我国环境水力学研究的现状和展望_黄真理

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1、科学 我国环境水力学研究的现状和展望 ? ? ? ? ? ? ? ? ?,? ? ? 黄真理 ?清华 大学水电 系? 一 、 环境水力学概况 环 境水力学是近几十年 , 特别是 ? 年代以来 逐渐形成的一门边缘学科 , 是环境科学与现代水 力学 交叉渗透的产物 。 它的主 要任务是研究污 染 物质在水体中的扩散输移规律及其应用 。 环境 污染与保护是当今世界所面临的严重问 题之一 。 所谓环境 , 一般是指大气环境 、 水环境和 生态环境 , 三者之间有着密 切的联系 。 由于社会经 济的发展 , 大量有害 于人类和其他生 物的工业废 物 、 生活污水和农业废水排入江 、 湖 、 水库与海洋

2、, 使天然 水体受到严重 污染 。 污染物质通过在水体 中溶解 扩散 , 或随水流的输移而扩展 。 因此 , 为了 保护环境 , 减少污染的危害 , 必须了解这些污染物 质的扩散输移规律 。 环境水力学正是在这样的背 景下逐渐形成和发展起来的 。 近几年来 , 几乎所有 的流体力学和水力学的 国际?内?专业学术会议都 把环境水力学问题作为一个重要内容 。 应该说明的一 点是 , 有一个学科名称叫做环 境流体力学 , 也常 常在专业刊物中见到 。 一般认 为 , 环境流体力学所研究的范围要大一 些 , 它涉及 人类生存环境中的所有流 动问题 , 如噪音污染的 力学分析 , 以及火灾 、 风沙和泥

3、 石流 等 。 也有的学 者把环境 水力学和环境流体力学等同看待 , 认为 只是叫法的不同 。 持这种观点的学者往往把现代 水力学和流体力学等同起来 。 事 实上 , 现代水力学 的研究方法和手段确实与现代流体力学相 似 。 但 水力学主要研究的是水 , 而流体力学研究的对象 要广 一些 , 如水 、 气以及许多非牛 ?顿流 体等 。 因此 , 如果以水体为研究对象 , 环境水力学与环境流体 力学 这两个概念是等同 的 。 环境水力学已经走 过了 ? 多年的发展道路 , 大 致可分为三条线 ? 一是射流混合机理的研究 ? 二 是异 重流和分层 流的研究 ?三 是自然环境中污染 物扩散 、 输移

4、和衰减的研究 。 射流混合机理的研究目的主要是为了解决所 谓 “ 近区 ” 稀释问题 。“ 近区 ” 是指射流喷 口附 近紊 动和混合占主导地位的 区域 。 劳斯? ? ? ? ?等 ? ? 年研究了射流进人静止环境的扩散 。 以后大 批学者又研究了浮射流?包括负浮射流? 、 单孔和多 孔射流 、 均匀或分层环境中的射流 , 以及有横流的 射流等 , 发表了大量的论文 。 这项研究的一个主要 应用就是污水?包括电站冷却水?排江排海技术 。 异重流?又称为密 度流?是指两层密度不同 、 流 速不同 的流体的相对运动 。 下 层较重 , 上层较轻 。 例如在一定条件下 , 盐水与淡水 、 热水与冷

5、水之间 形成交界面 。 在水流的紊动输移中?包括热和污染 物质的输移? , 由于垂向上密度分布的差异 , 引起 了横向和垂向扩散的差异 , 又影响到热与污染物 质的输移 。 这在环境水力学中是比较复杂而又十 分重要的问题 。 ? ? 年代 , 柯隶根? ? ? ? ? ? ?开始了 异重流的试验 , 探讨了模型律和盐水人浸河 口的 机理 。 最初的研究主要考虑无界面混合的两层流 动问题 。 哈利曼?日 ? ? ? ? ? ? ? ? ?年讨论了许多应 用问题 , 如电厂冷却水取水 口的布置以防止回流 产生等 。 另外 , 很多学者进行了界面 阻力和混合的 深人研究 , 将简单的两层流动扩展到了

