水文学在环境工程实践中的应用与发展

水文学在环境工程实践中的应用与发展
大气中的水汽、地球表面的江河、湖泊、沼泽、冰川、海洋和地下水等，都是以一定形式存在于自然界的水体。

他们彼此区别，又相互转化和联系，既受周围环境的作用，又对环境产生各式各样的影响。

水文学就是研究自然界中这些水体的形成、分布、变化、运动、相互转化和环境相互作用规律的一门科学。

环境水文学是水文学新兴学科之一。

一般认为它是研究人类活动对水文和水资源影响，以及水文情势变化对环境作用的科学。

其内容主要包括人类活动的水文效应与评价。

特别是人类活动对水文循环的影响乃是其最重要的课题。

城市化和工业化对水文、水资源的影响和评价、水利工程的水文效应、水质污染的水文学问题以及其它人类活动对水文、水资源的影响和人类活动干预后水文情况改变及其反馈的评价与方法等也都是当前研究的主要课题。

国际科学水文协会每个阶段研究项目中都有很多这方面的课题，其成果不仅有助于水文科学的发展和水资源管理水平的提高，而且能给人类生活带来巨大的经济和社会效益。

水是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质，是工农业生产、经济发展和环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源。

目前，关于水资源普遍认可的概念可以理解为人类长期生存、生活和生产活动中所需要的既具有数量要求和质量前提的水量，包括使用价值和经济价值。

水资源具有以下特点：
1、可恢复性和有限性
水及时恢复更替及通过水循环在河流中川流不息的运动，就构成了水资源消耗、补给之间的循环和水资源的不恢复性特点。

而这种循环在一定的时间、空间范围内，大气降水对水资源的补给却是有限的，故多年平均利用量不能超过多年平均补给量。

2、资源和环境的两重性
水是一种资源，还在很大程度上决定着环境的动态和质量。

3、水利和水患的两重性
水资源的时空分布不均匀，有的地区雨多集中，可能造成洪涝灾害，有些地区则雨少流小，可能造成干旱。

这种供需的矛盾，要靠修建各种水利工程人为进行调节控制才能达到合理的利用。

4、不可替代性
水资源既是生活资料又是生产资料，各行各业都离不开谁。

总的来说，水既是资源，又是环境组成要素，这就决定了水的各种自然、经济和社会属性。

随着工农业生产的发展，人口的增加及人民生活水平的提高，各方面对水资源的需求和冲击将不断加剧，随着用水量得激增及随之而来的污水排放量的增加，水资源的供需矛盾将日益突出，因此合理有效地开发利用水资源，尤其是如何解决城市地区的工矿企业用水及城市生活用水，解决城市地区的防洪防涝问题，已成为一个关系到地区社会经济发展全局的重要战略问题。

城市化、工业化、农牧化和荒漠化, 归根结蒂, 无不与水休戚相关。

水的问题已成为环境科学研究的当务之急, 因此, 环境科学与水文科学的密切结合也必然成为当务之急。

经典的水文学以研究自然界的水循环、水变量化和分布为目的。

早期曾以水体为研究对象, 划分为河川水文学、湖泊水文学、沼泽水文学等分支学科, 内容偏重于定性描述。

本世纪30年代以来, 水文学的发展表现出主要地依赖于水利工程建设。

为了确定工程规模, 保证工程建设与运行的安全, 需要对拟建地点的长、短水文情势作出预估或预报,这就促使了水文计算和水文预报的发展。

而为了科学地作出水文情势的预估和预报, 收集、整理、储存和积累拟建地点的水文资料又是必不可少的, 这又促使了水文测验技术的发展。

但资源与环境问题的提出, 改变了传统水文学的发展格局。

首先于1965年至1970年间, 联合国教科文组织（UNESCO）倡导了“国际水文十年”活动, 积极推动全球水量平衡和人类对水又
循环影响的研究。

随后, 国际水文计划（IHP）又先后把“人类活动对水文和生态环境影响的调查评估”、“水污染的水文和生态问题”、“城市化对水文倩势和水质的影响”、“水资源开发的副作用”等列为重要研究课题。

