環(huán)境水力學(xué)的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)李玉梁李玲(清華大學(xué)水利水電工程系)摘要：對(duì)20世紀(jì)70年代以來(lái)環(huán)境水力學(xué)的主要進(jìn)展及研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了綜述，指出當(dāng)前環(huán)境水力學(xué)發(fā)展的兩個(gè)重要趨勢(shì)，一是研究對(duì)象由無(wú)生命組分進(jìn)入有生命組分，向生態(tài)水力學(xué)發(fā)展；二是與“3S”結(jié)合，研究水域由小變大，向流域性水域發(fā)展。最后提出了“三水”轉(zhuǎn)換水質(zhì)模擬，挾沙水流水質(zhì)與生態(tài)模擬等值得研究的前沿性問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：環(huán)境水力學(xué)；水質(zhì)；紊流模型；生態(tài)模擬；水生態(tài)；綜述環(huán)境水力學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科，其研究?jī)?nèi)容尚在探索與發(fā)展中。廣義地講，環(huán)境水力學(xué)研究與環(huán)境有關(guān)的水力學(xué)問(wèn)題，除水污染、水生態(tài)問(wèn)題外還有許多其它方面的問(wèn)題，如水土保持、河道沖淤、洪水破壞作用、冰凌水力學(xué)等等。美國(guó)環(huán)境與水資源研究所環(huán)境水力學(xué)技術(shù)委員會(huì)提出“環(huán)境水力學(xué)特別著重于將物理因素（水動(dòng)力學(xué)、泥砂輸移和地形條件）、化學(xué)因素（保守與非保守物質(zhì)的傳輸、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)）和生物因素（生態(tài)學(xué)）作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行研究”［1］。從與水污染有關(guān)的水力學(xué)問(wèn)題來(lái)說(shuō)，環(huán)境水力學(xué)主要研究地面及地下水域中物質(zhì)的擴(kuò)散、輸移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立其分析計(jì)算方法，確定物質(zhì)濃度的時(shí)空分布及其應(yīng)用。如果說(shuō)傳統(tǒng)水力學(xué)主要是研究水流自身運(yùn)動(dòng)規(guī)律的話，環(huán)境水力學(xué)則主要是研究水體中所含物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是傳統(tǒng)水力學(xué)的一種發(fā)展，其內(nèi)容涉及水文學(xué)、水力學(xué)、水化學(xué)、水生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、湖沼學(xué)、海洋學(xué)和沉積學(xué)等，是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科。1環(huán)境水力學(xué)研究的主要進(jìn)展20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著水環(huán)境問(wèn)題研究的深入和相關(guān)學(xué)科及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境水力學(xué)無(wú)論在深度和廣度上都取得了很大的進(jìn)展。a.遠(yuǎn)區(qū)紊動(dòng)擴(kuò)散與離散的研究從對(duì)規(guī)則邊界中的恒定流動(dòng)向復(fù)雜流動(dòng)和非恒定流動(dòng)發(fā)展，如天然河流［2，3］、山區(qū)河流［4，5］、分汊河段［6］、交匯河段［7］、潮汐河段［8］、尾流［9］、分層流［10，11］等。b.與污染近區(qū)有關(guān)的射流理論由規(guī)則邊界中靜止環(huán)境內(nèi)的平面與單孔射流向復(fù)雜流動(dòng)中的復(fù)雜射流發(fā)展［12～16］，如橫流、分層流、淺水域射流，潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋動(dòng)射流等。