水污染水流动力学基础

1、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

2、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

3、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0.014cm2s，而紊动的扩散系数约为336cm2s。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

4、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

5、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。 11 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

6、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

7、的变化而变化。 见表111，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，水的相对密度为l，而当温度有变化时，其相对密度随温度而有变。水流的絮动和扩散现象及基本规律21 水流内部运动的几种形式 在讨沦水力学的基本问题时，将管流与明渠流都当作一个整体来考虑，在探索总体(或整体)的水流运动规律时。并没有研究水流内部的某些液体小单元或液体质点是怎样运动的。近若十年来已逐步地深入探索水流内部问题，虽然对水流内部结构的

8、队识还很不够，但是已有的研究成果对于解决许多实际生产问题，已经起很大的作用。对于河流污染问题同样也是很重要的。 水流运动可以分为总体运动(或一般运动)和内部运动。在前面所讨论的大部分是总体运动。至于内部运动可以分做紊流、螺旋流(付流)及漩涡三部分。其中紊流是主要的。正是由于水流内部有紊动，才能对于污染物质起了扩散和混合的作用。如果没有水流内部的紊动(简称紊流)，天然河流对于排入其中的污染物质就不会具有稀释和净化能力。所以探索水流的紊动扩散规律，正是为水污染动力学打好理论基础。关于水流内部运动有如下几种主要形式。 (1)紊流 在前面只考虑水体内部某一点的时间平均流速，通过仔细观测。在一定的方向，

9、水流内部某点的流速不仅随时间而变化，并且在各个不同的方向上，流速的大小也不一样，这叫瞬时流速。因此，可以说水流内部各点的流速是因时因地而异的。这可以概括为水流的紊动现象，简称为紊流。 设把某一方向的瞬时流速(在数学上叫瞬时流速向量)分解为x、y、z相互垂直坐标的三个方向的瞬时流速，顺次为u、v、w。在层流运动中各个小水体或水质点的运动方向是相互平行的。都只有纵向流速，各层之间不相互混杂。而紊流中就不是这样，由于在流动中产生许多不同的涡漩(又叫涡体，好像旋转的水球)。这些涡休互相混杂，非常紊乱地在运动着。如果在空间某一点观测，涡漩运动的方向及运动速度是因时囚地而异的。涡体的运动使得流体质点发生掺

10、混，这种流动叫做紊流。在紊流中，黏滞性对旋涡的产生，存在和发展具有决定性的作用。表征惯性力与黏滞阻力的比值是雷诺数，当雷诺数小于临界雷诺数时，涡体就不能发展和移动，就不能产生紊流。反之，当涡体因黏性阻力减小而得到发展和移动时，则层流的稳性被破坏而发展成紊流。 (2)螺旋流 可以认为水流中某一点在一个时段内有一个时间平均的流速向量，把这个向量再分解成为三个相互垂直方向的流速分量。这和以前的均匀流不同，在均匀流的直河段中，时间平均流速的方向是总体水流运动的方向(在x方向)，它不能再分解为y或z的方向，只是它的瞬时流速可以分解为u、v、w。最显著的螺旋流通常发牛在河湾水流中。如图211所示，在弯道中

11、，表面水流从凸岸流向凹岸，而河底水流从凹岸流向凸岸。在凹岸，水流从上向下；而在凸岸，水流从下向上。因而，从横断面上看，类似循环的运动，所以又叫环流，实际上这是不闭合的环流，呈螺旋形。在横断面上也可以画流速分布图。如图212所示，在上部流速指向凹岸：而在下部，流速指向凸岸。山于弯道中的水流情况与直线河道不同，所以紊动与扩散情况也不一样。环流又称作副流，以区别于主流。 在直河段里也有比较微弱的环流，并且常常是成对的，如图213所示。 (3)漩涡 当两股来源不同的水流在一个尖缘后汇合，由于两股水流原来的流速不同，所以在交界面极不稳定，对于偶然的波状搅动，交界面就会出现波动。冈在波峰的凸起方向的上第1

12、8页部流速变大，压强变小，而下部流速变小，压强变大，从而在交界面产生横向压力。导致交界面上凸段越凸，凹段越凹，最后使间断面破裂形成旋涡。 在逐渐扩散管道中的水流或在尖锐的凸体下游以及在剪切流巾，即使没有间断面，但因有横向流速梯度，以及在天然河流的不规则部分或建筑物突出部分的附近，都要发生漩涡，如图214漩涡又叫摩擦副流。因在主流部分的水流形成自然的流线，不能随着突出部分的地形而转折，因而在突出部分的下游受到掩护而使这部分水流运动比较慢，因两部分的流速有较大的差别，在交界面L发生了摩擦作用。在凹进的部分，就形成漩涡。在计算过水断面面积时，要扣除漩涡区所占有的部分，在河流污染的分析计算时必须注意。 22 水流的紊动及基本概念 一般明渠水流都属于紊流的范围，在工程问题中遇到的流体运动多是紊流。前人对紊流现象与规律进行了不少的探索。迄今已有的研究成果在实际应用上已经起了很大作用。 前人为了搞清楚紊流问题，研究了紊流中物理量的表示方法，对紊流中瞬时流速的脉动现象以及衡量脉动流速大小的指标脉动强度(也叫紊动强度)，以