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第三節(jié)地表水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查與評(píng)價(jià)

一、環(huán)境水文與水動(dòng)力特征

1.自然界的水循環(huán)、徑流形成與水體污染

(1)自然界的水循環(huán)。

地球上的水蒸發(fā)為水汽后，經(jīng)上升、輸送、冷卻、凝結(jié)，在適當(dāng)條件下降落到地面，這種不斷的反復(fù)過(guò)程稱為水循環(huán)。如果循環(huán)是在海洋與陸地之間進(jìn)行的，稱 為大循環(huán);如果循環(huán)是在海洋或陸地內(nèi)部進(jìn)行的，稱為小循環(huán)(圖3-14)。人類活 動(dòng)可以影響小循環(huán)，例如大量砍伐森林能減少枯季徑流，而且常常是造成沙漠化的主要原因。

由陸地吹向海洋的水氣

(2)徑流形成及河川徑流的表示方法。

降落的雨、雪、雹等通稱為降水。一次較大的降雨經(jīng)過(guò)植物的枝葉截留、填充 地面洼地、下滲和蒸發(fā)等損失以后，余下的水經(jīng)坡面漫流(呈片狀流動(dòng))進(jìn)入河網(wǎng)， 再匯入江河，最后流入海洋，這部分水流稱為地面徑流。從地表下滲的水在地下流動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后有一部分逐漸滲入河道，這部分水流稱為地下徑流。河川徑 流包括地面徑流與地下徑流兩部分。

在徑流形成過(guò)程中，常常將從降雨到徑流形成叫產(chǎn)流階段，把坡面漫流及河網(wǎng) 匯流稱為匯流階段。

河流某斷面以上區(qū)域內(nèi)，由降水所產(chǎn)生的地面與地下徑流均通過(guò)該斷面流出 時(shí)，這塊區(qū)域稱作流域面積或集水面積。顯然，流域的周界就是分水線，一般可從地形圖上勾繪出來(lái)。

在研究河川徑流的規(guī)律時(shí)，常用以下的徑流表示方法和度量單位。

流量指單位時(shí)間通過(guò)河流某一斷面的水量，單位為m3/s。

徑流總量%指在r時(shí)段內(nèi)通過(guò)河流某一斷面的總水量，艮P:

W=QT (3-1)

常用單位為m3、104m3 (萬(wàn)m3)、108m3 (億m3)等。

徑流深h指將徑流總量平鋪在全流域面積上的水層厚度，單位為mm。

若r以秒計(jì)，T時(shí)段內(nèi)的平均流量0以m3/s計(jì)，流域面積F以km2計(jì)，則徑 流深r的計(jì)算公式為：

Y = H (3-2)

1000F

徑流模數(shù)M:指流域出口斷面流量與流域面積的比值。常用單位為L(zhǎng)/(s.km2), 計(jì)算公式為：

M = (3-3)

F

徑流系數(shù)指某一時(shí)段內(nèi)徑流深與相應(yīng)降雨深P的比值。計(jì)算公式為.•

a = — (3-4)

P

(3)水文現(xiàn)象的變化特點(diǎn)。

水文現(xiàn)象是許多因素綜合作用的結(jié)果，它在時(shí)間和空間上都有很大變化。對(duì)于 河川徑流主要有以下的變化。

①年際變化。一般大江大河多水年比少水年的水量多1?2倍甚至更多，而小河流則多達(dá)4?5倍甚至10倍以上。

②年內(nèi)變化。一般豐水季比枯水季或多水月比少水月多幾倍至幾十倍，而最大日流量比最小日流量大幾百倍甚至幾千倍。

③地區(qū)變化。我國(guó)北方地區(qū)雨季短，年降水量少;南方地區(qū)雨季長(zhǎng)，年降水 量多。一般北方地區(qū)河川徑流在時(shí)間上的變化比南方劇烈。

對(duì)于湖泊來(lái)說(shuō)，由于它與河流關(guān)系密切，所以湖泊水量的變化基本上受河流水量變化的制約。

關(guān)于感潮河段的水文現(xiàn)象，一方面受上游來(lái)水量的影響，另一方面還受潮汐現(xiàn) 象的制約，因此它在時(shí)間上的變化規(guī)律與天然河川徑流有較大的差異。