射流理論在水污染問(wèn)題中的一個(gè)重要應(yīng)用是分析計(jì)算排污混合區(qū)。1985年美國(guó)環(huán)境保護(hù)局推薦了5個(gè)污水排海稀釋度計(jì)算模型（UPLUME，UOUT－PLM，UMERGE，UDKHDEN和ULINE），后經(jīng)修改與完善，于1992年又推出了RSB和UM兩個(gè)計(jì)算模型，1995年又將這兩個(gè)模型并入含有遠(yuǎn)區(qū)稀釋度計(jì)算的PLUMES軟件，從而使PLUMES模型能進(jìn)行近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的稀釋計(jì)算。這些模型的詳細(xì)情況可見(jiàn)參考文獻(xiàn)［17，18」。與上述計(jì)算模型不同，1993年美國(guó)康乃爾大學(xué)Jirka等建立了一個(gè)基于長(zhǎng)度尺度的CORMIX模型，它實(shí)際上是一個(gè)含有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的專家系統(tǒng)，適用于對(duì)可能的初始混合情況進(jìn)行篩選。自20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，我國(guó)污水排江排海工程有了很大的發(fā)展，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外污染混合區(qū)計(jì)算的基礎(chǔ)上，我國(guó)也出版了這方面的專著［19，20］。c.使時(shí)均流場(chǎng)與物質(zhì)濃度場(chǎng)控制方程封閉的紊流模型由簡(jiǎn)單模型向精細(xì)模型發(fā)展，如K－ε雙方程紊流模型，基于重整化群RNG的K－ε雙方程紊流模型，雷諾應(yīng)力傳輸方程模型及大渦模擬等［21～27］。20世紀(jì)90年代以來(lái)，基于多種紊流模型的計(jì)算流體力學(xué)軟件已走向商業(yè)化，例如FLUENT，Star-CD，Phoenix及CFX等軟件。這些軟件的新版本除有可供選擇的多種紊流模型外，還有可供選擇的計(jì)算方法（有限差、有限元、有限體積等）和計(jì)算網(wǎng)格系統(tǒng)（直角、圓柱、曲面、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)、多重網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格等），可進(jìn)行零維至三維、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)、單機(jī)與并行、內(nèi)流與外流、流場(chǎng)和保守物質(zhì)濃度場(chǎng)、流體與固體耦合等計(jì)算。此外還有前、后處理系統(tǒng)，可進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的自動(dòng)生成和計(jì)算成果的實(shí)時(shí)處理。我國(guó)已有不少單位購(gòu)置了這類軟件。d.水流－水質(zhì)計(jì)算模型由零維、一維穩(wěn)態(tài)模型向二維、三維動(dòng)態(tài)模型發(fā)展；被模擬的狀態(tài)變量不斷增多，由開(kāi)始的幾個(gè)增加到二三十個(gè)，模擬的變量由非生命物質(zhì)如“三氧”（溶解氧、生物化學(xué)需氧及化學(xué)需氧）、“三氮”（氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮）等等向細(xì)菌、藻類、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物等水生生物發(fā)展；應(yīng)用范圍由河流、水庫(kù)、湖泊等單一水體向流域性綜合水域發(fā)展；計(jì)算的時(shí)空網(wǎng)格數(shù)幾何增長(zhǎng)；地理信息系統(tǒng)開(kāi)始在水質(zhì)模型中應(yīng)用［28］。國(guó)內(nèi)外的水質(zhì)模型很多，國(guó)外常用的水流－水質(zhì)模型有美國(guó)環(huán)境保護(hù)局研制的QUAL2［29］，WASP5［30］及BASINS，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)研制的CE-QUAL-RI［31］，CE-QUAL-RIV1［32］，CE-QUAL-W2及WQRRS［33］，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局研制的GENSCN和MMS，丹麥水力研究所研制的MIKE11［34］，MIKE21［35］，MIDE3及MIKESHE等。