2013环境影响评价师《评价技术方法》精讲笔记第三章环境现状调查与评价-第三节地表水环

第三节地表水环境现状调查与评价一、环境水文与水动力特征1.自然界的水循环、径流形成与水体污染(1)自然界的水循环。地球上的水蒸发为水汽后，经上升、输送、冷却、凝结，在适当条件下降落到地面，这种不断的反复过程称为水循环。如果循环是在海洋与陆地之间进行的，称为大循环;如果循环是在海洋或陆地内部进行的，称为小循环(图3-14)。人类活动可以影响小循环，例如大量砍伐森林能减少枯季径流，而且常常是造成沙漠化的主要原因。由陆地吹向海洋的水气(2)径流形成及河川径流的表示方法。降落的雨、雪、雹等通称为降水。一次较大的降雨经过植物的枝叶截留、填充地面洼地、下渗和蒸发等损失以后，余下的水经坡面漫流(呈片状流动)进入河网，再汇入江河，最后流入海洋，这部分水流称为地面径流。从地表下渗的水在地下流动，经过一段时间以后有一部分逐渐渗入河道，这部分水流称为地下径流。河川径流包括地面径流与地下径流两部分。在径流形成过程中，常常将从降雨到径流形成叫产流阶段，把坡面漫流及河网汇流称为汇流阶段。河流某断面以上区域内，由降水所产生的地面与地下径流均通过该断面流出时，这块区域称作流域面积或集水面积。显然，流域的周界就是分水线，一般可从地形图上勾绘出来。在研究河川径流的规律时，常用以下的径流表示方法和度量单位。流量指单位时间通过河流某一断面的水量，单位为m3/s。径流总量%指在r时段内通过河流某一断面的总水量，艮P:W=QT(3-1)常用单位为m3、104m3(万m3)、108m3(亿m3)等。径流深h指将径流总量平铺在全流域面积上的水层厚度，单位为mm。若r以秒计，T时段内的平均流量0以m3/s计，流域面积F以km2计，则径流深r的计算公式为：Y=H(3-2)1000F径流模数M:指流域出口断面流量与流域面积的比值。常用单位为L/(s.km2),计算公式为：M=(3-3)F径流系数指某一时段内径流深与相应降雨深P的比值。计算公式为.•a=—(3-4)P(3)水文现象的变化特点。水文现象是许多因素综合作用的结果，它在时间和空间上都有很大变化。对于河川径流主要有以下的变化。①年际变化。一般大江大河多水年比少水年的水量多1?2倍甚至更多，而小河流则多达4?5倍甚至10倍以上。②年内变化。一般丰水季比枯水季或多水月比少水月多几倍至几十倍，而最大日流量比最小日流量大几百倍甚至几千倍。③地区变化。我国北方地区雨季短，年降水量少;南方地区雨季长，年降水量多。一般北方地区河川径流在时间上的变化比南方剧烈。对于湖泊来说，由于它与河流关系密切，所以湖泊水量的变化基本上受河流水量变化的制约。关于感潮河段的水文现象，一方面受上游来水量的影响，另一方面还受潮汐现象的制约，因此它在时间上的变化规律与天然河川径流有较大的差异。地球上的水文现象虽然变化多端，但它们均服从确定的或随机的两种基本规律。确定规律主要反映的是物理成因关系，例如地球的公转导致河川径流在一年内呈有规律的季节性交替变化;又如在一个流域上降了一场大暴雨，必然要产生一场大洪水等。有些水文现象主要受随机因素的支配，而现象的产生是随机的，例如一个河流断面上年最大洪峰流量出现的时间和数量等，它们服从的是统计规律。实际上绝大多数水文现象两种规律同时存在，只是程度上不同。针对水文现象所存在的基本规律，构成了三种主要研究途径：成因分析、数理统计与地区综合。2.河流的基本环境水文与水力学特征(1)河道水流形态的基本分类。由于河道断面形态、底坡变化、走向各异，上、下游水边界条件各异等，河道中的水流呈现着各种不同的流动形态。按不同的标准，可将河道水流分成不同的类型。例如，洪水季节或上游有电站的不恒定泄流或河道位于感潮段等，在河道里的水流均呈不恒定流流态;而当上、下游水边界均匀(或近似为)恒定时，则呈恒定流流态。#当河道断面为棱柱形且底坡均匀时，河道中的恒定流呈均匀流流态，反之为非均匀流。不恒定流均属非均勻流范畴。