这表明, 水资源利用与环境的关系越来越受到人们的重视。

人们不仅要充分利用水资源的量（水量）和能（水能），还要保护好水资源的质（水质）。

应用
目前, 环境水文学的主要研究内容可大体归纳为：
（一）水休污染作用过程的机理及水文要素对这一过程的影响
这是环境水文学的理论支柱。

污染物进入水体后的迁移、稀释、转化和富集过程是一个复杂的物理、化学、生物、物理化学和生物化学过程。

它一方面取决于污染物质本身的理化性质, 另一方面也与水体的环境肯景值及水文要素的变化有关。

研究和掌握污染物质在水体中的迁移、稀释、转化和富集规律, 对建立水体污染的水质数学模型, 确定水环境容量, 制定水体水质标准, 提出科学的水质管理方法都是十分必要的。

这方面涉及到的主要研究课题有：
1、河流的紊动与混合。

包括污染物质的稀释、扩散与弥散（离散）等机理的研究。

2、湖泊与水库中的混合。

包括热成层作用及其对污染影响的研究。

3、水体中污染物质的转化。

包括物理和化学转化, 以及生物降解机理的研究。

4、水文情势对水体污染作用过程的影响。

5、孔隙介质中的吸附及弥散。

（二）水环境系统的模拟及应用
基于上述对水体污染作用过程的机理及水文情势对这一过程的影响的分析, 建立各种水体的水质数学模型, 并通过必要的野外观测或室内试验率定其中的参数, 是环境水文学又一重要研究内容。

这方面涉及到的主要研究课题有：
1、河流、湖泊（水库）和河口不同维数（一维、二维或三维）的稳态或非稳态水质模型的研制。

2、河流、湖泊#水库∃水温模型的研制。

3、考虑非点源污染的流域水质管理系统或城市区域水质管理模型的研制。

4、区域地下水水质管理系统模型的研制。

5、各种水质模型参数确定方法的研究。

包括水质模型的单参估值法和多参数同时估
值法的研究。

6、各种水质模型在水质预测、工程规划和环境影响评价中的应用研究。

同样的，我国在环境水文方面开展过许多工作，如：
1、在水土保持实验站和部分径流实验站上，对于在不同的植被和不同的土地利用情况下，对水土流失和产流汇流过程所产生的不同影响进行了大量的对比研究。

2、从70年代开始进行水质污染监测，调查评价和水质模拟及预测。

3、进入80年代，水利部门会同环境保护部门开展了水利工程的环境评价工作，这其中环境水文是重点内容。

4、正在进行流域水源保护规划（包括水质规划），其中将含有大量的环境水文内容。

环境水文学的展望
仅仅十几年的功夫, 环境水文学就取得了一些重要的研究成果, 初步建立了自己的学科体系, 这充分显示了它作为一门新兴的交叉学科, 在社会经济发展中的重要作用, 具有很强的生命力。

但它毕竟还年轻, 还应不断向深度、广度发展。

今后, 除了将上述提及的基本研究课题引向纵深, 不断予以完善外, 至少还应从下列若干方面加强研究与探索, 以进一步丰富环境水文学的内容：
1、在探索水体污染过程的微观机理, 建立不同水体水质模型或水质管理系统模型时不仅要及时引进最新科技成就, 加强实验手段, 而且在理论上要加强确定性方法与随机性方法的
有机结合。

2、要加强水文循环与生物地球化学循环及其它物质循环与社会经济因素之间的相互关系、相互作用的研究。

人口的增长, 经济的发展, 必然导致水资源利用及地质、生态系统的变化, 从而影响到水文循环及与之相伴随的浸蚀沉积物质和化学物质的循环, 它们又反过来通过
对水资源的影响来制约人口的增长和经济的发展。

探讨这种相互关系和相互作用的内部机理和发展变化，无疑是环境水文学的重要任务之一。

3、水体中的水量与水质相互关联, 互为一体。

应当改变目前对水量和水质基本分开的研究局面, 探索水质与水量联合模型的研制理论与方法, 不断揭露动态水质(流动水质）的变化规律。

可以肯定, 随着社会经济的进一步发展, 环境水文学必将有更大的发展, 前景是美好的。

城市化的水文效应：
从水文学的角度出发，城市水文效应的产生有两大基本因素，表现在：
1、城市不断为不透水地表如道路、屋顶、大量建筑物、停车场等所覆盖，使地表
洼蓄和下渗能力大大减弱，降水转变为地表径流的部分增加；
2、城市呈管网状排列的各种排水管道的兴建，原有河道的裁弯取直和岸坡整治，
增大了城市地区的泄流排水能力，使暴雨径流等尽快就近排入受水体，汇流速
度加快，滞时缩短。