e.數(shù)字圖像處理技術(shù)在環(huán)境水力學(xué)試驗(yàn)中的研究與應(yīng)用，有力地推動(dòng)著環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展。所謂數(shù)字圖像處理即利用膠片、錄像等記錄反映物理量性質(zhì)的圖像，通過(guò)圖像處理、分析手段定量得出物理量分布的現(xiàn)代化量測(cè)方法。在環(huán)境水力學(xué)試驗(yàn)中應(yīng)用這種技術(shù)已可進(jìn)行流速場(chǎng)、濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的二維和三維量測(cè)。該技術(shù)在不干擾流動(dòng)的情況下有迅速獲得瞬時(shí)、連續(xù)、全場(chǎng)、詳盡信息的特點(diǎn)，它是隨圖像顯示技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)［36］。數(shù)字圖像處理技術(shù)的觀測(cè)結(jié)果不僅對(duì)工程實(shí)際具有重要的實(shí)用價(jià)值，而且對(duì)于研究紊動(dòng)擴(kuò)散輸移的機(jī)理，建立與驗(yàn)證計(jì)算模型以及用分形分維的思路來(lái)研究紊流等都具有重要價(jià)值［37，38］，正在促進(jìn)著環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展。2環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)從上述環(huán)境水力學(xué)的進(jìn)展中，可以看出環(huán)境水力學(xué)發(fā)展有如下重要的趨勢(shì)。2.1研究對(duì)象由無(wú)生命的組分進(jìn)入有生命的組分，環(huán)境水力學(xué)向生態(tài)水力學(xué)發(fā)展20世紀(jì)60年代以前，環(huán)境水力學(xué)僅限于研究水域中非生命物質(zhì)的擴(kuò)散、輸移與轉(zhuǎn)化規(guī)律，70年代以來(lái)，隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)問(wèn)題的突出，其研究對(duì)象擴(kuò)展到藻類、浮游動(dòng)物、魚(yú)類、底棲動(dòng)物等水生生物。水流條件、邊界條件、非生物組分與生物組分間的相互作用以及水生物組分間的食物鏈關(guān)系成為環(huán)境水力學(xué)研究的重要內(nèi)容，污染動(dòng)力學(xué)與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)結(jié)合使環(huán)境水力學(xué)向著生態(tài)水力學(xué)發(fā)展。圖1為水環(huán)境中與藻類生長(zhǎng)有關(guān)的一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。圖中圓頭形框共14個(gè)，每個(gè)表示一種生物或非生物的物質(zhì)組分；兩個(gè)矩形框分別表示水系統(tǒng)與外部條件——大氣和人類捕撈的關(guān)系；框與框之間的箭頭連線表示相互間的作用，這些作用以不同的英文字母表示，共10種，詳見(jiàn)圖中的標(biāo)注。圖1水環(huán)境中食物鏈組分與水因子間的關(guān)系A(chǔ)氣體交換G生長(zhǎng)R呼吸作用B生物分解M死亡S沉淀C化學(xué)平衡P光合作用H捕撈E排泄對(duì)每一種組分都可建立其質(zhì)量守恒方程，其通用形式為（1）當(dāng)?shù)刈兓屏髯兓瘮U(kuò)散變化源與匯式中：C為物質(zhì)濃度，mg／L；t為時(shí)間，s；u為流速，m／s；Dm為分子擴(kuò)散系數(shù)，㎡／s；Dt為紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，㎡/s；S為反映其它動(dòng)力學(xué)過(guò)程的源匯項(xiàng)，mg/（L·s）。對(duì)保守物質(zhì)，S＝0；對(duì)非保守物質(zhì)，S取決于該物質(zhì)的具體情況，由專門(mén)研究確定。