第六章人类活动对水环境的影响方案

第六章人类活动对水环境的影响人类活动的水文效应人类活动对水质的影响1第六章人类活动对水环境的影响人类活动的水文效应16.1人类活动的水文效应水文效应由于自然或人为因素，使地理环境发生改变，从而引起水循环要素、过程、水文情势发生变化人类活动的水文效应直接影响：人类活动使水循环要素的量或质、时空分布直接发生变化，如兴建水库、跨流域引水工程、作物灌溉、城市供水或排水等间接影响：人类活动通过改变下垫面状况、局地气候，以间接方式影响水循环各要素。例如植树造林、发展农业、城市化等。26.1人类活动的水文效应水文效应2人类活动的水文效应不同的人类活动，其水文效应的影响规模、变化过程、及变化性质上的可否逆转等均各异。跨流域引水、大型水库等水利工程措施，这类活动时间短、范围小，但可突然改变水循环要素，而且一旦改变，将发生持久变化，长期而不可逆转的存在下去。植树造林、城市化等长期的人类活动，其水文效应是渐变的，且对水文要素的影响也是逐渐加重的。3人类活动的水文效应不同的人类活动，其水文效应的影响规模、变化人类活动的水文效应水利工程水文效应农业水文效应森林水文效应城市水文效应4人类活动的水文效应水利工程水文效应农业水文效应森林水文效应城6.1.1水利工程水文效应采取拦河筑坝建水库、跨流域远距离调水等水利工程措施，以调节和调剂水源不足的季节和地区的用水问题。自然水文状态改变成为人工控制的水文状态，导致水循环和水量平衡发生重大的改变。56.1.1水利工程水文效应采取拦河筑坝建水库、跨流域远距离水库水文效应河川水文情势变化拦蓄地表径流、减少入海流量坝上游库区水位拥高流速逐渐减缓，泥沙淤积，水体由河流变成了人工湖泊，水的流动状态改为波浪，湖流及异重流等下游河流径流完全在人为的控制之中，下游河道中的径流几乎完全失去了洪峰。坝下游清水下泄，常使河床发生冲刷。6水库水文效应河川水文情势变化6水库水文效应地区的热量平衡发生变化，产生明显的小气候效应大水库周围气温变得冬暖夏凉库区水面蒸发量的增加，改变了附近大气的水汽含量水库水面上空降水减少，而水库周围降水量增加7水库水文效应地区的热量平衡发生变化，产生明显的小气候效应7水库水文效应工程地质问题和生态系统的变化抬高了上游地区的地下水位，增加了水库临近地区的地下水补给量，引起土壤次生盐碱化库岸滑坍诱发地震水生生物血吸虫病8水库水文效应工程地质问题和生态系统的变化8埃及阿斯旺大坝的环境灾难大坝概况：埃及政府在苏联的资金和技术援助下，1960年破土动工，1967年阿斯旺大坝工程正式完工，是当时世界上最大的高坝工程，它高112m、长5km，将尼罗河拦腰切断，在高坝上游形成了一个长650km、宽25km的巨大水库——纳赛尔湖。到1970年，坝内安装的12台水电发电机组全部投入运转。9埃及阿斯旺大坝的环境灾难大坝概况：9埃及阿斯旺大坝的环境灾难大坝建成后的好处：大坝将尼罗河泛滥性灌溉改为可调节的人工灌溉，结束了埃及依赖尼罗河自然泛滥进行耕种的历史近100万公顷的荒地开垦成可耕地水坝拥有12组175MW发电机，1967年开始发电，1998年发电量占埃及总发电量的15%，最高峰时发电量占埃及全国的一半，甚至可向邻国输出电力。10埃及阿斯旺大坝的环境灾难大坝建成后的好处：10埃及阿斯旺大坝的环境灾难水库上游淤积的大量泥沙（每年6千万方）在水库入口处形成了三角州，水库兴建后不久，其有效库容明显下降。大坝工程造成了沿河流域可耕地的土质肥力持续下降。为保证农业生产，开始大量使用化肥，每年多花费上亿美元。修建大坝导致土壤盐碱化。