《環(huán)境流體力學(xué)》系統(tǒng)地闡述了環(huán)境流體力學(xué)的基本概念、基本理論及**研究成果，主要內(nèi)容包括：環(huán)境污染問題、環(huán)境污染的基本概念、擴散理論、剪切流離散、射流、羽流、浮射流、大氣污染擴散分析、水質(zhì)模型、地下水污染模型等。為便于讀者自學(xué)，《環(huán)境流體力學(xué)》內(nèi)容力求寫得通俗易懂，對一些數(shù)學(xué)處理給出了比較詳細的推導(dǎo)過程，并列舉了一些例題。書末附有環(huán)境流體力學(xué)常用術(shù)語中英文對照表和詳細的參考文獻，以便讀者深入研究時參考。
《環(huán)境流體力學(xué)》可作為水利類、環(huán)境類、土木類專業(yè)高年級本科生和研究生的教材，同時可供有關(guān)專業(yè)的學(xué)生、教師、科研人員及工程技術(shù)人員參考。
前言
第1章 緒論
1.1 環(huán)境污染問題
1.1.1 大氣環(huán)境污染問題
1.1.2 海洋環(huán)境污染問題
1.1.3 河流污染問題
1.1.4 河口污染問題
1.1.5 湖泊污染問題
1.1.6 水庫污染問題
1.1.7 地下水污染問題
1.1.8 熱污染問題
1.1.9 城市水環(huán)境問題
1.2 環(huán)境污染的基本概念
1.2.1 污染源的分類
1.2.2 水與空氣環(huán)境質(zhì)量的度量指標(biāo)
1.3 環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
1.3.1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
1.3.2 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
1.3.3 地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
第2章 擴散理論
2.1 Fick定律與擴散方程
2.1.1 Fick定律
2.1.2 擴散方程
2.2 瞬時源擴散
2.2.1 瞬時源一維擴散
2.2.2 瞬時源二維、三維擴散
2.2.3 瞬時源遷移擴散
2.3 連續(xù)源擴散
2.3.1 等強度連續(xù)點源的一維擴散
2.3.2 等強度連續(xù)點源的三維擴散
2.3.3 等強度連續(xù)點源的遷移擴散
2.3.4 變強度連續(xù)點源的一維擴散
2.3.5 分布連續(xù)源的一維擴散
2.4 有限空間中擴散
2.4.1 一側(cè)有邊界的一維擴散
2.4.2 兩側(cè)有邊界的一維擴散
2.5 分子擴散的隨機游動理論
2.6 紊動擴散的拉格朗日法
2.7 紊動擴散的歐拉法
2.7.1 紊動擴散方程
2.7.2 紊動Schmidt數(shù)
2.8 岸邊排放與中心排放污染帶的計算
2.8.1 污染帶濃度分布
2.8.2 污染帶寬度
2.8.3 均勻混合的縱向距離
第3章 剪切流離散
3.1 圓管剪切流離散
3.1.1 剪切流離散基礎(chǔ)
3.1.2 圓管層流離散分析
3.1.3 圓管紊流離散分析
3.2 明渠剪切流離散
3.3 非恒定剪切流離散
第4章 射流、羽流和浮射流
4.1 紊動射流基本方程
4.1.1 紊流基本方程
4.1.2 紊流邊界層方程
4.2 紊流的半經(jīng)驗理論
4.2.1 Prandtl混合長度理論
4.2.2 Prandtl自由紊流理論
4.3 自由紊動射流的一般特性
4.3.1 斷面流速分布的相似性
4.3.2 射流邊界的線性擴展
4.3.3 動量通量守恒
4.4 紊動平面射流
4.4.1 紊動平面射流的理論解
4.4.2 紊動平面射流的主體段
4.4.3 紊動平面射流的初始段長度
4.4.4 紊動平面射流的濃度分布
4.5 紊動圓形射流
4.5.1 紊動圓形射流的理論解
4.5.2 紊動圓形射流的主體段
4.5.3 紊動圓形射流的初始段長度
4.5.4 紊動圓形射流的濃度分布
4.6 羽流
4.6.1 積分方法
4.6.2 量綱分析法
4.7 圓形浮射流
4.7.1 靜止均質(zhì)環(huán)境中圓形浮射流
