6第五章1生态学水环境.ppt

第五章 水环境,1、特性之一：水是无色透明的,水是无色透明的。对于水生植物的光合作用及水中的各种生物具有重要意义。,漂浮生物浮游生物自游生物底栖生物,第一节 概述,一、水的特性,2、特性之二：水的溶解和分散作用,在约30mL水中，分别加入半药匙下列物质，用玻璃棒搅拌，比较它们的溶解性,均匀,均匀,不均匀,均匀,均匀,不均匀,是,是,否,是,是,否,各物质被分散在水中，都没有发生质的变化。因此，水能使大部分物质在水中形成一种分散体系。,3、特性之三：水的比热容大,水的特性和水分子之间形成由许多水分子缔合在一起的集合体有关。,4、特性之四：反常膨胀 4时密度最大，冰的密度比水小。,南极洲气候酷寒，内陆高原年均气温在零下56，然而水底的鱼却可愉快地生存,由于冰的密度小于水，厚厚的冰块浮在水面，很好地阻止了水与空气的热量交换，保证了水底温度在4左右。,二、水的分布,海洋水,海洋的总水量为13.38亿km3，占地球总水量的96.5，折合成水深可达3700 m，如果平铺在地球表面，平均水深可达2640 m。,河流和湖泊水,地球上河水和湖水的数量很少，只有101700 km3，但它们直接供应人类生活、生产需要，与人类关系十分密切，是水资源中最重要的组成部分。,大气水,大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发、土壤蒸发及植物散发，并借助空气的垂直交换向上输送。一般说来，空气中的水汽含量随高度的增大而减少。大气水在7 km以内总量约有12900 m3，折合成水深约为25 mm，仅占地球总水量的 0.001。大气水虽然数量不多，但活动能力却很强，是云、雨、雪、雹、霰、雷、闪电的根源。,地下水,地表之下储存于地壳约10 km范围含水层中的重力水，称为地下水。由于全球各地的地质构造、岩石条件等变化复杂，很难对地下水储量作出精确估算。苏联学者1974年所发表的研究成果，认为从地面至深达 2 km的地壳内，地下水总储量为2340万 km3。,土壤水,土壤水是指储存于地表最上部约2 m厚土层内的水。据调查土层的平均湿度为10，相当于含水深度为0.2 m，如果以陆地上土层覆盖总面积8200万 km2计算，那么土壤水的储量为16500 km3。,生物水,地球表面生物体内的贮水量约为1120 km3。,三、水的循环,（一）水循环基本过程 水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗及径流等环节，不断地发生相态转化和周而复始运动的过程。,在海洋与陆地之间，陆地与陆地上空之间，海洋与海洋上空之间时刻都在进行着水循环过程。,水文循环过程示意图,整个水文循环过程包括了蒸发、降水、径流3个阶段和水分蒸发、水汽输送、凝结降水、水分下渗、径流5个环节。,（二）水循环机理,水循环服从质量守恒定律；太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力；水循环广及整个水圈，并深入到大气圈、岩石圈及生物圈；全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统；地球上的水分在交替循环过程中，溶解且携带某些物质运动。,地球的总储水量约13.8亿km3，但平均每年只有57.7万km3的水参与水文循环，按此速度，地球上全部的水量都参与循环一次，或者说全部水量更新一次，大约需要2400年。,地球上各种水体中水的更新时间,四、人与水的关系,1.生活用水生活用水是人类日常生活及其相关活动用水的总称。生活用水分为城市生活用水和农村生活用水。,生活用水的特性,用水量增长较快用水量时程变化较大供水保证率要求高对水质要求高水量浪费严重生活污水水质污染程度小于工业废水,2.生产用水生产用水主要包括农业用水和工业用水两部分。,农业用水：农业、林业、牧业灌溉用水和渔业用水。,工业用水：原料、冷却、洗涤、传送、调温、调湿等用水。,3.生态用水广义的生态用水是指维持全球生物地理生态系统水分平衡所需的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等。