水文學(xué)在環(huán)境工程實(shí)踐中的應(yīng)用及發(fā)展

1、水文學(xué)在環(huán)境工程實(shí)踐中的應(yīng)用與發(fā)展大氣中的水汽、地球表面的江河、湖泊、沼澤、冰川、海洋和地下水等，都是以一定形式存在于自然界的水體。他們彼此區(qū)別，又相互轉(zhuǎn)化和聯(lián)系，既受周圍環(huán)境的作用，又對環(huán)境產(chǎn)生各式各樣的影響。水文學(xué)就是研究自然界中這些水體的形成、分布、變化、運(yùn)動、相互轉(zhuǎn)化和環(huán)境相互作用規(guī)律的一門科學(xué)。環(huán)境水文學(xué)是水文學(xué)新興學(xué)科之一。一般認(rèn)為它是研究人類活動對水文和水資源影響，以及水文情勢變化對環(huán)境作用的科學(xué)。其內(nèi)容主要包括人類活動的水文效應(yīng)與評價。特別是人類活動對水文循環(huán)的影響乃是其最重要的課題。城市化和工業(yè)化對水文、水資源的影響和評價、水利工程的水文效應(yīng)、水質(zhì)污染的水文學(xué)問題以及其它人類

2、活動對水文、水資源的影響和人類活動干預(yù)后水文情況改變及其反饋的評價與方法等也都是當(dāng)前研究的主要課題。國際科學(xué)水文協(xié)會每個階段研究項(xiàng)目中都有很多這方面的課題，其成果不僅有助于水文科學(xué)的發(fā)展和水資源管理水平的提高，而且能給人類生活帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。水是人類及一切生物賴以生存的必不可少的重要物質(zhì)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善不可替代的極為寶貴的自然資源。目前，關(guān)于水資源普遍認(rèn)可的概念可以理解為人類長期生存、生活和生產(chǎn)活動中所需要的既具有數(shù)量要求和質(zhì)量前提的水量，包括使用價值和經(jīng)濟(jì)價值。水資源具有以下特點(diǎn)：1、可恢復(fù)性和有限性水及時恢復(fù)更替及通過水循環(huán)在河流中川流不息的運(yùn)動，就構(gòu)成了水資源

3、消耗、補(bǔ)給之間的循環(huán)和水資源的不恢復(fù)性特點(diǎn)。而這種循環(huán)在一定的時間、空間范圍內(nèi)，大氣降水對水資源的補(bǔ)給卻是有限的，故多年平均利用量不能超過多年平均補(bǔ)給量。2、資源和環(huán)境的兩重性水是一種資源，還在很大程度上決定著環(huán)境的動態(tài)和質(zhì)量。3、水利和水患的兩重性水資源的時空分布不均勻，有的地區(qū)雨多集中，可能造成洪澇災(zāi)害，有些地區(qū)則雨少流小，可能造成干旱。這種供需的矛盾，要靠修建各種水利工程人為進(jìn)行調(diào)節(jié)控制才能達(dá)到合理的利用。4、不可替代性水資源既是生活資料又是生產(chǎn)資料，各行各業(yè)都離不開誰?？偟膩碚f，水既是資源，又是環(huán)境組成要素，這就決定了水的各種自然、經(jīng)濟(jì)和社會屬性。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，人口的增加及人民

4、生活水平的提高，各方面對水資源的需求和沖擊將不斷加劇，隨著用水量得激增及隨之而來的污水排放量的增加，水資源的供需矛盾將日益突出，因此合理有效地開發(fā)利用水資源，尤其是如何解決城市地區(qū)的工礦企業(yè)用水及城市生活用水，解決城市地區(qū)的防洪防澇問題，已成為一個關(guān)系到地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局的重要戰(zhàn)略問題。城市化、工業(yè)化、農(nóng)牧化和荒漠化, 歸根結(jié)蒂, 無不與水休戚相關(guān)。水的問題已成為環(huán)境科學(xué)研究的當(dāng)務(wù)之急, 因此, 環(huán)境科學(xué)與水文科學(xué)的密切結(jié)合也必然成為當(dāng)務(wù)之急。經(jīng)典的水文學(xué)以研究自然界的水循環(huán)、水變量化和分布為目的。早期曾以水體為研究對象, 劃分為河川水文學(xué)、湖泊水文學(xué)、沼澤水文學(xué)等分支學(xué)科, 內(nèi)容偏重于定性