当河道形态变化不剧烈时，河道中沿程的水流要素变化缓慢，则称为渐变流，反之称为急变流。随河道底坡的大小变化，大于、等于或小于临界底坡时，又有急流、临界流与缓流之分，亦即其水流的佛洛德数仄大于、等于或小于1。河道为单支时，水流仅顺河道流动，而当河道有汊口或多支河道相连呈河网状时，随叉口形态的不同在汊口处的分流也不相同。一般而言，河网地处沿海地区，往往受到径流或潮流顶托的影响，因而流态更为复杂。一般而言，计算河道水流只需釆用一维恒定或不恒定流方程。但在一些特殊情况，例如研究的河段为弯道时，会有螺旋运动出现，在河道的支流入汇处会有局部回流区;研究近岸或近建筑物的局部流场时，流态又往往各异，需根据需要选择二维甚至三维模型求解。①恒定均匀流。对于非感潮河道，且在平水或枯水期，河道均匀，流动可视为恒定均匀流。这是最简单的河流流动的形态，基本方程为：v=Cyfm(3-5)Q=vA(3-6)式中：v-----断面平均流速，m/s;R——水力半径，即过水断面面积除以湿周，对于宽线型河道，常用断面平均水深//直接代替几m;/——水面坡降或底坡;c——谢才系数，常用丄炉/6表示，《为河床糙率;nA-----过水断面面积，m2;Q----流量，m3/s0按式(3-5)和式(3-6)，在测得水面坡降(或河床底坡)、水深，确定了河床糙率值后即可求出过流断面的流速及流量。反之，已知河床底坡、糙率及流量，亦可求出水深及流速。②非恒定流。河道非恒定流动常用一维圣维南方程描述。河道有侧向入流时，基本方程为：dAdQ(、1=q(3-7)dtdx^-+2^^-+(gA-^TB)^=-gSf+^T^-+q(v-v)(3-8)otAoxAdxAox2式中：B——河道水面宽度，m;兰——相应于某一高程z断面沿程变化;dxzz——河底高程，m;5f——沿程摩阻坡度，通常可表达为^«2v|v|/?4/3或《20必/0427?4/3);t时间;q——单位河长侧向入流，入流为正，出流为负;Vq---侧向入流流速沿主流方向上的分量，m/s。(2)设计年最枯时段流量。枯水流量的选择分为两种情况，一是固定时段选样，二是浮动时段选样。固定时段选样是指每年选样的起止时间是一定的。例如某河流最枯水月或季主要出现在2月或1?3月，则选取历年2月或1?3月平均流量作为年最枯水月或季径流序列的样本。浮动时段选样是指每年选取样本的时间是不固定的。推求短时段(例如30d以下)设计枯水流量时都是按浮动时段选样。例如要研究某河流断面十年一遇连续7d枯水流量的变化规律，选样时就在水文年鉴中每年找出一个连续7d平均流量的最小值组成一个样本。年最枯时段流量的设计频率一般多采用50%与75%?95%。(3)河流断面流速计算。设计断面平均流速是指与设计流量相对应的断面平均流速，工作中计算断面平均流速时会碰见三种情况。①实测流量资料较多时，一般如果有15?20次或者更多的实测流量资料，就能绘制水位一流量、水位一面积，水位一流速关系曲线。而且当它们均呈单一曲线时，就可根据这组曲线由设计流量推求相应的断面平均流速。②由于实测流量资料较少或缺乏不能获得三条曲线时，可通过水力学公式计算。③用公式计算。目前广泛使用的公式有下列两组：a)有足够实测资料的计算公式。(3-9)v^lFA=BhBJb)经验公式。(3-10)v^aQph=yQsB=—0{xp~S)ay式中：v——断面平均流速，m/s;Q----流量，m3/s;A-----过水断面面积，m2;h——平均水深，m;B-----河道水面宽度，m;(X，p,y,8——经验参数，由实测资料确定。(X，y—般随河床大小而变，卢较为稳定，对于大江大河，当河宽5和河床糙率不变时，0=0.4,5=0.6。(4)河流水体混合。混合是流动水体单元相互掺混的过程，包括分子扩散、紊动扩散、剪切离散等分散过程及其联合作用。分子扩散：流体中由于随机分子运动引起的质点分散现象。分子扩散服从费克(Fick)定律：式中：c——浓度;PXi~一为X,方向上的分子扩散定量;Dm----分子扩散系数。