環(huán)境水力學(xué)ch1

2020 2 8 1 環(huán)境水力學(xué)EnvironmentalHydraulics 環(huán)境工程教研室鄭天柱 Tel 7979480E mail tzhzheng 2020 2 8 2 第一章緒論 第一節(jié)環(huán)境水力學(xué)的任務(wù)和研究?jī)?nèi)容1 環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念2 污染物在水環(huán)境中發(fā)生的過(guò)程3 從環(huán)境水力學(xué)的角度 對(duì)污染源進(jìn)行分類4 環(huán)境水力學(xué)的研究進(jìn)展第二節(jié)幾個(gè)概念和研究方法1 幾種假定2 有關(guān)概念3 環(huán)境水力學(xué)主要研究方法 2020 2 8 3 第一節(jié)環(huán)境水力學(xué)的任務(wù)和研究?jī)?nèi)容 2020 2 8 4 產(chǎn)生背景 工農(nóng)業(yè)發(fā)展使水體遭受嚴(yán)重污染 人類社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展受到制約 水環(huán)境保護(hù)和水資源的可持續(xù)利用已成為當(dāng)今世界面臨的主要任務(wù)之一 各種水環(huán)境問(wèn)題的解決需要統(tǒng)籌考慮水量和水質(zhì) 而由于流體運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的污染物質(zhì)的擴(kuò)散 隨流輸移問(wèn)題是基礎(chǔ) 環(huán)境水力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生 2020 2 8 5 1 環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念 1 環(huán)境水力學(xué)及其研究?jī)?nèi)容環(huán)境水力學(xué)主要研究地表及地下水域中物質(zhì)的輸移 擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化規(guī)律 建立其分析計(jì)算方法 確定物質(zhì)濃度的時(shí)空分布及其應(yīng)用 2020 2 8 6 1 環(huán)境水力學(xué)及其研究?jī)?nèi)容 廣義地講 環(huán)境水力學(xué)是研究與環(huán)境有關(guān)的水力學(xué)問(wèn)題 除水污染問(wèn)題 還有許多其它方面的問(wèn)題 如水土保持 河道沖淤 洪水破壞作用 水生態(tài)問(wèn)題等等 美國(guó)環(huán)境水力學(xué)技術(shù)委員會(huì)提出 環(huán)境水力學(xué)特別著重于將物理因素 水動(dòng)力學(xué) 泥砂輸移和地形條件 化學(xué)因素 保守與非保守物質(zhì)的傳輸 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和水質(zhì) 和生物因素 生態(tài)學(xué) 作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行研究 1 環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念 2020 2 8 7 1 環(huán)境水力學(xué)及其研究?jī)?nèi)容 傳統(tǒng)水力學(xué)主要是研究水流自身運(yùn)動(dòng)規(guī)律 如流速場(chǎng) 環(huán)境水力學(xué) 污染水力學(xué) 則主要是研究水體中所含物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 如濃度場(chǎng) 1 環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念 2020 2 8 8 1 環(huán)境水力學(xué)及其研究?jī)?nèi)容 擴(kuò)散 輸移作用在排放口近區(qū)主要是射流運(yùn)動(dòng)性質(zhì) 在遠(yuǎn)區(qū)則屬隨流擴(kuò)散性質(zhì) 2020 2 8 9 1 環(huán)境水力學(xué)及其研究?jī)?nèi)容 研究?jī)?nèi)容水流紊流混合的基本理論河流中污染物的混合與輸移規(guī)律潮汐河口及沿海岸地帶污染物的混合與輸移規(guī)律湖泊及水庫(kù)中污染物的混合與輸移規(guī)律河流水質(zhì)模型 1 