5、描述。本世紀(jì)30年代以來, 水文學(xué)的發(fā)展表現(xiàn)出主要地依賴于水利工程建設(shè)。為了確定工程規(guī)模, 保證工程建設(shè)與運(yùn)行的安全, 需要對擬建地點(diǎn)的長、短水文情勢作出預(yù)估或預(yù)報,這就促使了水文計算和水文預(yù)報的發(fā)展。而為了科學(xué)地作出水文情勢的預(yù)估和預(yù)報, 收集、整理、儲存和積累擬建地點(diǎn)的水文資料又是必不可少的, 這又促使了水文測驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。但資源與環(huán)境問題的提出, 改變了傳統(tǒng)水文學(xué)的發(fā)展格局。首先于1965年至1970年間, 聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）倡導(dǎo)了“ 國際水文十年” 活動, 積極推動全球水量平衡和人類對水又循環(huán)影響的研究。隨后, 國際水文計劃（IHP）又先后把“ 人類活動對水文和生態(tài)環(huán)境影

6、響的調(diào)查評估” 、“水污染的水文和生態(tài)問題” 、“ 城市化對水文倩勢和水質(zhì)的影響”、“水資源開發(fā)的副作用” 等列為重要研究課題。這表明, 水資源利用與環(huán)境的關(guān)系越來越受到人們的重視。人們不僅要充分利用水資源的量（水量）和能（水能），還要保護(hù)好水資源的質(zhì)（水質(zhì)）。應(yīng)用目前, 環(huán)境水文學(xué)的主要研究內(nèi)容可大體歸納為：（一） 水休污染作用過程的機(jī)理及水文要素對這一過程的影響這是環(huán)境水文學(xué)的理論支柱。污染物進(jìn)入水體后的遷移、稀釋、轉(zhuǎn)化和富集過程是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物、物理化學(xué)和生物化學(xué)過程。它一方面取決于污染物質(zhì)本身的理化性質(zhì), 另一方面也與水體的環(huán)境肯景值及水文要素的變化有關(guān)。研究和掌握污染物質(zhì)

7、在水體中的遷移、稀釋、轉(zhuǎn)化和富集規(guī)律, 對建立水體污染的水質(zhì)數(shù)學(xué)模型, 確定水環(huán)境容量, 制定水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 提出科學(xué)的水質(zhì)管理方法都是十分必要的。這方面涉及到的主要研究課題有：1、河流的紊動與混合。包括污染物質(zhì)的稀釋、擴(kuò)散與彌散（離散）等機(jī)理的研究。2、湖泊與水庫中的混合。包括熱成層作用及其對污染影響的研究。3、水體中污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。包括物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化, 以及生物降解機(jī)理的研究。4、水文情勢對水體污染作用過程的影響。5、孔隙介質(zhì)中的吸附及彌散。（二）水環(huán)境系統(tǒng)的模擬及應(yīng)用基于上述對水體污染作用過程的機(jī)理及水文情勢對這一過程的影響的分析, 建立各種水體的水質(zhì)數(shù)學(xué)模型, 并通過必要的野外觀測或室

8、內(nèi)試驗(yàn)率定其中的參數(shù), 是環(huán)境水文學(xué)又一重要研究內(nèi)容。這方面涉及到的主要研究課題有：1、河流、湖泊（水庫）和河口不同維數(shù)（一維、二維或三維）的穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型的研制。2、河流、湖泊#水庫 水溫模型的研制。3、考慮非點(diǎn)源污染的流域水質(zhì)管理系統(tǒng)或城市區(qū)域水質(zhì)管理模型的研制。4、區(qū)域地下水水質(zhì)管理系統(tǒng)模型的研制。5、各種水質(zhì)模型參數(shù)確定方法的研究。包括水質(zhì)模型的單參估值法和多參數(shù)同時估值法的研究。6、各種水質(zhì)模型在水質(zhì)預(yù)測、工程規(guī)劃和環(huán)境影響評價中的應(yīng)用研究。同樣的，我國在環(huán)境水文方面開展過許多工作，如：1、在水土保持實(shí)驗(yàn)站和部分徑流實(shí)驗(yàn)站上，對于在不同的植被和不同的土地利用情況下，對水土流失和

