环境水力学(M3)
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
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环 境 水 力 学
谢谢大家 ！
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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
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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。
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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。
环境水力学案例分析
1、 某河段河水的水温为15 ºC ，水力水质数据如下图，试计算距始端60，90km 处的BOD 、DO 浓度值。
Q 11L 11O 11解：此题不考虑弥散作用。
使用Streeter-Phelps 模型：)(211s O O K L K dxdO u LK dx dL u -+-=-=在上边界给定L(0)=0L ,O(0)=0O 的条件下，其解为：)()(//2101/0/02121ux K ux K ux K s s ux K eeK K L K eO O O O eL L ------+--==水温T 与s O 的关系是：s O ＝T+6.3146815度时s O =10.06 mg/L在第一个断面，有01L ＝,/8650.686400400004040*0600*864004000011111L mg Qq QL L q =++=++01O ＝,/9563.986400400004040*1*864004000011111L mg O Qq QO O q s =++=++x=60000m 时，L mg eL e L L ux K /58.332.0/60000*86400/3.001/01601===--O 60=L mg eeK K L K eO O O ux K ux K ux K s s /48.8)()(//21011/01212=--+-----在第二个断面，先发生混合，然后衰减。
L mg q Q q L q L Q q L /2889.4)(212260102=++++=L mg q Q q O q O Q q O /4696.8)(212260102=++++=在第二个断面，有 x=30000m 时，L mg eL eL L ux K /78.232.0/30000*86400/3.001/2901===--O 90=L mg eeK K L K eO O O ux K ux K ux K s s /42.8)()(//21021/02212=--+-----2、某船在河中出现事故性漏油，在很短的时间内有500公斤的柴油进入河中，已知该河段的流量为50m 3/s ，河段平均流速为30 km/d ，弥散系数为20 m 2/s ，求：（1） t ＝1000s 时，油浓度最大出现地点；（2） t ＝2000s 时，包含了95% 的柴油的河段长度； （3） 距出事地点800m 处最大浓度出现的时间。
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。
国家开放大学《环境水力学》形考作业1-9参考答案
国家开放大学《环境水力学》形考作业1-9参考答案形考任务1一、单选题（2个*15分=30分）1._______的含义是“以人类社会为主体的外部世界的总体”。
A. 环境B. 自然界C. 生态系统D. 无2.资源水利的核心是（）。
A. 水利工程设施的建设B. 水资源的优化配置C. 注重经济效益，轻视社会效益D. 工程的技术可行性二、多选题（2个*20分=40分）3.环境是指影响人类社会生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素总体，包括_____、______、_______和_______等。
A. 大气、水、海洋、土地B. 矿藏、森林、草原、野生动物C. 自然古迹、人文遗迹、自然保护区D. 风景名胜区、城市、乡村4.环境与社会经济可持续发展的关系是（）。
A. 环境与经济是对立统一的，既相互依存又相互制约。
B. 环境是发展经济的物质条件和基础，可以直接支持和促进经济发展。
C. 环境的承载力是有限的，因此环境又会在一定时期制约着经济发展的方向、规模和速度。
D. 经济增长战略和增长方式符合生态经济规律，经济发展就会有利于环境保护，可以为改善环境提供资金和技术支持；否则若以大量消耗资源、粗放经营为特征的传统发展模式盲目地进行掠夺式的开发建设，牺牲环境求发展，势必造成环境的污染与破坏。
三、判断题（3个*10分=30分）5.所谓“工程水利”，就是以水利工程设施的建设为核心，通过工程措施除水害、兴水利，以满足人们安居乐业的需要和实现社会经济的发展。