由于盐碱化，2/3的新开垦农田丧失，抵消了3/4的灌溉农田产量。11埃及阿斯旺大坝的环境灾难水库上游淤积的大量泥沙（每年6千万方埃及阿斯旺大坝的环境灾难库区及水库下游的尼罗河水水质恶化。引起水质恶化原因：大坝拦截降低了河水流动速度；水库蒸发使污染物浓度增大；大量使用化肥。河水性质的改变使水生植物及藻类到处蔓延，鱼虾大量死亡，渔业减产。尼罗河下游的河床遭受严重侵蚀，尼罗河出海口处海岸线内退，农田被侵蚀。12埃及阿斯旺大坝的环境灾难库区及水库下游的尼罗河水水质恶化。引大型调水工程巴基斯坦1960-1970年在印度河流域兴建的“西水东调”工程，调水量达148亿m3；苏联1962-1972年兴建的额尔齐斯河调水工程，调水量22亿m3；美国1961-1971年在加利福尼亚州兴建的“北水南调”工程，输水道长达900公里，调水52亿m3等。中国的“南水北调”工程。总调水量约448亿m313大型调水工程巴基斯坦1960-1970年在印度河流域兴建的“南水北调三线图——东线、中线与西线扬州东平湖济南烟台、威海天津丹江口水库郑州石家庄北京巴颜喀拉山规划的东线、中线和西线到2050年调水总规模为448亿m3，其中东线148亿m3，中线130亿m3，西线170亿m3。南水北调三线图——东线、中线与西线扬州东平湖济南烟台、威海天跨流域调水水文效应水量输出区水量减少，枯水季节在引水口以下会导致泥沙的沉积，河道特性改变，河水自净能力减低，河口海永入侵加剧等；输水通过区调水后将抬高输水线两侧和蓄水体周围的地下水位，加重土壤盐碱化，并给水质、湖泊水域环境和水生生物带来一定的影响；水量输入区外水大量引入造成的，可能导致地下水位升高，水溶盐的积累，蒸发量增加，土壤次生盐渍化和农田小气候的变化等。15跨流域调水水文效应水量输出区15农业水文效应农业水文效应水利取水工程灌溉：提高潜水位农田排水工程：降低潜水位，增加河川径流量山区的梯田：改变坡面和河流的坡降及糙率，拦蓄和延缓了地表径流，增加地表水的下渗，延缓洪水过程，防止水土流失三角洲平原感潮河网区地势低平的圩堤：缩小了河网的调蓄容积，水流不畅，使内河遭受污染农作物蒸散发16农业水文效应农业水文效应16农业用水对咸海（Aralsea）的影响20世纪60年代初，湖面海拔53米，面积6.45万平方千米，为世界第四大湖。此后，由于阿姆河和锡尔河的河水大量用于农业和工业，加之70年代以来气候持续干旱，导致湖面水位下降、湖面积急剧下降和湖水盐度增高，鱼产量减少，多种鱼类灭绝，湖盆附近地区大量干盐堆积农业用水对咸海（Aralsea）的影响20世纪60年代初，消失过程1961年，面积6.45万平方千米，为世界第四大湖1987年，咸海分成两部分：北咸海和南咸海1998年，已经缩小到2.9万平方米，，成为世界第八大湖，它的含盐量从10g/L上升至45g/L；2003年，南咸海分成了东咸海和西咸海。“咸海”其实已经不复存在2004年，就只剩下1.7万平方千米了，成了由3个小湖组成的湖群。2007年，3个小咸海的面积综合只是咸海极盛时的10%。消失过程1961年，面积6.45万平方千米，为世界第四大湖消失过程19722002哈萨克斯坦乌兹别克斯坦消失过程19722002哈萨克斯坦乌兹别克斯坦咸海引发灾难“白风暴’和盐沙暴频繁湖底盐碱裸露，在风力作用下，大量盐碱撒向周围地区，使咸海周围地区的沙质平湖平原逐渐沙漠化，流沙迅速发展，形成“白风暴”（含盐的风暴）和盐沙暴，每年要发生几十起盐沙暴。农田盐碱化加剧咸海地区每年约有4000万吨至1.5亿吨的咸沙有毒混合物从盐床（湖底、河滩）上刮起，从北向南吹去，吹向中亚草原，吹向农田和城镇，覆盖了阿姆河河谷丰腴的农田，加剧了中亚地区农田的盐碱化，土库曼斯坦共和国百分之八十的耕地出现高度盐碱化。