9、產(chǎn)流匯流過程所產(chǎn)生的不同影響進(jìn)行了大量的對比研究。2、從70年代開始進(jìn)行水質(zhì)污染監(jiān)測，調(diào)查評價和水質(zhì)模擬及預(yù)測。3、進(jìn)入80年代，水利部門會同環(huán)境保護(hù)部門開展了水利工程的環(huán)境評價工作，這其中環(huán)境水文是重點(diǎn)內(nèi)容。4、正在進(jìn)行流域水源保護(hù)規(guī)劃（包括水質(zhì)規(guī)劃），其中將含有大量的環(huán)境水文內(nèi)容。環(huán)境水文學(xué)的展望僅僅十幾年的功夫, 環(huán)境水文學(xué)就取得了一些重要的研究成果, 初步建立了自己的學(xué)科體系, 這充分顯示了它作為一門新興的交叉學(xué)科, 在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用, 具有很強(qiáng)的生命力。但它畢竟還年輕, 還應(yīng)不斷向深度、廣度發(fā)展。今后, 除了將上述提及的基本研究課題引向縱深, 不斷予以完善外, 至少還應(yīng)從下

10、列若干方面加強(qiáng)研究與探索, 以進(jìn)一步豐富環(huán)境水文學(xué)的內(nèi)容：1、在探索水體污染過程的微觀機(jī)理, 建立不同水體水質(zhì)模型或水質(zhì)管理系統(tǒng)模型時不僅要及時引進(jìn)最新科技成就, 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)手段, 而且在理論上要加強(qiáng)確定性方法與隨機(jī)性方法的有機(jī)結(jié)合。2、要加強(qiáng)水文循環(huán)與生物地球化學(xué)循環(huán)及其它物質(zhì)循環(huán)與社會經(jīng)濟(jì)因素之間的相互關(guān)系、相互作用的研究。人口的增長, 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 必然導(dǎo)致水資源利用及地質(zhì)、生態(tài)系統(tǒng)的變化, 從而影響到水文循環(huán)及與之相伴隨的浸蝕沉積物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)的循環(huán), 它們又反過來通過對水資源的影響來制約人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。探討這種相互關(guān)系和相互作用的內(nèi)部機(jī)理和發(fā)展變化，無疑是環(huán)境水文學(xué)的重要任務(wù)之

11、一。3、水體中的水量與水質(zhì)相互關(guān)聯(lián), 互為一體。應(yīng)當(dāng)改變目前對水量和水質(zhì)基本分開的研究局面, 探索水質(zhì)與水量聯(lián)合模型的研制理論與方法, 不斷揭露動態(tài)水質(zhì)(流動水質(zhì)）的變化規(guī)律?？梢钥隙? 隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展, 環(huán)境水文學(xué)必將有更大的發(fā)展, 前景是美好的。城市化的水文效應(yīng)：從水文學(xué)的角度出發(fā)，城市水文效應(yīng)的產(chǎn)生有兩大基本因素，表現(xiàn)在：1、 城市不斷為不透水地表如道路、屋頂、大量建筑物、停車場等所覆蓋，使地表洼蓄和下滲能力大大減弱，降水轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅鞯牟糠衷黾樱?、 城市呈管網(wǎng)狀排列的各種排水管道的興建，原有河道的裁彎取直和岸坡整治，增大了城市地區(qū)的泄流排水能力，使暴雨徑流等盡快就近排入受水

12、體，匯流速度加快，滯時縮短。以上這兩大基本因素直接或間接導(dǎo)致了多種城市水文特征的產(chǎn)生。（一） 、降水的影響城市化對降水情勢的影響是比較明顯的，一般來講，城市地區(qū)及其下風(fēng)側(cè)的年降水總量比農(nóng)村地區(qū)偏高5一15，其中雷暴雨增加10一15，這一現(xiàn)象稱之為城市“雨島效應(yīng)。城市雨島效徑流與環(huán)保工程應(yīng)的產(chǎn)生有以下幾方面的因素：1大氣污染物增加城市化使城市上空的微粒物質(zhì)及污染物質(zhì)等顯著增加，這為降水提供了大量的凝結(jié)核。2“熱島效應(yīng)”和地面粗糙度增大國內(nèi)外對城市小氣候的大量監(jiān)測和研究表明：城市中心的年平均氣溫要高出周圍農(nóng)村地區(qū)0.53oY這種城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生與城市地區(qū)高度密集的工業(yè)、人口及下墊面輻射性質(zhì)的變化

