环境水力学的研究进展与发展趋势.
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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,我国也出版了这方面的专著
[19,20]
。
c .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 -ε双
方程紊流模型,基于重整化群RNG的K -ε双方程紊流模型,雷诺应力传输方程模型及大涡模拟等
1环境水力学研究的主要进展
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
[2,3]
、山区河流[4,5]
、分汊河段
[6]
、交汇河段
[7]
水资源Hale Waihona Puke Baidu护□2002年第1期
作者简介:李玉梁(1937—
,男,四川兴文人,教授,博士生导师,主要从事环境水力学研究与教学。环境水力学的研究进展与发展趋势
李玉梁,李 玲
(清华大学水利水电工程系,北京100084
摘要:对20世纪70年代以来环境水力学的主要进展及研究内容进行了综述,指出当前环境水力学发展的两个重要趋势,一是研究对象由无生命组分进入有生命组分,向生态水力学发展;二是与“3S ”结合,研究水域由小变大,向流域性水域发展。最后提出了“三水”转换水质模拟,挟沙水流水质与生态模拟等值得研究的前沿性问题。
关键词:环境水力学;水质;紊流模型;生态模拟;水生态;综述中图分类号:X143文献标识码:A文章编号:1004Ο6933(200201Ο0001Ο06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”[1]
、
潮汐河段
[8]
、尾流
[9]
、分层流[10,11]
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
[12~16]
,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
d.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、生物化学需氧及化学
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;应用范围由河流、水库、湖泊等单一水体向流域性综合水域发展;计算的时空网格数几何增长;地理信息系统开始在水质模型中应用[28]。国内外的水质模型很多,国外常用的水流水质模型有美国环境保护局研制的QUA L2[29],W ASP5[30]及BASI NS,美国陆军工程兵团研制的CE2QUA L2R1[31],CE2QUA L2 RI V1[32],CE2QUA L2W2及W QRRS[33],美国地质调查局研制的GE NSC N和M MS,丹麦水力研究所研制的MIKE11[34],MIKE21[35],MIKE3及MIKE SHE等。
e.数字图像处理技术在环境水力学试验中的研究与应用,有力地推动着环境水力学的发展。所谓数字图像处理即利用胶片、录像等记录反映物理量性质的图像,通过图像处理、分析手段定量得出物理量分布的现代化量测方法。在环境水力学试验中应用这种技术已可进行流速场、浓度场和温度场的二维和三维量测。该技术在不干扰流动的情况下有迅速获得瞬时
[21~27]
。
20世纪90年代以来,基于多种紊流模型的计
算流体力学软件已走向商业化,例如F LUE NT ,Star 2C D ,Phoenix及CFX等软件。这些软件的新版本除
有可供选择的多种紊流模型外,还有可供选择的计
算方法(有限差、有限元、有限体积等和计算网格系
・
1・
统(直角、圆柱、曲面、旋转坐标、多重网格和精细网格等,可进行零维至三维、稳态与非稳态、单机与并行、内流与外流、流场和保守物质浓度场、流体与固体耦合等计算。此外还有前、后处理系统,可进行计算网格的自动生成和计算成果的实时处理。我国已有不少单位购置了这类软件。
。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。
如果说传统水力学主要是研究水流自身运动规律的话,环境水力学则主要是研究水体中所含物质的运动规律,是传统水力学的一种发展,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,是一门综合性很强的交叉学科。
了5个污水排海稀释度计算模型(UP LUME ,UOUT 2P LM ,UMERGE ,UDKH DE N和U LI NE ,后经修改与完
善,于1992年又推出了RS B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P LUMES软件,从而使P LUMES模型能进行近区和远区的稀释计算。这些模型的详细情况可见参考文献[17,18]。与上述计算模型不同,1993年美国康乃尔大学Jirka等建立了一个基于长度尺度的C ORMIX模型,它实际上是一个含有大量试验数据
从上述环境水力学的进展中,可以看出环境水力学发展有如下重要的趋势。
2.1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
、连续、全场、详尽信息的特点,它是随图像显示技术和计算机的发展而迅速发展起来的一种新技术[36]。
