環(huán)境水力學(xué)

環(huán)境水力學(xué)主要研究保守物質(zhì)的擴(kuò)散與輸移規(guī)律；對非保守物質(zhì)則應(yīng)用水質(zhì)模型進(jìn)行研究。保守物質(zhì)是溶解于水且不改變水體流動特性的物質(zhì)；非保守物質(zhì)是在水流中除擴(kuò)散、輸移外、同時(shí)有生物化學(xué)作用引起轉(zhuǎn)化作用的物質(zhì)。

研究污染物質(zhì)在水體中混合與輸移的基本理論，包括水流紊動，擴(kuò)散與離散、射流與浮射流，沉降與懸浮，吸附與解吸，凝聚與分散，溶解與蒸發(fā)，熱擴(kuò)散傳導(dǎo)與水沙兩相流，異重流等。污水流入受納水體后，一般分為近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)，近區(qū)的研究同排污口設(shè)計(jì)及混合區(qū)范圍有關(guān)；遠(yuǎn)區(qū)的研究主要是污染影響的程度和范圍。對于近區(qū)，主要是射流卷吸摻混問題。當(dāng)排泄的水體和受納水體的密度不相等時(shí)，要同時(shí)考慮出流動量和浮力的作用，按浮射研究。對于遠(yuǎn)區(qū)，主要是擴(kuò)散和離散問題。在靜止水體及層流中擴(kuò)散僅含分子擴(kuò)散，在紊流中擴(kuò)散主要是紊動擴(kuò)散，分子擴(kuò)散因遠(yuǎn)小于紊動擴(kuò)散常被忽略。離散是因流速在空間分布不均勻而引起的物質(zhì)分散。當(dāng)用空間平均化的方法（釆用一維、二維模型）來簡化物質(zhì)的擴(kuò)散輸移問題時(shí)，要考慮離散的作用。

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活中的污水、廢熱，未經(jīng)足夠處理，就排入河流、湖泊、海洋及地下水等水域中，污染水體，惡化水質(zhì)，日益嚴(yán)重地影響生態(tài)、環(huán)境。污染物在水體中會因與水體混合，隨水流輸移而稀釋；也會因化學(xué)、生物作用而降解。因此，水體本身有一定的自凈能力。

污染物在水體中輸移的方式主要有：隨水流時(shí)均運(yùn)動一道輸移的隨流，因溫度差或密度分層產(chǎn)生浮力作用而形成的對流,分子隨機(jī)運(yùn)動所引起的分子擴(kuò)散,紊流中因渦旋脈動作用而形成的紊動擴(kuò)散，斷面上流速分布不均勻而使斷面平均濃度沿流改變的剪切離散。通過以上方式,污染物與周圍水體不斷混合,其濃度不斷降低。合理地設(shè)計(jì)排污口，可以增加周圍水體對污水的稀釋。當(dāng)出流流體的密度與周圍流體相等，出流主要由初始動量驅(qū)動，則為淹沒射流；若初始動量影響極小，出流主要由浮力驅(qū)動，則為羽流；一般情況下，浮力與動量均影響出流，則為浮射流。對污染物的不同情況會形成不同的濃度變化規(guī)律。首先是全溶于水且不發(fā)生化學(xué)與生物學(xué)作用的保守物質(zhì)；其次考慮密度變化的影響，熱水和鹽水屬于這一類；而后再計(jì)入化學(xué)作用、生物學(xué)作用以及沖刷沉淀等物理作用對污染物混合、輸移與降解的影響。不同水域（河流、湖泊、水庫、河口、海洋、地下水）特別是其中出現(xiàn)溫度分層或密度分層水體時(shí)，所發(fā)生的混合，更有各自的特點(diǎn)，也分別在環(huán)境水力學(xué)中專門研究。

19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)前半期，分子物理學(xué)與流體力學(xué)特別是紊流理論的發(fā)展，已經(jīng)確立了分子擴(kuò)散與紊動擴(kuò)散的理論基礎(chǔ)。1921年G.I.泰勒對紊動擴(kuò)散進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。20世紀(jì)20～40年代L.F.理查森、H.杰弗里斯、G.H.科立根等研究了分層流中的紊動混合。50年代G.I.泰勒、J.W.埃爾德等相繼努力建立了剪切離散的理論。60～70年代H.B.費(fèi)希爾等人對各種水域中的混合問題，廣泛地進(jìn)行了理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。至70年代末，環(huán)境水力學(xué)發(fā)展為獨(dú)立的學(xué)科。

