环境水力学概述
环境水力学ch2-3
另一种情况
O
L
如果在两岸距离为L 的水域，某一岸边有初始 有限分布，源宽h。在两岸反射情况下，其浓度 分布是：
c(x,t) c0 2
n
{ erf[
h 2nL x 4D t
] erf[
h 2nL x 4D t
]}
式中：c0是源的浓度。
2013年5月13日9时57分 环境水力学 27
]
式中：cs为营养物质的饱和浓度；y坐标是从营 养层底缘算起以向下为正，公式(2-21)只适用于y≥0 的情况。
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环境水力学
30
环 境 水 力 学
谢谢大家 ！
2013年5月13日9时57分
环境水力学
31
环 境 水 力 学
在静止水体中，有一污染源，瞬时释放出
扩散质。与源相距L处，有一岸边界，求
存在边界完全反射时浓度分布状况。
岸边界பைடு நூலகம்
－Ｌ
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环境水力学
O
13
分析
环 境 水 力 学
在x=-L处有一阻止物质扩散的壁存在， 而且是完全反射壁(线性边界条件)。由 Fick第一定律，该条件可表示为当x=-L 时，有
有限分布（一维、二维、三维扩散）
环境水力学 4
2013年5月13日9时57分
例如： 环 境 水 力 学
事故性突然排放可以看成瞬时源；装 载毒物的船只在大海中失事可看作点 源。 开闸泄水可看成是延伸源扩散。
2013年5月13日9时57分
环境水力学
5
应当注意
环 境 水 力 学
环境水力学
环境水力学1.环境水力学的主要研究污染物在水体中的扩散、输移规律及其在各种水环境问题中的应用。
2.水域的污染物质：1示踪质：是一种理想物质，它在水中扩散移动时，⑴不与水体发生生化或化学反应；⑵它的存在不会改变流场的力学性质。
2保守物质和非保守物质：⑴保守物质不会与环境水体发生生化、化学反应，不会在水体中发生生化降解，即这类物质的数量不会因在水体中扩散输移而发生改变。
⑵非保守物质能与环境水体发生生化、化学反应或生物降解，其总量随时间和空间变化。
3动力惰性物质和动力活性物质：⑴动力惰性物质：不会改变环境水体的密度及流场的力学性质，这类物质的密度通常与环境水体相同或相近。
⑵动力活性物质：能改变水体环境的密度，进而改变流场的力学性质。
3.反应水体受污染的指标：浓度、相对浓度（无量纲浓度）和稀释度。
4.浓度C表示单位体积水中所含污染物的质量。
5.相对浓度P（无量纲浓度）表示样品中污水体积所占的比例。
P=样品中污水的体积/样品总体积。
当P=1时表示样品全为污染物，当P=0时表示样品为净水。
6.稀释度S=样品总体积/样品中污水的体积。
当S=1 时表示样品全为污染物，当S趋近于无穷时表示样品为净水。
7.分子扩散是指物质分子由高浓度向低浓度的运动过程（即存在浓度梯度是分子扩散的必要条件）。
8.菲克第一定律：单位时间通过单位面积的溶质通量q与该面积上的溶质浓度梯度?c/?x成正比。
9.随流扩散方程与分子扩散方程相比，相同点：两者都是质量守恒定律在扩散问题上的体现；不同点：多了一些随流项。
10.紊流扩散与分子扩散的不同点：分子扩散符合马尔科夫过程，紊流质点连续而分子扩散不连续。
11.随流作用：由于时均流速的存在使污染物质发生输移，这时的流速作用称为随流作用。
12.由时均流速引起污染物质发生的输移称为随流扩散，由脉动流速引起污染物发生的输移则称为紊动扩散。
13.紊流可以分为两大类，即均匀各向同性紊流和剪切紊流。
14.分析紊动扩散的方法：欧拉法和拉格朗日法。
环境水力学概述
其中，无量纲变量 C0为恒定时间连续源的投放浓度。
于是：
而 故
由于：
因为 故
将上述结果代入一维扩散方程中
可得： 即： 经过变换，把扩散方程变成了常微分方程，求解 该方程，满足边界条件
可解得： 由边界条件
得：
1、一维扩散时间连续源
设源断面为空间坐标的原点，开始投放 时刻为时间起点。
1）、一维延伸分布源
物理模型：在一条长管中，左端（x≤0）充满了浓 度均匀的红色染液，染液浓度为c0,管子的右端（x ＞0）装满清水。
在t =0时，突然开启隔离红色染液和清水的闸板 。管左端的红色染液立即向右端扩散。在x 正方向 ，初始浓度具有瞬时源的特征。
由于左边的红色染液是无限延伸的，所以染 液只会沿x 方向扩散。
类似地，可通过变量代换求解， 请同学们课后练习。
解法（2）
两个延伸分布源相减：
其中：
所以：
讨论：
a)分布曲线关于x=0 对称，且随着t 的增大，浓度分 布渐趋平坦；
设想用一张平面在x=0点把它们截开分为两半， 显然不影响浓度分布。这种情况可用来表示一端是 固壁的有限分布源的扩散。 b)t0, |x|≤h, c=c0；|x|>h, c=0；满足初始条件。
设排污管的排污口为空
间坐标原点Ｏ，空间任一点
Ｐ的坐标P（x,y,z)。
P点至原点O的距离是r, 管道开始排污的时刻为t=0,
y
P(x,y,z )
污染物排放速率为m(g/s).
