环境水力学的研究进展

'环境水力学的研究进展环境水力学是经典的水力学与新兴的环境科学相结合发展起來的一门交叉学科。在其发展过程中继承了许多传统的成熟的或不成熟的理论，如混合理论、射流理论、湍流理论、多相流理论等等。环境水力学的发展还将继续下去，将有更多的相关学科屮的理论方法和实验技术被吸收进来，使环境水力学的基本理论体系更加完备。另一方面，环境水力学作为一门相对独立的学科，有着自己的研究侧重点，因而使得那些引进的理论被赋予更多、更新的内涵。下血仅就我了解到的一些进展进行简单介绍。1实验研究与实验技术目前在实验室里所进行的环境水力学实验主要是针对保守物质（即污染物不发生化学的和生物的反应），因为对于非保守物质的模型实验要求有很大的长度尺度和时间尺度,这在实验室里是难以实现的。从实验的性质来看，目前的实验大都属于皋础性研究，而非应用性的，其原因就在于传统的理论不能满足本学科的要求，从而不得不提出一些新的实验研究内容，以完善环境水力学的基础理论。污染物在河道中的迁移扩散规律是环境水力学研究的重要内容之一。近年来，人们对污染物在各类典型河道中的输移扩散进行了大量的 实验研究，使过去只适用于顺直河道的混合理论向前迈进了一大步。例如，直角交汇河段水力特性实验，对交汇河段回流区几何特性和侧流轨迹进行了系统的分析，得出了一些具有普遍意义的结论。分叉河道中污染物输移扩散实验研究，提出了污染物分配与流量分配、排放动量、排放口到分叉点的距离以及分叉角之间的相关关系。弯道中温芜异重流特性实验研究发现了异重流弯道二次流具有三环主体结构，这同过去均质流弯道二次流具有二环主体结构是不相同的，实验还揭示了异重流二次流沿弯道生成、发展、消亡的过程。关于浅水域中的射流实验也取得了进展，探明了静止水域中平面和圆形垂向纯射流的隆起高度，提出了有横流时平面、圆形、多孔圆形射流的流动转变条件。由于污水排江排海问题日益受到重视，射流理论成为学者们和工程师们关注的问题。前者的目的在于揭示复杂射流的流动特征，而后者的目的在于设计出具有大的初始稀释度的扩散器。射流研究所取得的成就在很大程度得益丁•激光测速技术和图象处理技术。现在水环境射流研究已从深水发展到浅水，从静止环境发展到流动环境，从恒定环境发展到非恒定环境，从底部垂直射流发展到侧边横向射流。高新技术在实验研究中扮演着越来越重要角色，将使环境水力学实验研究发生质的飞跃。随着研究工作的深入，对流场、浓度场的测试要求越来越高，从单点到多点、从单相到多相、从平面到空间、从稳态到瞬态、从接触式到非接触式等等。新时代以來，激光测速技术、热线热 膜流速计技术、粒子成象速度场仪技术（或称为图象处理技术）取得了长足的发展，其进步主要体现在集成化、光纤化、智能化、精确化、数字化和多样化，致使体积越来越紧凑，操作越来越简单。效率越来越高,而测量结果则越来越精确。尤其是近几年才逐步成熟的IPV技术超出了单空间点测量技术的局限性，能在同一时刻记录整个速度场、浓度场的信息，提供出流动丰富的空间图象，揭示出隐藏着的流动内部结构。这一技术在洪水流速分布及流量测量、废热水排放的温度分布，污染物的浓度分布、射流以及湍流机理研究屮已有应用。可以预料，在不远的将来人们对湍流这一古老的间题、对水环境中污染物质的混合与输移规律将会有新的认识。2数学模型与计算方法数学模型是环境水力学研究中一个重要的组成部分，其中包括了数学模型的建立和计算方法两大内容。经过近十年的不断发展和完替，目前已有种类繁多、适应于解决各种特定间题的专用模型。一维、二维模型已比较成熟，三维模型的发展也很迅速。例如，明渠弯道的湍流模型、分义河渠中的混合模型、潮汐流动中污染排放的整区模型、三维热污染模型、潮汐河网的水环境数学模型、水石油膜的迁移、扩散数学模型等等。随着人们对湍流结构认识的深入，这些模型还将继续发展下去。同时，环境水力学学者们也意识到了使数学模型更加实用化的问题，正遵 循一条研究方法要深要严，而成果的表达要简单实用的原则，即所谓的深入浅出。数学模型的另一个发展表现在多相湍流模型（或双流体模型）不断受到重视，严格地讲，污染物质在环境水体中的迁移扩散运动属于多相流动。多相流动比单相湍流具有更高的随机性，相间界面的相互作用是多相流动的一个重要特点，要寻求一组完整地描述多相系统特性的微分方稈组是困难的。