狭义的生态用水主要指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需消耗的水资源总量。,第二节 水资源,1、水资源的涵义,广义水资源 世界上一切水体，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、土壤水、地下水及大气中的水分，都是人类宝贵的财富，即水资源。,狭义水资源 仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利用的那一部分动态水体，主要指河流、湖泊、地下水和土壤水等淡水，个别地方还包括微咸水。,土壤水是植物生长必不可少的条件，可以直接被植物吸收，属于水资源范畴。大气降水，不仅是径流形成的最重要因素，而且是淡水资源的最主要补给来源。,一、水资源的基本含义,2、水资源的特性,水资源的循环再生性与其有限性时空分布的不均匀性利用的广泛性和不可代替性利与害的两重性,二、世界水资源,水资源是指全球水量中可为人类生存、发展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。最能反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。年径流量不仅包含降水时产生的地表水，而且还包括地下水的补给。所以，世界各国通常采用多年平均径流量来表示水资源量。,各大洲的水资源,主要国家人均、亩均径流水量（1985）,水资源开发利用形势,水资源在不同地区、不同年份和不同季节的分配极不均衡。工农业不断发展，人口的急剧增加和生活水平的提高，不合理利用水和浪费水的现象则较为严重。许多国家与地区，不断增长的需水量与有限的水资源之间的矛盾日益突出。目前世界上60的地区面临淡水不足的困境，40多个国家的水资源严重匮缺。有的国家大量排放污水造成的水资源污染，不仅更加加剧了水源不足的矛盾，而且使世界生态环境受到破坏，直接威胁着人类自身的健康和生存条件。,三、我国水资源,1、水资源总量,全国多年平均地表水资源量为27115 亿m3，多年平均地下水资源量为8288 亿m3，扣除两者之间的重复计算水量7279 亿m3后，全国多年平均水资源总量为28124 亿m3。,全国区域多年平均年水资源总量,2、水资源时空变化,地区分布很不均匀，总趋势是由东南沿海向西北内陆递减,按照年降水和年径流的多少，全国大致可划分为水资源条件不同的5 个地带：,多雨-丰水带湿润-多水带半湿润-过渡带半干旱-少水带干旱-干涸带,多年变化,丰枯变化规律 根据全国53个有长系列年降水和年径流资料的测站的模比系数差积曲线分析，全国水资源丰枯变化规律大致可归纳为三种类型：,有比较明显的6080 年长周期；有比较明显的3040 年短周期；没有明显的周期性变化规律。,极值比：系列中最大值与最小值的倍比值，可以作为反映降水、径流年际变幅的指标。,季节变化,全国降水量以夏季为最多，冬季很少，春季和秋季介于冬、夏之间。春雨和秋雨各地不同，多气旋过境地方春雨较多，多台风过境的地方秋雨较多。河川年径流量的季节变化取决于河流的补给条件。,按照河流补给情况，全国大致可分为三区：,秦岭以南主要为雨水补给区，河川径流量的季节变化主要受降水季节分配的影响，夏汛比较突出。因流域调节作用，河流少雨季节一般比多雨季节滞后一个月左右。东北地区、华北部分地区、黄河上游和西北一些河流，为雨水和冰雪融水补给区，有春夏两次汛期，年径流过程线呈双峰型。但一般春汛水量不大，多数河流占年径流量的5左右，少数超过10。西北内陆地区的祁连山、天山、阿尔泰山、昆仑山以及青藏高原部分河流，主要由高山冰雪融水补给，径流量的变化与气温有密切关系，年内分配比较均匀。,3、水资源条件和问题,1）水资源总量不少，但人均、亩均水量较少，合理利用和保护水资源应作为我国长期坚持的国策。,2）水资源的地区分布很不均匀，与人口、耕地的分布不相适应，进行水量的地区调配是水资源开发利用的重要课题。,3）水量的年内、年际变化大，水旱灾害频繁，抗旱防洪涝始终是一项艰巨任务我国位于东亚季风区，降水和径流的年内分配很不均匀，年际变化大，少水年和多水年持续出现。