O
x
zm
微分方程为：
式中：Ｄ为分子扩散系数，m=常数。 初始及边界条件：
三维扩散时间连续源的解法
引用三维扩散瞬时点源的结果
环境水力学
环境水力学1水库的污染指标：化学需氧量、总磷和五日生化需氧量。
2海域的污染指标：无机氮和活性磷酸盐。
3有哪些为特为河口区“避咸”，能举例。
4三种净化：物理净化：稀释、扩散、沉积化学净化：氧化分解、凝聚（悬浮物沉淀，淤泥吸附）生物净化：微生物的氧化分解相互关系：交织在一起。
5污染的定义：排入水体的污染物使该物质在水体中的含量超过了水体的本底含量和水体的自净能力。
6污染物的定义与分类：外来物质；对环境造成非预期的影响，或影响资源的质量外来物质进入水体、且造成了水质的破坏污染分类：❝Point source (点源)；Nonpoint source (线源，面源)❝瞬时源、持续源（恒定、非恒定）❝I类水体；II类水体水体？❝毒？有机？金属？放射性？细菌？热?•污染物分类：无毒有机物(降解消耗溶解氧水体富营养化)•无毒无机物(盐水入侵)•有毒有机物(农药/化工产品难分解在生物体累计)•有毒无机物(剧毒无机盐，氧化分解)•重金属(微量即有毒)•放射性物质(各种射线，危害显然)•细菌(动物排泄物)•热污染(热废水-破坏水生生物生态环境)7 浓度（描述水体污染程度的指标）定义为：在单位体积的水中含有的污染物质量常用单位（mg/l、ppm）8 S稀释度样品总体积与样品中所含污水体积之比、相对浓度：P=1/S，样品内的污水体积率9 分子扩散、随流输运、紊动扩散、剪切扩散的定义与区别。
10分子扩散：分子的布朗运动引起的物质迁移。
污染物由于分子扩散作用，在单位时间内按一定方向通过一定面积的污染物质量与该方向的浓度梯度成正比。
条件：物质有浓度梯度，从浓度高向浓度低的地方移动。
特点：分子扩散与温度和压力也有一定的关系；分子扩散不可逆意义：对于自然水体环境，分子扩散可以忽略，因为其量级远小于其他因素引起的物质迁移的量级。
但对其研究学习具有重要的启示意义！11随流输运：含有物质随水流质点的流动而产生的迁移。
12紊动扩散：水体在紊动状态时，随机紊动作用引起的物质扩散。
环境水力学(M3)
求极值
由 可得
dD dx xxc 0
xc
k2
u k1
ln[
k2 k1
(1
D0 C0
k2 k1 )] k1
S－P模型广泛应用于河流水质的模拟预测中。上述结 果可用于是u常数，且u很大，横向混合。
S－P模型的各种修正
• 非稳态模型 • Thamas修正 • Dobbins-Camp修正 • O’connor修正
103o 15 30 45 60 x
由于:
C10
m QuCu Qu Qe1
0.5 3106 15 0.5
Qe1=0.5m3/s Qe2=0.25m3/s 滩地
96770 MPN/100 ml
1
2
Qu=15m3/s
x
Cu=0
C20
Qu
m 2 Qe1 Qe2
0.25 3106 15 0.5 0.25
• 对于一维稳态河流的BOD—DO模型：通用性较强的是 多宾斯—坎普（Dobbins-Camp）模型，它全面地考虑 了河水中溶解的CBOD（或因地表径流引起CBOD的变 化）的迁移和反应，同时还考虑了与此相应的耗氧作用， 大气向河水的复氧作用、藻类的呼吸和光合作用等所引 起的溶解氧变化。
xl c2 (x) c20 exp[k1 V2 ], (x l)
c10
式中：c10
m 1 Q1
0
c20
c10
exp( k1
l V1
)
SD k1
(1
exp( k1
l V1
))
c20 浓度分布图
Q2 Q1
V2
Q2 A2
x
环境水力学的发展趋势和前景展望
环境水力学的发展趋势和前景展望环境水力学是一门新兴学科,其研究内容尚在探索与发展中。
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、冰凌水力学等等。
美国环境与水资源研究所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、泥沙输移和地形条件)、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”。
从与水污染有关的水力学问题来说,环境水力学主要研究地面及地下水域中物质的扩散、输移和转化规律,建立其分析计算方法,确定物质浓度的时空分布及其应用。
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。
环境水力学研究的方法有现场观测、模型试验、理论分析、数值计算等。
由于因素复杂，环境水力学具有跨学科性质，除流体力学外，还涉及化学、生物学、生态学的许多边缘内容。