當(dāng)所考慮的組分為藻類時(shí)，式中c為藻類的濃度，可用水體中藻類含碳物質(zhì)量（mg/L）表示，源匯項(xiàng)S包括藻內(nèi)生長(zhǎng)、內(nèi)源呼吸與死亡、沉降等三部分。（2）式中：μ，r，Ｋd分別為藻類的初級(jí)生長(zhǎng)率、死亡與內(nèi)源呼吸率、沉降率，l／S。根據(jù)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果，在靜止水體中（3）式中：為水溫為Ｔ0時(shí)藻類的最大初級(jí)生長(zhǎng)率；T為水溫，℃；θ為溫度修正系數(shù)；I為光強(qiáng)，lux；ＣP，ＣN及ＣC分別為水體中磷、氮和二氧化碳的濃度，mg/L；ＫI，ＫP，ＫN和ＫC分別為光強(qiáng)、磷、氮和二氧化碳的半飽和系數(shù)。根據(jù)長(zhǎng)江水資源保護(hù)局用、WQRRS模型對(duì)漢江20世紀(jì)90年代4次“水華”事件的仿真模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)藻類含碳生物量濃度大于或等于300mg/m3時(shí)，水體出現(xiàn)“水華”①。這一結(jié)果與國(guó)外研究結(jié)果一致，可以作為判定“水華”出現(xiàn)的一種標(biāo)準(zhǔn)。①長(zhǎng)江流域水資源保護(hù)局.南水北調(diào)中線工程對(duì)漢江下游“水華”影響初步研究，2002年6月。生態(tài)水力學(xué)除研究水流條件、邊界條件及水污染對(duì)水生生物的影響外，也研究如何改善水環(huán)境來(lái)促進(jìn)生態(tài)的恢復(fù)。特別在污染問(wèn)題已得到基本控制的時(shí)候，這一問(wèn)題顯得更為突出。為促進(jìn)水生態(tài)的恢復(fù)與發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始將一些混凝土河渠撤毀，恢復(fù)為能自然彎曲、有灘有槽、有半島和島嶼的天然土渠。研究表明，天然河渠有利于植物與魚(yú)類的生長(zhǎng)，它所形成的濕地（一年中部分時(shí)間潮濕或有水澇的地區(qū)）具有令人注目的水凈化能力，如濕地中的蘆葦和香蒲等植物的空心莖能將空氣輸送到根部，給微生物提供額外的氧。還有一些植物會(huì)吸收特定金屬及化學(xué)物質(zhì)，一些植物能分泌出殺死病原體的滲出液［39］?；炷梁忧m有利于防洪、防滲，但它切斷了水、土之間的聯(lián)系和相互作用，其單調(diào)的水流狀況和濕地的消失，不利于水生植物的生長(zhǎng)與動(dòng)物的繁殖，會(huì)扼殺濕地對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的重要作用［40，41］。除拆毀混凝土渠道，恢復(fù)河渠的天然狀況外，西方一些國(guó)家還準(zhǔn)備有計(jì)劃地拆除一些攔河大壩。例如美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)按所制定的聯(lián)邦“4H”（即水電、魚(yú)類棲息地、孵化場(chǎng)和捕撈）計(jì)劃，準(zhǔn)備拆除美國(guó)西北部斯內(nèi)克河上的4座大壩［42］。原因是這些大壩阻礙了鮭魚(yú)等沿河上溯產(chǎn)卵，導(dǎo)致該河上的銀鮭魚(yú)絕跡，其它類型的鮭魚(yú)和虹鱒物種處于瀕危狀態(tài)。為拯救這些瀕危物種，陸軍工程兵團(tuán)建議拆除這些大壩。雖然這一建議在美國(guó)尚有爭(zhēng)議，但人類活動(dòng)需要與自然和諧而不是與自然對(duì)抗的思想已逐漸成為人們的共識(shí)。生態(tài)水力學(xué)是20世紀(jì)90年代新提出的一門(mén)新興學(xué)科，雖然其概念，研究的內(nèi)容、方法和應(yīng)用等還在不斷發(fā)展與完善，但就目前的一些研究成果看，對(duì)水環(huán)境與生態(tài)的保護(hù)和管理正在產(chǎn)生重大的影響，很值得密切關(guān)注。2.2與“3S”（地理信息系統(tǒng)GIS、遙感系統(tǒng)RS、全球定位系統(tǒng)GPS）結(jié)合，水流—水質(zhì)模型的研究范圍由單一的局部水域向流域級(jí)的綜合水域發(fā)展以往的一些水流－水質(zhì)模型常常是針對(duì)單一流動(dòng)型式的局部水域，如河流、湖泊、水庫(kù)、河口等，而像BASINS，MIKESHE，GENSCN，MMS等后期的模型則可適用于包括支流、干流、閘壩等工程形成的湖泊水庫(kù)，具有非恒定流動(dòng)特性的感潮河段與河口等的流域性水域。