以上这两大基本因素直接或间接导致了多种城市水文特征的产生。

（一）、降水的影响
城市化对降水情势的影响是比较明显的，一般来讲，城市地区及其下风侧的年降水
总量比农村地区偏高5一．15％，其中雷暴雨增加10一15％，这一现象称之为城市
“雨岛效应。

城市雨岛效径流与环保工程应的产生有以下几方面的因素：
1．大气污染物增加城市化使城市上空的微粒物质及污染物质等显著增加，这为降
水提供了大量的凝结核。

2．“热岛效应”和地面粗糙度增大国内外对城市小气候的大量监测和研究表明：
城市中心的年平均气温要高出周围农村地区0.5—3℃oY这种城市热岛效应的产生
与城市地区高度密集的工业、人口及下垫面辐射性质的变化密切相关。

由这种温差
形成的热湍流，以及由城市建筑物特别是高层建筑物所导致的地面粗糙度增大而产
生的机械湍流，都有利于大气对流的产生和增强，从而为成云致雨提供动力条件。

对流增强同样也导致雷暴雨天气增多。

(二)对蒸发的影响
1．可供蒸发的水量减少
随着城市地区不透水面积的扩大，地表下渗能力逐渐减弱；当地表100％为不透水
的建筑材料所铺砀时材料所铺砀时，下渗量减至为零。

城市地表下渗减弱直接减少
了地下水补给量，加之人为抽取地下水，使地下水位降低，地下径流及土壤含水量
减少，蒸发量也相应减小。

2．蒸发的动力条件——风速减小
城市地区建筑物林立，下挚面糙度显著增大；使城市市区年平均风速较农村地区减
小20—30％，无风日增加5—20％，这也影响了蒸发速度，使蒸发量减小。

(三)对径流过程的影响
就产流而言，由于城市地区植被稀少，路面平坦且被水泥化、柏油化，透水性很差，
故产流过程中植物截留、填洼、下渗等降水损失量均减少，因此相对产生的径流量增大，即城市地区产流较城市化之前有明显增加。

就汇流而言，由于城市地区具有良好的排水条件，各种下水管道设施齐全，加之路面平坦，透水性差，故降在路面上的雨水能较快从地表流走，进入下水道，降在城市屋顶上的雨水也能通过屋顶落水管，再很快进入下水道。

因此，短时间内大部分降水在城市随即消失，使汇流速度加快。

总之，城市化地区由于产流量增加，汇流速度加快，使得城市地区的洪水流量过程线变得尖陡，峰值增大，汇流历时缩短，峰现时间提前。

同时由于城市地区不透水面积的增大，土壤下渗减少，土壤含水堑减少，故当降雨停止以后，补给退水过程的水量也减少，使得整个洪水过程底宽相应缩短。

因此，城市化增加了产生迅猛洪水的可能性。

城市水文问题
一、水源问题
1、城市地区对水的需求日益增长，供需矛盾日益突出，这往往很难由当地水源得
到满足。

2、人为污染使水质恶化，可用水量减少，加之有些地区过量开采，环境问题突出。

现代城市水源问题的产生和发展一般是多因素的，既含有水量型水源问题，也含有水质型水源问题，往往是水质、水量交织在一起的混合型水源问题。

二、水污染问题
1、工业废水和生活污水污染
人口增加和工业发展，使城市地区的污水量不断增加，在污水处理能力不足的地区，大量的工业废水和城市生活污水等未经处理直接排入接纳水体，当污染物浓度超过接纳水体的自净能力时，使得城市地区水质日益恶化。

2 、城市雨洪污染
城市雨洪污染是近年来日益引人关注的水污染形式。

根据城市雨洪污染的发生过程，可将其分为以下两个环节：降水污染(降雨的淋洗作用)降水污染和径流污染（径流的冲刷作用）
二、洪涝灾害问题
小频率的大洪水往往使城市大面积淹没，这类洪水来势汹猛，受城市化影响不大，必须通过修建防洪工程加以控制；大频率的小洪水受城市化影响明显，在强度和出现频率上均大于天然流域，从而易引起城市内涝。

