水利水电工程对生态环境的影响ppt课件

1、1.1 水利水电工程对河流生态系统的影响,在天然河道上修建水利水电工程会直接破坏河流长期演化形成的生态环境，工程的修建使得河段局部形态均一化和非连续化，从而改变了河流生态环境的多样性,所谓河流形态的均一化主要是指自然河流的渠道化，人类为了防洪的需要平顺堤岸而修建护岸工程，为了宣泄洪水和改善航运实行河道人工裁弯工程，河流的渠道化改变了河流蜿蜒曲折的基本形态，河段急流、缓流、弯道及深泓交错的格局消失。河流断面形态规则化导致生境异质性降低，水域生态系统的结构和功能随之发生改变，从而诱发河流生态系统退化，生物群落多样化随之减少,所谓河流形态的非连续性是在河流上筑堤、建坝形成人工湖和水库后，造成自然水流

2、的非连续性。上游河道随着水位上升，水流流速骤然降低，急流、深槽不复存在，水温水质不断变化，库区水体趋向静态分布，河流失去原有的快速自我修复和自身净化功能；而大坝下游下泄水体温度四季变化减小，影响下游河道水生生物多样化的生存环境，农业灌溉引用低温水体将会影响农作物生长，下游河道水位降低特别是汛期水位降低还会极大地影响通江湖泊水生生物的生存环境,1.1.1水利水电工程上下游水文泥沙情势变化 天然河道上修建水利水电工程建筑物，改变了河流的自然形态，引起局部河段水流水深、流速、含沙量等的变化，进而波及上下游乃至长距离水文泥沙条件发生变化。水文、泥沙条件的改变是影响河流生态环境变化的原动力。水文泥沙条件

3、的变化将会对水温、水质、局地气候、环境地质、土地资源产生影响，进而影响到水生生物、陆生生物的生存，还会影响航运、灌溉、城镇引水、移民安置等。例如，水库上游河道水深增加改善了上游航运条件，有利于供水、灌溉等，但水深增加会导致底层水温降低和污染物沉降；库区水面积增加有利于发展水产养殖业，但水流流速降低及底层水温降低影响水生生物多样性生长；同时库区淹没导致陆生生物生境减少；农业耕地损失；大量移民搬迁等,1.库区水文泥沙特性 在河流上修建水库，将破坏天然河流水沙条件与河床形态的相对平衡条件。库区水位壅高，坝前侵蚀基准面抬高，使得水深增加，水面比降减缓，流速减小，水流输沙能力显著降低，促使大量泥沙在库区

4、淤积。水库淤积与流域面积、流域特征（土壤、植被等）、库容以及河道比降等自然因素有关，还与水库的调度运用方式关系密切,以三门峡水库为例，水库于1957年4月13日开工建设，1960年9月5日开始蓄水运用。 三门峡水库的主要任务； 1、将黄河上游千年一遇洪水流量37000m3/s降为8000m3/s，解决黄河下游洪水灾害。 2、拦蓄上游全部泥沙，下泄清水，实现“黄河清”，下游河床不再抬高。 3、调节黄河水量，初期灌溉2200万亩，远期灌溉7500万亩农田。 4、装机90万千瓦，年发电量46亿度。 5、改善下游航运,至1962年3月，库区330.0m高程以下淤积泥沙16.4亿m3，枢纽上游约114

5、km的潼关站1000 m3/s流量水位由蓄水前的322.4m上升到325.2m。 1962年3月水库改为滞洪排沙运用，至1964年10月，水库335.0m高程以下又淤积23.13 亿m3，335.0m以下库容损失41.5%。潼关1000 m3/s流量水位上升到328.07m。 1964年和1971年，三门峡水库经过二期改建。从1973年开始水库改为蓄清排浑运用，库区河床持续冲刷。1975年汛后1000 m3/s流量潼关水位降到326.02m。 至1999年汛后潼关1000 m3/s流量下的高程328.25m，比建库前高5.85m,潼关河床高程是渭河下游河床的侵蚀基准面，侵蚀基准面抬高造成渭河下

6、游河床严重淤积。历史上渭河下游河道基本冲淤平衡，自三门峡建库后，从1960年6月至1997年12月，渭河咸阳以下累计淤积13.19亿m3，河道淤积带来严重的后果,主槽过水断面减少，过洪能力降低。三门峡建库前，渭河下游主槽的过洪能力一般为4500-5500m3/s；建库后，临潼站1997年主槽过洪能力仅为建库前的64%，而华县站的过洪能力仅为建库前的20%。 ）洪水水位抬高。华县站1990年7月5000 m3/s流量的水位比1964年8月同流量水位抬升1.48m。 河道萎缩河势恶化。至1997年汛前，渭河下游平滩河宽仅为1985年汛前的1/3-1/4，河床淤积导致河势恶化，极大地威胁两岸防洪安全

7、。1967年渭河尾闾在北洛河口以上8.8km河段全部堵塞，又适逢黄河对渭河的顶托倒灌，渭河决口，华阴两侧成为泽国,据统计, 我国七大江河的年输沙量高达23 亿t , 特别是西北、华北地区的一些河流, 含沙量非常高, 甘肃祖厉河的多年平均含沙量可达600kg/m3 , 实际测量到的最大含沙量达1600kg/m3 左右。即使是长江, 含沙量虽然不算高, 仅0.54kg/m3 , 但由于水量丰沛, 年输沙量也近5 亿t 。在河流上修建水库后, 由于水位抬高, 流速减小, 必然造成泥沙在水库中淤积。到1972 年为止, 全国已建成坝高在15m 以上的水库12517 座。水库初期运行时, 由于缺乏经验,

8、 造成水库的严重淤积。山西省43 座大、中型水库的总库容22.3 亿m3 ,到1974年已损失31.5%,即7亿m3 ,平均每年损失0.5 亿m3。陕西省全省库容大于100万m3 的水库192 座, 总库容15 亿m3 ,到1973 年已损失31.6 % , 即4.7 亿m3 , 其中1970 年以前建成的120 座水库库容已损失53.3 % , 有43座水库完全被泥沙淤满,1）水库淤积所造成的主要问题如下: 使防洪库容和兴利库容减小, 影响水库效益的发挥； 淤积向上游发展, 造成上游地区的淹没和浸没以致盐碱化, 带来一系列生态环境问题； 水库变动回水区的冲淤给航运带来不利影响； 坝前泥沙淤积