這一方面要求模型在空間上具有多維計(jì)算的功能，在時(shí)間上具有非恒定與動(dòng)態(tài)計(jì)算的能力；另一方面為實(shí)現(xiàn)快速可靠的計(jì)算，還必須為計(jì)算模型迅速地提供大量的地形、水文、水質(zhì)、點(diǎn)污染源和面污染源等實(shí)際資料，并快速進(jìn)行處理，這就促使計(jì)算模型與“3S”結(jié)合。GIS技術(shù)可把復(fù)雜多變的自然、社會(huì)變化以及變化過(guò)程以圖形、圖像的方式進(jìn)行數(shù)字化處理。在其空間和屬性庫(kù)中輸入河道基本數(shù)據(jù)、水文及污染源數(shù)據(jù)，利用其空間數(shù)據(jù)庫(kù)采集、管理、操作和分析能力，可使水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)產(chǎn)生全新的面貌。通過(guò)水流－水質(zhì)模型計(jì)算，可得出反映水域水流、水質(zhì)變化特性的斷面位置，并以逼真的圖像顯示水域水流水質(zhì)變化的空間特征、統(tǒng)計(jì)特性和未來(lái)趨勢(shì)等。上面提到的BASINS，GENSCN和MMS模型就是和GIS集成的，我國(guó)也正在開(kāi)展這方面的工作［43～45］。隨著計(jì)算機(jī)和空間技術(shù)的發(fā)展，RS與GPS技術(shù)已能夠同時(shí)獲取大量的不同分辨率多譜段的可見(jiàn)光、紅外、微波輻射和測(cè)機(jī)雷達(dá)的數(shù)據(jù)，目前已與GIS結(jié)合進(jìn)入一個(gè)能快速即時(shí)提供多種對(duì)地觀測(cè)的具有整體性的動(dòng)態(tài)資料，并對(duì)這些資料進(jìn)行分析與處理的新時(shí)段。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已應(yīng)用“3S”技術(shù)為水資源與水質(zhì)保護(hù)做了大量的工作，如應(yīng)用彩紅外投影、熱紅外及多光譜技術(shù)研究河湖水污染；用多波段遙感影像研究一定水深的懸浮物和泥沙分布；用微波遙感進(jìn)行河口近海水域鹽度與溫度研究；用衛(wèi)星遙感技術(shù)估算水體葉綠素濃度；應(yīng)用多譜段掃描儀研究近海及河口初級(jí)生長(zhǎng)率及赤潮等［46］。在流域級(jí)水流－水質(zhì)－生態(tài)模型中引入“3S”技術(shù)也正在成為環(huán)境水力學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。3值得研究的前沿性問(wèn)題隨著水污染問(wèn)題研究的深入和水污染控制的發(fā)展，在深度和廣度上都提出了一些還需要研究的環(huán)境水力學(xué)前沿性問(wèn)題。3.1“三水”轉(zhuǎn)換的水質(zhì)模擬“三水”指天上水、地面水和地下水。在以往的水文學(xué)、水力學(xué)及地下水動(dòng)力學(xué)中從水量與水流的角度對(duì)“三水”的轉(zhuǎn)化關(guān)系曾進(jìn)行過(guò)研究，但尚未從水質(zhì)的角度進(jìn)行過(guò)研究。其實(shí)無(wú)論是從水量還是從水質(zhì)來(lái)說(shuō)，“三水”之間都存在著轉(zhuǎn)化關(guān)系，例如降雨會(huì)使大氣中的污染物帶入地面水和地下水，空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)了但水域污染加重了；對(duì)面污染源來(lái)說(shuō)，若土地的入滲能力強(qiáng)，則地下水受到污染的程度將更大，反之則地下水受到的污染可能較小。水域污染情況不能單看地面水的水質(zhì)，需將地面水和地下水進(jìn)行綜合考慮。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家水污染控制經(jīng)驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)點(diǎn)污染源得到基本控制以后，面污染源問(wèn)題就會(huì)突出；當(dāng)點(diǎn)源和面源得到基本控制后，由降水而帶來(lái)的大氣污染問(wèn)題又會(huì)突出。目前的水質(zhì)模擬中“三水”基本上是獨(dú)立的，彼此間的影響只作為一種邊界條件來(lái)體現(xiàn)，沒(méi)有作為一個(gè)相互影響的綜合系統(tǒng)來(lái)考慮。