（√）6.所谓“资源水利”，就是把水资源与国民经济和社会发展紧密联系起来，进行综合开发，科学管理，实现水资源的可持续发展。
主要体现在水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护等六个方面。
（√）7.资源水利是工程水利的基础，工程水利是资源水利的发展与提高。
（×）形考任务2一、单选题（5个*8分=40分）1.化学指标是评价水质优劣的主要指标之一，下列哪一项不属于化学指标。
环境水力学习题
1、水体污染的定义是什么？（环境水力学第三章）水体污染的定义为：由于人类活动或天然过程而排入水体的污染物超过了其自净能力，从而引起水体的水质、生物质质量恶化，称为水体污染。
2、概括地说，水体污染可造成哪些危害？概括起来，水体污染可造成如下危害：（1）对人体健康的直接危害：主要表现在急（慢）性中毒、致癌、影响人体发育、破坏某些器官的功能。
这种危害一般涉及面大，潜伏期长，一旦发生后果很严重，甚至会影响下一代人。
（2）对工业的危害：由于污染引起水质恶化，使大量水不能满足工业用水的基本要求，从而造成工业设备的非正常损耗破坏（如锅炉腐蚀），导致产品质量降低或不合格。
对造成污染源的工矿企业来说，由于水污染造成的问题又严重制约其发展。
（3）对农业的危害：污水对土壤的性质有很大影响。
不经处理的污灌，往往会破坏土壤原有的结构、性能，使农作物直接或间接受到危害。
一方面表现在农作物生长不良，引起减产，另一方面一些有毒污染物潜伏隐藏在农作物的茎、叶、果实中，通过食物链富集危害人体，也可能引起地下水的污染。
（4）对渔业的危害：在淡水养殖业中，水体污染会造成水产品的绝收、减产、降质，而渔产品中污染物富集和湖、塘的富营养化问题，更是不能令人忽视。
（5）对社会生活的危害：由于水体污染经常引起社会矛盾、经济纠纷，从社会学角度看，这将影响社会生活的和谐和社会结构的安定，这种巨大损失很难用经济指标衡量。
3、水体的富营养化污染指什么？其危害是什么？水体富营养化指氮、磷等植物养料随工业废水和城市生活污水进入水体后，会使藻类等浮游生物迅速过量繁殖，水中溶解氧相应急剧减少，从而使水质恶化，造成水体富营养化。
其危害是：（1）使水质恶化，水体生态平衡被破坏水体的富营养化会使水质恶化，透明度降低，大量藻类生长，消耗大量溶解氧，使水底中的有机物处于腐化状态，并逐渐向上层扩展，严重时，可使部分水域成为腐化区。
这样，由一开始的水生植物大量增殖，到水生动植物大量死亡，破坏水体的生态平衡，最终导致并加速湖泊等水域的衰亡。
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。
环境水力学例题复习
2013-5-13
O x
环境水力学 13
例6答案
源强m VC0为干物质质量 ( g ) 2VC0 / A x c( x, t ) exp[ ], ( x 0) 4 Dt 4Dt
2
说明：源在岸边时，各点浓度是没 有反射边界时的２倍。
例题7：
已知矩形渠道，底宽B＝10m，水深h=2m，糙率 n=0.02，断面平均流速u=1m/s。 求 Ex=? 解：利用谢才公式
例题５：
如图，某足够长的河道，在某时刻的浓度 分布为Ｃ01=10mg/L,C02=8mg/L,求C(x,t)=? (已知 D＝2×10-5cm2/s)
t=0
C01=10mg/L
O
C02=8mg/L
例5答案
c( x, t ) c02( x, t ) c0102( x, t )
其中：
c02 ( x, t ) 8mg/L
2013-5-13
环境水力学
25
习题2
有一层很厚的有机物浸在静止的水体中，它不 断地向水体提供营养物质。该营养层面积很大，使营 养物质只能向水下扩散(营养物质浮在水体上部)，营
养物通过该层底缘向水下由分子扩散传递质量。该层
营养物质浓度始终保持为饱和浓度 cs,营养物质的消 耗与其浓度成正比。在这种恒定质量传递过程中质量
2013-5-13
环境水力学
20
例题8解答
3．断面平均浓度， 由定义
1 B 断面平均浓度为 c c( x, y )dz B 0 B 1 qc0 / h uy2 0 exp[ 4 E y x ]dy B x u 4E y u qc 或者按充分混合公式： 0 c Q 0.2 100 0.05ppm 1.0 4.0 100
国家开放大学《环境水力学》单元自测参考答案
国家开放大学《环境水力学》单元自测参考答案第1章绪论1.环境与环境保护的概念是什么？参考答案:环境是指影响人类社会生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生动物、自然古迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。
环境保护就是利用现代环境科学的理论与方法，在合理开发利用自然资源的同时，深入认识并掌握污染和破坏环境的根源和危害，有计划地保护环境，预防环境质量的恶化，控制环境污染，保护人体健康，促进经济、社会与环境协调发展，造福人民，贻惠于子孙后代。
2.工程水利与资源水利的内涵、区别与联系？参考答案:所谓“工程水利”，就是以水利工程设施的建设为核心，通过工程措施除水害、兴水利，以满足人们安居乐业的需要和实现社会经济的发展。
所谓“资源水利”，就是把水资源与国民经济和社会发展紧密联系起来，进行综合开发，科学管理，实现水资源的可持续发展。
