由于人类活动的长期影响，特别是20世纪以来，随着工农业的发展和城市化进程的加速，在一段相当长的时期内人类社会采取高投入、高消耗的发展模式。大量工农业废水、生活污水排入河流、湖泊、水库、河口、海洋，甚至入渗到地下水等自然水体中，导致水体污染严重，水生态环境恶化，水体富营养化（水华、赤潮）、重金属和有毒有机物污染等各种类型的水环境灾害事件不断发生，危及人类健康和生存安全。环境水力学正是顺应水环境污染问题的防治和水资源保护的需求形成并发展起来的，主要目的是研究环境水体流动及相应的物质、能量输运和伴随的物理、化学、生物过程，确定水体中因迁移、扩散、转化而形成的污染物浓度时空分布和变化特性，并应用于水环境模拟和评价，制定污染物排放标准和水质规划，进行水环境预报、预警和控制，为水环境治理和水资源保护提供科学依据。

环境水力学是古老的水力学和现代环境科学交叉融合所形成的一个新分支。19世纪后半叶至20世纪前半叶，分子动力学与流体力学的发展，特别是湍流理论的形成，建立了分子扩散与紊动扩散的理论基础。1921年，G.I.泰勒首次采用拉格朗日方法对水流中的紊动扩散进行了统计分析。20世纪20～40年代，L.F.理查逊、H.杰弗里斯、G.H.科立根等研究了分层流中的紊动混合。50年代，泰勒对管流、J.W.埃尔德对二维明渠流相继建立了剪切离散的理论。1950年，H.劳斯等研究了静止环境中的射流扩散问题，随后有关射流理论及其应用的成果不断涌现。60年代，H.B.费希尔对天然河流中的离散问题，进行了理论分析、实验研究和数值模拟。水环境数值模拟也相应得到发展，水质模型从零维发展到一维、二维模型。至70年代末，环境水力学逐渐发展为独立的学科。此后随着对水环境问题研究的深入以及流体力学、环境科学等相关学科的发展，环境水力学的研究内容不断丰富，学科体系日臻完善。尤其是21世纪以来，随着精细湍流理论及模型的推陈出新，更完善的水质模型的发展，以及诸如激光多普勒测速（LDV）、粒子图像测速（PIV）、激光诱导荧光（LIF）等先进的非接触、全场流速和浓度实验测量技术的应用，不仅为解决复杂水环境问题，如湖泊或水库水体富营养化、河口或近海多介质综合生态环境水质预测等，提供了新的数值模拟方法和实验手段，而且有助于深入了解和掌握多相、多场耦合条件下的污染物迁移、扩散和转化机制。

环境水力学的研究内容是针对不同类型水域的流场，通过理论分析、数值模拟，并结合现场观测、室内实验，定量分析自然环境水体中重金属、毒物、泥沙、营养盐等各种污染物的迁移、扩散过程及时空分布特征。例如：河流排污带水质，湖泊和水库的富营养化，感潮河段海水入侵和河口、近岸泥沙输运，海上溢油的油膜扩展、漂移、蒸发和乳化过程，地下水的溶质运移等。主要有如下方面的科学问题。

污染物在河流、河口、湖泊、水库、近海等自然水体中的分布，涉及迁移、扩散（包括分子扩散、紊动扩散、剪切离散）、污染物的吸附与解吸、絮凝与分散、沉降与再悬浮以及相应的化学反应和生物过程等。通常可用如下水质模型来描述：

式中：为物质浓度，为流速分量，为分子扩散系数，为紊动扩散系数，水流的水动力学过程和特性控制着流速分量、紊动扩散系数以及底部剪切应力。沉降与再悬浮源汇项代表泥沙、粒状有机物的沉降或再悬浮以及它们对污染物质的吸附与解吸。生物与化学反应项代表着水环境系统中病原体、有毒有害物质或营养盐的各种物理、化学和生物过程的动力学机制。为外部污染排放源。上式是湍流条件下的三维对流扩散方程，一般而言紊动扩散系数远大于分子扩散系数。在剪切流动中，如果采用断面平均的一维或水深平均的二维对流扩散方程，则需要引入离散系数，考虑由时均流速分布不均匀所引起的剪切离散。