它既是现代水力学的新分支，又是水资源保护和环境工程的重要组成部分，将日益受到重视而有着广阔的发展前景。
环境水力学的发展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。
a.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。
b.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。
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。
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,UOUT2PLM,UMERGE,UDKHDEN和ULINE),后经修改与完善,于1992年又推出了RSB和UM两个计算模型,1995年又将这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。
环境水力学
环境水力学环境水力学是一门多学科交叉学科，它集水文学、水质学、河流学、水土保持、河道工程和地理学等诸多学科为一体，综合研究人类活动影响下的河流、海洋、湖泊、水域、湿地等水环境的流体力学特性。
其中的水文学在环境水力学中起着核心的作用，河流水力学则是水文学的一个重要组成部分。
环境水力学研究的一个重要方面是河流的水文特征，比如水流的流出量、流速、深度形态特征以及水力结构参数，它也研究大陆水系的水文特征，比如河流源、分支、汇流等，大陆水系水库、湖泊、河岸水体和湿地联合形成的完整水文系统。
此外，环境水力学还涉及污染扩散、水土保持工程及其影响、水体生物学特性等，旨在更好的管理水系的全过程，减轻人类活动带来的环境污染和环境破坏，保障环境水资源的健康可持续利用。
环境水力学研究中，大量计算和数值模拟都很重要，这些模拟作为研究的重要工具和依据，其作用是建立比较准确的模型来表示水系中河道、湖泊、溪流和管渠、人类活动所造成的环境问题。
通过模型模拟，可以准确描述污染扩散的过程，从而为水环境的管理和保护提供依据。
环境水力学的关注点主要在水体流动环境，也就是水体内部的物质流动，以及水体外部的物质流入和流出。
比如：废水处理设备以及河流污染物的来源及分布状况，这种研究有助于提高环境水质，减少环境污染对生态系统的影响。
环境水力学的研究不仅对水环境的管理有重要的帮助，也为社会利益提供了可靠的服务。
比如把水力学计算与水资源利用进行结合，可以把水力学的理论应用到水利领域，促进水资源的可持续利用，为减少水资源浪费提供科学依据。
环境水力学是关注水环境管理过程中重要的一门多学科交叉学科，它研究和综合利用了水环境中的水文学、水质学、河流学、水土保持、排水工程等多学科知识，以把水资源管理科学、规范有效地运用，减少可能给社会带来的影响。
环境水力学教学设计
环境水力学教学设计前言环境水力学是土木工程和环境工程等相关专业的基础课程之一，它主要探讨与水有关的工程和环境问题，比如水的流动、淤积、沉降等。
如何将理论知识与实际应用相结合，是一个问题需要我们去思考。
本文主要探讨环境水力学的教学设计，从教学目标、教学内容、教学手段、教学评价等多个方面，为环境水力学的师生提供有益的指导。
教学目标•培养学生掌握环境水力学的基础理论和应用技能，能够有效地解决水文环境问题。
•培养学生了解水环境的整体概念，从而形成系统化思维模式。
•培养学生具有创新意识和实际应用能力，能够自主设计环境水利工程。
教学内容环境水力学的概述1.课程引入–环境水力学的定义和意义–学科前沿和发展趋势2.环境水力学的应用案例–河流治理工程–湖泊池塘治理工程–海岸带防护工程水动力学基础1.基本概念–液体的运动形式–流体的物理性质–流体与固体的相互作用2.流体运动的微分方程–连续性方程–动量方程–能量方程水文学基础1.基本概念–土地利用变化对水文循环的影响–降水量、蒸发量和径流量的测定2.降雨径流模型–均衡法–单峰过程模型–二峰过程模型河流和水库的水动力学问题1.水流的运动形式–河流水动力学概述–河流中的水流类型2.计算水流流速和水位–河流水位调控–水库控制流量3.河流冲刷和沉积分析–河道内锐化的机理–河床坡降的变化规律4.水库调度和泄洪–水库泄洪的原理–泄洪工程的设计和实施湖泊和海洋的水动力学问题1.湖泊、池塘和海洋的概述–湖泊和海洋的形成–湖泊和海洋的类型2.湖泊和海洋的水动力学–水热动力学概述–角动量平衡方程的应用3.湖泊和海洋的污染控制–污染物在水体中的传递和转化规律–污染控制的方法和技术教学手段为了让学生更好地理解环境水力学的概念和应用场景，我们可以通过以下教学手段去进行：1.实验教学–水流检测–水位测量–流速测量2.模拟仿真教学–建立河流、湖泊的数学模型，进行流场的计算和模拟3.讲解和讨论–课堂讲 explning–课后答疑教学评价1.考试为了检测学生掌握程度，我们可以设置期中和期末考试来检测学生的学习效果。