9、会在一定程度上影响枢纽的安全运行； 水库下泄清水对下游河道冲刷和变形的影响； 附着在泥沙上的污染物沉积，水库水质环境受到污染； 泥沙淤积会淤没鱼类的产卵地和改变河底条件，影响鱼类繁殖； 库区淤积会导致下游细沙减少，造成农业生产所需的天然肥源缺乏，并对水生生物造成不利影响； 回水末端淤积上延将扩大淹没面积，并威胁上游重要城镇、工矿和铁路安全,库区淤积部位和特点与水库运用方式密切相关。当水库蓄水位较高时，入库泥沙首先淤积在水库末端的河床上，因而抬高了水库的回水位。它还随时间不断向上游延伸，形成所谓翘尾巴现象，不仅减少有效库容，而且形成拦门沙，使上游河道排水不畅以至洪水泛滥。当蓄水位较低时，入库泥沙

10、可输送至坝前淤积直接减少有效库容，甚至堵塞引水建筑物，减少引水流量、影响发电等。 下表1-1列出了我国部分水库淤积情况，从表中数字显示，情况是非常严峻的,表1-1 中国部分水库淤积情况,2）水库淤积计算不仅是水利水电工程环境影响评价的一项工作，也是规划设计阶段不可缺少的内容。 水库初步设计阶段可采用如下一维数学模型计算库区淤积平衡地形和回水水面线。重要工程还需通过物理模型试验和数学模型计算两种方法同时论证,一维非饱和输沙模型基本方程式： 水流连续方程,1-1,水流运动方程,1-2,河床变形方程,1-3,泥沙连续方程,1-4,水流挟沙力公式,1-5,推移质输沙率公式,1-6,2.水库下游河道水文

11、泥沙特性 当河道上游修建水库工程后，调节上游来水来沙过程，下游河道水沙过程明显改变，表现在削减洪峰，增补枯水，中水期持续时间延长，枯水流量加大、含沙量减小，河床冲刷粗化，河道形态处于不稳定变化过程中,以丹江口水库为例，丹江口水库1968年开始蓄水运用。建库前，下游河道流量年内分配极不均匀，皇庄站汛期水量占全年的55.6%，建库后汛期水量减少为占全年的34.5%；建库前，一年中流量在1000-2000的时间，皇庄站有约70天左右，建库后，同流量的时间延长到150天-300天；建库前，皇庄站每年中12、1、2月三个月的平均流量为333，水量占全年的6%，建库后，同时期平均流量增大到717，水量占全

12、年的15.9%。建库前后下游河道流量年内分配趋势如图1-1所示,图1-1 皇庄站建库前后流量年内分布变化图,从图中明显可以看出，建库后洪峰流量明显减少，枯水期流量有一定的 增加，流量年内分布变得更加均匀了,丹江口水库运用后，下游河道含沙量也发生了很大的变化。建库前，黄家港站多年平均输沙量为1.27亿t，而且主要集中在汛期，汛期输沙量占全年输沙总量的81.5%；建库后15年统计黄家港站年输沙量只有121万t，仅为建库前的1%。如图1-2所示,图1-2 黄家港站年输沙量变化,可以看出丹江口水库修建后，输沙量明显减少。下游来沙量的减少，会使下游河道水流处于不饱和状态，这就必然会导致下游河床冲刷，使下

13、游河道产生一系列的河道演变。河道的冲刷会导致下游水位降低，从而影响下游取水量和取水质量，影响下游人民的正常生活和农业灌溉。 丹江口建库后，由于清水下泄，中小流量增大造成下游河道河床发生累积性冲刷，致使边岸崩坍，河道形态发生转化。在相当长的一段时间里，河道不稳定给防洪、航运、工农业引水造成不利影响。 在工程初步设计阶段，也需用一维非饱和输沙模型（式（1-1）- 式（1-6）计算大坝下游河道河床冲刷变形，重要工程还需通过物理模型试验和数学模型计算两种方法同时论证,1.1.2水温变化 水利水电工程会改变天然河流水质水温，尤其是水库工程。其表现为： 1.库区水温分层 水库的特点是水面宽广、水体大、水流

14、迟缓、更新期较长等，加之水体受太阳辐射、对流混合和热量传输作用，使水库具有特殊水温结构。水库水温随相对容积（库容与来水量之比）的大小和水深呈不同性状的变化，一般分为混合型，分层型和过渡型三种，下面列表1-2说明,表1-2 水库水温结构特点,判断水库水温分层类型一般采用、指标法,当 20时为混合型水库 10为分层型水库 1020为过渡型水库。 当0.5时为分层型水库 1为临时混合型水库,对于分层型而言,遇到1的洪水时为临时混合型,遇到0.5的洪水时对水温结构的影响忽略不计。 水库蓄水后，当水库水体温度场发生变化时，会对库区及周围生态环境产生一系列的影响，如对水质、水生生物、局部气候以及下游生态环

15、境的影响。 从参窝水库（坝址位于辽阳市弓长岭区南沙村东，地处太子河干流中部，库区面积。）的水温分布（见表1-3和图1-3）中可以发现，参窝水库水温有明显的分层现象，一般在外界气温比较高的月份水温是随着水深的增大而降低，而外界气温低的月份水温是随着水深的增大而增大,表1-3 参窝水库水温变化趋势表,图1-3 参窝水库水温沿垂线分布图,表1-4 参窝水库表层、底层水温与天然河道水温对比,图1-4参窝水库表层、底层 水温与天然河道水温对比,表1-4和图1-4反映了参窝水库建库后库区 水体表层和底层水温与天然河道水温在一年 中的变化对比。外界气温低的月份库区表层和 底层水温比天然河道水温都高；外界气温