应用
水利工程的作用和效益·
水利工程的作用是改变江河的自然面貌，驯服洪水，发挥水利资源的综合效益。

水库不仅可以重新按季度分配径流，防止水旱灾害，同时还可以利用水库蓄水秘抬高水位来发展灌溉、发电、航运、给水、水产及旅游业等。

总之，水利：I：程建设的效益是显著的。

(1)初步控制了一般的洪涝灾害，摹本保障了城乡的安全。

(2)为城市和工业提供了较为稳定的水源。

(3)发展灌溉，为农业生产创造有利条件。

(4)发展水电，提供能源。

(5)综合利用，发展水产、农副业及旅游业等。

当今世界许多地区水资源问题日益突出，日经成为区域经济发展的制约因素，因此水利不仅是农业的命脉，也是国民经济的保障，作为水资源扩大再生产形式之—的人工可调控水体的水库，正在对人类的社会经济带来愈来愈多的影响。

从水资源的开发情况来看，当一个国家或地区经济发展水平尚不高时，水资源开发的目标较为单一，主要考虑的是防洪、灌溉和发电等社会经济效益；但随着经济的发展，人民生活水平的提高及社会发展对水资源需求的多样化等因素，水资源的开发也逐步趋向多目标化。

印度的“全国水网”规划和北水南调
前苏联的跨流域调水
美国的大规模跨流域调水
我国的南北北调规划
水库对上游及库区环境的影响
1．上游及库区淹没
上游及库区淹没，使该区生态环境发生深刻变化。

水库修建引起库区及上游壅水范围内的农田、城镇·、乡村、工矿企业、交通设施及文化设施等淹没；淹没地带的土壤、动植物群落发生了显著变化，导致该区环境生态平衡的全面破坏，新的平衡只有在水库运行后的一段时期内才能逐步建立。

另外，水库蓄水以后，上游地区地下水位会随之上升，这可能会带来下述一些不利影响：(1)可能引起土壤盐碱化；；
(2)低洼地带地下水出露积水成沼时，易使蚊虫孳生，恶化卫生条件；。

-(3)房屋地基被地下水浸润，受地下水影响严重的房屋可能发生下陷，倒塌房屋。

2．水库泥沙淤积；水库由于拦水筑坝，流速减缓，水流所挟带的泥沙逐渐沉积，因此水库的淤积是不可避免铂，只是程度上有差异。

水库淤积将使库容减少，回水曲线抬高，淹没范围增加，并可能影响水电站的运转。

3．库岸崩塌
水库蓄水以后，由于坡岸浸水，土壤凝聚力减少，土体稳定性降低；另一方面由于库区形成巨大水．面，引起水面风浪加大，在风浪的撞击、掏刷下，土质岸坡可能坍塌，岸线退缩，这不但增加了水库的淤积，也威胁了岸边附近居民点的安全。

4．诱发地震
，水库建成蓄水后，由于水体的巨大重力作用。

可鼹会诱发地震或使地震活动增强。

5，水质变化
水库所形成的水面较大，由于水分蒸发，水中含盐度将增加。

如果水库的上游来水被污染，将影响水库的给水和灌溉用水。

6，水温变化
水库的库容深度愈大，水库的水温结构财愈趋分层分布，一般库水的年均温度随着水深的增加而降低
7生物影响
水库改变了河流的自然条件，使生物尤其是鱼奖’的生存条件发生了变化。

8、对库区及周围气候环境的影响
水库改善了库区及周围的气候环境，使气温的日较差明显减小。

三、水库对坝下水文环境的影响
1．下游流量的变化；
水库改善了原河川径流年内年际分配，使洪水历时缩短，洪峰总量削减，同时成倍地增加了下游枯期水量，改善了下游广大地区尤其是干旱半干旱区域的生态环境，但是，水库建成后，由于下泄水量相对减少(枯季除外)，在河口段就有可能发生海水倒灌和海水侵蚀，一定程度上也使河．n段的生态环境发生变化。

2．下游河床的变化·；水库拦蓄河流所挟带的泥沙，使水库下游水流的含沙量锐减，特别是位于多沙地区的水库，建库前后多年平均输沙率与输沙量可能相差
很大，
3．下游水温的变化
水库形成巨大的水面?在夏季水库相对是一冷源，冬季水库则相对是呷热源，故水库在夏季泄出的水温较低，在冬季泄出的水温则较高，这就会使北方水库下游相当一段河段内冬季不能结成冰盖。

水文学只文生中国建筑工业出版社
环境水文学的产生与发展前景丙孝芳
河海大学科技情报1990年3 月
环境水文与城市雨洪
∙环境水文与城市雨洪作者：杨凯
∙出版日期：1993
∙
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