随沙尘和雨落向地面的盐，因区域不同而异，大约每年平均1公顷达450－600公斤咸海引发灾难“白风暴’和盐沙暴频繁拯救咸海前苏联曾想修建巨大的引水渠把西伯利亚河流里的水引到咸海里，结果不了了之。哈萨克斯坦政府采取行动，致力于拯救北咸海。现在北咸海的深度已经从不到30米上升到了38米。南咸海由于乌兹别克政府财政紧缩，至今水位仍在不断下降，水中的含盐量已经达到了每升水100克。拯救咸海前苏联曾想修建巨大的引水渠把西伯利亚河流里的水引到咸6.1.2森林水文效应森林覆盖对径流、蒸发、降水等水循环要素，及河流水情、地下水、水质、泥沙等水文现象的影响森林的拦洪作用森林对流域蒸散发的影响森林对降水的影响森林对地下水的影响226.1.2森林水文效应森林覆盖对径流、蒸发、降水等水循环要森林的拦洪作用森林的拦洪作用林冠、枯枝落叶层的截留增大土壤渗蓄能力：减小雨滴对地表的溅击，避免土壤板结；根系；有机质……林冠截留量与林木组成、林龄、郁闭度、前期降雨、雨强、降雨历时等有关。林冠截留的雨量最终消耗于蒸发。23森林的拦洪作用森林的拦洪作用23森林对流域蒸散发的影响林内土壤直接蒸发量相对较小林中遮蔽、气温低、湿度大、风速小、紊动扩散受限制土壤有枯枝落叶覆盖，土质疏松，非毛管性孔隙多，阻滞了土壤水分向大气散发同一地区林地蒸散发比无林地土壤蒸发量大林木的蒸腾作用冠层的降水截留量最终消耗于蒸发24森林对流域蒸散发的影响林内土壤直接蒸发量相对较小24森林对降水的影响增大降水增加大气湿度森林起伏对水平气流的阻障，引起旋涡减少降水森林抑制地面温度升高，削弱对流冠层截留量减小有效降水量25森林对降水的影响增大降水25森林对地下水的影响增加土壤的入渗能力森林土壤疏松，孔隙多，渗透性强减小有效降水入渗量冠层截留增大对地下水的消耗林木蒸腾26森林对地下水的影响增加土壤的入渗能力26植被覆被改变后的水文效应森林被草原或农田取代植被破坏引起土壤荒漠化、气候变干燥27冠层截留量减小降水入渗能力减小蒸散发量减小地面径流增加，洪峰流量增加植被覆被改变后的水文效应森林被草原或农田取代27冠层截留量减植被破坏雨滴冲击力增强土壤干化裸露表层土壤被风吹起下层土壤贫化增加地表反射率土粒被击碎，填充空隙，减小入渗形成更多地表径流土壤蓄水能力减弱洪水增多可利用水量减小形成干化裂隙土壤以优先流形式入渗流速变快，侵蚀变强增加土壤侵蚀量和形成径流的速度减小了土壤水的持水性，使区域蒸散发减小减小了植被重生的可能减小了空气湿度增加了空气中的尘埃减弱了地表辐射热量减小了空气上下对流降水减少植被破坏雨滴冲击力增强土壤干化裸露表层土壤被风吹起增加地表6.1.3城市水文效应指城市化所及地区内，水文过程的变化及其对城市环境的影响。296.1.3城市水文效应指城市化所及地区内，水文过程的变化及城市热岛效应指城市温度高于郊野温度的现象。城市下垫面导热率高，空气污染物多,能吸收较多的太阳能；大量人为热进入空气；建筑物密集，不利于热量扩散，形成高温中心30城市热岛效应指城市温度高于郊野温度的现象。