環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念 2020 2 8 10 2 環(huán)境水力學(xué)的任務(wù) 研究環(huán)境污染問(wèn)題 人們最關(guān)心的是污染物濃度在空間的分布規(guī)律 一般來(lái)說(shuō) 污染危害程度取決于污染物的濃度 有時(shí)也要考慮它的總量問(wèn)題 環(huán)境水力學(xué)的主要任務(wù) 就是要研究污染物排入水體以后 由于擴(kuò)散 輸移所造成的污染物濃度隨空間和時(shí)間的變化關(guān)系 1 環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念 2020 2 8 11 3 環(huán)境水力學(xué)的應(yīng)用 污染物濃度在水體中的分布狀況 是進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)的基本依據(jù) 水作為資源 具有 量 和 質(zhì) 這兩個(gè)屬性 過(guò)去一個(gè)時(shí)期 人們?cè)谘芯克Y源的開(kāi)發(fā)利用時(shí) 僅著眼于對(duì)水的量作出預(yù)報(bào)和規(guī)劃 環(huán)境水力學(xué)的成果廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià) 水質(zhì)預(yù)報(bào) 水質(zhì)規(guī)劃與管理以及水資源保護(hù)等方面 2020 2 8 12 3 環(huán)境水力學(xué)的應(yīng)用 在環(huán)境工程中 如選擇排污口的位置 設(shè)計(jì)排污建筑物的型式等 都要應(yīng)用環(huán)境水力學(xué)的有關(guān)理論 在水環(huán)境整治中 有關(guān)工程的規(guī)劃 設(shè)計(jì) 都必須熟悉和應(yīng)用環(huán)境水力學(xué)的知識(shí) 1 環(huán)境水力學(xué)有關(guān)概念 圖1排放口示意圖Fig 1Schematicdiagramoftheoutfall 2020 2 8 13 4 學(xué)習(xí)本課程目的 了解污染物在河流中混合輸移規(guī)律掌握基本原理和實(shí)用的估算方法為后繼課程和今后工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ) 學(xué)習(xí)要求 上課要主動(dòng)參與 發(fā)現(xiàn) 探究將上課時(shí)的多媒體教案從教師手中轉(zhuǎn)化為自己的認(rèn)知工具 主動(dòng)參與 發(fā)現(xiàn) 探究 獨(dú)立完成作業(yè)同學(xué)之間相互交流 一起討論 但一定要獨(dú)立完成作業(yè) 2020 2 8 14 2 污染物在水環(huán)境中發(fā)生的過(guò)程 水環(huán)境是指一切影響水的貯存 循環(huán) 分布以及其化學(xué)和物理特性的各種自然因素的總體 它是一個(gè)與水 水生生物和污染等有關(guān)的綜合體 2020 2 8 15 2 污染物在水環(huán)境中發(fā)生的過(guò)程 污染源 轉(zhuǎn)化 稀釋擴(kuò)散 遷移傳遞 分子擴(kuò)散 紊動(dòng)擴(kuò)散 剪切離散 吸收與解吸 凝聚與分散 沉降與再懸浮 化學(xué)轉(zhuǎn)化 生物轉(zhuǎn)化 物理轉(zhuǎn)化 2020 2 8 16 對(duì)上述過(guò)程分析可知 環(huán)境水力學(xué)是研究污染物進(jìn)入環(huán)境水體后的稀釋擴(kuò)散規(guī)律的 屬于物理過(guò)程 污染物在水環(huán)境中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程 其能量來(lái)源有動(dòng)能 化學(xué)能和生物能 但歸根結(jié)底來(lái)自于太陽(yáng)能 2020 2 8 17 動(dòng)力學(xué)過(guò)程 水體流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能是污染物在水體中稀釋擴(kuò)散過(guò)程的主要?jiǎng)恿?