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环境与生态水力学

环境与生态水力学

英文名称:Environmental and Ecological Hydraulics

课程编号】ENV21017 所属模块】专业选修课
学分数】2 适用专业】环境工程(生态工程方向)
学时数】32 开设学期】秋季
【已开设次数】0 【建议选课人数】15-30(需要配备助教)
授课教师姓名】易雨君、邵冬冬 授课教师职称】副教授
授课教师联系方式】 Email:yiyujun@bnu.edu.cn; ddshao@bnu.edu.cn 手机:18810628449; 15510689656 授课教师所属单位】 森林舞会电玩城
【先修课要求】流体力学、高等数学、大学物理

一、课程简介

环境与生态水力学是一门新兴的交叉学科,是传统水力学的延伸与发展。随着经济社会发展、人口膨胀和气候变化,水环境和水生态问题引起人类社会的广泛关注,也促使环境与生态水力学有了较大的发展。本课程主要讲述与环境和生态相关的基础水力学概念和理论,污染物在水体中的扩散迁移的基本原理和数学表述,水动力、水环境条件改变对水生态系统平衡以及生物多样性的影响以及模型模拟方法,基于环境与生态水力学的生态修复技术与方法。

二、课程目标

本课程是环境工程专业的专业选修课之一,主要为了拓展学生的知识结构,使学生掌握环境水体污染的机理、环境水体中介质扩散传播规律、水动力条件与水生态系统的相互作用机理,以及基于生态水力学的生态修复方法等生态工程方向学生所需的基本理论知识基础,数学模型基本概念以及工程应用措施等基础知识和技能。

三、教学内容和学时分配

(一)绪论     2学时(课堂讲授2学时

主要内容:课程总体情况介绍;环境与生态水力学的起源;环境与生态水力学基本概念;环境与生态水力学的发展趋势

教学要求:理解环境及生态水力学的研究范畴及基本概念;了解水动力学、环境及生态之间的相互关系。

重点、难点:水动力学、环境及生态之间的相互关系

(二)流体力学和水力学基本原理4学时(课堂讲授4学时

主要内容:流体的主要属性;相似性原理;质量、动量和能量守恒;N-S方程;紊流的基本概念和原理;明渠流的基本概念;临界流、亚临界流和超临界流

教学要求:了解流体的主要属性,紊流和明渠流的基本概念和原理;掌握相似性原理和三大守恒关系;理解N-S方程;能够区分临界流、亚临界流和超临界流

重点、难点:相似性原理;N-S方程;紊流的基本概念和原理;临界流、亚临界流和超临界流

(三)环境水力学导论2学时(课堂讲授2学时

主要内容:环境水力学问题案例介绍;量纲分析

教学要求:了解环境水力学在环境工程中的主要应用;掌握量纲分析的方法

重点、难点:量纲分析

(四)污染物的传输过程2学时(课堂讲授2学时

主要内容:对流-扩散方程;紊动扩散;剪切离散

教学要求:掌握对流-扩散方程及其推导过程;了解紊动扩散和剪切离散的基本概念和原理

重点、难点:对流-扩散方程的推导;剪切离散的基本概念和原理

(五)自然水体中的扩散过程4学时(课堂讲授4学时

主要内容:河流、湖泊、水库中的扩散过程;自然环境中的分层流;近海水域的表面波;河口和近海中的扩散过程

教学要求:了解河流、湖泊、水库、河口和近海中的扩散过程,自然环境中的分层流;掌握线性波的基本概念和原理

重点、难点:自然环境中的分层流;线性波的基本概念和原理

(六)射流、羽流及其在废水排放工程中的应用4学时(课堂讲授4学时

主要内容:纯射流和纯羽流;浮射流;横向流中的射流;分层环境中的射流;近区和远区的混合过程;废水排放口的设计原理

教学要求:了解纯射流、纯羽流、浮射流,横向流和分层环境中的射流;掌握近区和远区的混合过程,废水排放口的设计原理

重点、难点:近区和远区的混合过程;废水排放口的设计原理

(七)环境与生态水力学物理模型试验2学时(实验课2学时

主要内容:植被对波浪消减作用实验

教学要求:了解植被对波浪消减作用的基础理论;掌握波浪水槽、浪高仪等相关仪器设备的使用方法;掌握实验数据分析的基本要求和方法

重点、难点:波浪水槽、浪高仪等相关仪器设备的使用

(八)泥沙在水系统中的作用4学时(课堂讲授4学时

主要内容:泥沙的起动和沉降;河流输沙过程;河流床面形态;河道运动及河床演变

教学要求:掌握不同水动力条件下泥沙的起动以及沉降规律;理解几种典型的床面形态存在的水流条件;掌握几种基本的河型及其发展演变规律

重点、难点:泥沙起动流速;河床演变规律

(九)水生态系统中的生物2学时(课堂讲授2学时

主要内容:水生态系统中的植被、底栖动物及鱼类的生态学意义;生态水力学中各物种的采样方法

教学要求:了解不同水动力条件下的水生生物可能组成;水生生物对物理生境条件、水质条件以及河床稳定性等方面的指示作用

重点、难点:不同类型生物的生态习性;及生物的采样方法

(十)生态水力学模型4学时(课堂讲授4学时

主要内容:生态水力学模型的起源,河道内流量增量法(IFIM)的基本理念及概念,栖息地适宜度模拟的基本概念及流程;生境质量评价方法及模拟方法;典型的栖息地适宜度模型,包括PHABSIM和CASiMiR模型的介绍

教学要求:了解生态水力学模型的发展历史及发展趋势,掌握栖息地模拟的基本方法,会使用经典的栖息地适宜度模型

重点、难点:认识河道内流量增量法的优点与局限,栖息地适宜度评价方法

(十一)基于环境与生态水力学的生态修复工程2学时(课堂讲授2学时

主要内容:水生态系统承受的生态应力;河道内结构用于栖息地恢复;人工湿地;流域和滨河植被恢复

教学要求:掌握针对不同的生态问题采用相应的生态修复方法

重点、难点:分析生态压力的原因及生态修复方法的选取

四、教材与学习资源

Kundu, P. K. & Cohen, I. M., Fluid Mechanics, 4th Edition, Academic Press,2008.

Fischer, H. B., List, E. J., Koh, R. C. Y., Imberger, J. & Brooks, N. H., Mixing in inland and coastal waters, Academic Press, 1979.

Imberger, J., Environmental Fluid Dynamics: Flow processes, scaling, equations of motion, and solutions to environmental flows, Academic Press, 2013.

王兆印,刘成,余国安,何耘. 河流水沙生态综合管理. 科学出版社. 2013

Bendoricchio G. and Jorgensen SE. Fundamentals of Ecological Modelling, Third Edition. Oxford: Elesevier Science Ltd, 2001.

五、教学策略与方法建议

六、 考核方式

1           平时成绩占50%,期末考试占50%

2           平时成绩由课后作业与课堂成绩组成

3           课后作业:共3次,包括2次小作业和1次大作业

4           课堂成绩:教师布置,学生制作PPT,讲解15分钟,教师点评并给出成绩

5           考试采用百分制。