16、高的 月份库区底层水温比天然河道水温低，表层 水温和天然河道接近,2.水温变化 这里搜集到漫湾水电站库区表层水温逐月变化的资料，如下表1-5及图1-5所示,表1-5 漫湾水电站水库坝前蓄水前后逐月表层水温对照表,图1-5 漫湾水电站水库坝前蓄水前后表层水温变化图,水面对太阳幅射的反射率小于陆面的反射率,使得水面热量平衡幅射值增大， 由表 1-5 和图 1-5 可见,漫湾水库蓄水后坝前表层水温比天然河道多年平均 水温升高4.2 ,月平均值增幅1.56.3 。用19941996 年狗头坡气象站 逐月平均气温与坝前逐月平均表层水温进行相关分析,相关系数达到0.90 , 线性关系是显著的,上游来流和库

17、存的水体的温差也可以形成异重流而通过水库，这种现象在热带或亚热带地区很少见，但是，如果一个高水位的枢纽工程在一个相对高而冷的高度放水，尾水流入一个温暖的湖泊中，这种现象就会发生。在坝下河段，由于电厂的进水涵管开口于较窄的水层，从电厂泄出的水也保持了这一水层的低温状况。因此，坝下河段的水温发生了明显的变化,3.水温改变造成的不利影响 鱼类繁殖要求一定的水温条件，如我国四大家鱼繁殖时要求水温在18以上，我国的鱼类资源是以温水性鱼类为主，水温变化对水库鱼类影响不大。但是出库低温水对坝下游一定距离内的鱼类产卵影响较大，有可能推迟鱼类产卵期，对鱼类繁殖产生不利影响。 此外，低温灌溉水对下游农作物的生长期

18、有不利影响，水库如采用深孔放水建筑物，存在下泄低温水的问题，使水库下游产生人为冷害，造成农作物减产,4.水温影响分析 目前，以计算机为基础的模拟工具已经发展起来，它们可为进行这些评估提供帮助，不仅仅是为温度变化，而且是为预测影响的全部范围。由挪威几家机构共同开发的河流系统模拟工具（RSS)是个非常典型的例子，其主要目的是预先设想出对河流进行管理的后果它包括一组具体的程序，用来模拟工程对河流生态系统和人口造成的环境影响。 不过，一般来说水电开发中的实际工程并不需要进行复杂的分析处理。温度影响的经济意义还不足以说明必须进行非常昂贵的数据收集和模拟分析。因此，对温度影响通常只进行定性描述，而不具体地

19、进行精确计算。重要的不是准确地了解不同的开发和运作项目所需温度是什么，而是要观察温度变化的大小顺序和温度变化的近似影响，以及需要采取的减轻影响的措施和涉及的范围,1.1.3水质的影响 1.污染源和污染物 水体污染和人类生产生活活动密切相关。按人类活动可把污染源分为工业、农业、交通运输和生活等集中污染源。从污染源的空间存在形式可分为点源污染和面源污染。工业污染多属点源污染，农业污染多为面源污染。工业污染源排放出来的污染物质种类最多，而且是主要污染源,水体的主要污染物可归纳为以下8类: 无毒污染物：主要是轻工业（如食品加工等）废水和生活污水中含有的有机物质，如糖类、淀粉和蛋白质等无毒有机物。但它们

20、在水体中经微生物作用后降解需要消耗大量的水中溶解氧(DO)，从而引起水质变坏或形成富营养化。 重金属：各种亲硫元素（如汞、镉、铅、砷等）、亲铁元素（如铁、镍等）和亲岩元素（如铬、钒、锰等），它们一般不能降解，在食物链中易富集化，危害很大。 阴离子：主要指亚硝酸根和氟离子，它们进入人体会导致功能紊乱，亚硝酸盐在人体内可转为致癌物质,有毒有机物：如氰和酚，它们含有剧毒。 致癌有机物：如各种稠环芳香烃和芳香胺，均含有致癌物质。在含油、焦化、煤气和化工染料的废水中存在。 农药：其中以有机氯农药危害最大，它的化学性能稳定，在水中不易分解，对水体产生普遍而严重的污染。 放射性物质：主要来自铀矿、核工业废水

21、废物。 热污染：工业排放冷却水等废热水，破坏了鱼类和微生物的生态环境。水温升高使水中溶解氧减少，从而厌氧细菌大量繁殖，使某些有毒物质的毒性加剧,2.水质指标和标准 天然水体并非纯水，其中总会含有一定量的杂质甚至有毒物质。水质的优劣可由某些指标来判断。这些水质指标主要有：物理指标（温度，色度，浑浊度，固体含量，导电率等）；化学指标（pH值，硬度，溶解氧浓度，氯化物等含量，酚化合物含量，DDT和六六六的含量等等）；微生物指标（细菌总数，大肠杆菌总数等）。 水质标准一般可分为水体标准和排放标准两类。水体标准是指以污水排放点下游水体的水质为依据所制定的标准；排放标准是指以排放的废水本身的水质为依据所制

22、定的标准。不同的用途也有不同的水质标准。表1-6是国家于1984年开始实施的地面水环境质量标准（GB3838-83,表1-6 地面水环境质量标准,为参考标准，专对湖泊、水库等封闭性水域的水质要求，以防止水质富营养化,3.水体的自净 污染物进入水域后使水域受污染，同时进入水域的污染物也会发生各种变化。难溶解的污染物可能会沉降到河底变为底质；一部分污染物可分解为无毒物质；一部分有机物受微生物活动的影响发生氧化和分解作用，而使污染物降解；由于对流扩散等物理作用使污染物浓度降低。总之水体通过物理、化学和生物的作用净化污染物质，这种能力称为水体的自净能力。物理净化只能降低污染物浓度，而不能减少污染物总量

23、，只有化学和生化作用才能减少污染物总量。水体自净能力是有限度的，研究它是为防止水污染,水体自净是一个很复杂的过程，影响自净能力的的因素很多，并且互相关联。归纳起来主要有如下几种： 污染物种类和性质：有些污染物易于分解和降解，而有些则不然。有的在好气条件下易分解，有的在嫌气条件易分解。例如合成洗涤剂和有机氯农药，化学稳定性高，难于分解。酚和氰是工业污染物，但它们性质不稳定，易挥发和氧化分解，并且易被水生物吸收，比较容易净化。 水体性质：水温、流量、含沙量等对水体自净有较大影响。流量大易于稀释扩散。含沙量浓度有时也对污染物的自净有一定影响,水生生物：水生生物的种类和数量与自净有密切关系。能吸收污染

