《环境流体力学》系统地阐述了环境流体力学的基本概念、基本理论及**研究成果，主要内容包括：环境污染问题、环境污染的基本概念、扩散理论、剪切流离散、射流、羽流、浮射流、大气污染扩散分析、水质模型、地下水污染模型等。为便于读者自学，《环境流体力学》内容力求写得通俗易懂，对一些数学处理给出了比较详细的推导过程，并列举了一些例题。书末附有环境流体力学常用术语中英文对照表和详细的参考文献，以便读者深入研究时参考。

《环境流体力学》可作为水利类、环境类、土木类专业高年级本科生和研究生的教材，同时可供有关专业的学生、教师、科研人员及工程技术人员参考。

前言
第1章  绪论
  1.1  环境污染问题
    1.1.1  大气环境污染问题
    1.1.2  海洋环境污染问题
    1.1.3  河流污染问题
    1.1.4  河口污染问题
    1.1.5  湖泊污染问题
    1.1.6  水库污染问题
    1.1.7  地下水污染问题
    1.1.8  热污染问题
    1.1.9  城市水环境问题
  1.2  环境污染的基本概念
    1.2.1  污染源的分类
    1.2.2  水与空气环境质量的度量指标
  1.3  环境质量标准
    1.3.1  地表水环境质量标准
    1.3.2  环境空气质量标准
    1.3.3  地下水质量标准
第2章  扩散理论
  2.1  Fick定律与扩散方程
    2.1.1  Fick定律
    2.1.2  扩散方程
  2.2  瞬时源扩散
    2.2.1  瞬时源一维扩散
    2.2.2  瞬时源二维、三维扩散
    2.2.3  瞬时源迁移扩散
  2.3  连续源扩散
    2.3.1  等强度连续点源的一维扩散
    2.3.2  等强度连续点源的三维扩散
    2.3.3  等强度连续点源的迁移扩散
    2.3.4  变强度连续点源的一维扩散
    2.3.5  分布连续源的一维扩散
  2.4  有限空间中扩散
    2.4.1  一侧有边界的一维扩散
    2.4.2  两侧有边界的一维扩散
  2.5  分子扩散的随机游动理论
  2.6  紊动扩散的拉格朗日法
  2.7  紊动扩散的欧拉法
    2.7.1  紊动扩散方程
    2.7.2  紊动Schmidt数
  2.8  岸边排放与中心排放污染带的计算
    2.8.1  污染带浓度分布
    2.8.2  污染带宽度
    2.8.3  均匀混合的纵向距离
第3章  剪切流离散
  3.1  圆管剪切流离散
    3.1.1  剪切流离散基础
    3.1.2  圆管层流离散分析
    3.1.3  圆管紊流离散分析
  3.2  明渠剪切流离散
  3.3  非恒定剪切流离散
第4章  射流、羽流和浮射流
  4.1  紊动射流基本方程
    4.1.1  紊流基本方程
    4.1.2  紊流边界层方程
  4.2  紊流的半经验理论
    4.2.1  Prandtl混合长度理论
    4.2.2  Prandtl自由紊流理论
  4.3  自由紊动射流的一般特性
    4.3.1  断面流速分布的相似性
    4.3.2  射流边界的线性扩展
    4.3.3  动量通量守恒
  4.4  紊动平面射流
    4.4.1  紊动平面射流的理论解
    4.4.2  紊动平面射流的主体段
    4.4.3  紊动平面射流的初始段长度
    4.4.4  紊动平面射流的浓度分布
  4.5  紊动圆形射流
    4.5.1  紊动圆形射流的理论解
    4.5.2  紊动圆形射流的主体段
    4.5.3  紊动圆形射流的初始段长度
    4.5.4  紊动圆形射流的浓度分布
  4.6  羽流
    4.6.1  积分方法
    4.6.2  量纲分析法
  4.7  圆形浮射流
    4.7.1  静止均质环境中圆形浮射流
    4.7.2  线性分层环境中圆形浮射流
  4.8  平面浮射流
    4.8.1  静止均质环境中平面浮射流
    4.8.2  线性分层环境中平面浮射流
  4.9  浮射流的量纲分析法
第5章  大气污染扩散分析
  5.1  大气分层
    5.1.1  对流层
    5.1.2  同温层
    5.1.3  中间层
    5.1.4  电离层