4.7.2 線性分層環(huán)境中圓形浮射流
4.8 平面浮射流
4.8.1 靜止均質(zhì)環(huán)境中平面浮射流
4.8.2 線性分層環(huán)境中平面浮射流
4.9 浮射流的量綱分析法
第5章 大氣污染擴散分析
5.1 大氣分層
5.1.1 對流層
5.1.2 同溫層
5.1.3 中間層
5.1.4 電離層
5.1.5 外逸層
5.2 影響大氣污染的氣象條件和下墊面狀況
5.2.1 風(fēng)
5.2.2 大氣穩(wěn)定度
5.2.3 逆溫層
5.2.4 下墊面局地風(fēng)對污染擴散的影響
5.3 煙囪排放的煙流形態(tài)
5.4 煙流擴散分析
5.4.1 煙流抬升高度的計算
5.4.2 擴散參數(shù)的確定
5.4.3 煙流落地濃度的計算
5.4.4 煙囪高度及出口直徑的確定
5.5 機動車尾氣擴散分析
5.5.1 無限長線源的擴散模式
5.5.2 有限長線源的擴散模式
5.5.3 線源強度
第6章 水質(zhì)模型
6.1 河流BOD-DO耦合模型
6.1.1 Streeter-Phelps模型
6.1.2 Thomas修正模型
6.1.3 O'Connor修正模型
6.1.4 Camp-Dobbins修正模型
6.1.5 復(fù)氧系數(shù)與耗氧系數(shù)
6.2 河流綜合水質(zhì)模型
6.3 湖泊水質(zhì)模型
6.3.1 Vollenweider模型
6.3.2 湖泊綜合水質(zhì)模型
6.4 重金屬污染模型
6.4.1 重金屬污染問題
6.4.2 重金屬遷移模型
第7章 地下水污染模型
7.1 概述
7.1.1 污染源
7.1.2 多孔介質(zhì)
7.1.3 彌散方程
7.2 地下水污染的隨機模型
7.3 地下水污染的黑箱模型
7.4 地下水污染問題的解析解
7.4.1 半無限長土柱中連續(xù)注入示蹤劑的運移模型
7.4.2 半無限長土柱中短時間注入示蹤劑的運移模型
7.4.3 地下放射性物質(zhì)的彌散問題
7.4.4 地下水污染徑向彌散問題
7.4.5 地下水污染平面二維彌散問題(瞬時注入情形)
7.4.6 地下水污染平面二維彌散問題(連續(xù)注入情形)
參考文獻
附錄 常用術(shù)語中英文對照表
第1章緒論
1.1環(huán)境污染問題
1.1.1大氣環(huán)境污染問題
大氣污染是指由于人類活動而排放到空氣中的有害氣體和顆粒物（particulate matter），累積到超過大氣自凈作用（稀釋、轉(zhuǎn)化、洗凈、沉降等）所能降低的程度，在一定持續(xù)時間內(nèi)有害于生物及非生物。按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization）的定義，大氣污染是指由于人類活動和自然過程引起某種物質(zhì)進入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達到足夠的時間，并因此而危害了人體的舒適、健康和福利或危害了環(huán)境的現(xiàn)象。
近年來，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，多個地區(qū)接連出現(xiàn)以顆粒物(PM10和PM2.5)為特征污染物的灰霾天氣，大氣顆粒物已成為影響我國環(huán)境空氣（ambient air）質(zhì)量的首要污染物。美國國家航空航天局（NASA）2010年公布的全球PM2.5衛(wèi)星監(jiān)測圖顯示，我國除新疆、西藏外，大部分地區(qū)被灰霾所籠罩，尤其在華北、華東及華中地區(qū)，PM2.5濃度遠遠超過我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的濃度限值。我國以煤炭為主的能源消耗量大幅攀升，機動車保有量急劇增加，城市建設(shè)施工量巨大，大氣氧化性不斷增強，使得我國大氣環(huán)境污染問題日趨嚴重，大氣污染防治工作面臨巨大挑戰(zhàn)。