24、物的生物和降解污染物的微生物越多，水体自净越快。 其他环境因素：水体溶解氧含量是水体净化的一个重要指标。水中溶解氧的补给受到水面和大气界面条件影响，诸如水面形态、水流流态、大气中的氧气分压及大气与水体的温差等等；太阳光照条件也是一个影响因素，紫外线能促使水中污染物迅速分解，阳光与水生植物产生光合作用，改变溶解氧条件；底质会富集污染物质，底质与水体之间不断地进行物质交换，底质还会影响底栖生物的种类和数量；自然状态下的河流由于流动性质具有极强的自净化能力,4.水体溶解氧（DO） 水体有溶解氧气的能力。单位体积中水所溶解氧气的数量（mg/L）称为溶解氧，以DO表示（Dissolved Oxygen）

25、。它是衡量水质的一个重要参数。在一定温度和压力下水能溶解氧气的最大值称为饱和溶解氧，以Os表示。它与水温和压力有关，水温越低，越大；在同一温度下，饱和溶解氧随水压力增大而增大。表1-7是一个大气压下水的饱和溶解氧随温度变化的数值,当水中溶解氧的实际值低于上表给定条件下的饱和值时，大气中的氧就会溶于水中。在正常情况下，清洁的地面水中溶解氧接近饱和状态。水中溶解氧是维持水生生态平衡和有机物进行分解的条件,表1-7 一个大气压下水的饱和溶解氧Os（mg/L,5.生化需氧量 （BOD） 在好气性条件下，细菌把有机废物氧化成二氧化碳、水和其它简单无机物质，其所需氧气的数量称为生化需氧量，以BOD表示（B

26、iochemical Oxygen Demand）。它是测定某一数量有机物对水体潜在污染能力的一个最常用的参数。BOD越高，说明水中有机物含量越多，因此BOD值可以反映水体受有机物污染的程度,6.水体耗氧和复氧 水中氧气的消耗除有机物生化耗氧外，还有废水中其它还原物质引起的耗氧，晚间光合作用停止时由水生植物呼吸而耗氧及底泥耗氧。氧亏 初始氧亏水中氧气不断地消耗，同时也会得到补充，称为 复氧。除了上游河水所带来的溶解氧外，大气通 过与水的交界面向水体输氧，另外水生植物白天通过光合作用产生氧气,7.建库后对水质产生的有利影响 库内大体积水体流速低、滞留时间长，使悬浮物沉降，浊度、色度均降低。 库内

27、流速低，藻类繁殖活跃，生物呼吸作用产生CO2及深层CO2的增多使水中的钙、镁离子产生沉降（CaCO3、MgCO3），降低了水体硬度。 库内水滞留时间长，利于有机质降解和细菌死亡，利于水体净化。表1-8中列出几个水库沿库区上、中、坝址河段实测某几项水质指标关系,表1-8 水库水质改善情况,8.建库后对水质产生的不利影响 库区水流速度小，降低了水、气界面交换的速率和污染物的迁移扩散能力，溶解氧将会降低、水体自净能力也会降低；另一方面，水库蓄水后水面扩大流速减缓透明度增加，水生植物也会增加光合作用，又有利于水库上层溶解氧的增加，而随着深度的增加，光合作用减弱逐渐缺氧，因此，溶解氧含量随水深降低。而一

28、些入口和溢洪道可以起到通风装置的作用。溶解的氧气量对水生物成长，特别是对于鱼类的存活和有机物及污染物质的腐烂，是一个主要的水质参数。氮气(或氧气)过度饱和现象会在消力池或其他空气被水截留或受到静水压力影响的地方出现。这种现象出现在“集水和调水”的工程中，在小河入口处把掺入空气的水送到高水头的系统中，当鱼类接触到过度汽饱和的水时，容易死于“气泡病”。表1-9列出实测两个水库氮气和氧气饱和度与幼鱼率的关系,表1-9 氮气过饱和与幼鱼死亡率,库区水流速度小、透明度大，利于藻类光和作用，若如果水流营养物质多，水深较浅，易形成富营养化。富营养化通过营养物质使水体过度肥沃而加速老化，有时会给水库和流动缓慢

29、的河流和渠道带来严重的后果。藻类和水草的大量繁殖会加剧富营养化，并堵塞设施，阻碍航行。当藻类和水草开始腐烂时，它们会耗尽较浅水域的氧气，并引起厌氧过程。在一个富营养化的水库中，底层的水会变脏，包含散发着有毒气味的氢硫化物。这种水体会对下游水生物和居民饮用水造成严重的危害。 水库富营养化并非不可逆过程，控制人类活动所产生的营养物质的排放，采取有效措施对已进入水库水体的营养物质进行治理，经过一定时间，通常都可以逆转，恢复到原来的状态,库内水流速度小，沉降作用加强，有利于水体重金属的沉降。当水库偏碱性时，更有利于重金属的絮凝沉降。另一方面水流流速减缓和水深增加，将使污染物的扩散减弱，底部冲刷减少，引

30、起污泥沉积，被吸附的重金属将在库底积累。由于滞流时间延长，生物作用加强，水温分层等都会使水环境条件发生变化，增加重金属污染。因此，控制重金属污染源非常重要。 分层型水库，除水温分层外，水质也随之分层，且随季节变化，见表1-10以狮子滩水库为例的水质分层情况,表1-10 狮子滩水库水质测定表 （1978年610月,分层型水库一般表层水水温高、阳光充足，在风浪作用下溶解氧含量高， 在藻类光和作用下增氧作用强，属氧化环境，利于有机质的降解，自净 作用较强。而深层水与大气隔绝、阳光弱，溶解氧含量低，甚至耗尽， 而CO2含量高，属还原环境。有机质沉积于库底，在厌氧微生物作用下 分解、若水体中含硫酸根离子