流体力学——1绪论
§1.2.2 研究任务
•污染物在水环境中行为的模拟和预测 •水质规划管理与评价 •水环境容量计算 •水质预警预报
§1.2.3 研究方法
•理论分析方法
理论分析方法揭示了流体和污染物运动的物理本质和各物理量之间 的内在联系，具有重要的指导意义和普遍适用性，但对于复杂流动 问题，难以直接求得解析解，因此要借助其他研究方法。
波罗的海地处北欧，纵横交错的河流小溪经瑞典、挪威汇入波罗的海。 波罗的海流经寂静的带有原始色彩的森林地区，森林地区的纸浆厂、造 纸厂成了危及波罗的海的污染源。 瑞典、芬兰的纸浆及纸张产量占世界总产量的 10%，两国每年排放的氯 化合物约30-40万吨，其中大部分流入波罗的海。
里海位于黑海以东约500公里，南部流域石油丰富，北部流域农业资源 和水资源丰富。
理论
自然科学 物理学 力学 流体力学
实践
工程技术
应用科学
土木水利工程
工程流体力学 水力学 环境水力学
1
§1.1 学科背景
绪
论
§1.2 环境水力学的研究任务与方法 §1.3 环境水力学学科发展概况 §1.4 物质在水体内迁移的主要方式
§1.5 本课程内容简介
第一章 绪论
产生背景
湖北省肖山县硫铁矿污染后的香溪河。
巴西、俄罗斯、加拿大、 中国、美国、印尼、印度 、哥伦比亚和刚果 9个国家的淡水资源占世 界淡水资源的60%
80个国家和地区的人口面临淡水不足 其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。
预计到2025年，全世界将有30亿人口缺水，涉及的国家和地区达40多个。
中国是一个严重缺水国家，淡水资源居世界第六位； 淡水资源的人均占有量只有2240立方米，仅为世界平均水平的1/4
环境水利学 备考材料整理汇总
名词解释:第一章环境水力学是研究水资源的开发利用和兴建水利工程过程中出现的环境问题和环境变化对水环境、水利工程以及水资源开发利用等影响的学科。
第二章生态系统是自然界一定空间的生物与环境之间相互作用、相互影响、不断演变、不断进行着物质和能量的交换,并在一定时间内达到动态平衡,所形成的相对稳定的统一整体,是具有一定结构和功能的单位。
生物富集生物个体或处于同一营养级的许多生物种群从周围环境中吸收氧和积累某种元素或难分解的化合物,导致生物体内的平衡浓度超过环境中浓度的现象就是生物富集。
第三章重金属污染物的危害 1.汞:有很强的脂溶性,易透过细胞膜进入生物组织,可在脑中积蓄,损害脑组织,破坏中枢神经系统;2.镉:毒性很大,蓄积性强。
以腐殖土壤吸附能力最强,也极易被作物吸收,进入人体后,可积蓄于肝脏和肾脏中;3.铬:易被生物体吸收和积蓄,具有强氧化性,对皮肤、黏膜具有强烈的腐蚀性;4.铅:可在人体内积累,引起贫血、神经炎、肾炎;5.砷:主要通过消化道、呼吸道及皮肤进入人体,影响生物新陈代谢,还可引起神经系统、毛细血管和其他系统功能性和器质性病变。
水体富营养化氮磷等植物养料一旦进入水体,会使水中藻类等浮游生物迅速过量繁殖,水中溶解氧含量相应急剧减少,从而使水体富营养化。
生物自净作用它属于天然水体当中,存在着各种各样的细菌、真菌、藻类、贝类、水草、原生动物、鱼类等水生生物,通过生物的新陈代谢作用,使水中的污染物数量减少、浓度下降、毒性减轻甚至消失。
河流水体的自净特点第五章污染物排放标准直接控制污染源,体现末端治理要求。
污染物排放标准以水环境质量标准和水质规划目标为依据,结合我国具体技术经济条件制定。
城市水体污染的控制和治理技术(物理法、化学法、生物法一级处理只去除废水中较大的悬浮物质(过滤、沉淀,也称机械处理;二级处理的主要任务是去除废水中呈溶解和胶体状态的有机物质,也称为生物处理和化学处理;三级处理也称为高级处理或深度处理,进一步去除废水中的营养物质(氮和磷、生物难降解的有机物质和溶解盐等。
环境水力学是最近二三十年发展起来的一门新兴学科
环境水力学是最近二三十年发展起来的一门新兴学科，是在古老的水力学和崭新的环境科学的结合点上发展起来的一门交叉学科，其内容涉及水文学、水力学、水化学、水生物学、生态学、湖沼学、海洋学和沉积学等，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。
正是由于这种学科之间的交叉，使得环境水力学的理论继承了许多传统内容，也不断地发展着自己的特有的理论基础，它涉及的内容有水力学、流体力学的基本理论:以及环境科学的一般理论。
从与水污染有关的水力学问题来说，环境水力学主要研究地表水及地下水域中物质的扩散、输移和转化规律，建立其分析计算方法，确定物质浓度的时空分布及其应用。