6、多层乃至 连续密度梯度流动?即分层流? 。 对污染物的扩散 、 输移和衰减的研究 , 首先由 泰勒仃 ? ? ? ?在? ? ? 年进行了开创性的工作、他 考虑了紊动管流中瞬时投放污 染 物 时的扩散问 题 。 以后 , ? ? ? 年埃尔德? ? ? ? ?将泰勒的分析推 广到二维明渠 流中 。 ? ?年 , 费希尔? ? 卜? ?等学 者研究了天然河流中的纵向离散问题 。 以后 , 又有 很多学者在此基础上进行了广泛 、 深人的研究 , 得 出 了一些理论上和实用上均 有重要意义的成果 。 另外 , 针对不同的污染物和环境水体 , 发展了各种 各 样的水 质预测模型 。 例如 ? 考 虑到

7、污 染 物? ? , ? ? , ? , 重金属 , 有机物等?在水体中 的化学物理作用 , 发展了不同用途的模型 ? 考虑到 科技导寸 良 ? ? ? ? 水库温度 随季节变化对 水生 生物和水库运 行管理 的重要性 , 研究了一 维 、 二维和三维的温度模型?针 对海洋 浮油的运动特点发展了多种溢油预报模 型 , 等等 。 一般认为 , 对污染物的扩散 、 输移和衰减 的研究属于所谓 “远 区 ” 问题 。“ 远区 ” 是相对于 “近 区 ” 而言的 。 这样划分 , 是为了便于数 学模型的简 化 , 节约讨 一算 机内存和计算 时间 。 二 、 我国环境水力学研究的现状 我国开展环境水力

8、学问题的研究是与经济 发 展 水平和对环境问题的重视同步的 。 早在 ?年代 末期 , 由于电力发展的需 要 , 大 量修建火电站 , 冷 却 水的排放 , 特别是排水 口和取水口的布置 , 成了 电站修建必须考虑的因素 , 国内有的单位?如水利 水电科学研究院?开始了这方面的研究 , 主要是解 决生产 实际问题 , 也进行了一些理论研究 。 当时 , 这 种研究主要是出于工程需要而非环境方面的考 虑 。 ? 年代 , 河海大学等单位 也开展了这方面的研 究 。 ? ?年代以后 , 由于工农业的迅速发 展和人们 环 境意识的提高 , 环境污染的危害越来越受到重视 , 使 得环 境水力学的研究蓬

9、勃 发展 , 国 内的很多高 校和研究院相 应成立了环境水力学研究室?组? , 积 极 加强与国外同行的科研合作和交流 , 结合国家 自然科学基金 、 国家 “ 六互 ” 和 “七 五” 攻关以及横 向生产项目等的经费资助 , 开展了多方面的研究 , 拓宽了环境水力学的研究领域 , 缩小了与国外的 差距 。 同时翻译 、 编著了许多专著 , 在有条件的高 校中为环境 、 水电等系 的本科生和研究 生开设 了环境水力学的课程 。 现在 , 已有多所高校和科 研院所招收环境水力学 方向的硕士 生和博士 生 。 ? ? ?年?月 , 中国水利学会水力学专业委员会 设立了环境水力学学组 。 ?年?月

10、, 在武汉水利 电力学院举办了首届全国环 境 水力学学术会议 。 会议共收到论文? ? 余篇 , 论文涉及基本理论和工 程 应用 、 数值计算和试验研究 , 其中相当介 大部分出 自青年学 者之手 。 ? ? ? ?年 ?月 在香港召开了环境 水力学的 专门 国际会议 。 会议收到来自 ? ? 多个国 家的? ? ? 篇论文 , 内容包括射流和羽 流 、 排海工程 、 紊 动混合机理 、 水动力学和水质模型 、 洪水 水力学 和水文学 、 资料收集和整理等?个专题 。 收到的论 文中 , 国 内占了相当大 的比重 。 目前 , 国 内开展环 境水力学研究的单位主要有 水利水电科学研究 院 、

11、中 国环境科学研究院 、 河海大学 、 武汉水利电 力学院 、 成都科技大学 、 清华大学 、 中 山大学 、 同济 大学 、 青岛海洋大学 、 华南环境科学研究所等 。 下而从两个方面简单介绍国 内 已开展的理论 和应用研究 。 ? ? 射流混合机理 、 异重流及分层流的研究 射流混合机理 , 国 内早些时候有 人做过一些 工作 口 但从环境科学的 角度作系统研究则是? ? 年 代以来以清华大学余常昭教授为主的科研小组开 始的 。 这个小组开展了非恒定环境中 的紊动射流 、 多孔射流 、 有横 流情况下的浮射流等 多方面的研 究 , 水槽试验和数值计算结合 , 取得了一 些 成果 。 近年来