由于水環(huán)境的類型不同，污染物混合輸移過程的特點(diǎn)也不同。在管道和較小的河渠中，由于垂向及橫向尺度較小，垂向及橫向混合很快完成，通常以污染物質(zhì)的縱向離散作用為主要研究對象：在大江大河中，除縱向離散外，還必須研究橫向混合，污染帶的研究是十分重要的問題：對河口和港灣，要研究上游來流，潮流運(yùn)動和風(fēng)力的綜合作用：對水庫和湖泊，要研究水體密度的分層結(jié)構(gòu)和水體垂向混合的作用：在地下水污染過程中，要研究多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散和離散規(guī)律以及固體顆粒對物質(zhì)的吸附和解吸作用：在空氣和水體交界面上，要研究物質(zhì)的交換問題。

根據(jù)水流情況、邊界條件和污染物質(zhì)的不同，常采用分析計(jì)算、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場觀測等方法。分析計(jì)算，水流中物質(zhì)濃度時(shí)空分布的分析計(jì)算常依據(jù)污染擴(kuò)散、紊流擴(kuò)散方程，該式是一個(gè)二階偏微分，當(dāng)水流及邊界條件比較簡單時(shí)，可求其解析解，實(shí)際問題中這種情況比較少。水環(huán)境中流動情況和邊界條件經(jīng)常是很復(fù)雜的，多數(shù)情況必須釆用數(shù)值計(jì)算求解。數(shù)值計(jì)算中有有限差分法、有限單元法和有限體積法，并已較普遍應(yīng)用。對寬度和深度都比較小的河渠，一般采用一維水流一水質(zhì)模型計(jì)算斷面平均的水流情況和濃度沿縱向的變化。對大江大河及水深較淺的湖泊、水庫及河口海灣，一般采用二維模型、計(jì)算垂向平均的水流情況及濃度在水平上的分布。對深水域中的排放近區(qū)，一般需采用三維模型計(jì)算空間各點(diǎn)的水流情況和濃度分布。由對深水域中的排放近區(qū)，一般需采用三維模型計(jì)算空間各點(diǎn)的水流情況和濃度分布。由于三維計(jì)算要求的初始及邊界條件比較高，且計(jì)算工作量較大，應(yīng)用還比較少。對恒定流動中的穩(wěn)定排放，一般釆用穩(wěn)態(tài)模型。對非恒定流動（如感潮河段）中的排放和恒定流動中的不穩(wěn)定排放（如發(fā)生污染事故），需采用動態(tài)模型計(jì)算污染物濃度隨時(shí)間的變化。

本次會議共收到論文約120篇，經(jīng)過組織專家審查，本次會議議論文集收錄87篇論文，分“水環(huán)境模擬與應(yīng)用”、“水環(huán)境機(jī)理試驗(yàn)與評價(jià)方法”、“水污染防治與水資源保護(hù)”、“河流健康與生態(tài)水力學(xué)”、“世界自然基金會(WWF)資助項(xiàng)目”5個(gè)專題。本書內(nèi)容涉及面廣，觀點(diǎn)新穎，具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值。

環(huán)境水力學(xué)，顧名民義，是環(huán)境科學(xué)與水力不交叉融合的產(chǎn)物，主要研究與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的水力學(xué)問題，或者是水力學(xué)中相關(guān)的環(huán)境保護(hù)問題。最初，是作為水力學(xué)及河流動力學(xué)專業(yè)的一個(gè)研究方向。由于環(huán)境保護(hù)重要性的不斷提升，環(huán)境水力學(xué)日益顯示出其蓬勃發(fā)展的生機(jī)。與此相關(guān)或相近的學(xué)科方向還有：環(huán)境液體力學(xué)、環(huán)境水文學(xué)、生態(tài)水力學(xué)、棲息地水力學(xué)、環(huán)境水利學(xué)等。

從本次會議論文集中我們也應(yīng)該看到，論文的水平和質(zhì)量參差不齊，有些論文的研究和寫作還不夠規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)，真正高水平的論文不多。特別是學(xué)科的交叉研究還不夠深入和緊密，新的學(xué)科方向還正在孕育之中。

《倪浩清環(huán)境工程現(xiàn)代水力學(xué)論文集》初探了海洋工程中波與波力關(guān)系，對冷卻水工程、水環(huán)境工程和水利水電工程湍流流動與傳熱及傳質(zhì)的特點(diǎn)，用近代的模擬技術(shù)開拓了八種新模式，并進(jìn)行了室內(nèi)外的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?！赌吆魄瀛h(huán)境工程現(xiàn)代水力學(xué)論文集》論文內(nèi)容新穎、概念清晰、論述詳細(xì)，可供從事水環(huán)境、火電廠及核電廠冷卻水、流體力學(xué)、水力學(xué)等領(lǐng)域的研究、設(shè)計(jì)人員以及高級教師及研究生參考使用。

《中國環(huán)境水力學(xué)(2004)》共收錄論文54篇，包括水環(huán)境數(shù)值模擬與應(yīng)用、水環(huán)境機(jī)理試驗(yàn)與評價(jià)方法、水生態(tài)恢復(fù)與水污染防治和綜述四個(gè)專題。