它还有属于本学科自身发展起来、不断充实的一些理论，如污染物在水体中的稀释、扩散、输移及自净规律，各种水体(湖泊、海洋与河流)中，各种排放条件下污染物的输移、运动规律等等。
环境水力学的研究对象主要包括污染物质在各种水体中的扩散和输移规律及其应用，它包括了天然环境中以及环境工程设施中水力学问题。
按动力特征区分，可将水域流动分为河道径流型、湖泊水库环流型，和河口海湾感潮型三种主要类型。
近年来，人们对污染物在各类典型河道中的输移扩散进行了大量的实验研究.要对河流、河口地区的水环境进行系统研究，必须弄清其动力因素，环境水动力学模型就是解决这类问题的有效手段。
水工模型试验在河流动力学、污染物对流、扩散机理研究中起着重要作用，但由于相似性问题、量测技术等技术性瓶颈使得物理模型的应用受到很大的限制。
随着数学模型和计算机硬件技术的快速发展，河流水动力学和物质输运过程的模拟己经成为现实。
因此有必要对河流、河口和海湾地区建立水动力数学模型，以便对宽浅型河流、河口进行长河段平面二维模拟，窄深型河流、水库进行立面二维模拟，对工程附近流动、强弯河流进行三维模拟，弄清水动力因素。
然后建立相应的水质模型，通过计算河流、河口中污染物的迁移过程，给出在各种排放形式和排放量情况下，各种污染物的浓度分布，给决策部门的水环境规划提供技术支持。
环境流体力学（水力学）
流体与固体的主要区别在于它们对外力抵抗的能力不同。
气体与液体的差别在于气体易于压缩，而液体难于压缩。
连续介质模型：物质连续分布于其所占有的空间，物质宏观运动的物理参数是空间及时间的可微连续函数。
液体是由大量不断地作无规则热运动的分子所组成。
密度：是指单位体积液体所具有的质量。
容重：是指单位体积液体所具有的重量。
黏滞性：当液体处于运动状态时，若液体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动。
运动液体中的摩擦力是液体分子间的动量交换和内聚力作用的结果。
液体温度升高时黏性减小：这是因为液体分子间的内聚力随温度升高而减小，而动量交换对液体的黏性作用不大，气体的黏性主要是由于分子间的动量交换引起的，温度升高动量交换加剧，因此气体的黏性随温度升高而增大。
压缩性：又叫弹性，液体受压后体积缩小，同时其内部将产生一种企图恢复原状的内力与所受压力维持平衡，撤除压力后，液体可立即恢复原状。
表面力：是指作用于液体的表面上，并与受作用的液体表面积成比例的力。
质量力：是指作用于液体的每个质点上，并与受作用的液体的质量成比例的力。
静止压力：静止液体作用在于之接触的表面上的水压力。
静水压强的特性：1.静水压强方向与作用面的内法线方向重合2.静止液体中某一点静水压强的大小与作用面的方位无关，或者说作用于同一点各方向的静水压强大小相等。
等压面：是指液体中各点压强相等的面。
等压面的性质：1.在平衡液体中等压面即是等势面2.等压面与质量力正交。
质量力只有重力作用的静止液体其压强具有如下一些性质：1.当液面中任意两点的静水压强相等（p1=p2）时，则z1=z2,即质量力只有重力作用的静止液体其等压面为水平面2.当z1<z2时，则p1>p2,即位置较低点的压强恒大于位置较高的压强，说明水越深其静水压强越大3.当已知某点的静水压强值及其位置标高时，便可求得液体内其他点的静止压强。
绝对压强：以设想没有大气分子存在的绝对真空状态作为起量点的压强。
环境水力学ch1
2020/1/30
环境水力学应运而生 4
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。
2020/1/30
5
1、环境水力学有关概念
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。
? 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。
2020/1/30
7
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。
2020/1/30
近区 远区
排污口
8
1、环境水力学有关概念
1）环境水力学及其研究内容
? 研究内容
2020/1/30
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主要参考书目
1. 环境水力学 张书农 河海大学环水所（1984）
2. 环境水力学 赵文谦 成都科技大学出版社
3. 环境水力学 徐孝平 水利电力出版社
4. 污水排放工程水力学 科学出版社（2001）
5. 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.