有機(jī)污染物在水環(huán)境中轉(zhuǎn)化的動(dòng)力則主要源自化學(xué)能和生物能 因此 污染物在水環(huán)境中所發(fā)生的動(dòng)力學(xué)過(guò)程就是各種不同形式能量傳遞和轉(zhuǎn)化的過(guò)程 2020 2 8 18 3 污染源的分類 主要從環(huán)境水力學(xué)的角度進(jìn)行分類 2020 2 8 19 3 污染源的分類 1 從源進(jìn)入水環(huán)境的時(shí)間過(guò)程來(lái)分瞬時(shí)源污染物在很短時(shí)間內(nèi)泄入水體時(shí)間連續(xù)源污染物持續(xù)泄入水體 2020 2 8 20 3 污染源的分類 2 從源進(jìn)入水環(huán)境的空間關(guān)系來(lái)分點(diǎn)源源占有的空間尺度相對(duì)很小 作為點(diǎn)考慮不影響計(jì)算精度 線源源在空間上占有一定長(zhǎng)度 面源源均勻分布在平面上 體源實(shí)際污染源占有一定的空間體積 2020 2 8 21 3 污染源的分類 3 以污染物進(jìn)入水體的運(yùn)動(dòng)性狀來(lái)分射流污水相對(duì)于環(huán)境水體具有附加動(dòng)量羽流污水密度小于環(huán)境水體的密度 因而具有浮力 浮射流污水同時(shí)具有動(dòng)量和浮力 隨流沒(méi)有附加動(dòng)量和浮力 污染物進(jìn)入水環(huán)境后就隨同水流一起作遷移運(yùn)動(dòng) 2020 2 8 22 4 環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展 我國(guó)從50年代起 就已對(duì)火電廠的冷卻水問(wèn)題 河口的鹽水入侵問(wèn)題和地下水的溶質(zhì)運(yùn)移問(wèn)題等進(jìn)行了研究 70年代之后 隨著水環(huán)境問(wèn)題研究的深入和相關(guān)學(xué)科及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展 環(huán)境水力學(xué)已逐步成為水力學(xué)的一個(gè)重要學(xué)科分支 2020 2 8 23 4 環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展 1 環(huán)境水力學(xué)中已展開(kāi)深入研究的領(lǐng)域?qū)o止和動(dòng)水環(huán)境中射流的一些基本原理 基本規(guī)律研究對(duì)管道及明渠中異質(zhì)混合的理論研究對(duì)一些特殊的水體環(huán)境 如河口 海灣 有密度分層 潮汐作用等 湖泊 水庫(kù) 有溫度分層等 中污染物質(zhì)輸移擴(kuò)散的基本原理的研究對(duì)平原河網(wǎng)水污染控制模型的研究對(duì)水環(huán)境中石油污染 有機(jī)污染 重金屬遷移轉(zhuǎn)化等的數(shù)學(xué)模型研究地下水中的溶質(zhì)運(yùn)移模型研究等 2020 2 8 24 4 環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展 2 近年來(lái)環(huán)境水力學(xué)研究的主要進(jìn)展 1 遠(yuǎn)區(qū)紊動(dòng)擴(kuò)散與離散的研究從對(duì)規(guī)則邊界中的恒定流動(dòng)向復(fù)雜流動(dòng)和非恒定流動(dòng)發(fā)展 如天然河流 山區(qū)河流 分汊河段 交匯河段 潮汐河段 尾流 分層流等 2 與污染近區(qū)有關(guān)的射流理論由規(guī)則邊界中靜止環(huán)境內(nèi)的平面與單孔射流向復(fù)雜流動(dòng)中的復(fù)雜射流發(fā)展 如橫流 分層流 淺水域射流 潮汐流中的多孔射流 表面射流 旋動(dòng)射流等 2020 2 8 25 4 環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展 射流理論在水污染問(wèn)題中的一個(gè)重要應(yīng)用是分析計(jì)算排污混合區(qū) 美國(guó)環(huán)境保護(hù)局推薦的模型 1985年美國(guó)環(huán)境保護(hù)局推薦了5個(gè)污水排海稀釋度計(jì)算模型 UPLUME UOUT PLM UMERGE UDKHDEN和ULINE 1992年推出了RSB和UM兩個(gè)計(jì)算模型 1995年將RSB和UM兩個(gè)模型并入含有遠(yuǎn)區(qū)稀釋度計(jì)算的PLUMES軟件 從而使PLUMES模型能進(jìn)行近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的稀釋計(jì)算 1993年美國(guó)康乃爾大學(xué)Jirka等建立了一個(gè)基于長(zhǎng)度尺度的CORMIX模型 它實(shí)際上是一個(gè)含有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的專家系統(tǒng) 