,3、水资源条件和问题,5）地下水是我国重要水资源，要合理开发利用，防止过量开采。,6）天然水质相当良好，但人为污染日趋严重，防止水质恶化，保护水源已是当务之急。,4）水土流失和泥沙淤积严重，破坏了生态平衡，增加了江河防洪困难，降低了水利工程效益。,水资源短缺实例,水资源是人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源，随着水资源危机的加剧和水环境质量不断恶化，水资源短缺已演变成世界倍受关注的资源环境问题之一。,曾被誉为“高原水城”的昆明市如今正面临着缺水的尴尬，据有关专家介绍，昆明市人均水资源占有量环滇地区为300 m3左右，人均水资源占有量为全国的1/2、全省的1/4，是全国严重缺水的城市之一。同时，随着城市规模化迅速推进，用水量持续增长，水资源供需矛盾突出，水污染与用水浪费现象并存，水污染和用水的浪费更进一步加剧了水资源的短缺，水资源短缺已成为昆明市经济社会发展的制约因素。此外，昆明水资源还存在浪费现象较为突出、时空分布不均等问题。,严峻的现实不容回避，需要社会各界的广泛关注。为了促进市民转变用水观念，在第十四届“世界水日”到来之际，昆明市水利局向全体昆明市民发出倡议：每一个人，从我做起，从现在做起，不要再把水视为“取之不尽、用之不竭”的资源，一定要转变我们的用水观念，坚决遏制用水浪费现象。,敦煌市位于甘肃省河西走廊最西端的大漠腹地，年平均降水量39.9 mm，蒸发量却高达2486 mm。敦煌区域内地表水主要有发源于祁连山冰川的党河，及发源于祁连山西段托来南山和疏勒南山之间的疏勒河。由于党河上游阿克塞哈萨克族自治县实施“引党济红”工程分水500万m3、月牙泉治理回灌年用水600万m3以及人口和耕地面积的急剧增加，造成党河断流。安西县双塔水库、玉门市昌马水库的建成使用，拦截了河水，又造成疏勒河断流。于是，敦煌市只得每年开采地下水4100万m3用于农业、工业和生活用水，造成地下水位年平均下降0.43 m。敦煌的生态由此发生重大变化：天然林锐减，据敦煌市林业部门统计，新中国成立之初，敦煌东、西、北湖及南山一带有天然林219万亩，其中胡杨林44万亩，是敦煌绿洲的“绿色屏障”。目前天然林仅存130多万亩，胡杨林仅存14.4万亩；而且草场退化严重，湿地萎缩，地下水位持续下降，沙化严重，沙化面积平均每年增加近2万亩,世界旅游胜地敦煌由于生态环境恶化，过度开采地下水，导致党河、疏勒河下游断流，沙化面积平均每年增加近2万亩。“沙进人退”趋势如不得到遏制，敦煌有可能成为人类历史上第二个楼兰古国，世界文化遗产莫高窟和国家级风景名胜区月牙泉也将不复存在。为此，酒泉市、敦煌市正紧急采取措施，以免重蹈楼兰覆辙。,过去，这两条发源于祁连雪山的河流的尾水可以汇入敦煌周边的湿地，但是自从上世纪60年代以来，上游大建水库，发展灌溉面积，流域人口不断增加，导致这两条河流断流。现在，疏勒河在敦煌境内长达300 km的河道全部干涸，党河自党河水库以下河道也断流了，只有泄洪或排沙时才有流水。,河流来水锐减是敦煌生态持续恶化的直接原因。敦煌位于疏勒河及其支流党河下游，两河来水占到敦煌地表水总量的四分之三还多。,中国水资源开发利用,总量较多，但人均很少 开源节流 空间分布不均 南水北调 时间分布不均 防洪抗旱 工农业用水比例不协调 节水灌溉 水污染、水土流失严重 保护水环境与水生态,四、水资源开发和利用,取水工程的作用是将河水引入渠道，以满足农田灌溉、水力发电、工业及生活供水等需要。因取水工程位于渠道的首部，所以也称渠首工程,1、取水工程,无坝取水,无坝取水渠首一般由进水闸、冲沙闸和导流堤三部分组成。为了便于引水和防止泥沙进人渠道，进水闸一般应设在河道的凹岸处。一般说来，设计取水流量不超过河流流量的30%，否则难以保证各用水时期都能引取足够的流量。,都江堰位于四川成都平原西部的岷江上，建于公元前256年，是战国时期秦国蜀郡太守李冰及其子率众修建的一座大型水利工程。全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。