31、较多，则生成硫化氢气体，不仅臭而且含 量高时使水生生物中毒，以致死亡。硫化氢与重金属离子生成黑色硫化 物沉于库底，形成次生污染源,库区工农业生产所排放的废水进入水库，将影响水库水质。农田排放的废水中除有机质外还有化肥、农药形成面源污染，不易控制。工业排污，特别是有毒物质，如有机毒物、重金属、放射性元素等，进入水库沉积库底或被泥沙吸附或被水生生物吸收，不易排出库外，而形成次生污染源。 由于库区干流顶托作用，支流基本保持静止状态，水体稀释自净能力降低，污染浓度增加，导致支流水质下降。例如三峡工程2003年6月开始蓄水，蓄水位至135m,2006年12月重庆云阳库区发生严重浮藻。2007年4月实测库

32、区不少支流水质下降，并且出现“水华”现象，水质由以前一至二类降至以三类为主。当蓄水位升至175m时，情况会更加严重,9.水质模型 （1）水质模型的定义 水质模型是一些描述水体（如河流、湖泊等）的水质要素（如等），在其它诸因素（如物理、化学、生物等）作用下随时间和空间变化关系的数学表达式。 污染物质进入水体后，随水流迁移，在迁移的过程中受到输移、混合、分解、稀释和降解。建立水质模型的目的就是力图把这些互相制约因素的定量关系确定下来，对水质进行预报，为水质的规划、控制和管理服务,2）水质要素（或水质参数） 水质要素或参数包括的内容大致有如下几种： DO； BOD； 有机氮（N）； 氨态氮（NH3）

33、； 亚硝酸盐氮（NO2）； 硝酸盐氮； 磷酸根（PO4）； 大肠杆菌； 重金属； 水温； 11 放射性物质,3）水质模型的分类 按建立模型的方法和求解的特点，可分为确定性模型和随机模型。前者只接收适定的条件同时给出确定的解答；后者接纳随机的模型参数，其解不具有唯一性。 按模型所描述的系统是否具有时间稳定性，可分为稳态模型和动态模型。当水流运动要素和模型的输入参数都不随时间而变时，系统的所有参数都不随时间而变，这种模型称为稳态模型；当水流为非恒定流动，不论输入是否随时间而变，系统的参数将随时间而变，这种模型称为动态模型。 按系统内参数的空间分布特性，可分为一维、二维和三维模型。若参数在三个方向上

34、都均匀分布，水体处于完全混合状态，这种模型为零维模型。 按水质参数的转移特性，可分为随流模型、扩散模型（含分散）和随流扩散（含分散）模型。当随流占决定优势，不计扩散分散时为随流模型；如果随流项不存在，只有扩散分散作用的模型称为扩散模型；两者都不能忽略的模型称为随流扩散模型。 按反应动力学的性质可分为纯转移模型、纯反应模型、转移反应模型、生态模型。当系统内为不随时间而衰减的保守物质时，物质只随水流作机械运动，这种模型称为纯转移模型。当系统内为非保守物质时，水体基本静止，物质只有生物化学反应的模型为纯反应模型。当系统内为非保守物质，水体又处于运动状态，物质既有转移又有生化反应的模型称为转移及反应模

35、型。含有生物生长的模型称为生态模型,4）零维水质模型 如果把一块水体，如一个河段、一个湖泊、一座水库或一个局部水域，看作是一个完全均匀混合的反应器，那么只需写质量守恒方程式即可。如果考虑是一种准动态模型，即流入和流出水体的流量均为，而且它不随时间而变，是流入水体的污染物浓度，那么有,1-11,式中V是水体体积，c是反应器（水体）内的当时浓度。s是除集中流入和流出水体过程外的水体内污染物的其它来源和漏失量的总和，量纲为MT-1。r是反应器内过程的反应速率，量纲为ML-3T-1,5）一维水质模型 在此考虑非保守物质的随流扩散分散模型，对非保守物质在沿程中有生物化学作用引起的增加（即源项）用 表示，

36、衰减（即汇项）用 表示。 动态模型为： (1-12) 式中A为断面面积，c为非保守物质浓度，Q为流量，Ex和K分别为纵向紊动扩散系数和纵向分散系数,6）二维水质模型 描述铅直方向（水深方向）均匀混合的水质方程： (1-13) 描述横向均匀混合、铅直分层的水质方程： (1-14) 上两式h中是沿z轴（铅直坐标）方向的水深，w是相应的流速。b是沿y轴（横向坐标）方向的水体宽度，v是相应的流速。Ey和Ex分别是横向和铅直方向的紊动扩散系数,7）三维水质模型 这里写出的三维模型是转移及反应的动态模型，转移的含义中包括随流、扩散和分散的总和过程。 (1-15) 以上提出的水质模型都是确定性模型，给出定解

37、条件就有确定解答,10.水质模型应用实例 （一） （1）模型计算范围及单元划分 利用该模型对长江三峡库区干流及主要支流进行计算。计算范围是，将整个三峡库区干流从上游入口控制断面江津至三峡坝址，主要支流为嘉陵江、乌江、小江、大宁河、香溪河等五条支流出口段作为模型计算域。并根据模型计算要求和河道水文特性，将计算域范围划分为56个计算河段和315个计算单元，每个计算单元长度为3km。 （2）计算方案与计算条件 进行三峡库区干支流丰水期、枯水期两个不同水期的水质模拟，由此确定非点源的入江负荷。设计流量分别按90%保证率的设计枯水流量和年平均流量计算丰、枯水期水质浓度和入江负荷变化情况。典型年的设计流量

38、是根据长江干流上游寸滩水文站的长系列流量资料（1956-1990年），进行枯水期的设计枯水流量和多年平均流量的频率计算。 模型计算因子确定为、总氮、总磷。 按90%保证率的设计枯水流量和年平均流量，确定相应的典型年，作为计算河段流量的控制值。 （3）其他有关参数及条件 各污染物降解系数由模型调试与实测资料比较，并参照有关资料确定。 河流纵向离散系数用Fischer公式（水力因素法）计算求出。 各江段的背景浓度，以多年（1981-1998年）各站丰、平、枯三期断面平均浓度实测资料的统计平均值为依据，取较趋于稳定的、偏小值作为背景浓度的输入值,污染源负荷量的输入。 以长江水资源保护科研所1992年