地球上的水文現(xiàn)象雖然變化多端，但它們均服從確定的或隨機(jī)的兩種基本規(guī) 律。確定規(guī)律主要反映的是物理成因關(guān)系，例如地球的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致河川徑流在一年內(nèi)呈有規(guī)律的季節(jié)性交替變化;又如在一個(gè)流域上降了一場(chǎng)大暴雨，必然要產(chǎn)生一場(chǎng) 大洪水等。有些水文現(xiàn)象主要受隨機(jī)因素的支配，而現(xiàn)象的產(chǎn)生是隨機(jī)的，例如一 個(gè)河流斷面上年最大洪峰流量出現(xiàn)的時(shí)間和數(shù)量等，它們服從的是統(tǒng)計(jì)規(guī)律。實(shí)際上絕大多數(shù)水文現(xiàn)象兩種規(guī)律同時(shí)存在，只是程度上不同。

針對(duì)水文現(xiàn)象所存在的基本規(guī)律，構(gòu)成了三種主要研究途徑：成因分析、數(shù)理 統(tǒng)計(jì)與地區(qū)綜合。

2.河流的基本環(huán)境水文與水力學(xué)特征

(1)河道水流形態(tài)的基本分類。

由于河道斷面形態(tài)、底坡變化、走向各異，上、下游水邊界條件各異等，河道 中的水流呈現(xiàn)著各種不同的流動(dòng)形態(tài)。按不同的標(biāo)準(zhǔn)，可將河道水流分成不同的類型。例如，洪水季節(jié)或上游有電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態(tài);而當(dāng)上、下游水邊界均勻(或近似為)恒定時(shí)，則呈恒定 流流態(tài)。 #

當(dāng)河道斷面為棱柱形且底坡均勻時(shí)，河道中的恒定流呈均勻流流態(tài)，反之為非 均勻流。不恒定流均屬非均勻流范疇。

當(dāng)河道形態(tài)變化不劇烈時(shí)，河道中沿程的水流要素變化緩慢，則稱為漸變流， 反之稱為急變流。

隨河道底坡的大小變化，大于、等于或小于臨界底坡時(shí)，又有急流、臨界流與 緩流之分，亦即其水流的佛洛德數(shù)仄大于、等于或小于1。

河道為單支時(shí)，水流僅順河道流動(dòng)，而當(dāng)河道有汊口或多支河道相連呈河網(wǎng)狀時(shí)，隨叉口形態(tài)的不同在汊口處的分流也不相同。一般而言，河網(wǎng)地處沿海地區(qū)， 往往受到徑流或潮流頂托的影響，因而流態(tài)更為復(fù)雜。

一般而言，計(jì)算河道水流只需釆用一維恒定或不恒定流方程。但在一些特殊情 況，例如研究的河段為彎道時(shí)，會(huì)有螺旋運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)，在河道的支流入?yún)R處會(huì)有局部回流區(qū);研究近岸或近建筑物的局部流場(chǎng)時(shí)，流態(tài)又往往各異，需根據(jù)需要選擇二 維甚至三維模型求解。

①恒定均勻流。對(duì)于非感潮河道，且在平水或枯水期，河道均勻，流動(dòng)可視為恒定均勻流。這是最簡(jiǎn)單的河流流動(dòng)的形態(tài)，基本方程為：

v = Cyfm (3-5)

Q = vA (3-6)

式中：v----- 斷面平均流速，m/s;

R——水力半徑，即過(guò)水?dāng)嗝婷娣e除以濕周，對(duì)于寬線型河道，常用斷面平 均水深//直接代替幾m;

/——水面坡降或底坡;

c——謝才系數(shù)，常用丄爐/6表示，《為河床糙率;

n

A----- 過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2;

Q---- 流量，m3/s0

按式(3-5)和式(3-6)，在測(cè)得水面坡降(或河床底坡)、水深，確定了河床 糙率值后即可求出過(guò)流斷面的流速及流量。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。河道非恒定流動(dòng)常用一維圣維南方程描述。河道有側(cè)向入流時(shí)， 基本方程為：

dA dQ (、

1 = q (3-7)

dt dx

^- + 2^^- + (gA-^TB)^ = -g Sf+^T^- +q(v -v) (3-8)

ot A ox A dx A ox 2

式中：B——河道水面寬度，m;

蘭——相應(yīng)于某一高程z斷面沿程變化; dx z

z——河底高程，m;

5f——沿程摩阻坡度，通?？杀磉_(dá)為^«2v|v|/?4/3或《20必/0427?4/3); t 時(shí)間;

q——單位河長(zhǎng)側(cè)向入流，入流為正，出流為負(fù);

Vq--- 側(cè)向入流流速沿主流方向上的分量，m/s。

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