水污染水流动力学基础.docVIP

水污染水流动力学基础 　　 当污染物进入天然河流、湖泊等天然水体发生水污染后，在进行水污染动力学和水污染控制研究与实践的过程中，会遇到的一个基本的问题是发生水污染的水文和水力学特点是什么，遵循什么规律．主要研究的内容是什么。回答足：首光必须了解水体的运动规律，以及污染物进入水体后的总体运动规律，将水污染流体力学作为水污染动力学的基础之一。因为就水污染的水文特点而言，在研究复杂的水污染问题时，必然要遇到下列两个客观因素，一是工业，农业及生活废水的排放(或流出)情况，一是承纳这些废水的水体本身的运动规律。　　 工业及城镇生活废水的排放动态，主要决定于工业生产及城镇十活规律，至于农业废水的流出。则和暴雨冲刷、产流、汇流等水文规律和农田管理(施用化肥、农药、耕作制度)及灌溉制度影响农业灌溉用水)有关，具有独特的污水水文特性。　　 承纳废水的水体本身由于受到自然(如气候及地形等)及人类(对水的利用)的影响，也各具不同的水文特点。就河流而言，流量随时间变化有稳定流与不稳定流之分；流速沿程变化有均匀流与不均匀流之别；河流水文状况在日、年内、午际是变动的，尤其是在暴雨洪水时变化更为急剧。　　 废水流入水体后，由于稀释和扩散作用而和水体的水进行混合，伴随着进行输送并发十自净过程。因此，对水体运动总体特忭与规律的研究，尤其是污水进入水体后，与水体活动规律作为统一体来研究，就显得特别重要，这就提出了水文科学和环境科学相互渗透的新课题，即环境水文学。　　 另外，就水体污染的水力特忭而言，水污染物进入水体后，除服从总体(宏观)的水流运动规律外，也受水流内部(微观)运动的支配，这是环境水力学研究的重要内容。所谓水流内部运动，主要指紊流。　　 紊动水流的重要特征之—是它具有扩散能力，其扩散能力的大小，可利用紊动扩散系数来表征。在静止水体或层流中，有分子扩散系数。如果紊动水流的雷诺数Re在104左右，其扩散系数约为分子扩散系数的3×102倍，例如在静水体中分子的热扩散系数为0.014cm2／s，而紊动的扩散系数约为3．36cm2／s。后者为前者的236倍，可见紊动扩散的作用是主要的。　　 在水体中还由于流速分布不均匀，会出现离散(有的称弥散)现象。只要考虑某种空间的平均(如流速对空间的平均、浓度对空间的平均)，就会有离散问题。此外，水体是有边界的如河流的岸边)，污染物质的运动受到边界的限制，存在边界反射问题。　　 紊流、扩散、离散、边界反射等是水体污染的重要水力特性。其中扩散(diffusion)和离散(dispersion)是水体中污染物质得以产生分散现象，从而出现混合的重要物理机制。　　 因此，木篇重点讨论并分析与水污染有关的水流动力学的基本原理和基本方程，紊流、扩散现象及其基本规律与基本方程，以及管流和明渠流的流速分布、阻力等有关内容。　　 第1章 水流动力学的基本概念和基本规律　　 因为天然河流、湖泊等自然水体对于污染物具有—定的输移、混合、稀释和净化作用，在城市污水和工业废水排入自然水体之后为探讨其在大然水体中的输移、混合、稀释和净化作用，必须对天然水体的水力学或流体力学的基本原理有一定的认识。这里仅对与天然河流和湖泊的水污染有关的水力学基础做扼要分析和讨论，以作为本书后面讨论水污染动力学和水污染控制的基础之一。 　　 1．1 液体的基本特征和主要物理性质　　　　 (1)流动性 和固体相比，液体具有一定大小的体积，能充满任何容器，液体容易改变自己的形状，例如，把水倒入什么样形状的容器，它便具有什么样的形状；湖面的水可以被微风吹动；倒在地面上的水可以不断地流散开去；河流的水要自高处(上游)往低处(下游)流去。这种性质叫做流动性。　　 (2)惯性及万有引力特性——质量、密度、重力、重率和相对密度 惯性就是物体所具有的反抗改变原有运动状态的性质。其量度为质量，质量越大惯性越大。　　 当物体受其他物体的作用力而改变运动状态时，此物体反抗改变原有运动状态而作用于其他物体上的力称惯性力，如该物体的质量为m，加速度为a，则惯性力　　 F＝-ma　　(1.1.1)　　 式中负号表示惯性的方向与物体加速度的方向相反。物体之间相互具有吸引力的性质，这个吸引力称为万有引力，其作用是企图改变物体原有运动状态而使其相互接近。重力是地心吸引力的表现，也是液体发生压力的根源。单位体积内的液体重力叫容重或重率，用?表示。设体积为V，重力为G，则容重为　　 所以密度随着温度的变化而变化。　　 见表1．1．1，可见在热污染(热水)及工业废水污染问题上水的密度是很重要的。　　 另一个与此有关的名词叫相对密度，即单位体积水的质量取作1时单位体积的物质的质量，即或物质的密度与水的密度之比。例如，前面的水的单位质量与温度的关系也可理解为，当温度为4时