39、沿江污染负荷调查资料及三峡库区1998年污染源调查资料为主，并参考相应资料，确定计算输入值。 将沿江污染负荷概化为44个污染源作为计算输入值。根据计算输入条件，进行长江三峡库区支流丰、枯方案的组合计算，供计算两组数据。计算结果比较见表1-11,表1-11 一维模型计算结果统计表 单位 t,废水排放量,废水排放量,由表1-11计算结果可知，长江干支流丰、枯水期的入江污染负荷是不相同的，丰水期的氮磷负荷是枯水期负荷的24倍，也说明丰水期的负荷除点源产生外，还有一部分是由非点源产生的。 另外，以总磷、总氮指标为例，利用三峡库区江段的水文、水质资料，将库区考虑为一整体，按入库、出库的通量对氮磷物质进行

40、估算。其库区氮磷负荷的入库量和库区贡献量的统计计算结果见表1-12，库区贡献量中的点源和面源的量值见表1-13,表1-12 三峡库区年输入量及贡献量统计表 单位：t,表1-13 三峡库区点源和面源贡献量统计表 单位：t,1.1.4局部气候变化 水库蓄水将会影响气候的变化，它主要表现为改变气温、湿度和降雨量。由于大型水库形成广阔的水域，蒸发量将比建水库前明显增大，这样，进入大气的水汽增多，太阳辐射热得到调节，使气温变化过程比较均衡，最高气温降低，最低气温升高，空气湿度加大，而库区的降雨量有所减少，雾日略有增加，形成一种带有海洋性气候的特征。根据我国一些大型水库的观测资料表明，大型水库对局部地区气

41、候影响较为明显，例如丹江口水库建库前后相比，库区10km范围内降雨量减少了12%；新安江水库中心地区年降水量减少150mm，库区平均大约减少100mm左右。 一般气候状况是受大气环流所控制，但修建大中型水库及灌溉系统等工程后会对局部小气候产生一定影响，主要表现在以下方面,1降雨量 从大、中型水库统计有以下规律： （1） 库区范围总降雨量略有增加。修建水库形成广大面积水域，在阳光辐射下水面蒸发量加大所致。 （2） 降雨地区分布改变。因水库低温效应的影响可使降雨地区分布发生改变。 般库区蒸发量加大，空气变得湿润，但观测表明库区中及邻近地区降雨有所减少。随季节和气流方向，降雨集中在离库区一定距离的外

42、围区地势高的迎风面降雨有增加的趋势。背风面则减少。例如丹江口水库周围50 km范围内31个雨量站资料统计，建库后10 km范围内降雨减少约12，库南面1030 km范围内增加3，库北面1050 km范围内减少11,3） 降雨时间分布改变。夏季水面温度低于气温，气层稳定，大气对流作用减弱，降雨量减少。冬季水面较暖，气层不稳定，大气对流作用加强，降雨量增加。我国南方大型水库具有以上明显特点。 2气温 水库建成后，库区的下垫面由陆地变为水面，与空气间的能量交换方式和强度均发生改变，导致气温变化。 （1）年平均气温略有升高。建坝后陆地变为大面积水体后热量的收支变化可由辐射方程看出： R=Q(1-)-F

43、 （1-50） 式中 ： R-陆面（或水面）净辐射； Q-陆面（或水面）实际总辐射； -陆面（或水面）反射率； F-陆面（或水面）有效辐射。 实测资料统计路面反射率平均为0.2远大于水面值0.07，因而水面净辐射明显比路面增加。建库后水位升高、水面加大，水面的可蔽视角减小，总辐射Q值也相应增加。水面与陆面温度的差异亦会影响有效辐射的大小。这些均使水面净辐射值增大，即辐射能增加。有利于水温升高，致使年平均水温略显高于附近陆地气温，相应极端最低气温、最冷月平均气温都有升高,2）秋冬季节水面气温比陆面气温高。自8月份以后，气温开始下降，因水库的水体热容远大于土壤，储存了辐射热能，所以水温下降速度远较

44、气温缓慢，形成水温明显高于气温。水面与大气间热交换与陆地不同，从热量平衡方程看出： R=LE+P+A （1-51） 式中：LE-蒸发潜热； P-气流热通量； A-活动面与下层间的热量交换。 水体吸收的净辐射热最大部分消耗于蒸发，即以潜热的形式输向大气，另小部分以显热形式输送给大气，使空气增温。而陆面蒸发耗热较小，因而水面气温高于路面气温。 （3）春季升温过程缓慢。4月份以后水温开始回升，但因水体热容量远大于土壤，升温过程将吸收大量热量，因之过程缓慢，直到7月均是水库的吸热期。此时水面气温略低于陆面气温或两者相当。 （4）夏季气温变化复杂。夏季水面获得太阳净辐射能最多，升温快，变化幅度大。夏初因

45、冷却效应，库区温度低于库外温度，但后期水温升高快，对空气起着加热作用，导致库区气温高于库外气温,表1-14为新安江水库修建后气温变化，最低值升高，最高值降低，年平均气温增加无霜期延长，有利于动植物生长和新生态系统的形成和稳定,表1-14 新安江淳安站气温变化统计表,3风 水库蓄水后改变了下垫面的形状与性质，即下垫面糙率减小，风区长度加大、谷底可蔽视角减小、河谷槽宽深比增大等。这些因素均影响近地面大气层中风速的变化。这些因素还与风向和所处位置不同而有不同的效果,一般水库蓄水面加大、糙率减小、使风速加大。例如在下风岸区(气流越过水域到达的一岸)因风区长度增加而比建库前风速增大。但在同一地点还会因风

