环境流体力学

本书系统地阐述了环境流体力学的基本概念及基本理论，全书共分为六章：绪论，分子扩散，紊动扩散，剪切流的离散，污染物质在河流中的扩散与混合，射流、羽流及浮射流。授课时数为40学时。
本书注重理论联系实际，紧密结合环境流体力学课程在工程实际中的应用，所选的例题贴近生活实际，深入浅出。为便于读者学习，书中需要详细推导的部分在附录中予以说明，每一章章末附有一定数量的习题。
本书可作为水利类、环境类专业高年级本科生和研究生的教材，也可作为其他专业和有关科技人员的参考书。

第一章绪论§1-1环境流体力学的任务以及与其他学科的关系1-1-1环境流体力学形成的背景1-1-2环境流体力学的形成与发展1-1-3目的和任务1-1-4研究方法§1-2环境流体力学的基本概念1-2-1浓度与水域中的污染物…1-2-2稀释度、密度与密度分层水体§1-3物质在水体内迁移的主要方式§1-4环境流体力学研究的主要领域及发展趋势1-4-1研究的主要领域1-4-2研究的发展趋势习题第二章 分子扩散2-1物质的传递与扩散现象§2-2分子扩散的菲克定律§2-3 扩散方程——菲克第二定律2-3-1静止水体中的扩散方程2-3-2层流运动水体中的扩散方程2-4静止水体中瞬时平面源一维扩散方程2-4-1静止水体中一维扩散方程求解2-4-2静止水体中一维扩散方程求解结果的分析2-5静止水体中瞬时点源在二维及三维空间的扩散

2-6静止水体中瞬时分布源的扩散2-6-1一维起始无限分布源的扩散

2-6-2一维起始有限分布源的扩散

2-6-3二维起始有限分布源的扩散

2-6-4三维起始有限分布源的扩散

§2-7静止水体中时间连续源的扩散

2-7-1时间连续点源的一维扩散(等强度连续点源的一维扩散)

2-7-2时间连续点源的三维扩散

2-7-3变强度连续点源的一维扩散

2-7-4变强度分布连续源的一维扩散

§2-8层流水体中移流扩散方程的解

2-8-1瞬时点源的移流扩散

2-8-2时间连续点源的移流扩散

§2-9有边界反射情况下的扩散

2-9-1一侧有边界的一维扩散

2-9-2两侧有边界的一维扩散

82-10 应用…

§ 2-11 用随机游动（Random Walk）来分析分子扩散现象

习题

附录A

附录A-1关于误差函数的基本知识

附录A-2瞬时点源一维扩散方程的推导

附录A-3浓度分布特性

附录A-4时间连续源扩散方程解的推导

第三章紊动扩散

3-1紊流的时间平均与统计平均

3-2紊流的脉动强度及相关系数

3-2-1欧拉空间相关和紊流尺度

3-2-2拉格朗日时间相关和紊流尺度

§3-3紊动扩散的泰勒理论——拉格朗日法

 3-4紊动扩散的欧拉法

83-5河流中的紊动扩散系数

习题

……

§6-6静止均质(无密度分层)及线性密度分层环境中的二维(长方孔）

浮射流…

习题…附录C

附录C-1静止均质环境中圆形浮射流轨迹及射流厚度求解图

附录C-2静止均质环境中圆形浮射流稀释度求解图

参考文献…

1-1环境流体力学的任务以及与其他学科的关系

1-1-1环境流体力学形成的背景水是维持地球上一切生命和社会发展的至关重要的因素，地球上各种形态的水体共1.36×1010亿m³，其中海洋储量约占全球总储量的97%，陆地上各种水体为3.75×108亿m³，仅占全球总储量的2.76%，而陆地水储量中，储存在河流、湖泊及浅层地下水的可利用的水资源量约有3.84×105亿m³，仅占淡水总量的约0.1%。我国水资源总量为2.8×10亿m3，居世界第六位，但人均占有量仅为世界人均占有量的1/4。随着工业发展和城市化进程的加快，目前全球大部分水体正遭受着人类活动造成的各种危害，面临各种环境问题。1.海洋环境问题全球所有海域中，受人类影响“比较严重”“严重”和“非常严重”的比例加起来是41%。所谓影响“比较严重”，是指海洋的现状已经让人难以接受，有些物种可能已经从海洋食物链的顶端彻底消失，而珊瑚礁和其他栖息地也发出警报。而侥幸未受人类活动侵害的海域只占不到4%。海洋环境污染具有以下特点：（1）海底生物镉、铅、铜超标，珊瑚礁消失，生物多样性减少，鱼类产量减少。（2）石油污染，海面形成油膜，阻碍海面与大气的交换，影响海水中鱼类生存。2.河流环境问题河流是陆地上最重要的水体，既是工农业用水水源，又是生活污水、工业废水的排放场所。城市和大工业区大多沿河建立，因此，在工业地区和人口密集城市的河流受到不同程度的污染。河流环境污染具有以下特点：