在早期的两相流研究中，大都以混合物的质量、动量、能量守恒方程为基础，而忽略了相间界面上的质量、动量和能量交换。目前已提出了一些多相流数学模型，如油一水两相流模型、液固两相流模型，这些模型已部分涉及到了相间作用力，但在本质上还是认为多相流与单相流动一样，只是方程增多，计算条件更加苛刻而已。多相流动中还有很多物理的和化学的规律还有待于通过精确实验加以研究。在数值计算方法方面，有限差分、有限元、有限容积法、有限分析法、边界元法仍是主流方法。最近一些学者提出了混合有限分析多重网格法，其收敛速度受网格步长的影响很小，具有收效速度快、流场计算精确的优点。在环境水力学计算中，不规则儿何边界一直是比较头痛的间题，因此对具冇复杂边界流速场的数值计算仍是人们关心的问题。目前贴体坐标和“冻结”技术常用于处理此类问题。 3发展趋势不断拓展新的研究领域是环境水力学发展的一大特色。过去环境水力学研究的对象往往是保守物质，而近年来对非保守物质的迁移扩散规律的研究、对水质模型产生了浓厚的兴趣。人们将眼光从无机物转向有毒有机物，从点源转向面源（或分散源），从河流转向湖泊、河口、地下水。现有的水质模型在水动力计算方面是比较粗糙的，而且许多水质参数都是在静水中测定的，环境水力学的发展必然要求弥补这一缺陷。一个完善的水质模型应是水质化学家、水生物学家、水文学家、坏境水力学家联手合作的产物，这类水质模型已在国内外研究中崭露头角。在水环境容量、城市污水海洋处理、水质规划风险分析等领域，也出现了环境水力学家们积极参与和融合的趋势。在这类研究中，一方面使环境水力学自身得到发展和完善，也使相关领域的研究得到深入，已出现了一批水平较高的研究成果。纵观环境水力学的兴起与发展过程，它是社会环境意识提高和学科发展的必然产物。它的研究方法在不断地继承和吸纳中、在高新技术的激励下逐渐形成特色，它的研究领域在自身深化和与相关学科、相关领域的不断接触和碰撞中逐渐扩大。对于这样一门正处于高速发展时期的新学科，要研究解决的课题还很多，因而也是一门具冇吸引力和挑战性的学科。 4现存问题回顾环境水力学在中国的发展过程，令人兴奋。环境水力学的研究内容和手段止在不断拓宽和发展，洪水水力学、水质管理和规划等也成了坏境水力学专家们关心的对象。量测方法的改进和发展，为环境水力学学科的发展开辟了广阔的前景，如激光测速仪和数字图像处理技术使我们能够精细地了解紊流的结构和解决非恒定流场、浓度场的量测困难。但是，另一方面，环境水力学也仍然存在着下述一些急需解决的问题：1・加强理论研究和工程实际的结合，具有重大的经济价值。这方面存在两点不足，一是许多研究人员苦于不能将其成果用于解决实际工程问题；二是许多工程设计人员仍按照传统的理论进行设计，缺乏有关新理论、新成果的信息。产生这种现象的原因在于研究人员和工程设计人员之间缺乏沟通和理解，其原因既有个人偏见和利益分配上的原因，更有科研体制上的弊端。现在的各种学术会议上，很少有来自工程设计单位和工程第一线的科技人员，这使得工程设计人员不能与研究人员面对血地交换意见，也不了解理论研究取得了那些新成果。而研究人员也失去了听取工程设计人员意见和建议的机会。2•在加强数学模型研究的同时，应加强试验研究；特别是新的试验手段和方法的研究。重数学模型轻试验研究的现象，近几年在青年学者和研究生屮较为突岀，须引起足够的重视。 3•加强复杂数学模型在工程实际中的应用研究。近些年来，计算机技术和紊流理论的飞跃发展使得数学模型特别是复杂模型的研究成为现实。现在的许多国际（内）会议中，数学模型所占比重很人，但是真正能够解决工程问题或为工程设计提供服务的复杂模型则较少，很多模型还处于“缺乏验证”或“把握性不大”的阶段。4.加强对紊流精细结构的研究，这对处理排江排海中的稀释问题和“混合区”的计算等尤为重要。在紊流精细结构的研究中，需要注意引人新的科学思想，如混沌和分形。新思想的引人和发展，对学科的突破有着重大意义。综上所述，就国际范围来说，污染问题并未得到有效的控制，牛存和发展问题已成为世界各国口益关注的焦点。在我国，水体的严重污染已经影响到了千家万户的正常生活和工农业的发展。防止和治理污染的任务还很重，污染预报变得愈来愈重要。所有这些，都给环境水力学的研究者提出了严峻的挑战。'