大氣污染的來源主要來自兩個方面：一方面是由自然界的自然現(xiàn)象引起的，此類污染一般依靠大氣的自凈作用，*終可達到平衡；另一方面是由于人類的生產(chǎn)、生活活動引起的，此類污染的特點為集中、持續(xù)、排放量大，常常超過大氣環(huán)境的自凈作用。大氣污染物按其存在狀態(tài)一般可分為氣態(tài)污染物和顆粒物，其中顆粒物與氣體行為類似，因此又稱為氣溶膠。已發(fā)現(xiàn)大氣中對人體有危害的污染物有100多種，主要為燃燒化石燃料產(chǎn)生的硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、碳氧化物(COx)，碳氫化合物(HC)及氣態(tài)有機化合物等。對于氣態(tài)污染物，又可分為一次污染物和二次污染物。若大氣污染物是從污染源直接排放的原始物質(zhì)，則稱為一次污染物；若由一次污染物與大氣中原有成分或幾種一次污染物之間經(jīng)過一系列化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)而生成的與一次污染物性質(zhì)不同的新污染物，稱為二次污染物。在大氣污染中，普遍關(guān)注的二次污染物主要為硫酸煙霧和光化學(xué)煙霧等。硫酸煙霧是由大氣中的二氧化硫（SO2)等硫化物在有水霧、含有重金屬的飄塵或氮氧化物存在時，發(fā)生一系列化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)而生成的硫酸霧或硫酸鹽氣溶膠；光化學(xué)煙霧是由大氣中氮氧化物、碳氫化合物與氧化劑之間在陽光照射下發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)所生成的藍色煙霧，其主要成分為臭氧、過氧乙酰基硝酸酯（PNA）、酮類及醛類。
我國現(xiàn)階段大氣污染的主要特征如下。
（1）以煤炭為主的能源消費結(jié)構(gòu)及工業(yè)結(jié)構(gòu)和布局的不盡合理，普遍形成城市大氣總懸浮顆粒物（TSP）超標(biāo)、二氧化硫污染保持在較高水平的煤煙型污染。
（2）城市機動車尾氣排放污染物劇增，氮氧化物、一氧化碳（CO）、碳氫化合物污染呈加重趨勢，許多大城市的大氣污染已由煤煙型污染向煤煙、交通、氧化型等共存的復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變。
（3）隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，大規(guī)模建筑施工等人為活動引起的揚塵污染加重。
（4）由于硫氧化物、氮氧化物等致酸物質(zhì)的排放仍未得到有效控制，全國已形成華中、西南、華東、華南等多個酸雨區(qū)，尤以華中酸雨區(qū)*為嚴重。
1.1.2海洋環(huán)境污染問題
全球共有35個主要海域，有的與大洋相連，有的由陸地環(huán)繞。波羅的海、地中海、黑海、里海、白令海、黃海等海域在不同程度上反映出35個海域遭受破壞的狀況。
古代，黑海以豐富的魚類資源、溫和的氣候和重要的戰(zhàn)略地位而聞名于世。位于黑海之濱的君士坦丁堡是拜占庭帝國的首都，是東西方交往的門戶，以及人類文明的主要中心之一。但是近幾十年來，這個美麗的海域卻遭到了肆意破壞。*嚴重的問題是水體富營養(yǎng)化，這是由于流入黑海的各條河流把農(nóng)田施用的化肥、城市生活污水帶入海中，致使海藻和細菌迅速繁殖，在水面形成厚而密集的漂浮層（赤潮），破壞了黑海水體的自然生態(tài)平衡。黑海的主要污染源是從西北部流入黑海的多瑙河(Danube)、德涅斯特河(Днестр)等。經(jīng)多瑙河流入黑海的污染物主要是化肥和中歐、東歐地區(qū)8000多萬人口的生活污水。多瑙河每年向黑海排放大約60萬t磷、340萬t氮；流經(jīng)烏克蘭、摩爾多瓦產(chǎn)糧地區(qū)的德涅斯特河則把大量的硝酸鹽、磷酸鹽帶入黑海。黑海90%的水體已經(jīng)變成動植物難以生存的死水，其中部、南部水域的深層水中含有多種有毒物質(zhì)，并且死水正從下向上逐步擴展，黑海正面臨“窒息”而“死亡”的威脅。