2200多年来，至今仍发挥巨大效益。,都江堰水利工程,-飞沙堰溢洪道,-鱼嘴分水堤,-宝瓶口进水口,都江堰三大主体工程,李冰父子邀集了许多有治水经验的农民，对地形和水情作了实地勘察，决心凿穿玉垒山引水。由于当时还未发明火药，李冰便以火烧石，使岩石爆裂，终于在玉垒山凿出了一个宽20m，高40m，长80m的山口。因其形状酷似瓶口，故取名“宝瓶口”，把开凿玉垒山分离的石堆叫“离堆”。,宝瓶口进水口,宝瓶口：控制进水流量，内江水经过宝瓶口流入川西平原灌溉农田。低水位流速m/s，高水位流速m/s,宝瓶口引水工程完成后，虽然起到了分流和灌溉的作用，但因江东地势较高，江水难以流入宝瓶口，李冰父子率众又在离玉垒山不远的岷江上游和江心筑分水堰，用装满卵石的大竹笼放在江心堆成一个狭长的小岛，形如鱼嘴，岷江流经鱼嘴，被分为内外两江。外江取水口宽130m，內江取水口宽150m，利用地形、地势使江水在魚嘴处按比例分流。外江仍循原流，内江经人工造渠，通过宝瓶口流入成都平原。,鱼嘴分水堤,春季水量小時，四成流入外江，六成流入內江以保证春耕用水；春夏洪水季节时，水位抬高漫过魚嘴，六成水流直奔外江，四成流入內江，使灌溉区免受水淹。,为了观测和控制内江水量，李冰又雕刻了三个石桩人像，放于水中，让人们知道“枯水（低水位）不淹足，洪水（高水位）不过肩”。还凿制石马置于江心，以此作为每年最小水量时淘滩的标准。,飞沙堰溢洪道,为了进一步起到分洪和减灾的作用，在分水堰与离堆之间，又修建了一条长200m的溢洪道流入外江。飞沙堰的作用主要是当内江的水量超过宝瓶口流量上限时，多余的水便从飞沙堰自行溢出；如遇特大洪水的非常情况，它还会自行溃堤，让大量江水回归岷江正流。另一作用是“飞沙”，岷江从万山丛中急驰而来，挟着大量泥沙，石块，如果让它们顺内江而下，就会淤塞宝瓶口和灌区。,有坝（低坝）取水,当河流水源虽较丰富，但水位较低时，可在河道上修建塞水建筑物(坝或闸)，抬高水位，自流引水灌溉，形成有坝引水的方式。壅水坝或拦河闸的高程应当依据灌区引人流量时所要求的水位而定。,1一塞水坝;2一进水闸;3一排沙闸;4一沉沙池;5一导水墙;6一干渠;7-堤防,抽水取水,当河流水量比较丰富，但灌区位置较高，修建其他自流引水工程困难或不经济时，可就近采取抽水取水方式。这样，干渠工程量小，但增加了机电设备及年管理费用，引水流量依机电设备能力而定。,水库取水,当河流的流量、水位均不能满足灌溉要求时，就须在河流的适当地点修建水库进行径流调节，解决来水和用水之间的矛盾。采用水库取水，必须修建大坝、溢洪道和进水闸等建筑物，工程较大，且有相应的库区淹没损失，但水库能充分利用河流水资源，这是优于其他取水方式之处。,渠道断面,渠道断面形式取决于水流、地形、地质以及施工等条件。最常采用的是梯形断面。,(a)梯形断面;(b)复式断面;(c)矩形断面;(d)有挡土墙矩形断面;(e)盘山断面;(f)半填半挖断面,工程总投资额：5000亿元工程建设时间：2002年至2020年南水北调总体规划推荐东线、中线和西线三条调水线路。通过三条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的联系，构成以“四横三纵”为主体的总体布局，以利于实现我国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局。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。南水北调这项世界上最大规模的调水工程，经过近50年的争议和论证，其东线、中线一期工程已分别于2002年和2003年正式开工。,2、南水北调工程,南水北调线路示意图,南水北调线路示意图,东线工程从长江下游扬州抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。出东平湖后分两路输水：一路向北，在位山附近经隧洞穿过黄河；另一路向东，通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海。根据最新建设目标，东线一期工程建设目标为2013年通水。