    5.1.5  外逸层
  5.2  影响大气污染的气象条件和下垫面状况
    5.2.1  风
    5.2.2  大气稳定度
    5.2.3  逆温层
    5.2.4  下垫面局地风对污染扩散的影响
  5.3  烟囱排放的烟流形态
  5.4  烟流扩散分析
    5.4.1  烟流抬升高度的计算
    5.4.2  扩散参数的确定
    5.4.3  烟流落地浓度的计算
    5.4.4  烟囱高度及出口直径的确定
  5.5  机动车尾气扩散分析
    5.5.1  无限长线源的扩散模式
    5.5.2  有限长线源的扩散模式
    5.5.3  线源强度
第6章  水质模型
  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  复氧系数与耗氧系数
  6.2  河流综合水质模型
  6.3  湖泊水质模型
    6.3.1  Vollenweider模型
    6.3.2  湖泊综合水质模型
  6.4  重金属污染模型
    6.4.1  重金属污染问题
    6.4.2  重金属迁移模型
第7章  地下水污染模型
  7.1  概述
    7.1.1  污染源
    7.1.2  多孔介质
    7.1.3  弥散方程
  7.2  地下水污染的随机模型
  7.3  地下水污染的黑箱模型
  7.4  地下水污染问题的解析解
    7.4.1  半无限长土柱中连续注入示踪剂的运移模型
    7.4.2  半无限长土柱中短时间注入示踪剂的运移模型
    7.4.3  地下放射性物质的弥散问题
    7.4.4  地下水污染径向弥散问题
    7.4.5  地下水污染平面二维弥散问题(瞬时注入情形)
    7.4.6  地下水污染平面二维弥散问题(连续注入情形)
参考文献
附录  常用术语中英文对照表

 

　　第1章绪论
　　1.1环境污染问题
　　1.1.1大气环境污染问题
　　大气污染是指由于人类活动而排放到空气中的有害气体和颗粒物（particulate matter），累积到超过大气自净作用（稀释、转化、洗净、沉降等）所能降低的程度，在一定持续时间内有害于生物及非生物。按照国际标准化组织（International Organization for Standardization）的定义，大气污染是指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。
　　近年来，随着我国经济社会的快速发展，多个地区接连出现以颗粒物(PM10和PM2.5)为特征污染物的灰霾天气，大气颗粒物已成为影响我国环境空气（ambient air）质量的首要污染物。美国国家航空航天局（NASA）2010年公布的全球PM2.5卫星监测图显示，我国除新疆、西藏外，大部分地区被灰霾所笼罩，尤其在华北、华东及华中地区，PM2.5浓度远远超过我国环境空气质量标准所规定的浓度限值。我国以煤炭为主的能源消耗量大幅攀升，机动车保有量急剧增加，城市建设施工量巨大，大气氧化性不断增强，使得我国大气环境污染问题日趋严重，大气污染防治工作面临巨大挑战。
　　大气污染的来源主要来自两个方面：一方面是由自然界的自然现象引起的，此类污染一般依靠大气的自净作用，*终可达到平衡；另一方面是由于人类的生产、生活活动引起的，此类污染的特点为集中、持续、排放量大，常常超过大气环境的自净作用。大气污染物按其存在状态一般可分为气态污染物和颗粒物，其中颗粒物与气体行为类似，因此又称为气溶胶。已发现大气中对人体有危害的污染物有100多种，主要为燃烧化石燃料产生的硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、碳氧化物(COx)，碳氢化合物(HC)及气态有机化合物等。对于气态污染物，又可分为一次污染物和二次污染物。若大气污染物是从污染源直接排放的原始物质，则称为一次污染物；若由一次污染物与大气中原有成分或几种一次污染物之间经过一系列化学或光化学反应而生成的与一次污染物性质不同的新污染物，称为二次污染物。在大气污染中，普遍关注的二次污染物主要为硫酸烟雾和光化学烟雾等。硫酸烟雾是由大气中的二氧化硫（SO2)等硫化物在有水雾、含有重金属的飘尘或氮氧化物存在时，发生一系列化学或光化学反应而生成的硫酸雾或硫酸盐气溶胶；光化学烟雾是由大气中氮氧化物、碳氢化合物与氧化剂之间在阳光照射下发生一系列光化学反应所生成的蓝色烟雾，其主要成分为臭氧、过氧乙酰基硝酸酯（PNA）、酮类及醛类。