13、密切相關(guān)。由這種溫差形成的熱湍流，以及由城市建筑物特別是高層建筑物所導(dǎo)致的地面粗糙度增大而產(chǎn)生的機(jī)械湍流，都有利于大氣對流的產(chǎn)生和增強(qiáng)，從而為成云致雨提供動力條件。對流增強(qiáng)同樣也導(dǎo)致雷暴雨天氣增多。(二)對蒸發(fā)的影響1可供蒸發(fā)的水量減少隨著城市地區(qū)不透水面積的擴(kuò)大，地表下滲能力逐漸減弱；當(dāng)?shù)乇?00為不透水的建筑材料所鋪碭時材料所鋪碭時，下滲量減至為零。城市地表下滲減弱直接減少了地下水補(bǔ)給量，加之人為抽取地下水，使地下水位降低，地下徑流及土壤含水量減少，蒸發(fā)量也相應(yīng)減小。2蒸發(fā)的動力條件風(fēng)速減小城市地區(qū)建筑物林立，下?lián)疵娌诙蕊@著增大；使城市市區(qū)年平均風(fēng)速較農(nóng)村地區(qū)減小2030，無風(fēng)日增加520

14、，這也影響了蒸發(fā)速度，使蒸發(fā)量減小。 (三)對徑流過程的影響就產(chǎn)流而言，由于城市地區(qū)植被稀少，路面平坦且被水泥化、柏油化，透水性很差，故產(chǎn)流過程中植物截留、填洼、下滲等降水損失量均減少，因此相對產(chǎn)生的徑流量增大，即城市地區(qū)產(chǎn)流較城市化之前有明顯增加。就匯流而言，由于城市地區(qū)具有良好的排水條件，各種下水管道設(shè)施齊全，加之路面平坦，透水性差，故降在路面上的雨水能較快從地表流走，進(jìn)入下水道，降在城市屋頂上的雨水也能通過屋頂落水管，再很快進(jìn)入下水道。因此，短時間內(nèi)大部分降水在城市隨即消失，使匯流速度加快?？傊?，城市化地區(qū)由于產(chǎn)流量增加，匯流速度加快，使得城市地區(qū)的洪水流量過程線變得尖陡，峰值增大，匯流

15、歷時縮短，峰現(xiàn)時間提前。同時由于城市地區(qū)不透水面積的增大，土壤下滲減少，土壤含水塹減少，故當(dāng)降雨停止以后，補(bǔ)給退水過程的水量也減少，使得整個洪水過程底寬相應(yīng)縮短。因此，城市化增加了產(chǎn)生迅猛洪水的可能性。城市水文問題一、 水源問題1、 城市地區(qū)對水的需求日益增長，供需矛盾日益突出，這往往很難由當(dāng)?shù)厮吹玫綕M足。2、 人為污染使水質(zhì)惡化，可用水量減少，加之有些地區(qū)過量開采，環(huán)境問題突出?，F(xiàn)代城市水源問題的產(chǎn)生和發(fā)展一般是多因素的，既含有水量型水源問題，也含有水質(zhì)型水源問題，往往是水質(zhì)、水量交織在一起的混合型水源問題。二、水污染問題1、工業(yè)廢水和生活污水污染人口增加和工業(yè)發(fā)展，使城市地區(qū)的污水量不斷