46、向的不同，风区长度改变而使风速变化有差异。当风向垂直于河谷时，风速变化均小于斜交情况，即使在风岸也是如此。 4雾 形成雾的基本条件是近地面空气中水汽充沛(达到饱和)、气温降至露点以下及有凝结核。水库建成后蒸发量加大、相对湿度增高，在昼夜温差的影响下，有利于生成雾。但如果风速增大、气温又达不到露点温度，即使水汽丰富也不易成雾。因此，具体的地点、时间是否成雾，还受大气状况、气温、云量、风速等因素影响,1.1.5地质状况变化 水电工程特别是大型水电工程对地质环境会产生非常严重的影响，并且可能引发地质灾害，继而引发生态、社会等方面的一系列问题。因此，地质环境是水电开发极其重要的制约因素。 水电工程建成

47、后诱发和加剧的地质灾害，主要包括以下几类,1.水库诱发地震 水库诱发地震主要是因为巨大体积蓄水增加的水压，以及在这种水压下岩石裂隙和断裂面产生润滑，使岩层和地壳内原有的地应力平衡状态改变。值得注意的是，水库蓄水可以在天然地震较少和较弱的地区，诱发较强烈的地震。 目前世界公认的震例有45处，有不少是无震区或弱震区，在水库蓄水后发生了破坏性地震，见表1-15,表1-15 世界水库地震（5级以上）简介,我国已经统计的有几十个水库诱发地震的震例。最严重的当属广东东江的新丰江水库。1959年，新丰江水库在蓄水一个月后，就开始发现该区有地震活动，在1960年5至7月，当地连续发生3.1级和4.3级地震。1

48、962年3月19日，发生6.1级强震，突破当地历史纪录。震中距大坝仅1.1 km，大坝出现82m长的横贯裂缝并渗水，电站受损停运。并致6人死亡，80人受伤，1800间房屋倒塌。这是世界上4次6级以上的水库地震之一。此后，一个月之内便发生了3.0级以上地震58次，后又花费高昂代价提高抗震烈度对大坝进行第二次加固。1962年6.1级强震之后二十余年，在水库水位变化不大的条件下仍有中强度地震发生,丹江口水库自1970年1月蓄水后至1985年12月，共记录到库区内诱发地震800余次，震源深度在49km之间，其中Ms2.5级31次。1973年宋湾Ms4.7级诱发地震的震中烈度达度，损坏房屋1900余间，

49、地面裂缝，库区内产生滑坡；1977年凉水河Ms3.8级地震致使电厂跳闸，副坝开裂。 湖北清江隔河岩水库库区在蓄水前地震很少且分布分散，1993年4月蓄水后，到1995年10月,发生地震815次，其中ML2级的地震49次，至今还有地震活动,黄河龙羊峡库区蓄水前地震活动较弱，蓄水后随着库水位的升高，库区地震活动明显增强。在围堰拦洪期间，大坝周围就发生近70余次小震。1986年11月水库完成蓄水，坝前水深达到148.5m，淹没面积380km2。三年半后的1990年4月26日，在距库尾40处发生7级地震，极震区房屋全部倒塌，死伤2000余人，经济损失上亿元。其后至1994年10月又多次发生5级左右的地

50、震。 1992年4月，四川大渡河上的铜街子水库蓄水后发生了3.5级主震及一系列小震。蓄水后三年内，在库区被淹没的利店断层上接连发生了三次大于5.0级的地震。 2003年6月11日，世人瞩目的三峡水库在蓄水到135m后，也出现了微震。事实上，愈是高坝、大库，愈易诱发地震，三峡大坝诱发地震是预期中的事。未来值得关注的是，三峡水库诱发的地震会有多大及它对三峡工程会产生何种的影响,我国归纳可能诱发水库地震的以下七条定性标志： 坝高大于100m，库容大于10亿； 库坝区有新构造，活断裂呈张性，扭性和张扭，压扭性； 库坝区为中、新生代断陷盆地或其它边缘，近代升降活动明显； 深部存在重力梯度异常； 岩体深部

51、张裂隙发育，透水性强； 库坝区有温泉； 库坝区历史上曾有地震发生。 上述七条，符合数越齐备，越典型，则该水库蓄水后诱发地震的可能性就越大。按工程地质条件分类，水库诱发地震具有不同的成因类型，主要有岩溶塌陷型和断层破裂型。其他类型的诱发地震震级很小，不会对大坝和周围环境造成危害，因此一般不作过多的研究,水库地震活动还与蓄水过程有着明显的相关性。震强和频率随库水位上升（库容和水面增大）而加大，直到主震发生。震后相关性小时，水位再高也不会出现更大地震，而趋于衰减。地震活动常常滞后于水库蓄水，见表1-16,由于高坝水库诱发地震危害极大。我国水利部和能源部联合颁布的水工建筑抗震设计规范要求：在兴建高水位

52、大水库时，如库区地质构造复杂，并有近期活动断裂分布，应研究产生诱发地震可能性。对产生诱发地震可能性大的水库，应尽量在蓄水前由有关部门设地震台进行监视。而坝高100m以上、库容5亿m3以上，且可能诱发5级以上地震的水库，应当建设专用地震监测台网，若发现微震应严格控制水位升高速度，减小负荷，消除诱因,2. 库岸浪蚀、库水浸泡及库水位频繁变动导致的地质灾害体失稳与复活 水库蓄水后对库岸已存在的不稳定地质体和原有的滑坡-崩塌体，会产生浸润和托浮作用，再加上大型电站在运行中，会在库岸形成高达数十米以上的水位涨落带，频繁改变水文条件，会诱发和加剧地质灾害的发生,1961年3月，湖南资水柘溪水库在蓄水过程中

53、，诱发了离大坝1.55km处水库右岸的唐岩光滑坡，滑坡总方量达1.65106m3，大型滑坡体滑入水中，激起20m高的涌浪，摧毁坝顶的临时挡水设施，并漫过正在施工的坝顶，造成重大损失，死亡66人,湖北境内长江支流清江的隔河岩水库茅坪滑坡，是水库蓄水导致岸坡失稳的一个代表事例。隔河岩和水布垭是清江上两座已建和在建的大型水电站，坝高分别为151m和233m。1993年4月10日，隔河岩水库开始蓄水，在水库水位由132m抬升至200m的过程中，下距隔河岩水库大坝66km、上距在建的水布垭大坝25km的茅坪滑坡体开始出现变形，而该滑坡在隔河岩水库蓄水前未见任何变形迹象。据观测，该滑坡已开始整体下滑，方量