適用于對(duì)可能的初始混合情況進(jìn)行篩選 自20世紀(jì)80年代后期以來(lái) 我國(guó)污水排江排海工程有了很大的發(fā)展 在總結(jié)國(guó)內(nèi)外污染混合區(qū)計(jì)算的基礎(chǔ)上 我國(guó)學(xué)者編著了 排污混合區(qū)分析計(jì)算指南 污水排海工程導(dǎo)論 等 2020 2 8 26 4 環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展 3 使時(shí)均流場(chǎng)與物質(zhì)濃度場(chǎng)控制方程封閉的紊流模型由簡(jiǎn)單模型向精細(xì)模型發(fā)展 如k 雙方程紊流模型 雷諾應(yīng)力傳輸方程模型及大渦模擬等 20世紀(jì)90年代以來(lái) 基于多種紊流模型的計(jì)算軟件已走向商業(yè)化 例如FLUENT Star CD Phoenix及CFX等軟件 2020 2 8 27 4 環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展 4 水流 水質(zhì)計(jì)算模型由零維 一維穩(wěn)態(tài)模型向二維 三維動(dòng)態(tài)模型發(fā)展 被模擬的狀態(tài)變量不斷增多 由開(kāi)始的幾個(gè)增加到二三十個(gè) 模擬的變量由非生命物質(zhì)如 三氧 溶解氧 生化需氧及化學(xué)需氧 三氮 氨氮 亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮 等等向細(xì)菌 藻類 浮游動(dòng)物 底棲動(dòng)物等水生生物發(fā)展 2020 2 8 28 4 環(huán)境水力學(xué)研究進(jìn)展 目前國(guó)內(nèi)外常用的河流 水質(zhì)模型 美國(guó)環(huán)境保護(hù)局研制的QUAL2 WASP5及BASINS美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)研制的CE QUAL RI CE QUAL RIV1 CE QUAL W2及WQRRS美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局研制的GENSCN和MMS丹麥水力研究所研制的MIKE11 MIKE21 MIDE3及MIKESHE等 2020 2 8 29 小結(jié) 遠(yuǎn)區(qū)紊動(dòng)擴(kuò)散的研究從規(guī)則邊界條件下恒定流動(dòng)向復(fù)雜流動(dòng)和非恒定流動(dòng)發(fā)展 與污染近區(qū)有關(guān)的 由規(guī)則邊界靜止環(huán)境內(nèi)的平面與單孔射流向復(fù)雜流動(dòng)中的射流發(fā)展 紊流模型由簡(jiǎn)單模型向精細(xì)模型發(fā)展 水流 水質(zhì)計(jì)算模型由零維 一維穩(wěn)態(tài)模型向二維 三維動(dòng)態(tài)模型發(fā)展 數(shù)字圖像處理技術(shù)在環(huán)境水力學(xué)試驗(yàn)中的應(yīng)用 2020 2 8 30 環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì) 1 研究對(duì)象由無(wú)生命組分向有生命組分 環(huán)境水力學(xué)向生態(tài)水力學(xué)發(fā)展 20世紀(jì)60年代以前 環(huán)境水力學(xué)僅限于研究水域中非生命物質(zhì)的擴(kuò)散 輸移與轉(zhuǎn)化規(guī)律 70年代以來(lái) 隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)問(wèn)題的突出 其研究對(duì)象擴(kuò)展到藻類 浮游動(dòng)物 魚類 底棲動(dòng)物等水生生物 水流條件 邊界條件 非生物組分與生物組分間的相互作用以及水生物組分間的食物鏈關(guān)系成為環(huán)境水力學(xué)研究的重要內(nèi)容 污染動(dòng)力學(xué)與生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)結(jié)合使環(huán)境水力學(xué)向著生態(tài)水力學(xué)發(fā)展 2020 2 8 31 環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì) 2 與 3S 地理信息系統(tǒng)GIS 遙感系統(tǒng)RS 全球定位系統(tǒng)GPS 結(jié)合 水流 