為在水污染治理中避免頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳的現(xiàn)象，需研究“三水”之間的水質(zhì)轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立“三水”轉(zhuǎn)換的水量－水質(zhì)模型，為氣、水、土和生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理提供技術(shù)支持。表198洪水長(zhǎng)江清溪場(chǎng)污染物濃度渾水樣／澄清水樣相差倍數(shù)比較“三水”轉(zhuǎn)換的水質(zhì)模擬涉及大氣污染、降水產(chǎn)流產(chǎn)沙、地面及地下水污染，需要模擬的空間尺度很大，起碼是一個(gè)較大流域級(jí)的問(wèn)題，一般是跨流域甚至跨國(guó)界的問(wèn)題。它涉及氣象學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、水文學(xué)、土壤地質(zhì)學(xué)、湖沼學(xué)、地面及地下水動(dòng)力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)、污染動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科，需要有關(guān)方面的專家、學(xué)者和管理部門(mén)進(jìn)行綜合性的研究，才能取得有價(jià)值的研究成果。3.2挾沙水流的水質(zhì)與生態(tài)模擬到目前為止，國(guó)內(nèi)外的水質(zhì)與生態(tài)模擬基本上是針對(duì)清水水域的，這主要體現(xiàn)在模擬需用的物質(zhì)濃度是采用清水觀測(cè)方法量測(cè)的。國(guó)內(nèi)外普遍規(guī)定對(duì)挾沙的渾水需將水樣過(guò)濾或澄清，用清水中的物質(zhì)濃度作為觀測(cè)濃度，該濃度值未計(jì)入泥沙中所含的物質(zhì)量。在水質(zhì)模擬中泥沙對(duì)水質(zhì)的影響也只反映在水域底部處于不沖不淤前提下泥沙對(duì)物質(zhì)的吸附或釋放。天然實(shí)測(cè)資料表明，渾水樣和澄清水樣的物質(zhì)濃度差別很大。表2為1998年長(zhǎng)江洪水期間涪陵清溪場(chǎng)水文站所測(cè)的污染物濃度渾水樣和澄清水樣的相差倍數(shù)。該表是在兩種流量下對(duì)三條垂線的上、中、下水層取樣觀測(cè)的結(jié)果，每一個(gè)水樣一般都測(cè)了6種污染物質(zhì)的濃度。從表2中可以看出，除砷外其它5種污染物質(zhì)渾、清水樣的濃度差異都比較大，其中總磷的相差倍數(shù)高達(dá)12.8～99，平均為35，說(shuō)明用澄清水樣的濃度來(lái)代替挾沙水流的實(shí)際濃度普遍偏小，反映不了挾沙水流的實(shí)際污染情況，不能說(shuō)明水生生物生長(zhǎng)的真實(shí)環(huán)境。只有渾水樣的濃度才是挾沙水流的真實(shí)濃度，才能反映水生生物生長(zhǎng)的真實(shí)環(huán)境。為分析計(jì)算挾沙水流水質(zhì)的時(shí)空變化和對(duì)生態(tài)的影響，需要建立挾沙水流的水質(zhì)－生態(tài)模型。圖2為清溪場(chǎng)水文站實(shí)測(cè)的長(zhǎng)江懸移質(zhì)濃度及單位水體中懸移質(zhì)吸附COD質(zhì)量的時(shí)間過(guò)程線，單位水體中泥沙對(duì)污染物的吸附量為渾水中污染物濃度與澄清水中污染物濃度的差值。由圖2可以看出泥沙對(duì)污染物的吸附能力和水流的懸移質(zhì)濃度有密切關(guān)系。由于泥沙對(duì)水體中的物質(zhì)具有吸附和解吸作用，因此在進(jìn)行挾沙水流的水質(zhì)與生態(tài)模擬時(shí)，必須考慮進(jìn)、出流的沙量變化以及水流與河床相互作用下產(chǎn)生的泥沙沖刷與淤積，建立泥沙的擴(kuò)散輸移方程，在水流運(yùn)動(dòng)方程中要考慮挾沙及河床沖淤對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響，在污染物質(zhì)的質(zhì)量守恒方程中要考慮含沙量及河床的沖淤對(duì)水質(zhì)的影響。為此，需要進(jìn)行許多基礎(chǔ)性的研究，如渾水水質(zhì)的觀測(cè)方法，挾沙對(duì)水流特性（如流速分布、紊動(dòng)擴(kuò)散、透明度、酸堿度等）的影響，泥沙特性（如含沙量、沙粒級(jí)配、巖性等）、水溫、酸堿度等對(duì)污染物吸附與解吸的影響，挾沙對(duì)水生物生長(zhǎng)的影響等等。