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）
环境水力学课程教学大纲-浙江大学海洋学院
环境水力学课程教学大纲课程代码：74120070课程中文名称：环境水力学课程英文名称：Environmental Hydraulics学分：1.5 周学时：1.5-0.0面向对象：预修要求：高等数学，流体力学一、课程介绍（一）中文简介《环境水力学》是浙江大学海洋学院为港口航道与海岸工程专业本科生开设的一门重要的专业基础课程。
随着现代工业经济对航道、海岸环境的破坏日益严重，《环境水力学》作为独立的学科于20世纪70年代应运而生，其内容主要涉及污染物在各类水体中的扩散、混合和输移规律；射流理论；分层流理论等。
通过本课程学习，期望学生理解环境水力学的重要价值和意义，掌握各种污染物在不同水体环境的扩散、混合和输移规律，提高运用基本理论知识解决航道、海岸等水环境污染问题的能力。
同时，本课程的学习大大有助于提高学生对《河流动力学》这一港口航道与海岸工程专业本科生重要必修课程知识的认识和掌握。
这是因为，河流动力学所讲授的水沙运动过程与污染物在水体中的扩散、混合和输运规律本质上符合相同的物理规律。
然而，传统《河流动力学》课程偏重对泥沙特性、起动、沉降速率，水流挟沙力等概念和知识的讲授，对于泥沙本身在水体中的扩散和输运过程则着墨较少。
（二）英文简介《Environmental Hydraulics》is an important degree program for undergraduate students of Ocean College at Zhejiang University. This subject was originally established in the 1970s along with the increasingly polluted water environments, which challenges the social safety. By this program, the students are hoped to understand the importance of environmental hydraulics, know the main issues in water environments, develop the ability to deal with water pollution issues using comprehensive methods. Specifically, this course is about in a quantitative way howpollutant is diffused, dispersed, and mixed in the water environments. What is also important is that by taking this course, it is very useful for students to get an improved understanding of river dynamics. It is because essentially sediment transport obey the same physical laws as pollutant. While the course of river dynamics pay more attention to the fundamental knowledge of sediment characteristics, sediment settling, transport capacity etc, less attention is paid to the transport and diffusion of sediments.二、教学目标本课程是港口航道与海岸工程专业的必修课。
环境水力学课程教学大纲
《环境水力学》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：260431课程名称：《环境水力学》英文名称：Environmental Hydraulics课程类别：专业选修课学时：36个学时学分：2个学分适用对象：环境科学专业考核方式：考查，其中考试成绩占70%，而平时成绩占30%先修课程：高等数学、水力学或流体力学二、课程简介环境水力学是一门新兴学科，是水力学的延伸与发展。
随着工农业生产的发展、人口膨胀和水污染日益严重，水环境引起人类社会的广泛关注，也促使环境水力学有了较大的发展。
本课程主要是研究污染物在水体中扩散迁移的基本原理。
中文简介英文简介（此项专业课、专业基础课、优秀及精品课程必须具备，其他课程不做要求）三、课程性质与教学目的本课程是环境科学专业的专业选修课之一，主要为了拓展学生的知识范围，使学生掌握环境水体污染的机理、环境水体中介质扩散传播规律、水体的污染与自净规律、环境水质的数学模拟预测、水环境容量的推求及水环境的质量现状评价，为今后学习环境评价提供理论基础。
四、教学内容及要求第1章绪论（一）目的与要求（二）教学内容第一节环境水力学的形成与发展1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第二节水环境基本概念1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第三节本课程概貌1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）（三）实践环节与课后练习（四）教学方法与手段第2章迁移扩散理论（一）目的与要求（二）教学内容第一节费克定律与扩散方程1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第二节瞬时源扩散1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第三节连续源扩散1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第四节有限空间的扩散1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第五节分子扩散的随机游动理论1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第六节紊动扩散的拉格朗日法1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第七节紊动扩散的欧拉法1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第八节岸边排放与中心排放污染带的计算1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）（三）实践环节与课后练习（四）教学方法与手段第3章剪切流离散（一）目的与要求（二）教学内容第一节管道剪切流离散1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第二节明渠剪切流离散1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第三节非恒定剪切流离散1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）（三）实践环节与课后练习（四）教学方法与手段第4章射流、羽流和浮射流（一）目的与要求（二）教学内容第一节紊动射流基本方程1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）4.紊流的半经验理论主要内容5.基本概念和知识点6.