眾所周知，黃海是由于黃河挾帶大量泥沙流入渤海后形成的。數(shù)千年來，黃海接納的是黃河的泥沙，如今除接納大量泥沙之外，還接納黃河流域和沿海地區(qū)排放的污染物，使得水棲和陸棲動物的生存環(huán)境日益惡化。據(jù)《1994-1996中國海洋年鑒》統(tǒng)計，經(jīng)黃河流入渤海的鎘、汞、鉛、鋅、砷、鉻等重金屬達750t，另外還有2萬t石油。排入黃海的污染物負荷則比渤海高1倍以上。黃海的污染物主要沉積在許多海洋生物賴以生存的海床上。據(jù)1981~1984年進行的監(jiān)測結(jié)果顯示，螃蟹、蝦等甲殼類動物體內(nèi)的鎘含量增加了2倍，魚類、軟體動物體內(nèi)鉛、銅的含量分別增加了1~3倍。1989年的監(jiān)測結(jié)果表明，蛤蜊、牡蠣等貝殼類動物體內(nèi)的汞含量超過允許含量的10多倍。與黃海相連的各條河流的河口、海灣、濕地，大部分已受到污染，對漁業(yè)生產(chǎn)造成了嚴重影響。以膠州灣的青島沿海為例，1963年共有141種海洋動物生活在沿海水域，到了1988年僅剩下24種。
在地處北歐斯堪的納維亞(Scandinavia)半島上，縱橫交錯的河流小溪經(jīng)瑞典、挪威匯入波羅的海(Baltic)。它們并不像世界上多數(shù)入海河流那樣流經(jīng)人口稠密、土地得到充分開墾的地區(qū)，而是流經(jīng)寂靜的帶有原始色彩的森林地區(qū)。正是這些森林地區(qū)的紙漿廠、造紙廠成了危及波羅的海的污染源。造紙廠在對紙張作漂白處理的過程中，排放出大量的有機氯化合物，這類化合物不溶解于水，但可溶解于脂質(zhì)，并且能聚積于動物和魚類的脂肪組織中。瑞典、芬蘭的紙漿及紙張產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的10%，兩國每年排放的氯化合物有30萬~40萬t，其中大部分流入波羅的海。已有研究表明，這種化合物是致癌物質(zhì)，并能導(dǎo)致動物生育和內(nèi)分泌方面的疾病。同毗鄰的北海魚類相比較，波羅的海魚類體內(nèi)的氯化合物含量竟然高出8~10倍！早在20世紀(jì)50年代末，在瑞典沿海就發(fā)現(xiàn)大批海鷗、海豹和水貂因氯化合物致死。海洋生物學(xué)家的研究表明，波羅的海的各種海洋動物除了數(shù)目急劇減少和瀕臨滅絕的危險之外，還由于體內(nèi)有機氯含量過高而出現(xiàn)先天性缺陷，如海豹的顱骨極脆，一碰就碎；約半數(shù)海豹因生殖器官畸形而失去繁殖能力等。
大多數(shù)海域只是部分被陸地包圍，但位于黑海以東約500km的里海(Caspian)則完全被陸地所包圍。幾百年來，勢力強大者之間為了控制里海沿岸具有戰(zhàn)略意義的河流、港口而發(fā)生激戰(zhàn)。如果說里海南部流域是因為有石油而具有重要的戰(zhàn)略意義，那么其北部流域則是由于有豐富的農(nóng)業(yè)資源、水資源而具有戰(zhàn)略意義。這個地區(qū)生產(chǎn)的糧食占蘇聯(lián)糧食總產(chǎn)量的1/5，工業(yè)產(chǎn)值占1/3。伏爾加河（Водга）是里海的主要污染源。1989年，經(jīng)伏爾加河排入里海的污水達4000萬t，僅石油化工廠每年就向里海排放近7萬t工業(yè)廢水。因此，里海的漁業(yè)資源瀕臨崩潰，鱸魚、狗魚的捕獲量自20世紀(jì)90年代以來下降了96%，但是下降幅度**的當(dāng)屬鱘魚的魚子產(chǎn)量，如今從伏爾加河洄游到里海產(chǎn)卵的鱘魚已大大減少，素有“里海黑珍珠”美稱的魚子醬，已成為歷史。
近海及海灣石油的開采、油輪運輸、煉油工業(yè)廢水排放及油輪發(fā)生意外事故等，會使海域遭受油污染。原油是烷烴、烯烴和芳香烴的混合物。油品進入水體后，先成浮油，后成油膜及一些非碳氫化合物溶解而成的乳化油。油膜僅1厚就會阻礙水面蒸發(fā)和氧氣進入水體，影響水循環(huán)及水中魚類的生存。石油在水體中可經(jīng)過光化學(xué)氧化作用或生物氧化作用而分解。因石油中所含硫。礬。烷烴。芳香烴等不同，其氧化速率變化較大，并隨天氣或海水溫度而變化。這會產(chǎn)生一些微生物及致癌物，對生物造成危害。漂浮在水面上的油層還會在風(fēng)力作用下隨流擴散和遷移，致使海灘環(huán)境惡化，休養(yǎng)地。風(fēng)景區(qū)及鳥類棲息環(huán)境也遭破壞。
1.1.3河流污染問題