水質(zhì)模型的研究范圍由單一的局部水域向流域級(jí)的綜合水域發(fā)展 近期發(fā)展的一些模型 如BASINS MIKESHE GENSCN MMS等 可適用于包括支流 干流 閘壩等工程形成的湖泊水庫(kù) 具有非恒定流動(dòng)特性的感潮河段與河口等的流域性水域 模型計(jì)算還要求有大量的地形 水文 水質(zhì) 點(diǎn)污染源和面污染源等實(shí)際資料 并能快速進(jìn)行處理 這就促使這些計(jì)算模型與 3S 結(jié)合 2020 2 8 32 主要參考書目 環(huán)境水力學(xué)張書農(nóng)河海大學(xué)環(huán)水所 1984 環(huán)境水力學(xué)趙文謙成都科技大學(xué)出版社環(huán)境水力學(xué)徐孝平水利電力出版社污水排放工程水力學(xué)科學(xué)出版社 2001 河流水質(zhì)模型中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社 1993 6 余常昭等 水環(huán)境中污染物擴(kuò)散輸移原理與水質(zhì)模型 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社 1989 7 李煒 環(huán)境水力學(xué)進(jìn)展 武漢水利電力大學(xué)出版社 1999 8 VijayP SinghandWilliH Hager EnvironmentalHydraulics KluwerAcademicPublishers 1996 2020 2 8 33 第二節(jié)幾個(gè)概念和研究方法 1 三種假定1 中和性物質(zhì)2 保守物質(zhì)3 不可壓縮性2 幾個(gè)概念3 環(huán)境水力學(xué)的研究方法 2020 2 8 34 1 三種假定 1 中和性物質(zhì)污染物密度 粘滯性與水十分接近 能與環(huán)境水體混合的擴(kuò)散物質(zhì) 這種污染物的存在不會(huì)引起流場(chǎng)特性的改變 2020 2 8 35 1 三種假定 2 保守物質(zhì)ConservativeSubstances指擴(kuò)散過(guò)程中污染物本身既不增生 也不衰減 環(huán)境水力學(xué)中又稱為示蹤物質(zhì) Tracer 即不考慮化學(xué)和生化因素而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化和降解作用 有關(guān)化學(xué)和生化降解問(wèn)題是水質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn) 非保守物質(zhì)NonconservativeSubstances 2020 2 8 36 1 三種假定 3 不可壓縮性指帶有污染物質(zhì)的流體質(zhì)點(diǎn)總體積在擴(kuò)散過(guò)程中保持不變 2020 2 8 37 2 幾個(gè)概念 濃度濃度場(chǎng)稀釋度 2020 2 8 38 濃度 Concentration 定義 單位體積的水中含有的污染物質(zhì)量 干物質(zhì)質(zhì)量 單位 mg L 式中 M是微小體積 V內(nèi)的污染物質(zhì)量 V1是一個(gè)尺寸充分小但包含足夠多分子的特征體積 2020 2 8 39 濃度場(chǎng) 水環(huán)境中 某時(shí)刻污染物在水體中的分布可能是均勻的 也可能是不均勻的 這一時(shí)刻污染物在水體中的分布和另一時(shí)刻污染物在水體中的分布可以相同 也可以不同 即存在一個(gè)濃度的時(shí)間 空間分布 稱為濃度場(chǎng) C C x y z t 2020 2 8 40 基本概念 環(huán)境水力學(xué)的核心 是尋求水環(huán)境中污染物混合稀釋過(guò)程的濃度時(shí)空分布規(guī)律 這里有兩個(gè)與濃度相關(guān)的概念 時(shí)間平均濃度 空間平均濃度 式中 T為時(shí)段長(zhǎng) t0為討論時(shí)段的起始時(shí)刻 V為污水體積 x0 y0 z0為空間V的中心坐標(biāo) 2020 2 8 41 稀釋度 定義 反映污水進(jìn)入環(huán)境水體后與水體混合稀釋的一種指標(biāo) 稀釋度為無(wú)量綱數(shù) 2020 2 8 42 如果環(huán)境水體中已經(jīng)含有某種污染物它的背景濃度是Cs 而排出污水所含這種污物的濃度是Cd 當(dāng)污水與環(huán)境水體混合后得到的濃度為C時(shí) 則不難推得 稀釋度 式中 Cs是污物的背景濃度 Cd是污水所含這種污物的濃度 C為污水與環(huán)境水體混合后得到的濃度 2020 2 8 43 3 環(huán)境水力學(xué)的研究