12、 , 又尝试用数字图像处理技术 来 解决速度 场和浓度场的测量困难 。 武汉水利电力学院李炜 教授为 主的研究组侧重 于用数学模型方法来探讨 紊动浮射流在分层环境中的精细结构 , 发挥了数 学模型的优势 。 在温差 异重 流和分层流方面 , 水利 水电科学研究院陈惠泉教授和河海大学张书农教 授领导各自的研究人员开 展了较深人的模型理论 和试验研究 , 取得了系统的研究成果 , 解决了很多 火?核?电站的温排水工程问题 。 如陈惠泉教授等 人 ? 年提出的温差 异 重 流 形成或消失的临界 条 件等理论成果受到广泛重视和引用 。 另外 , 现代紊 流模型在 温差异重 流和分层流中的应用也取得了

13、较好的成果 , 如倪浩清高级工 程 师等人用湍浮力 回流? 一。双方程模 型及引? 尸?算法对浅 水明渠温 差 异重流的产生及界面掺混规律进行了成功的数 值预报 。 射流混合机理研究的一个重 要应用是计算排 江排海的稀释扩散能力 , 以指导扩散器的设计和 布置 。 目前 , 国内正在积极开 展研究和修建排江排 海 工程 。 广义的排江排海概念是指大量的生 活和工 业 废水?包括电站冷却水?的集中排放 , 利用 和近海的强大稀释 、 输运等 自净能力 , 通过一 定的 工程措施使污水有控制地科学排放 , 达到既经济 地处置污水又保护环境的双重功能 。 在电站 冷却 水的排放?即温排水?问题上 ,

14、 通过 近? ?年的努力 , 我国已积累 了较为 丰富的经验 。 但在污水的排江 排海方面 , 还处于起步阶段 。 国外 在污水排海工程 设计 、 建设与维护 , 以及环境影响评价 、 控制与管 理等方面积累 了近百年的经验教训 。 最早的污水 深海排放设施于 ? ? 年在英国建成 。 美国 ? ? 年 建造了第一根污水排海管 。 到目前为止 , 很多沿海 国家都建有污水排海工程 。 如英国的大型排海工 程超过 ? 处 , 新西兰的大型排海工程近 ? ? 处 , 美 国东西海岸共有排海工程? ? ?多处 。 据 ? ? ? ?年?月 ? ? 日 科技日报报道 , 为整愉悉尼海滩污染 , 澳大

15、利亚 经过?年的建设 , 在邦迪地区建成了一个离岸 深海排污系统 , 并已投人使用 。 近 年来 , 我国相继 在深圳 、 宁波 、 上海 、 青岛 、 威海 、 烟台 、 厦门及丹东 等地规划了排海工程 , 有些已投人使用 , 如深圳的 排海一期工程等 。 除了 电站冷却水外 , 目前还未见 到有大型内陆河流的污水排江工程的报道 。 因为 江河的稀释自净能力相对于海洋来说较小 , 大量 ? ? ?一 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 污水排人江河易于形成严重 污染 。 因此 , 很多国家 对排 江污水要 求进行高级处理 。 可以预见 , 随着我国污水排海工程的发展 , 会 给环境 水力

16、学提出更多 、 更复杂的课题 。 ? ? 自然环境中污染物的扩散 、 输移和衰减 ? ?年 , 张书农教授对天然河道横向扩散进 行了研究 , 改进了约楚库拉?丫? ? ? ? ? ?和塞 尔? ? ? ?在计算扩散因素时的假定 。 ? ? 年 , 结 合国家 “ 六五 ” 攻关课题 , 清 华大学的科研小组对 天然河流纵向离散系数的计算方法进行了系统的 研究和改进 。 近年来 , 他们又对非恒定环境中污染 物的离散特性进行了研究 。 所有这些 , 为 “远 区 ” 的 数学模拟计算奠定了基础 。 另外 , 国内有的学者 正 在开 展所谓 “ 全场模型 ” 的研究 , 即在计算中不人 为地划分 “近 区 ” 和 “远 区 ”, 避免了衔接上的问题 。 这项工作还有待进一步的深人 。 在 水质模型的应用上 , 国 内很多单位结合具 体的工 程问题和科 研课 题开展了生