30城市化对降水的影响城市化引起降水量强度和分布发生变化在都市区及其盛行风的下风方向降水量有增多的趋势在局部地区出现特大暴雨的机率增加对降水总量的影响有争论多数研究者认为城市的动力、热力作用使城区和城市下游地区降水增加少数研究者认为城市大气污染物的微物理过程使城市下游地区的降水效率降低31城市化对降水的影响城市化引起降水量强度和分布发生变化31城市化对蒸发的影响城市化对蒸发的影响比较复杂，目前没有明确的结论对蒸发加大的影响因素城市热岛效应提供更多的热量，加大蒸发能力大面积人工草坪等绿化面积对蒸发减小的影响因素风速减弱地面排水速度加快裸露土壤面积减小32城市化对蒸发的影响城市化对蒸发的影响比较复杂，目前没有明确的城市化对径流的影响变化入渗率降低人工排水管道结果更快的汇流速度洪峰流量增大基流量减小33城市化对径流总量的影响取决于对降水、蒸发的影响及城市的供水、排水方式城市化对径流的影响变化入渗率降低人工排水管道结果更快的汇流速6.1.4水文效应研究的方法水量平衡法分析水量平衡要素受人类活动的影响对比分析法流域水文模型34区域水量平衡方程：P陆+R’地表+R’地下−R地表−R地下−E−T=∆S+Qr人类活动影响−Qd6.1.4水文效应研究的方法水量平衡法34区域水量平衡方程水文效应研究的方法水量平衡法对比分析法对比两个相似流域的水文要素，即控制流域与处理流域进行对比实验对比同一流域在受人为措施影响前和后的水文要素变化流域水文模型35水文效应研究的方法水量平衡法35水文效应研究的方法水量平衡法对比分析法流域水文模型用人类活动影响前，或影响很小的资科率定模型中的参数；然后改变模型中受人类活动影响的参数，研究人类活动的影响改变模型中反映下垫面条件变化较敏感的参数，逐年拟合受人类活动影响后的资料，研究人类活动的影响36水文效应研究的方法水量平衡法366.2人类活动对水体水质的影响水体污染人类直接或间接地把物质和能量引入水体的生产或生活活动，使水体水质变坏，降低了水体的使用价值。引起天然水体水质恶化的物质，称为污染物质。根据污染物的来源和排放方式，分为点源污染：工业污染源和生活污染源产生的工业废水和城市生活污水的排放口面源污染（非点源污染）：坡面径流带来的污染物和农田渗漏376.2人类活动对水体水质的影响水体污染376.2.1污染物的来源大气降水矿物燃料的燃烧和工业生产排放出的有害、有毒气体和粉尘进入大气，随降水进入地面水体中，造成水体水质恶化。大气中二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物等酸性污染物质溶于水中，生成酸雨386.2.1污染物的来源大气降水38污染物的来源农田排水大量的农药、化肥除被农作物吸收、挥发、分解之外，大部分残留在农田的土壤和水中，随农田排水和地表径流进入水体，造成危害。农田排水实际上是非点源（面源）污染。天然水体中的有机物、植物营养物（如氮、磷等）、农药等，主要来源于农田排水。39污染物的来源农田排水39污染物的来源城市生活污水生活污水一般呈弱碱性，pH约为7.2—7.8。工业废水耗氧和有毒污染（重金属污染）工业废渣和城市垃圾淋溶水各种有毒有害物质随径流而进入地面水体，随地表水入渗进入地下水40污染物的来源城市生活污水40污染物分类41污染物分类41补充：水体中有机污染程度的描述总有机碳（TOC）TotalOrganicCarbon水中的有机物质的含量，以有机物中的主要元素一碳的量来表示总需氧量（TOD）TotalOxygenDemand在燃烧器中，以铂为催化剂，于900℃下将有机物燃烧氧化所消耗氧的量。TOD越大，说明水中有机质含量越高，即污染越严重水的溶解氧（DO）DissolvedOxygen水体中的溶解氧含量的多少，反映出水体遭受到污染的程度42补充：水体中有机污染程度的描述总有机碳（TOC）Total水体中有机污染程度的描述生化需氧量（BOD）BiochemicalOxygenDemand在有氧的条件下，由于微生物的作用，水中能分解的有机物质完全氧化分解时所消耗氧的量BOD5在20℃下，微生物培养5天分解有机物消耗的需氧量化学需氧量（COD）ChemicalOxygenDemand一定的条件下，采用一定的强氧化剂（高锰酸钾、重铬酸钾等）处理水样时，所消耗的氧化剂量。