,东线工程（一）,东线工程（二）,(一)输水工程 包括输水河道工程、泵站枢纽工程、穿黄河工程。1输水河道 输水河道工程从长江到天津输水主干线全长1150km，其中黄河以南651km，穿黄河段9km，黄河以北490km。分干线总长740km，其中黄河以南665km。输水河道90%利用现有河道。2泵站枢纽 东线的地形以黄河为脊背向南北倾斜，引水口比黄河处地面低40余米。从长江调水到黄河南岸需设13个梯级抽水泵站，总扬程65m，穿过黄河可自流到天津。,东线工程（三）,3穿黄河工程 穿黄河隧洞工程等别为I等，设计输水流量100m3/s，为有压圆形隧洞，开挖洞径8.9-9.5m，洞长585.38m，包括南岸竖井、过河平洞（平洞段在黄河河底下70m深处）、北岸斜井及进、出口滩地埋管。,东线工程（四）,(二)蓄水工程 东线工程沿线黄河以南有洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖等湖泊，略加整修加固，总计调节库容达75.7亿m3，不需新增蓄水工程。黄河以北现有天津市北大港水库可继续使用，天津市团泊洼和河北省的千顷洼需扩建，并新建河北省大浪淀、浪洼，黄河以北五处平原水库总调节库容14.9亿m3。(三)供电工程 黄河以南有泵站30处，新增装机容量88.77万kW，多年平均用电量38.2亿kWh，最大年用电量57.5亿kWh。第一期工程有泵站23处，新增装机34.32万kW，年平均用电量19亿kWh。,东线工程（五）,韩庄运河万年闸泵站工程2004年11月18日开工建设。山东省南水北调韩庄运河段万年闸泵站位于韩庄运河中段，是南水北调东线工程的第八级泵站。该泵站枢纽西距韩庄泵站枢纽16KM，东距台儿庄泵站枢纽14KM，位于韩庄运河北三支沟入口以下万年闸村北、杨官闸村南。,2008年4月29日拍摄的南水北调工程河北保定易县段施工现场。,东线工程（六）,东线工程（七）,2007年12月28日南水北调东线穿黄工程开工建设。2010年3月25日，南水北调东线穿黄工程顺利贯通，促东线2013年通水。,中线工程：从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿唐白河流域西侧过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘，在郑州以西孤柏嘴处穿过黄河，继续沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。根据最新建设目标，中线一期工程建设目标为2013年主体工程完工，2014年汛后通水。,中线工程（一）,中线工程（二）,(一)水源区工程 丹江口水利枢纽续建工程 丹江口水利枢纽坝顶高程从现在的162m，加高至176.6m，设计蓄水位由157m提高到170m，总库容由原174.5亿m3，增至290.6亿m3，是国内最大的大坝加高工程。,中线工程（三）,2005年9月26日，丹江口大坝加高工程正式开工。2010年7月22日，丹江口大坝加高工程主体竣工后首次泄洪。,中线工程（四）,(二)输水工程1总干渠 黄河以南总干渠线路受已建渠首位置、江淮分水岭的方城垭口和穿过黄河的范围限制，走向明确。黄河以北曾比较利用现有河道输水和新开渠道两类方案，从保证水质和全线自流两方面考虑选择新开渠道的高线方案。2穿黄河工程 总干渠在黄河流域规划的桃花峪水库库区穿过黄河，穿黄工程规模大，问题复杂，投资多，是总干渠上最关键的建筑物。,中线工程（五）,穿黄河隧道工程为2条隧道，每条隧洞总长4250 m（其中过黄河段3450 m，邙山隧洞段长800 m，在黄河底部最大埋深35 m，最小埋深23 m），单洞直径7 m，设计输水能力500m3/s。,中线工程（六）,中线穿黄工程于2005年9月27日开工建设。2010年6月22日，南水北调中线穿黄工程上游线隧洞贯通；2010年9月27日，南水北调中线穿黄工程下游线隧洞贯通。,中线工程（七）,2008年10月31日，国务院南水北调建设委员会第三次全体会议则根据可研总报告，将工期明确为“2013年主体工程完工，2014年汛后通水”。,