（1）污染程度随径流变化，径污比（河流的径流量与污水量之比）越大，河流稀释能力越强，污染程度越轻，因此丰水年河流污染较枯水年更轻微。（2）污染影响范围广，河流从上游到中下游历经不同的省市，导致河流一旦受到污染，必然影响其下游广大地区。河流是主要的饮用水源地，河水中的污染物会通过饮用水直接危害人类的健康，还会通过食物链和河水灌溉农田造成间接危害。（3）自净能力较强，河流的流速较大，在流动过程中，污染物质与河流的底质、大气发生各种物理、化学和生物的作用，使得水体得到自净。但是河流自净能力是有限的，当河水污染物超过河水的环境容量时，会对河流水质造成不可逆的影响。3.河口污染问题入海河口是海洋与河流的交汇段，是河流的排泄与海洋潮汐两种动力相互作用、相互消长的区域。在狭长河口，潮汐起主要作用；而在宽阔河口，风力也是主要作用之一。这些动力因素的组合造成河口的水文情势和污染物迁移扩散较为复杂，具有其独

特性。入海河口往往有三角洲和冲积平原，土地肥沃，人口稠密，工农业生产比较发达，排放污染物也较集中。入海河口由于流量大，比降小，容易受到海洋潮汐的影响和台风暴雨的袭击，发生海水倒灌，河水漫滩等问题。河口区咸淡水的盐度、密度、含沙量不同，咸淡水的混合程度用混合指数MI(mixingindex)表示，即涨潮期内进入河口区的淡水量与涨潮量的比值。若MI≥1，咸淡水分层清楚，常出现在弱潮河口，河道径流量大，淡水从上层流向海洋，海水密度大，沿底层向河口上游延伸。若MI≤0.1，潮汐作用占主导地位，咸淡水之间混合强烈，断面上的等盐度线近乎垂直。若0.1<MI<1，即介于弱混合和强混合之间，即咸淡水之间无明显的交界面，但是上层和底层盐度仍有差别。河口区的泥沙粒径一般很小，由于化学作用，细颗粒泥沙在淡水中发生电离现象，呈负电，颗粒间负电相斥，泥沙分散，呈胶体状，很难在重力作用下下沉。而海水是含电解质的液体，含有正离子，表面带有负电荷的泥沙胶粒与海水中的离子发生离子交换，致使部分泥沙颗粒之间产生引力，从而颗粒变大，当垂向紊动速度小于其沉降速度时泥沙下沉，这就是絮凝作用，是入海河口泥沙沉积的重要因素。4.湖泊水库污染问题湖泊与河流的水文条件、形成成因不同，湖泊污染的特点如下：（1）湖泊水面面积大，接纳的污染物来源广，途径多，种类多。(2）流速缓慢，其稀释和输运污染能力弱，易发生富营养化。(3）对污染物的生物降解、积累和转化能力强，可以使得重金属在食物链中富集。水库的形成与地形、水文地质条件有关，狭长形水库具有与河流相似的特性，宽阔形水库具有与湖泊相似的特性。深水湖泊、水库会出现水温分层，水质也呈现不均匀性。

本书系统地阐述了环境流体力学的基本概念及基本理论，全书共分为六章：绪论，分子扩散，紊动扩散，剪切流的离散，污染物质在河流中的扩散与混合，射流、羽流及浮射流。授课时数为40学时。本书注重理论联系实际，紧密结合环境流体力学课程在工程实际中的应用，所选的例题贴近生活实际，深入浅出。为便于读者学习，书中需要详细推导的部分在附录中予以说明，每一章章末附有一定数量的习题。