《环境水力学》

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作者：王国强，朱宜，王运涛，薛宝林，[日] 石川忠晴 编

丛书名： 普通高等教育“十四五”规划教材 

出版社： 中国环境出版集团

出版时间：2022-12-01

ISBN：9787511154095

版次：1

包装：平装

开本：16开

用纸：胶版纸

页数：186

字数：300000

正文语种：中文

内容简介：

《环境水力学》的主要内容：

（1）对水力学的初学者来说，在学习过程中一般会遇到一些障碍，其中“连续体假设”“变形和应力的线性假设”“基于欧拉法的偏微分方程”是比较困难的部分。这些概念对水力学的老师来说虽然是不言自明，但对学生来说却难以在脑海中勾勒其“图像”。因此，《环境水力学》在首部分中简单地分析讲解了日常生活中的“守恒定律的概念”和“连续体的概念”，并导出了通用的“输送方程”，通过这种方法也许可以降低上述三个概念的难度。此外，输送方程不仅适用于流体的运动，也适用于能量守恒定律，是环境学中非常基本的方程。

　　（2）一般输送方程用于水力学时，会加入水流所特有的条件。其中有几个部分并没有进行详细讲解，随着阅读的深入，也许会有同学产生疑问，比如“为什么我们假定流体不可压缩时，其密度还是会发生变化？”“我可以理解伯努利方程中含有动能和势能，但为什么压力也是能量呢？”“为什么要假设水面上的水粒子一直在水面上呢？”等。编者在研究生时期也持有这些疑问。因此在第二部分中，承接首部分，对这些点进行了说明。

　　（3）环境学中的水力学的适用对象是二维或三维的现象，但不熟悉偏微分方程的同学在初次学习的时候总是会感到混乱。因此在第三部分，编者便从三个角度应用了首部分、第二部分所讲到的原理，来对一维明渠中的现象进行了解释说明，包括能量守恒、动量守恒和波动现象。虽然大多数的水力学教材中已经包含了这几部分，但《环境水力学》使用了编者自己编写的例题，比较容易理解。此外，由于在环境学上并非必要，所以在工程学专业的教科书中详细讲解的管路流体在《环境水力学》中就不再赘述。

　　（4）前面也已经提到，环境科学专业的学生的研究对象（不是指实验室中的）在野外都是二维或三维现象。而这些在工程学专业也被纳入扩展或研究的范围，只通过一个学期的讲解来学习是比较困难的。但如果完全不涉及的话，也许会有同学觉得“那我们为什么要学习水力学呢？”。因此，在第四部分，我们选取了水平二维及垂直二维的环境现象中非常基本的一些内容，对其特征进行讲解。

前言/序言

　　水力学是基于流体力学的基本原理来分析水流运动的科学，是土木工程和机械工程专业的主要科目之一。其主要适用于对河、川、湖、沼及海岸等自然水域现象的阐明，和对水坝、灌溉水渠、输油管等设施及流体机械等的设计工作。

　　土木工程和机械工程专业的学生在本科的时候需要数个学期学习水力学。因此为方便这些学生的学习，市面上出版了许多相关的教材。与此同时，随着人们越来越关心环境问题，水力学的适用范围也逐渐扩展到环境科学领域。对于自然界的动植物来说，水是不可或缺的自然资源。而且，各种各样的化学物质、能量、悬浮物、溶解性气体等都是通过流体来运输的，所以在研究环境动态方面，水力学的知识也是十分重要的。但由于环境科学专业的学生需要学习的科目涉及多个方面，只有少数大学将水力学设置为环境科学专业必修课。

　　因此，环境科学专业的学生会在研究生阶段，配合学习研究需要，在短时间内学习水力学的相关知识。但是对他们而言，以工程学专业的学生为对象的水力学教材往往十分难学。这是因为大多数的水力学教材都是以工程学专业必修的力学为基础来编写的，从时间上来说，环境科学专业的学生学习力学基础知识也是比较困难的。

　　为此，我们以并不一定具备力学知识的环境科学专业的学生为对象，尝试编写一本新形式教材，来讲授“环境水力学”课程。

　　本书的主要内容：

　　（1）对水力学的初学者来说，在学习过程中一般会遇到一些障碍，其中“连续体假设”“变形和应力的线性假设”“基于欧拉法的偏微分方程”是比较困难的部分。这些概念对水力学的老师来说虽然是不言自明，但对学生来说却难以在脑海中勾勒其“图像”。因此，本书在第一部分中简单地分析讲解了日常生活中的“守恒定律的概念”和“连续体的概念”，并导出了通用的“输送方程”，通过这种方法也许可以降低上述三个概念的难度。此外，输送方程不仅适用于流体的运动，也适用于能量守恒定律，是环境学中最基本的方程。

　　（2）一般输送方程用于水力学时，会加入水流所特有的条件。其中有几个部分并没有进行详细讲解，随着阅读的深入，也许会有同学产生疑问，比如“为什么我们假定流体不可压缩时，其密度还是会发生变化？”“我可以理解伯努利方程中含有动能和势能，但为什么压力也是能量呢？”“为什么要假设水面上的水粒子一直在水面上呢？”等。编者在研究生时期也持有这些疑问。因此在第二部分中，承接第一部分，对这些点进行了说明。

　　（3）环境学中的水力学的适用对象是二维或三维的现象，但不熟悉偏微分方程的同学在初次学习的时候总是会感到混乱。因此在第三部分，编者便从三个角度应用了第一、第二部分所讲到的原理，来对一维明渠中的现象进行了解释说明，包括能量守恒、动量守恒和波动现象。虽然大多数的水力学教材中已经包含了这几部分，但本书使用了编者自己编写的例题，比较容易理解。此外，由于在环境学上并非必要，所以在工程学专业的教科书中详细讲解的管路流体在本书中就不再赘述。

　　（4）前面也已经提到，环境科学专业的学生的研究对象（不是指实验室中的）在野外都是二维或三维现象。而这些在工程学专业也被纳入扩展或研究的范围，只通过一个学期的讲解来学习是比较困难的。但如果完全不涉及的话，也许会有同学觉得“那我们为什么要学习水力学呢？”。因此，在第四部分，我们选取了水平二维及垂直二维的环境现象中最基本的一些内容，对其特征进行讲解。

　　本书的亮点特色：

　　水力学中包含大量的偏微分方程，但仅通过看的方式就能理解方程意思的同学几乎没有，连从事水力学课程研究数十年的编者也无法做到。因此本书为了减轻学习此门水力学的负担，进行了以下努力：

　　（1）较多使用图解和示意图。

　　（2）详细展示推导公式的过程。

　　（3）反复确认语句和符号的意思。

也许水力学专家会认为“只要能够把要点整理得更加清晰就可以”，但是环境科学专业的学生除了水力学以外还要学习其他各种科目（如化学反应工程、生物生态学、地理学等），他们可能并不想再耗费时间去自己展开方程，或者为确认一个符号来回翻页。“只通过阅读就能够马上理解”才是较为理想的状态。所以对他们来说，比起“（教师看来）要点整理清晰的教材”，应该更能接受“反复确认语句和符号意思的教材（因为已经理解的部分可以跳过）”。