数字图像处理技术的观测结果不仅对工程实际具有重要的实用价值,而且对于研究紊动扩散输移的机理,建立与验证计算模型以及用分形分维的思路来研究紊流等都具有重要价值[37,38],正在促进着环境水力学的发展。
2环境水力学的发展趋势
[19,20]
。
c .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 -ε双
方程紊流模型,基于重整化群RNG的K -ε双方程紊流模型,雷诺应力传输方程模型及大涡模拟等
1环境水力学研究的主要进展
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
[2,3]
、山区河流[4,5]
、分汊河段
[6]
、交汇河段
[7]
水资源Hale Waihona Puke Baidu护□2002年第1期
作者简介:李玉梁(1937—
,男,四川兴文人,教授,博士生导师,主要从事环境水力学研究与教学。环境水力学的研究进展与发展趋势
李玉梁,李 玲
(清华大学水利水电工程系,北京100084
摘要:对20世纪70年代以来环境水力学的主要进展及研究内容进行了综述,指出当前环境水力学发展的两个重要趋势,一是研究对象由无生命组分进入有生命组分,向生态水力学发展;二是与“3S ”结合,研究水域由小变大,向流域性水域发展。最后提出了“三水”转换水质模拟,挟沙水流水质与生态模拟等值得研究的前沿性问题。
关键词:环境水力学;水质;紊流模型;生态模拟;水生态;综述中图分类号:X143文献标识码:A文章编号:1004Ο6933(200201Ο0001Ο06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”[1]
、
潮汐河段
[8]
、尾流
[9]
、分层流[10,11]
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
[12~16]
,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
d.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、生物化学需氧及化学
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;应用范围由河流、水库、湖泊等单一水体向流域性综合水域发展;计算的时空网格数几何增长;地理信息系统开始在水质模型中应用[28]。国内外的水质模型很多,国外常用的水流水质模型有美国环境保护局研制的QUA L2[29],W ASP5[30]及BASI NS,美国陆军工程兵团研制的CE2QUA L2R1[31],CE2QUA L2 RI V1[32],CE2QUA L2W2及W QRRS[33],美国地质调查局研制的GE NSC N和M MS,丹麦水力研究所研制的MIKE11[34],MIKE21[35],MIKE3及MIKE SHE等。
e.数字图像处理技术在环境水力学试验中的研究与应用,有力地推动着环境水力学的发展。所谓数字图像处理即利用胶片、录像等记录反映物理量性质的图像,通过图像处理、分析手段定量得出物理量分布的现代化量测方法。在环境水力学试验中应用这种技术已可进行流速场、浓度场和温度场的二维和三维量测。该技术在不干扰流动的情况下有迅速获得瞬时
[21~27]
。
20世纪90年代以来,基于多种紊流模型的计
算流体力学软件已走向商业化,例如F LUE NT ,Star 2C D ,Phoenix及CFX等软件。这些软件的新版本除
有可供选择的多种紊流模型外,还有可供选择的计
算方法(有限差、有限元、有限体积等和计算网格系
・
1・
统(直角、圆柱、曲面、旋转坐标、多重网格和精细网格等,可进行零维至三维、稳态与非稳态、单机与并行、内流与外流、流场和保守物质浓度场、流体与固体耦合等计算。此外还有前、后处理系统,可进行计算网格的自动生成和计算成果的实时处理。我国已有不少单位购置了这类软件。
。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。
如果说传统水力学主要是研究水流自身运动规律的话,环境水力学则主要是研究水体中所含物质的运动规律,是传统水力学的一种发展,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,是一门综合性很强的交叉学科。
了5个污水排海稀释度计算模型(UP LUME ,UOUT 2P LM ,UMERGE ,UDKH DE N和U LI NE ,后经修改与完
善,于1992年又推出了RS B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P LUMES软件,从而使P LUMES模型能进行近区和远区的稀释计算。这些模型的详细情况可见参考文献[17,18]。与上述计算模型不同,1993年美国康乃尔大学Jirka等建立了一个基于长度尺度的C ORMIX模型,它实际上是一个含有大量试验数据
从上述环境水力学的进展中,可以看出环境水力学发展有如下重要的趋势。
2.1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
、连续、全场、详尽信息的特点,它是随图像显示技术和计算机的发展而迅速发展起来的一种新技术[36]。
数字图像处理技术的观测结果不仅对工程实际具有重要的实用价值,而且对于研究紊动扩散输移的机理,建立与验证计算模型以及用分形分维的思路来研究紊流等都具有重要价值[37,38],正在促进着环境水力学的发展。
2环境水力学的发展趋势