通过建立河流、湖泊或水库、河口或近海等自然水体的水质模型，获得水质参数（组分）之间的依赖关系和时空变化规律。水质的指标，除污染物（有毒有机物、有毒无机物和重金属等）含量和赋存形态等特性外，还包括泥沙、营养盐浓度，水温以及溶解氧（DO）、化学耗氧量（COD）、生化耗氧量（BOD）、底泥耗氧量（SOD）等参数。由于水体滞留时间长，湖泊或水库水质模型在很多方面不同于河流水质模型：水体存在多层结构并伴随着化学和生化反应，对富营养化敏感，必须细致考虑氮、磷营养盐的循环及其对藻类及其他水生动植物生长的影响，并建立相应的水质  生态动力学耦合模型。由于河口或近海流动通常受上游清水来流、潮流、水面风驱动，除了很浅的河口外，流速、温度、盐分、泥沙浓度都存在明显的垂向变化，因此往往采用复杂的三维动态模型。该水域的水质变化不仅受水动力影响，而且还与泥沙的悬浮或沉降、絮凝或分散、吸附或解吸等过程相关，这些因素在水质模型中需加以考虑。

射流是环境水力学中一种基本而又重要的流动形式。在河流或近海排污口、工业冷却循环中热水的排放口，污水（包括热污染）通常以射流的形式进入受纳水体。射流近区的流场和浓度场受射流出口动量、浮力和周围环境流动的影响，采用量纲分析、动量积分等方法建立的射流理论，可应用于扩散器的设计和排污混合区的分析。射流远区主要受对流和紊动扩散影响，也可基于水动力学基本方程和对流扩散方程建立数学模型。在浅水域、分层流、非恒定流等环境流动中的射流问题，涉及各种涡系结构的形成和演化，其卷吸、稀释和混合过程与复杂的湍流现象相关，也是环境水力学中的重要研究课题。

自然环境中的分层流是指密度不均匀的流体运动，也是环境水力学中的重要流动形式。其中密度不同的流体如果存在明显内部分界面，则称为异重流，如河口盐水入侵与水库异重潜流等。在海洋、湖泊、水库、河口和部分河流中，往往因温差、含盐量（或含沙量）的差异形成天然的垂向密度分层结构。分层流的流动特性和物质输运过程不同于均质流体情形，尤其当温度和物质浓度共同对水体密度产生影响时，两者扩散系数的差异使得分层流动更为复杂。因此需要研究密度不均匀流体形成的水体分层结构和浮力对流动特性、界面稳定、紊动掺混、温度、浓度分布的影响。

环境水力学的学科发展与实际应用需求紧密相关。

水环境流动中非保守物质和多组分物质（包括非生物和生物物质）的扩散迁移过程不再局限于物理因素（水动力学、泥沙输移、床面形态等）的影响，化学、生物因素以及生态学过程的影响在水体富营养化等水生态问题中尤其重要。综合研究富营养化环境水体非保守物质、非生物（包括氮、磷营养盐，有毒有机物等）和生物（包括藻类、水生动植物等）多组分物质扩散迁移过程中所发生的物理、化学、生物和生态等诸多方面的变化规律和相互影响关系，建立耦合的水体富营养化生态动力学模型是环境水力学发展的一个重要趋势。

自然界的环境流动是很复杂的，一般具有很广的特征尺度范围。大尺度水流结构通常控制着污染物在水域中的对流输运，而不同尺度的水流结构（边界层、旋涡、流动分离以及湍流等）往往对污染物的扩散过程起重要作用。这些不同尺度的流动结构及其相互作用，对水体以及各种环境边界（自由表面、泥-水界面）的动量、能量输运和物质迁移过程具有各自的重要影响。因此，深入了解复杂环境流动与环境边界的相互作用及其对界面附近区域的物质输运过程的影响机制是预测界面物质交换通量的前提条件。

在河流、湖泊、水库、河口、近海等水环境系统中，水流和泥沙作为污染物的主要载体，共同影响着污染物的迁移转化过程。自然条件下水体-泥沙-污染物的相互作用和综合环境影响机理在环境水力学研究中日益受到重视。挟沙水流与沉积底泥之间的相互作用使得泥-水界面区域的污染物输运过程成为随时间变化的动态过程，悬浮泥沙的沉降和表层沉积底泥的再悬浮以及上覆水与底泥孔隙水之间的物质交换对污染物的扩散迁移具有重要影响。深入了解水体-泥沙-污染物相互作用是建立更完善的水动力-水质-泥沙输移耦合模型的关键。