54、约2.40千万m3，而且近期有较大发展，极有可能在近几年内全面失稳。一旦滑坡体入库堵江，将会因滑坡体的堵塞使水布垭工程中途夭折，还会因滑坡体的溃决，给下游造成严重损失,云南澜沧江漫湾电站自1993年以来，因水库蓄放水，已引起库区周边100多处崩塌或滑塌。1995年3月，漫湾电站库区清库排障放水，短期内库水位迅速由991m降至940m，变幅达51m，导致库区四周滑塌或坍岸，其中仅景东县在一周内即坍岸51处。在五里村诱发大型滑坡，至今整个山体仍在下滑。据统计，漫湾电站建成以来，因库区地质灾害造成的二次移民达2958人，已基本相当于原库区淹没的移民数3042人。据国土资源部对三峡库区的调查，目前已查

55、出库区两岸规模较大的崩滑体2100余处，根据地质灾害稳定状态估计，水库蓄水到175m后，将可能引发灾害的不稳定和潜在不稳定的崩滑体至少会有1130余处,3.大坝以上的泥沙淤积，使河床抬高，引发、加剧洪灾 我国最典型的例子莫过于三门峡工程。三门峡水库1960年开始蓄水，但仅到1964年，因泥沙严重淤积，水库库容已损失了43，并且由于黄河倒灌，造成淤积向渭河平原上游不断扩展，不仅淹没了超过86万亩的良田，还严重威胁西安的安全。渭河河床抬高达4至6m，使得洪水肆虐、小水大灾。虽然以降低蓄水高度，放弃防洪、发电、灌溉等功能为代价，对工程进行了大规模改建，使潼关以下的库区勉强达到冲淤平衡，但潼关以上的库

56、区仍在淤高，仍在加大上游洪涝灾害的威胁,清华大学教授黄万里对三峡工程也表示了同样的担忧。他认为：因受长江上游流域地质结构的影响，长江河床堆积的主要是卵石，而且随流水向下游缓慢地推移。三峡大坝修建后，部分泥沙仍可排出，但由于水库长达600多，随着流速大减，卵石只能在库尾不断堆积，无法排出，从而导致水库末端以上的河床不断淤高。由于卵石粗糙，阻力系数大，形成的平衡比降要比泥砂质河床陡得多，换言之，也就是在库尾导致河床抬高的河段要长得多，这将极大威胁长江上游农田和城镇的安全。 黄万里还以1983年安康水灾为例证：安康下游200处的丹江口水库在1969年建成后，安康以下河床内的卵石即已逐渐淤高，安康下游

57、石梯一带为峡谷，河床既高，峡谷又窄，洪水一来，水位自然抬高。安康1983年7月27日至成灾日7月31日的降雨量并非很大，五日累积降雨为166.6mm，但汉江水位涨势极猛，加上安康上游的石泉水库已蓄到高水位，不得不开闸放水，结果导致安康水位在十多小时内快速上涨达19.4m，7月31日洪水破城，很快淹没全城，爬上四楼的人也被淹毙，死亡超过千人,4. 坝下侵蚀作用加强，造成河床加深，下游的地下水位下降，河岸受侵蚀 由于大量泥砂被拦截在水库内，大坝排出的主要是清水，原本携带大量泥砂，并主要进行淤地造陆的河水，变成了“饥饿的水”，从而对大坝以下的河段产生强烈侵蚀，使河床加深，并威胁到河堤以及两岸的建筑物

58、,世界上比较典型的例子如胡佛水坝，蓄水后9年内，饥饿的水流在大坝下145的河谷冲走了1.1亿m3的河床物质，降低河床达4m多，使无数个取水口荒废，并破坏了路基和防洪堤的结构。 泥沙数学模型计算表明，三峡水库运用后，葛洲坝以下的河床下切范围可远至黄石和武穴一带（距葛洲坝约759829 km）；下切幅度最大的河段是下荆江藕池口至城陵矶（距葛洲坝约 225400 km），冲深5.17.0m；三峡工程运用到50年时，城陵矶至螺山河段冲刷达到最大值，下切平均深度约为5m ，三峡工程运用到100年时，宜昌以下各河段仍不能回淤到天然状态，这无疑会给长江下游的河岸与河堤造成严重影响，给长江中下游防洪安全带来极

59、大隐患,长江同样如此，上海浦东400年前海岸线在今钦公塘的位置，距今天的海岸线约4k，平均每年涨地10m；公元1100年北宋时期，海岸线在老宝山高桥横沔新场，平均每年涨地70m；四、五世纪南北朝时代，海岸线在今上海小沙渡、曹家渡一带，川沙县全在海外，其时每年涨地30m；苏北造陆更快，70年来已新增启东、如东、大丰、射阳四县，江苏东部合计每年造地至少十万亩。但在三峡大坝拦沙后，这些财富将不会如前增长，甚至会受海流冲击，海岸线有可能退缩,6.库区地质环境容量的限制使新建城镇面临很大的地质灾害风险 许多大坝库区尤其是西部的大坝库区，由于山高坡陡，不仅地质环境脆弱，而且建设用地和农业用地本来就很紧张，

60、淹没后的迁移区用地更是严重不足，地质环境容量面临巨大压力，使移民安置与城镇迁建不得不向灾害堆积体甚至陡坡要地，因此面临很大的地质灾害风险。三峡库区的多个新建城镇都曾因地质灾害问题造成选址困难，甚至二次迁建。而随着三峡库区的蓄水位逐步提高，如果库区的地质灾害体活动加剧，那么这些新建安置区的地质环境安全将面临更加严峻的考验,7.水库渗漏引发问题 水库蓄水后，坝基承受水头可产生渗漏。当库区边缘山脊很单薄、裂隙发育或有断裂带、溶洞、溶槽等，不仅漏水量会影响水库运用，还会影响周围地区的地质、水文地质条件。若是污水库、尾矿库，渗漏还将污染周围地区,8.在地质灾害高危区，大型水电工程会对灾害起到放大作用，并