　　我国现阶段大气污染的主要特征如下。
　　（1）以煤炭为主的能源消费结构及工业结构和布局的不尽合理，普遍形成城市大气总悬浮颗粒物（TSP）超标、二氧化硫污染保持在较高水平的煤烟型污染。
　　（2）城市机动车尾气排放污染物剧增，氮氧化物、一氧化碳（CO）、碳氢化合物污染呈加重趋势，许多大城市的大气污染已由煤烟型污染向煤烟、交通、氧化型等共存的复合型污染转变。
　　（3）随着城镇化进程的加快，大规模建筑施工等人为活动引起的扬尘污染加重。
　　（4）由于硫氧化物、氮氧化物等致酸物质的排放仍未得到有效控制，全国已形成华中、西南、华东、华南等多个酸雨区，尤以华中酸雨区*为严重。
　　1.1.2海洋环境污染问题
　　全球共有35个主要海域，有的与大洋相连，有的由陆地环绕。波罗的海、地中海、黑海、里海、白令海、黄海等海域在不同程度上反映出35个海域遭受破坏的状况。
　　古代，黑海以丰富的鱼类资源、温和的气候和重要的战略地位而闻名于世。位于黑海之滨的君士坦丁堡是拜占庭帝国的首都，是东西方交往的门户，以及人类文明的主要中心之一。但是近几十年来，这个美丽的海域却遭到了肆意破坏。*严重的问题是水体富营养化，这是由于流入黑海的各条河流把农田施用的化肥、城市生活污水带入海中，致使海藻和细菌迅速繁殖，在水面形成厚而密集的漂浮层（赤潮），破坏了黑海水体的自然生态平衡。黑海的主要污染源是从西北部流入黑海的多瑙河(Danube)、德涅斯特河(Днестр)等。经多瑙河流入黑海的污染物主要是化肥和中欧、东欧地区8000多万人口的生活污水。多瑙河每年向黑海排放大约60万t磷、340万t氮；流经乌克兰、摩尔多瓦产粮地区的德涅斯特河则把大量的硝酸盐、磷酸盐带入黑海。黑海90%的水体已经变成动植物难以生存的死水，其中部、南部水域的深层水中含有多种有毒物质，并且死水正从下向上逐步扩展，黑海正面临“窒息”而“死亡”的威胁。
　　众所周知，黄海是由于黄河挟带大量泥沙流入渤海后形成的。数千年来，黄海接纳的是黄河的泥沙，如今除接纳大量泥沙之外，还接纳黄河流域和沿海地区排放的污染物，使得水栖和陆栖动物的生存环境日益恶化。据《1994-1996中国海洋年鉴》统计，经黄河流入渤海的镉、汞、铅、锌、砷、铬等重金属达750t，另外还有2万t石油。排入黄海的污染物负荷则比渤海高1倍以上。黄海的污染物主要沉积在许多海洋生物赖以生存的海床上。据1981~1984年进行的监测结果显示，螃蟹、虾等甲壳类动物体内的镉含量增加了2倍，鱼类、软体动物体内铅、铜的含量分别增加了1~3倍。1989年的监测结果表明，蛤蜊、牡蛎等贝壳类动物体内的汞含量超过允许含量的10多倍。与黄海相连的各条河流的河口、海湾、湿地，大部分已受到污染，对渔业生产造成了严重影响。以胶州湾的青岛沿海为例，1963年共有141种海洋动物生活在沿海水域，到了1988年仅剩下24种。
　　在地处北欧斯堪的纳维亚(Scandinavia)半岛上，纵横交错的河流小溪经瑞典、挪威汇入波罗的海(Baltic)。它们并不像世界上多数入海河流那样流经人口稠密、土地得到充分开垦的地区，而是流经寂静的带有原始色彩的森林地区。正是这些森林地区的纸浆厂、造纸厂成了危及波罗的海的污染源。造纸厂在对纸张作漂白处理的过程中，排放出大量的有机氯化合物，这类化合物不溶解于水，但可溶解于脂质，并且能聚积于动物和鱼类的脂肪组织中。瑞典、芬兰的纸浆及纸张产量占世界总产量的10%，两国每年排放的氯化合物有30万~40万t，其中大部分流入波罗的海。已有研究表明，这种化合物是致癌物质，并能导致动物生育和内分泌方面的疾病。同毗邻的北海鱼类相比较，波罗的海鱼类体内的氯化合物含量竟然高出8~10倍！早在20世纪50年代末，在瑞典沿海就发现大批海鸥、海豹和水貂因氯化合物致死。海洋生物学家的研究表明，波罗的海的各种海洋动物除了数目急剧减少和濒临灭绝的危险之外，还由于体内有机氯含量过高而出现先天性缺陷，如海豹的颅骨极脆，一碰就碎；约半数海豹因生殖器官畸形而失去繁殖能力等。
