水污染水流动力学基础

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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

2、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

3、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3x102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

4、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（diffusio n）和离散（dispersio n）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

5、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。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

6、(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

7、体积为V,重力为G,则容重为或 /-lini 等(1, L 2)单位体枳内液怵的质量叫密度，用卩表示设休积为V,质最掬则密度为浪据物理学的牛軌疋律.审力心与质就嗣的艾系为G二隔(k 1. 4)式中.莒为重力加速度用体积射除上式.井根据武(1.1. 1)和式(k 1.2)得丁 =曲 或 P =二(L 1. 5)由于液体体积随温度、压力的变化极小*对F同一种液体.在工程应用上容甫町以认为是常数*例如水7 1000kg.- m3 a燕懈朮的呆大容重是在4T时* 7= 1 g/enr-或Y 1000kg/曲，但丙温度的变化而有变化如：-io*coVwr20T：0. 99H1S0+ 999S70. 99

8、9730. 998230. 98807 (g/cmO因 *x=931ein/sap 故7 r1. 1. 6)所以密度随着温度的变化而变化。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4C时，水的相 对密度为I,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

9、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

10、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，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（

11、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 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

12、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，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

13、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 18 页图 2-1團2图 2. 1. 2申握流迪分吊一底圧朮就部流速变大，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

14、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）， 以及脉动流速与时均流速的关系等进行了大量的研究工作。并根据这些认识以及 观测数据建立了概括的紊流概念，它包括动量交换与紊动切运力以及混合长度与 紊动混合系数等，并应用这些概念再进一步建立了紊流的基本方程；探索流速分 布及阻力和解决工程技术中的实际技术问题。编辑本段紊流脉动在水力学中的紊流中，某空间点的瞬时速度虽随时间不断变化，但却是围绕某一平均值不断跳动，这种跳动称为脉动。其平均值称为时间平均流速。