问题与应用（能力要求）第二节自由紊动射流的一般特性1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第三节平面紊动射流1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第四节圆形紊动射流1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第五节羽流1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第六节圆形浮射流1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第七节二维浮射流1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第八节浮射流的量纲分析法1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第九节多孔扩散器水力计算1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）（三）实践环节与课后练习（四）教学方法与手段第5章水质模型（一）目的与要求（二）教学内容第一节河流BOD-DO耦合模型1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第二节河流综合水质模型1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第三节湖泊水质模型1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第四节重金属污染模型1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）（三）实践环节与课后练习（四）教学方法与手段第6章地下水污染模型（一）目的与要求（二）教学内容第一节概述1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第二节地下水污染的随机模型1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第三节地下水污染的黑箱模型1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第四节典型弥散问题的解析解1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）（三）实践环节与课后练习（四）教学方法与手段第7章分层流（一）目的与要求（二）教学内容第一节分层渐变流基本方程1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第二节分层均匀流1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第三节分层非均匀流1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第四节内波运动与交界面的稳定性1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第五节选择性取水1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）（三）实践环节与课后练习（四）教学方法与手段第8章生态水力学引论（一）目的与要求（二）教学内容第一节鱼类的生态特性1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第二节鱼道水力设计1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）第三节过鱼孔出流特性1.主要内容2.基本概念和知识点3.问题与应用（能力要求）（三）实践环节与课后练习（四）教学方法与手段“各教学环节学时分配”中，“其它教学环节”主要指习题课、课堂讨论、课程设计、看录相、现场参观等教学环节。
看完这个，65条环境水利专业名词释义你就搞清楚啦！
看完这个，65条环境水利专业名词释义你就搞清楚啦！生态水利研究水利与环境相互关系的学科。
理论基础是环境水力学、环境水文学、环境水化学(水污染化学)、环境水生物学(污水生物学)等。
主要研究内容包括：(1)水资源保护。
可分为水质和水量两个方面。
前者包括水质监测、水质调查与评价、水质管理、水质规划、水质预测等；后者包括节约月水和污水重新利用等。
(2)水利工程的环境影响评价。
(3)流域(区域)、城市环境水利。
包括流域(区域)、城市环境水利规划、水污染综合防治和环境水利经济等。
1 环境水力学(environmental hydraulics)亦称“污染水力学”或“水质动力学”。
研究污染物质在水体中的稀释、扩散、迁移、转化规律的学科。
是流体力学在近代应用方面的新的分支。
应用流体力学的原理，以及水中污染物质的质量守恒，建立污染物质在水体中的迁移扩散方程，从而计算其在水体中浓度的时空分布，为水质预测、预报和管理服务。
2 环境水文学(environmental hydrology)环境学与水文学相互渗透的一门边缘学科。
以水文循环的观点，把水质与水量密切联系起来，从事环境问题中的水文研究。
主要研究内容有：(1)各种水体水质污染的形成、发展、变化规律。
如面污染源降雨冲刷污水的形成及其定量估算；点或面污染源的废污水进入水体后的运动演化规律及其与水体水文特性的关系。
(2)由于环境改变所引起的水文水质效应。
如城市化所引起的特殊暴雨的径流规律和水质变化；水利工程对水文水质的影响；森林及农耕的水文水质效应等。
3 水质本底值(baekground value of water quallity)亦称“自然背景值”。
指水体尚未受到明显和直接污染的水质成分、含量和状况。
反映水体水质在自然界存在和发展的过程中，原有的成分和特征，亦即原始状态，是水体污染的对照值。
水体附近兴建工程前进行水环境影响评价时，常需进行水体水质本底值调查，以作为兴建工程后水质受影响的对比标准。
环境水力学概述
) 4
f () 2A1
2 0
exp(2
)d
A2
由边界条件
x 0, f 1; x , f 0
得：
A1
1
A2 1
CC0[1er[f
x ]] 4Dt
1、一维扩散时间连续源
设源断面为空间坐标的原点，开始投放 时刻为时间起点。
c0
O
x
建立坐标系。扩散方程为：
ct D x2c2,t0, x
环境水力学概述
路漫漫其悠远
少壮不努力，老大徒悲伤
回顾 注意点：公式中的 x应理解为计算点P距排放点 的距离；t 应理解为距某一指定时刻的时段长。
一、瞬时源
1、集中源 2、分布源
一维分子扩散
c(x,t)
M
x2
e 4Dt
S 4Dt
一维分子扩散 延伸分布源
有限分布源
第三节 若干定解条件下一维扩散方程的解
dcdSc0
(x)2
e 4Dt
S 4Dt
h
c(x,t) h
c0
(x)2
e 4Dtd
4Dt
类似地，可通过变量代换求解， 请同学们课后练习。
解法（2）
两个延伸分布源相减：
c ( x ,t) c 1 ( x ,t) c 2 ( x ,t)
其中： c1(x,t)c2 0[1er(fx4 D h)t]
其中，无量纲变量 x
Dt
C0为恒定时间连续源的投放浓度。
于是：
C t
C0
f
t
而
x (1)1
t Dt t 2t
故 C C0 f C0 df
t
2t
2t d
由于：
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?
D
?2c ?x2
,t
?
0
c ? c0,? h ? x ? h,t ? 0
c ? 0, x ? ? h,t ? 0
x ? h,t ? 0
解法（1） ——源分解，再叠加
dc
?
d?
?S ?c0
? ( x? ? )2
e 4Dt
S 4?Dt
h
? c(x, t) ? ?h
c0
? (x?? )2
e 4Dt d?
设想用一张平面在 x=0点把它们截开分为两半， 显然不影响浓度分布。这种情况可用来表示一端是 固壁的有限分布源的扩散。
b)t ?0, |x|≤h, c=c0；|x|>h, c=0；满足初始条件。
静水中一维初始有限源扩散演示
二、时间连续源
? 若污染物质的投放不是一次瞬间完成的，而 是持续一定时间，这样的污染源称为时间连 续源。
一维分子扩散 延伸分布源
有限分布源
第三节 若干定解条件下一维扩散方程的解
1、集中源 2、起始分布源
1) 一维延伸分布源 2) 一维有限分布源
二、时间连续源
1）、一维延伸分布源
物理模型： 在一条长管中，左端（ x≤0）充满了浓 度均匀的红色染液，染液浓度为 c0,管子的右端（ x ＞0）装满清水。
4?Dt
类似地，可通过变量代换求解， 请同学们课后练习。
解法（2）
两个延伸分布源相减：
c( x, t ) ? c1 ( x, t ) ? c2 ( x, t )
[ 其中：
c1 ( x, t ) ?
c0 2
1 ? erf
(
x? h 4 Dt
)]
[ c 2 ( x, t ) ?
c0 2
1 ? erf
(
环境水力学
Environmental Hydraulics 随流扩散方程的若干解析解
环境工程教研室 郑天柱
回顾
一、瞬时源
注意点：公式中的 x应理解为计算点P距排放点 的距离；t 应理解为距某一指定时刻的时段长。
1、集中源 2、分布源
一维分子扩散
c( x, t ) ?