紊动扩散：流体中由水流的脉动引起的质点分散现象。紊动扩散通量常表达为:：uxc——Dtxi—(3-12)1式中：Pxr.方向上的紊动扩散通量;•脉动平均浓度;——脉动浓度值及各向脉动流速值。剪切离散：由于脉动平均流速在空间分布不均匀引起的分散现象。剪切离散通量常表达为：■■(uxc)=-Dl^-(3-13)ox式中：px--断面离散通量;断面各点值与断面均值之差;一离散系数;-断面各点流速与断面均值之差;C——断面各点浓度与断面均值之差。混合：泛指分子扩散、紊动扩散、剪切离散等各类分散过程及其联合产生的过程。在天然河流中，常用横向混合系数(MP和纵向离散系数(Dl)来描述河流的混合特性。大量的试验表明，天然河流中实测的的比值一般在0.4?0.8,通常用下列公式进行估算：=0.6(1±0.5)/«/(3-14)式中，My-----横向混合系数，m2/s;h——平均水深^m;u----摩阻流速，7^,i-----河流比降，m/m。河道可取为0.6，河道扩散可取为0.9,河道收缩可取为0.3。在考虑河流的纵向混合时，由于分子扩散、紊动扩散的作用远小于由断面流速分布不均匀而引起的剪切离散，一般可将其忽略。由断面流速分布不均引起的混合过程釆用纵向离散系数表征。河流纵向离散系数的估算公式很多，大都是根据具体河流的实验数据整理出来的，少数影响力较大的公式是借助于理论分析及实验得到的半经验公式。Fischer公式：DL=0.0llu2B2/hu(3-15)式中：u-----断面平均流速，m/s;B-----河宽，m。该式主要考虑了流速在横向分布不均引起的离散，对于天然河流较为适用。根据早期国外30组河流示踪实验数据分析，纵向离散系数可用下式估算：Dh=a-B-u(3-16)式中：a=0.23?8.3，均值为2.5，a与河槽状况有关，河槽越不规则，a值越大。3.湖泊、水库的环境水文特征(1)湖泊、水库的水文情势概述。内陆低洼地区蓄积着停止流动或慢流动而不与海洋直接联系的天然水体称为湖泊。人类为了控制洪水或调节径流，在河流上筑坝，拦蓄河水而形成的水体称为水库，亦称为人工湖泊。湖泊与水库均有深水型与浅水型之分;水面形态有宽阔型的，也有窄条型的。对深水湖泊水库而言，在一定条件下有可能出现温度分层现象。在水库里由于洪水携带泥沙入库等有可能造成异重流现象。①湖泊、水库蓄水量的变化。任一时刻湖泊、水库的水量平衡可写为下式：F入出损土(3-17)式中：W入——湖泊、水库的时段来水总量，包括湖、库面降水量，水汽凝结量，入湖、库地表径流与地下径流量;——湖泊、水库的时段内出水量，包括出湖、库的地表径流与地下径流量与工农业及生活用水量等;——时段内湖泊、水库的水面蒸发与渗漏等损失总量;AW——时段内湖泊、水库蓄水量的增减值。式(3-17)中各要素是随时间而变的，要研究湖泊、水库蓄水量的变化规律，实质上就是研究式中各要素的变化规律及相互间影响。这些要素与湖泊、水库水环境容量的关系较大，是本节将要讨论的重点。②湖泊、水库的动力特征。湖水、水库运动分为振动和前进两种，前者如波动和波漾，后者包括湖流、混合和增减水。在湖泊与水库中水流流动比较缓慢，水流形态主要是受风、太阳辐射、进出水流、地球自转力等外力作用，其中风的影响往往是至关紧要的。湖流：指湖、库水在水力坡度力、密度梯度力、风力等作用下产生沿一定方向的流动。按其成因，湖流分为风成流(漂流)、梯度流、惯性流和混合流。湖流经常成环状流动，分为水平环流与垂直环流两种。此外还有一种在表层形成的螺旋形流动，称为兰米尔环流。湖水混合：湖、库水混合的方式分紊动混合与对流混合。前者系由风力和水力坡度作用产生的，后者主要是由湖水密度差异所引起。波浪：湖泊、水库中的波浪主要是由风引起的，所以又称风浪。风浪的产生与发展是与风速、风向、吹程、作用的持续时间、水深和湖盆等因素有关。波漾：湖、库中水位有节奏的升降变化，称为波漾或定振波，其发生的原因是由于升力突变(如持续风应力、强气压力、梯度、湖面局部大暴雨及地震作用等)引起的湖、