河流是陸地上*重要的水體，城市和大工業(yè)區(qū)大多沿河建立，依靠河流提供水源，便于原料和產(chǎn)品的運輸，同時還將河流作為廢水排放的場所。因此，在工業(yè)地區(qū)和人口密集城市的河流大多受到不同程度的污染。其污染狀況主要有以下幾個特點。
1)污染程度隨徑流變化
河流污染程度可用徑污比表示，即河流的徑流量與排人河水中的污水量之比。若徑污比大，稀釋能力就強，河流的污染程度就輕，反之就重。河流的徑流量隨時間。季節(jié)等而變化，因此污染程度也就隨之變化。
2)污染影響范圍廣
河水是流動的，輸運能力強，若上游遭到污染，就很快影響到中下游。由于污染物對水生物的生活習(xí)性(如魚類洄游)有影響，若一段河流受到污染，會影響到該河段下游的河流環(huán)境。因此，河流污染影響范圍不隈于污染發(fā)生區(qū)，還殃及下游地區(qū)，甚至影響到海洋。
河流是主要的飲用水源，河水中的污染物可以通過飲用水直接危害人類的健康。不但如此，河流中的污染物還可以通過食物鏈和河水灌溉農(nóng)田造成間接危害。
3)河流的自凈能力較強
廢水或污染物進入河流后，污染與自凈過程就同時開始。距排放口近的水域，污染過程是主要的，表現(xiàn)為水質(zhì)惡化，形成嚴重污染區(qū)。而在相鄰的下游水域，自凈過程得到加強，污染強度有所減弱，表現(xiàn)為水質(zhì)相對有所好轉(zhuǎn)，形成中度或輕度污染區(qū)。在輕度污染區(qū)下游水域，自凈過程是主要的，表現(xiàn)為廢水或污染物經(jīng)河水物理。化學(xué)或生物化學(xué)作用，污染物或被稀釋或被分解或被吸附沉淀，水質(zhì)恢復(fù)到正常狀態(tài)。
1.1.4河口污染問題
人海河口往往有三角洲和沖積平原，土地肥沃，人口稠密，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比較發(fā)達，排放污染物也較集中。人海河口的河段由于流量大，比降小，更受到海洋潮汐的影響及臺風(fēng)暴雨的襲擊，容易發(fā)生海潮倒灌。河水漫灘，使工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到損失，所以河口的治理與防治是很重要的課題。例如，珠江三角洲河口區(qū)有大小排污企業(yè)6200多家，排污量占全流域的37%，河口會潮點有40多個，受潮汐影響，污水回蕩。不易排出，污染比較嚴重。目前南海油田的開發(fā)，深圳。珠海等經(jīng)濟特區(qū)的建立，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的迅速發(fā)展都使珠江三角洲的水質(zhì)進一步惡化，政府及水資源管理部門已高度重視，正積極開展調(diào)查研究，采取對策和措施進行綜合治理。
人海河口是河流與海洋的過渡段，是河流與海洋兩種動力相互作用。相互消長的區(qū)域。河流動力是指水流和泥沙的下泄，海洋動力是指潮汐的作用。當(dāng)然，風(fēng)力也要起作用，但在一個狹長的河口，潮汐起主要的作用;而在寬闊的河口，風(fēng)力引起的流動將是一個重要的因素。這些動力因素的不同組合使河口的水文情勢及污染物的遷移擴散較為復(fù)雜，具有明顯的獨特性。
眾所周知，海水是咸水，河水是淡水。河口區(qū)中咸淡水的鹽度。密度。含沙量不同，混合之后會影響河口的動力狀況和沉積情況。咸淡水的混合程度主要取決于漲潮期內(nèi)進入河口區(qū)的淡水量與漲潮量的比值，即混合指數(shù)(mlxlnglndex，MI)的大小。若MI≥1.0，則咸淡水分層明顯，常出現(xiàn)在弱潮河口，河道徑流量大，淡水從上層流向海徉。若海水鹽度大，密度也大，則海水以楔形體沿底層向河口上游延伸，即鹽水楔。鹽水楔**附近是河口區(qū)淤積嚴重地帶，咸淡水相遇流速減小，導(dǎo)致物質(zhì)沉積。若MI≤0.1，潮汐作用占主導(dǎo)地位，咸淡水之間混合強烈，斷面上的等鹽度線近乎垂直，但在縱向上鹽度梯度仍然存在，鹽度向海逐漸增大。這類河口一般比較寬闊，呈喇叭形(如錢塘江河口)。若0. 1
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