　　大多数海域只是部分被陆地包围，但位于黑海以东约500km的里海(Caspian)则完全被陆地所包围。几百年来，势力强大者之间为了控制里海沿岸具有战略意义的河流、港口而发生激战。如果说里海南部流域是因为有石油而具有重要的战略意义，那么其北部流域则是由于有丰富的农业资源、水资源而具有战略意义。这个地区生产的粮食占苏联粮食总产量的1/5，工业产值占1/3。伏尔加河（Водга）是里海的主要污染源。1989年，经伏尔加河排入里海的污水达4000万t，仅石油化工厂每年就向里海排放近7万t工业废水。因此，里海的渔业资源濒临崩溃，鲈鱼、狗鱼的捕获量自20世纪90年代以来下降了96%，但是下降幅度**的当属鲟鱼的鱼子产量，如今从伏尔加河洄游到里海产卵的鲟鱼已大大减少，素有“里海黑珍珠”美称的鱼子酱，已成为历史。
　　近海及海湾石油的开采、油轮运输、炼油工业废水排放及油轮发生意外事故等，会使海域遭受油污染。原油是烷烃、烯烃和芳香烃的混合物。油品进入水体后，先成浮油，后成油膜及一些非碳氢化合物溶解而成的乳化油。油膜仅1厚就会阻碍水面蒸发和氧气进入水体，影响水循环及水中鱼类的生存。石油在水体中可经过光化学氧化作用或生物氧化作用而分解。因石油中所含硫。矾。烷烃。芳香烃等不同，其氧化速率变化较大，并随天气或海水温度而变化。这会产生一些微生物及致癌物，对生物造成危害。漂浮在水面上的油层还会在风力作用下随流扩散和迁移，致使海滩环境恶化，休养地。风景区及鸟类栖息环境也遭破坏。
　　1.1.3河流污染问题
　　河流是陆地上*重要的水体，城市和大工业区大多沿河建立，依靠河流提供水源，便于原料和产品的运输，同时还将河流作为废水排放的场所。因此，在工业地区和人口密集城市的河流大多受到不同程度的污染。其污染状况主要有以下几个特点。
　　1)污染程度随径流变化
　　河流污染程度可用径污比表示，即河流的径流量与排人河水中的污水量之比。若径污比大，稀释能力就强，河流的污染程度就轻，反之就重。河流的径流量随时间。季节等而变化，因此污染程度也就随之变化。
　　2)污染影响范围广
　　河水是流动的，输运能力强，若上游遭到污染，就很快影响到中下游。由于污染物对水生物的生活习性(如鱼类洄游)有影响，若一段河流受到污染，会影响到该河段下游的河流环境。因此，河流污染影响范围不隈于污染发生区，还殃及下游地区，甚至影响到海洋。
　　河流是主要的饮用水源，河水中的污染物可以通过饮用水直接危害人类的健康。不但如此，河流中的污染物还可以通过食物链和河水灌溉农田造成间接危害。
　　3)河流的自净能力较强
　　废水或污染物进入河流后，污染与自净过程就同时开始。距排放口近的水域，污染过程是主要的，表现为水质恶化，形成严重污染区。而在相邻的下游水域，自净过程得到加强，污染强度有所减弱，表现为水质相对有所好转，形成中度或轻度污染区。在轻度污染区下游水域，自净过程是主要的，表现为废水或污染物经河水物理。化学或生物化学作用，污染物或被稀释或被分解或被吸附沉淀，水质恢复到正常状态。
　　1.1.4河口污染问题
　　人海河口往往有三角洲和冲积平原，土地肥沃，人口稠密，工农业生产比较发达，排放污染物也较集中。人海河口的河段由于流量大，比降小，更受到海洋潮汐的影响及台风暴雨的袭击，容易发生海潮倒灌。河水漫滩，使工农业生产受到损失，所以河口的治理与防治是很重要的课题。例如，珠江三角洲河口区有大小排污企业6200多家，排污量占全流域的37%，河口会潮点有40多个，受潮汐影响，污水回荡。不易排出，污染比较严重。目前南海油田的开发，深圳。珠海等经济特区的建立，乡镇企业的迅速发展都使珠江三角洲的水质进一步恶化，政府及水资源管理部门已高度重视，正积极开展调查研究，采取对策和措施进行综合治理。
　　人海河口是河流与海洋的过渡段，是河流与海洋两种动力相互作用。相互消长的区域。河流动力是指水流和泥沙的下泄，海洋动力是指潮汐的作用。当然，风力也要起作用，但在一个狭长的河口，潮汐起主要的作用;而在宽阔的河口，风力引起的流动将是一个重要的因素。这些动力因素的不同组合使河口的水文情势及污染物的迁移扩散较为复杂，具有明显的独特性。
　　众所周知，海水是咸水，河水是淡水。河口区中咸淡水的盐度。密度。含沙量不同，混合之后会影响河口的动力状况和沉积情况。咸淡水的混合程度主要取决于涨潮期内进入河口区的淡水量与涨潮量的比值，即混合指数(mlxlnglndex，MI)的大小。若MI≥1.0，则咸淡水分层明显，常出现在弱潮河口，河道径流量大，淡水从上层流向海徉。若海水盐度大，密度也大，则海水以楔形体沿底层向河口上游延伸，即盐水楔。盐水楔**附近是河口区淤积严重地带，咸淡水相遇流速减小，导致物质沉积。若MI≤0.1，潮汐作用占主导地位，咸淡水之间混合强烈，断面上的等盐度线近乎垂直，但在纵向上盐度梯度仍然存在，盐度向海逐渐增大。这类河口一般比较宽阔，呈喇叭形(如钱塘江河口)。若0. 1