主要体现在水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护等六个方面。
区别与联系：①工程水利是资源水利的基础，资源水利是工程水利的发展与提高。
②工程水利与资源水利相互依存，共同发展。
③资源水利是对工程水利的延伸和发展。
第2章水环境与生态学基础1.水和水体的区别？参考答案:在环境领域中，水和水体是相互有联系的两个不同概念。
水就是指纯粹意义上的H2O，不含任何杂质。
水体则是一个完整的生态系统或自然综合体，除了贮水体中的水外，它还包括水中的悬浮物、溶质、水生生物和底泥。
2.氮、磷、有机物对水质的影响？参考答案:水体中氮、磷的浓度过高，就会使浮游植物大量繁殖，造成水体的富营养化。
有机物可以笼统地分为容易降解的有机物和难降解的有机物。
容易降解的有机物能够立即被微生物所利用，是导致水体溶解氧下降的主要原因。
而难降解的有机物，除腐殖质和纤维素之外，大多是毒性比较大的有机物，在水体中容易积累，导致长期毒理效应。
有机物对水体中其他物质的存在形态起着重要的调节作用。
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。
3、环境水力学-迁移扩散理论-剪切流的离散
K Ex Kl
通常情况下紊动扩散系数远远小于离散扩散系数，于是有：
K Ex K l K l
式中K称为综合扩散系数，但更多的仍然称为纵向分散系数。 于是（2-12）可以写成：
C C 1 C AK t x A x x
（2-13）
当过水断面为常数（均匀流）时，且K不沿流程改变的时候， 上式简化为：
A
也可以采用费克定律的格式，将 Q 表示为
（2-15） （2-16）
C Q AK x
1 K C A x
联立（2-15）和（2-16），得K值的基本计算式
A
ˆˆ uCdA
（2-17）
以下， 讨论圆管管流、二维明渠中的离散问题。
三、剪切流的离散
剪切流的离散方程 圆管均匀流的纵向离散 二维明渠均匀流的纵向离散
dx
若所研究扩散物质为示踪物质，dt时段内流入与流出的扩散 物质之 差应当与流段内扩散物质增量相等，即
CAdx dt uCdAdxdt t x A
或
CA t
x
A
uCdA
（2-1）
在一元流的过水断面上，任意点的实际流速（即瞬时流速）u 可以分解为三个部分，即
r r0
，得：
2C 1 C C 2 2 C r0 uc r0 1 D 2 t x
2
移项可得式（3-4）：
2C 1 C r0 2 C uc r0 2 2 C 1 2 D t D x
无侧向入流的明渠一维非恒定流连续性方程为：
A A 0 t x
（2-8）
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。
环境水力学 第三章液体一元恒定总流基本原理
由于管段收缩使得同一时刻 收缩管内各点流速沿程增加而产 生的加速度即为迁移加速度（此 值为正）
12
图2－2
第三章 液体一元恒定总流基本原理
3.2 描述液体运动的两种方法
Lagrange法优缺点
√ 直观性强、物理概念明确、可以描述各质点的时变过程 × 数学求解较为困难，一般问题研究中很少采用
Euler法的优越性：
3.3 液体运动的几个基本概念
一维流动、二维流动、三维流动
1.三维流动：若流动要素是三个空间坐标的函数，则这种流动 称为三维流动。例如，空气绕地面建筑物的流动、水在自然 河道中的流动等。 2.二维流动：若流动要素只是两个空间坐标的函数而与第三坐 标无关，这种流动称为二维流动。例如，水在矩形渠道中的 流动 。 3.一维流动：流动要素只是一个空间坐标的函数的流动称之为 一维流动。通常河道、渠道、管道中，流动要素是三个坐 标的函数，如果流速用平均流速来代替，它们的流动也看 成一维流动来处理。
(a, b, c)
区分不同流体质点
任意时刻的运动坐标
( x, y , z )
流体质点的位移
第三章 液体一元恒定总流基本原理
3.2 描述液体运动的两种方法
拉格朗日法（ Lagrange法）
运动描述
速度表达式
x(a, b, c, t ) u x u x (a, b, c, t ) t y(a, b, c, t ) u y u y (a, b, c, t ) t z (a, b, c, t ) u z u z (a, b, c, t ) t
3.2 描述液体运动的两种方法
欧拉法（ Euler法）
y ux 加速度： a y t
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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
Qe1=0.5m3/s
例题
1
Qu=15m3/s
Cu=0 V=0.25m/s
两污水处理厂出水总大肠杆菌浓度为3×106MPN/100ml， 要保证下游滩地总大肠杆菌不超过2000MPN/100ml，问污 水处理厂允许排放大肠杆菌浓度为多少？ lnc
解:
k1
V
ln( x2
c1
/ c2 x1
)
105
0.2586.4 ln( 35000 / 5000)
104
45 10
1.20 d1
即下游10km处BOD浓度为13.60mg/L
