息反求水环境系统控制方程(模型结构及参数)、边界条件、初始条件等部分信息。通过环境水力学反问题研究可以实现对水流及伴随水流运动的污染物质迁移、输运过程的识别和控制,使得水环境系统能真正达到可持续发展的战略目标并真正受到有效的保护。未来环境水力学反问题领域的研究将采用多学科、多方位、多层次、新技术的研究方法和技术手段,促进人口、社会经济和资源环境的可持续发展。（二）查阅论文：《环境科学与管理》2007年2期“基于GIS的河流水环境污染模拟研究”。摘要:环境是人类赖以生存和发展的基本条件,环境污染问题已经成为威胁人类生存的头号问题之一,尤其是水环境污染更是直接危及到人类的生命和健康。本文以黄河某河段的硫化物污染为例,基于GIS技术和水环境数值模拟方程,研究污染物在水环境中的运移扩散规律,并实现污染物扩散的可视化表达,探索污染控制和治理的新方法。研究方法：基于GIS技术和水环境数值模拟方程,即根据流体力学和污染物迁移转化规律,在一定的边界条件和初始条件下,对水流运动和污染物变化进行数值分析。结论：本文将GIS技术与水质数学模型结合起来,提出了基于GIS技术的水质污染模拟可视化表达开发流程和技术方法,并对黄河三门峡段硫化物迁移扩散污染过程进行了动态模拟,水环境模拟的成果已经应用与<河南省水环境地理信息系统>中,为河南省水环境综合整治与管理走向定量化、科学化提供了一种崭新的思路和可靠的技术支持。《水力发电学报》2007年4期“突然排污时计算河流水质参数的直线解析法”。摘要:提出了一种在河流突然排污情况下,分析河段下游两个时刻的c～x数据,确定河流水质参数与