圖2清溪場(chǎng)1998年懸浮物對(duì)ＣＯＤMn的吸附量變化過(guò)程與歐美國(guó)家不同，我國(guó)是一個(gè)挾沙水流較多且含沙量較大的國(guó)家，汛期時(shí)一些平時(shí)較清的河流由于水土流失和面源污染物的大量加入，水流渾濁，含沙量也較大。因此，開(kāi)展挾沙水流水質(zhì)與生態(tài)模擬的研究是一個(gè)更具有我國(guó)特點(diǎn)的前沿性課題。參考文獻(xiàn)：［1］DiplasP，LynD，NearlyV.Forumarticle［J］.JofHydraulicEngineering，ASCE，2000，126（5）：320～321.［2］張永良，余常昭，周克劍.天然河流混合輸移參數(shù)的研究［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1986，6（3）.［3］SeoW，ChengTS.Predictinglongitudinaldispersioncoefficientinnaturalstreams［J］.JofHydraulicEngineering，ASCE，1998，124（1）：25～31.［4］BruceH.Dispersionmodelformountainstreams［J］.JofHydraulicEngineering，ASCE，1999，125（2）：99～105.［5］ValentineEM，AliZ，SwailesDC.Amodelforlongitudinaldispersioninchannelswithpoolsandriffles［A］.In：XXIXI-AHRCongressProceedings，ThemeB［C］.Beijing：TsinghuaUniversityPress，2001.109～114.［6］李克鋒，趙文謙.分汊河段污染物擴(kuò)散混合規(guī)律研究［J］.水資源保護(hù)，1994（1）：8～12.［7］徐孝平，彭文啟，李煒.直角交匯河流動(dòng)特性分析［J］.水利學(xué)報(bào)，1993（2）：22～31.［8］李玉梁，卞振舉.潮汐流動(dòng)中污染物質(zhì)的縱向離散［A］.見(jiàn)：李煒編，環(huán)境水力學(xué)進(jìn)展［C］.武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999.199～233.［9］余常昭，李玉梁.水環(huán)境中繞流體尾流區(qū)流動(dòng)與污染物混合輸移特性研究［A］.見(jiàn)：劉樹(shù)坤編.中國(guó)水力學(xué)2000［C］.成都：四川大學(xué)出版社，2000.103～112.［10］張書(shū)農(nóng).潮汐河口分層流的熱擴(kuò)散［J］.水資源保護(hù)，1988（4）：4～9.［11］周孝德.渾水層流異重流縱向離散系數(shù)的研究［J］.水資源保護(hù)，1989（4）：1～5.［12］余常昭.水環(huán)境射流特性研究的若干進(jìn)展［A］.見(jiàn)：李煒編.環(huán)境水力學(xué)進(jìn)展［C］.武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999.3～43.［13］槐文信，李煒.動(dòng)水環(huán)境中的射流和浮力射流［A］.見(jiàn)：李煒編.環(huán)境水力學(xué)進(jìn)展［C］.武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999.103～150.［14］黃真理，淺水域中垂向純射流的流動(dòng)特征［J］.水利學(xué)報(bào)，1992（9）：31～37.［15］ChuVH，LeeJHW.Ageneralintegralformulationofturbulentbuoyantjetsincrossflow［J］.Hydr.Engrg，ASCE，1996，122（1）：27～34.［16］LeeJHW，Lil，CheungV.Semi-analyticalself-similarsolutionofbent-overjetincrossflow［J］.JofEngineeringMe-chanics，ASCE，1999，125（7）：733～746.［17］MuellenhoffWP，SoldateAM，BaumgartnerDJ，etal.Initialmixingcharacteristicsofmunicipaloceanoutfalldischarges，Volume1［J］.ProceeduresandApplications，EPA-600／3-88-073a，1985.