43水体中有机污染程度的描述生化需氧量（BOD）436.2.2水体水质恶化特点海洋污染源多而复杂污染物持续性强，危害性大污染范围大河流随流量的大小而变化水质恶化影响范围广河流水质恶化影响大河流自净能力强446.2.2水体水质恶化特点海洋44水体水质恶化特点湖泊（水库）污染来源广、途径多、种类复杂湖水稀释和搬运污染物质的能力弱对污染物质的生物降解、累积和转化能力强地下水水质恶化过程缓慢多间接污染污染物浓度高治污困难45水体水质恶化特点湖泊（水库）456.2.3水体自净能力废水或污染物进入水体后，主要产生两个相关联的过程：一是水质恶化过程；二是水体净化过程。水体自净广义的定义指受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低，并恢复到污染前的水平狭义的定义指水体中的微生物氧化分解有机物而使得水体得以净化的过程466.2.3水体自净能力废水或污染物进入水体后，主要产生两个47污染物，在连续的自净过程中，浓度逐渐下降；大多数有毒污染物经各种物理、化学和生物作用，转变为低毒或无毒化合物重金属，从溶解状态被吸附或转变为不溶性化合物，沉淀后进入底泥复杂的有机物，如碳水化合物，脂肪和蛋白质等，先降解为较简单的有机物，再进一步分解为二氧化碳和水不稳定的污染物在自净过程中转变为稳定的化合物。如氨转变为亚硝酸盐，再氧化为硝酸盐在自净过程的初期，水中溶解氧数量急剧下降，到达最低点后又缓慢上升，逐渐恢复到正常水平47污染物，在连续的自净过程中，浓度逐渐下降；水体自净机制物理作用可沉性固体逐渐下沉，悬浮物、胶体和溶解性污染物稀释混合，浓度逐渐降低。化学作用氧化、还原、酸碱反应、分解、化合、吸附和凝聚等作用而使污染物质的存在形态发生变化和浓度降低。生物作用各种生物的活动特别是微生物对水中有机物的氧化分解作用使污染物降解。48水体自净机制物理作用48稀释与混合49稀释与混合49沉淀沉淀过程是污染物颗粒在重力作用下的沉降过程发生沉淀后，污染物进入底泥，水体中污染物减少，水质得到改善。沉入底泥中的污染物有可能因水流流速加快而再次被冲起，形成二次污染底泥中的污染物可能进入食物链，造成污染物浓度在食物链中传递和放大。50沉淀沉淀过程是污染物颗粒在重力作用下的沉降过程50吸附与凝聚水中的污染物被固体吸附，并随固体一起迁移或沉淀物理吸附：与胶体的比表面积和表面能有关交换吸附：由于带有电荷，对水中异电荷离子产生静电引力而形成吸附化学吸附：吸附质与微粒表面之间发生化学反应形成吸附51吸附与凝聚水中的污染物被固体吸附，并随固体一起迁移或沉淀51化学净化作用分解与化合；氧化与还原；酸碱反应铁、锰在氧化环境中形成难溶化合物，不易迁移；钒、铜在还原环境中形成难溶化合物，不易迁移。三价铬Cr3+存在于还原环境，六价铬Cr6+（剧毒）存在于氧化环境。汞（有毒）在还原条件下不易形成甲基汞（剧毒）52化学净化作用分解与化合；氧化与还原；酸碱反应52生物净化过程最具有代表性的是有机物的生物化学分解，即常说的生化需氧量（BOD）变化。53生物净化过程最具有代表性的是有机物的生物化学分解，即常说的6.2.4水环境容量水环境容量是一定水体在规定水质目标下所能容纳污染物的量水环境容量大小与水体特征、污染物特性及水质目标有关针对不同的污染物有不同的水环境容量水环境容量是污染物总量