M
? x2
e 4 Dt
S 4? Dt
?S ?c0
? ( x?? )2
e 4 Dt
S 4? Dt
-∞
c0 OO
积分求解：
0
c(x, t) ? ? dc ? ???
c0
? (x?? )2
e 4Dt d?
4?Dt
变量代换
取 u? x??
4 Dt
则
? c ( x, t ) ? c 0
?
? x 4 Dt
e ? u 2 du
? c 0 [ 1 ? erf ( x )]
x? h 4 Dt
)]
[ 所以： c ( x, t ) ? c0 erf ( x ? h ) ? erf ( x ? h )]
2
4 Dt
4 Dt
讨论：
c ( x, t ) ? c 0 [ erf ( x ? h ) ? erf ( x ? h )]
2
4 Dt
4 Dt
a)分布曲线关于 x=0 对称，且随着 t 的增大，浓度分 布渐趋平坦；
?t
2t ??
? ? C 0 ? df 2t d?
? 由于：
?C ?x
?
C0
?f
??
??
?x
? 因为 ?故
?? ? 1
? x Dt
? 2C ?x2
?
? (?C ) ? ?x ?x
C0
?
(
?f
??
??
) ?x
??
??
?x
?
C0
1 Dt
?2 f
?? 2
? C0
1 Dt
d2 f
d? 2
? 将上述结果代入一维扩散方程中
求解方法之一：
? 量纲分析法
? 设解为
C (x, t) ? C 0 f (
x Dt
)
?
C0
f (? )
其中，无量纲变量 ? ? x
Dt
C0为恒定时间连续源的投放浓度。
? 于是：
?C ?t
?
C0
?f
??
??
?t
?而
?? ? x ? ( 1 ) ? ? 1 ?
?t
D ?t t
2t
?故
?C ? ? C0 ? ?f
在t =0时，突然开启隔离红色染液和清水的闸板。 管左端的红色染液立即向右端扩散。在 x 正方向， 初始浓度具有 瞬时源的特征。
由于左边的红色染液是无限延伸的，所以染 液只会沿x 方向扩散。
建立坐标系,一维扩散方程为：
?c ?t
?
D
? 2c ?x2
,t
?
0,??
? x ? ??
定解条件：
x O
c( x,0)
C01=10 mg/L O
t=0
C02=8 mg/L
x
例3答案
c ( x, t ) ? c 02 ( x, t ) ? c 01 ? 02 ( x, t )
其中： c 02 ( x, t ) ? 8 mg / L
c01 ? 02 ( x, t ) ?
c 01 ? c 02 2
erfc (
x) 4 Dt
?
??c0 ,x? 0 ?
?? 0,x? 0
误差函数
erf ( z) ?
2
?
?0ze ? t 2 dt
性质：a)奇函数 erf (? z) ? ? erf (z)
b)
erf (0) ? 0, erf (? ) ? 1
余误差函数定义为
? erfc(z) ? 2 ? e?t2 dt ? 1? erf (z)
? 10 ? 8 erfc (
x
)( mg / L)
2
4 ? 2 ? 10 ? 5 t
2) 一维初始有限分布源
如果初始分布不是一端无限，而是局限在一定范围中间， 如图，染料向两端扩散。
z dξ
c0
O
x
h
h
一维初始有限分布源浓度分布
c
dz
ξ
cO
X
0
hh
设坐标原点在源的中间，则定解问题为：
?c ?t
?z
利用瞬时集中源一维分子扩散的结论求解。
dξ
-∞
c0 O
Ｐ
x
在右端x＞0的浓度场，可看成是各个 dξ微元引 导的分浓度场的叠加。
源分解，再叠加
x
P
dξ
-∞
c0 O O
x
c
对于Ｐ点而言，该பைடு நூலகம்的实际浓度
值是所有各个dξ扩散至这一点的浓
度之和。
O
x
单个dξ微元引导的浓度为：
dξ -ξ x
P
dc
?
d?
2
4 Dt
? c 0 erfc ( x )
2
4 Dt
浓度分布
初始浓度
c ( x, t ) ? c 0 erfc ( x )
2
4 Dt
c c0 c0/2
o
扩散至t 时刻浓度 x
一维延伸源扩散演示
例题3：
如图，某足够长的河道，在某时刻的浓度分 布为C01=10 mg/L ，C02=8 mg/L ，求C(x,t)=? (已知 D＝2×10-5cm2/s)
1、一维扩散时间连续源
设源断面为空间坐标的原点，开始投放时刻为 时间起点。
c0
O
x
建立坐标系。扩散方程为：
?c ?t
?
D
? 2c ?x2
,t
?
0,??
? x ? ??
初始条件：c(x, t) ? 0, x ? 0, t ? 0
? c0 ,x? 0,t ? 0 边界条件：c(x, t) ? ?
?0, x? ?? ,t ? 0