［18］BaumgartnerDJ，F(xiàn)rickWE，RobertsPJW，etal.DilutionmodelsforEffluentDischarges［J］.USEPA.ERL-NNoN210ab.1992.［19］張永良，李玉梁.排污混合區(qū)分析計(jì)算指南［M］.北京：海洋出版社，1993.［20］黃河寧.污水排海工程導(dǎo)論［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，1990.［21］W羅迪.環(huán)境問(wèn)題的紊流模型［M］.賀益英譯.北京：水利電力出版社，1987.［22］李煒，槐文信.浮力射流的理論及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1997.［23］李玲，李玉梁.應(yīng)用基于RNG方法的湍流模型數(shù)值模擬屯體繞流的湍流流動(dòng)［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2000，11（4）：357～361.［24］華祖林，王惠民.不規(guī)則及彎曲邊界明渠水流及濃度場(chǎng)耦合三維代數(shù)應(yīng)力通量模型［A］.見(jiàn)：劉樹(shù)坤編.中國(guó)水力學(xué)2000［C］.成都：四川大學(xué)出版社，2000.130～140.［25］FrohlichJ，RodiW.Introductiontolarge-eddysimulationofturbulentflows［A］.In：Closurestrategiesforturbulentandtransitionalflows［M］.Cambridge：CambridgeUniversitypress，2000.［26］RettemierK，BergenO，LinnAV，etal.Numericalmodelingofturbulenceinlakesandreservoirswithlargeeddysimulationtechnique［A］.In：XXIXIAHRCongressProceedings，ThemeB［C］.Beijing：TsinghuaUniversityPress，2001.545～552.［27］CambonC，ScottJF.linearandnonlinearmodelsofanisotropicturbulence［J］.AnnuRevFluidMech.1999.1～53.［28］RobertVT.Thefuture“Goldenage”ofpredictivemodelsforsurfacewaterqualityandecosystemmanagement［J］.JofEnvironmentalEngineering，ASCE，1998，124（2）：94－103.［29］CammaraAS，RandallCW.ThequallⅡmodel［J］.JofEnvironmentalEngineering，ASCE，1984，110（5）.［30］AmbroseRB，WoolTA，MartinJL，etal.WASP5，ahydro-dynamicandqualitymodel-modeltheory，use’smanualandprogrammer’sguide［A］.In：DraftEnvironmentalResearchLaboratory［R］，USEPA，1993.［31］USArmyCorpsofEngineering，WatrwaysExperimentStation.CE-QUAL-R1：ANumericalone-dimensionalmodelofreservoirwaterquality，user’mannual［A］.In：InstructionReportE-87-1［R］.Vicksburg：MississippiEnvironmentalLaboratory，1986.［32］USArmyCorpsofEngineering，WaterwaysExperimentStation.CE-QUAL-RIV1：Adynamicone-dimensional（longitudinal）waterqualitymodelforstreams，user’mannual［A］.In：InstructionReportE-90-1［R］.Vicksburg：MississippiEnviron-mentalLaboratory，1986.［33］USArmyCorpsofEngineering，HydrologicalEngineeringCenter.Waterqualityforriver-reservoirsystems（WQRRS），use’mannual［M］.Reved.California：CPD-8，Davis，1985.［34］