五、空间流量变化时分布源
基本扩散方程为：
Q dc A dx (v k1)c vcI SD 0
V 1 dQ A dx
式中:cI表示渗透入水体的浓度
Qu V Cu=0
sD为分布源排放量[M/L3T]
一般解为： c(x) [c0 I (x)]exp[(x)]
CR=300mg/L
解:
QR＝0.1m3/s
V Qu 1 0.056m/s A 18
Qu=1 V Cu=0
SD
QeCe LA
0.1 300 1000 18
1.667 103(g/m 3 s)
1km
c(x)
SD k1
[1
exp( k1
x V
)]
0<x<l
c(x)
c0
exp[ k1
x l ], V
Qe1
Ce1 1
1
l
Q1 Qu Qe1
V1
Q1 A1
Qe2 Ce2
2
2
Q2 Q1 Qe2
V2
Q2 A2
解得:
c1
(x)
c10
exp[
k1
x V1
],当0
x
l时
c2
(x)
c20
exp[ k1
x V2
l
],当x
l时
c10
式中：
c10
m 1 Q1
c20
m 2 Q2
Q1 Q2
c10
exp(
k1
l V1
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
21.6
21.6
62047.0 40292.5
102339.5MPN/100 ml
排放量应削减 102339.5 2000 100% 98.1%
102339.5
允许排放浓度 3106 (1 0.981) 57000 MPN/100 ml
例题
合流雨水溢流管以0.1m3/s流量，BOD浓度300mg/L，均匀排入1km 长的河段，设上游来水流量1m3/s，BOD浓度为0，河流中BOD降解 速率为0.4d-1,试求下游10km处BOD浓度。（截面面积18m2)
1 某河段设有两个污水处理厂排水口，监测
5km
Qe2=0.25m3/s 滩地 2 x
2 3km
下游大肠杆菌资料如下：
Q1 Qu Qe1
Q2 Q1 Qe2
x(km)
12.5 26.0 38.6 51.6
c(MPN/100ml) 46500 16800 9000 3000
V1
Q1 A1
V2
Q2 A2
)
c20
0 浓度分布图
x
2、点源和分布源相叠加
Qu V
扩散方程简化为：
V
dc dx
k1c
Cu=0
SD
c(0) c10
c(l) c20
解得:
c1 ( x)
c10
exp[ k1
x V1
]
SD k1
(1
exp( k1
x V1
))
Qe1
Ce1
1
2
1
l
2
Q1 Qu Qe1
V1
Q1 A1
(0 x l)
当
k1t* 3
时， c 0.95 SD k1
当
k1t* 4.6
时， c 0.99 SD k1
V
o
m (g/m.s)
x
外部源输入
m SD A
A BH
c
SD k1
x
o
t*
四、多个源输入叠加
1、两点源叠加（忽略分散作用）
扩散方程简化为：
V
dc dx
k1c
c(0) c10
c(l) c20
Qu V Cu=0
边界条件： c(0) 0
式中，SD为连续输入分布源(g/m3.s)
H
V
o
m (g/m.s)
x
外部源输入
m SD A
A BH
o
x
V
S B (g/m2.s)
内部源输入
SD
SB H
上述方程的解为：
B
c(x)
SD k1
[1
exp( k1
x V
)]
SD k1
[1
exp( k1t * )]
式中：t*为行进时间。
环境水力学
郑天柱
扬州大学 环境科学与工程学院
第 2 节 河道远区浓度场的计算方法
一、瞬时点源远区动态解 二、连续点源远区稳态解 三、连续分布源远区稳态解 四、多个源输入的叠加 五、空间流量变化时的连续分布源远区稳态解
三、连续分布源远区稳态解
1、不考虑分散作用
• 一维随流方程
B
V
dc dx
k1c
SD
其中： (x) k1 vdx
xv
I (x) x vcI sD exp((x))dx 0v
渗透水 q SD
五、空间流量变化时分布源扩散解
c
1、线性输入
c0
当断面A处的流量为线性变化
时，Q＝Q0＋qx ,则 V Q0 qx
A
cI 0
v q A
(x) k1 q / Adx
xv
当k1=0时，
(x)
ln
Q0 Q0
qx
m c(x)
Q0 qx
k1=0 c c0
k1≠0
1 Ak1
当k1≠0时，
(
x)
ln
Q0 Q0
(x
l)
CR=300mg/L
QR＝0.1m3/s
c(x)
SD k1
[1
exp( k1
x V
)]
Qu=1 V Cu=0
1km
c0
SD k1
[1
exp( k1
l V
)]
28.80mg/L
c(x)
c0
exp[ k1
x V
l
]
C(10) 28.80 exp[ 0.4 (10 1) 1000] 13.60mg/L 86400 0.056
47600 MPN/100 ml
V=0.25m/s
1
5km
Q1 Qu Qe1
2 3km
Q2 Q1 Qe2
V 0.2586.4 21.6km/d
V1
Q1 A1
V2
Q2 A2
当x>5时:
c(x)
c10
exp( k1
x V
)
c20
exp( k1
x V
5)
在x=8km处, c(8) 96770 exp(1.2 8 ) 47600 exp(1.2 8 5)