環境水力學

工農業生產及生活中的污水、廢熱，未經足夠處理，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，日益嚴重地影響生態、環境。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、生物作用而降解。因此，水體本身有一定的自凈能力。環境水力學的主要目標是，探求因混合、輸移而形成的污染物濃度隨空間和時間的變化關係，為水質評價與預報、水質規劃與管理、排污工程的規劃設計以及水資源保護的合理措施提供基本依據。

19世紀後半期至20世紀前半期，分子物理學與流體力學特別是紊流理論的發展，已經確立了分子擴散與紊動擴散的理論基礎。1921年G.I.泰勒對紊動擴散進行了統計分析。20世紀20～40年代L.F.理查森、H.傑弗里斯、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.費希爾等人對各種水域中的混合問題，廣泛地進行了理論分析、實驗研究和數值模擬。至70年代末，環境水力學發展為獨立的學科。

污染物在水體中輸移的方式主要有：隨水流時均運動一道輸移的隨流，因溫度差或密度分層產生浮力作用而形成的對流，分子隨機運動所引起的分子擴散，紊流中因渦旋脈動作用而形成的紊動擴散，斷面上流速分佈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。合理地設計排污口，可以增加周圍水體對污水的稀釋。當出流流體的密度與周圍流體相等，出流主要由初始動量驅動，則為淹沒射流；若初始動量影響極小，出流主要由浮力驅動，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律。首先是全溶於水且不發生化學與生物學作用的保守物質；其次考慮密度變化的影響，熱水和鹽水屬於這一類；而後再計入化學作用、生物學作用以及沖刷沉澱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）特別是其中出現溫度分層或密度分層水體時，所發生的混合，更有各自的特點，也分別在環境水力學中專門研究。

研究的方法有現場觀測、模型試驗、理論分析、數值計算等。由於因素複雜，環境水力學具有跨學科性質，除流體力學外，還涉及化學、生物學、生態學的許多邊緣內容。它既是現代水力學的新分支，又是水資源保護和環境工程的重要組成部分，將日益受到重視而有著廣闊的發展前景。

參考書目：

H.B.費希爾等著，清華大學水力學教研組譯：《內陸及近海水域中的混合》，水利電力出版社，北京，1987(H.B.Fischer,et al.,Mixing in Inland and Coas-TAL waters, Academic Press,New York,1979.)。