16、增加，在污水處理能力不足的地區(qū)，大量的工業(yè)廢水和城市生活污水等未經(jīng)處理直接排入接納水體，當(dāng)污染物濃度超過接納水體的自凈能力時，使得城市地區(qū)水質(zhì)日益惡化。2 、城市雨洪污染城市雨洪污染是近年來日益引人關(guān)注的水污染形式。根據(jù)城市雨洪污染的發(fā)生過程，可將其分為以下兩個環(huán)節(jié)：降水污染(降雨的淋洗作用)降水污染和徑流污染（徑流的沖刷作用）二、 洪澇災(zāi)害問題小頻率的大洪水往往使城市大面積淹沒，這類洪水來勢洶猛，受城市化影響不大，必須通過修建防洪工程加以控制；大頻率的小洪水受城市化影響明顯，在強(qiáng)度和出現(xiàn)頻率上均大于天然流域，從而易引起城市內(nèi)澇。應(yīng)用水利工程的作用和效益水利工程的作用是改變江河的自然面貌，馴服

17、洪水，發(fā)揮水利資源的綜合效益。水庫不僅可以重新按季度分配徑流，防止水旱災(zāi)害，同時還可以利用水庫蓄水秘抬高水位來發(fā)展灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、給水、水產(chǎn)及旅游業(yè)等?？傊?，水利：I：程建設(shè)的效益是顯著的。 (1)初步控制了一般的洪澇災(zāi)害，摹本保障了城鄉(xiāng)的安全。 (2)為城市和工業(yè)提供了較為穩(wěn)定的水源。(3)發(fā)展灌溉，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。(4)發(fā)展水電，提供能源。(5)綜合利用，發(fā)展水產(chǎn)、農(nóng)副業(yè)及旅游業(yè)等。當(dāng)今世界許多地區(qū)水資源問題日益突出，日經(jīng)成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素，因此水利不僅是農(nóng)業(yè)的命脈，也是國民經(jīng)濟(jì)的保障，作為水資源擴(kuò)大再生產(chǎn)形式之的人工可調(diào)控水體的水庫，正在對人類的社會經(jīng)濟(jì)帶來愈來愈多的影

18、響。從水資源的開發(fā)情況來看，當(dāng)一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平尚不高時，水資源開發(fā)的目標(biāo)較為單一，主要考慮的是防洪、灌溉和發(fā)電等社會經(jīng)濟(jì)效益；但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高及社會發(fā)展對水資源需求的多樣化等因素，水資源的開發(fā)也逐步趨向多目標(biāo)化。印度的“全國水網(wǎng)”規(guī)劃和北水南調(diào)前蘇聯(lián)的跨流域調(diào)水美國的大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水我國的南北北調(diào)規(guī)劃水庫對上游及庫區(qū)環(huán)境的影響1 上游及庫區(qū)淹沒上游及庫區(qū)淹沒，使該區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生深刻變化。水庫修建引起庫區(qū)及上游壅水范圍內(nèi)的農(nóng)田、城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村、工礦企業(yè)、交通設(shè)施及文化設(shè)施等淹沒；淹沒地帶的土壤、動植物群落發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致該區(qū)環(huán)境生態(tài)平衡的全面破壞，新的平衡只有在水庫

19、運(yùn)行后的一段時期內(nèi)才能逐步建立。另外，水庫蓄水以后，上游地區(qū)地下水位會隨之上升，這可能會帶來下述一些不利影響：(1)可能引起土壤鹽堿化；(2)低洼地帶地下水出露積水成沼時，易使蚊蟲孳生，惡化衛(wèi)生條件；。-(3)房屋地基被地下水浸潤，受地下水影響嚴(yán)重的房屋可能發(fā)生下陷，倒塌房屋。2水庫泥沙淤積；水庫由于攔水筑壩，流速減緩，水流所挾帶的泥沙逐漸沉積，因此水庫的淤積是不可避免鉑，只是程度上有差異。水庫淤積將使庫容減少，回水曲線抬高，淹沒范圍增加，并可能影響水電站的運(yùn)轉(zhuǎn)。3庫岸崩塌水庫蓄水以后，由于坡岸浸水，土壤凝聚力減少，土體穩(wěn)定性降低；另一方面由于庫區(qū)形成巨大水面，引起水面風(fēng)浪加大，在風(fēng)浪的撞擊、掏刷下，土質(zhì)岸坡可能坍塌，岸線退縮，這不但增加了水庫的淤積，也威脅了岸邊附近居民點(diǎn)的安全。4誘發(fā)地震，水庫建成蓄水后，由于水體的巨大重力作用。可鼴會誘發(fā)地震或使地震活動增強(qiáng)。5