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1、水资源及其开发利用,土木水利工程概论,2010.12,主要内容,1、我国的水资源概况2、取水工程3、南水北调工程4、环境水利与可持续发展5、生态水工学,一、我国的水资源概况,水资源(广义)地球上所有的气态、液态和固态的天然水。人类可以利用水资源(通常)主要指某一地区逐年可以恢复与更新的淡水资源。,水资源作用与意义,作用:水资源是生命之源，是基础自然资源，是生态环境的控制性因素之一，又是战略性经济资源，一个国家综合国力的有机组成部分。水资源正日益影响全球的环境与发展，甚至可能导致国家间冲突。意义:探讨21世纪水资源的国家战略及其相关科学问题，是全球共同关注和各国政府的重点议题之一。,中国8大主要
2、江河流域,1.长江流域2.黄河流域3.淮河流域4.海河流域5.珠江流域6.辽河流域7.松花江流域8.太湖流域,中国水资源特点总量较多、人均很少,多年平均年径流量总量2.8124万亿m3河川径流：2.7115万亿m3（284mm）地下水：0.8288万亿m3 重复量：0.7279万亿m3 总量第6位，人均量第109位总量列于巴西、俄罗斯、美国、加拿大、印度尼西亚之后。人均2300 m3，仅为世界平均值的1/4。到21世纪中叶，人口达到16亿高峰时，人均水资源量仅有1760m3，进入用水紧张国家的行列。,注意观察,1600,800,400,200,50,南方水多、北方水少。我国降水的地区分布从东南
3、沿海向西北内陆递减,1.5,中国水资源特点空间分布不均,中国水资源特点时间分布不均,年内分布不均汛期夏季降雨占6080汛期弃水，但兴利蓄水满足不了。年际分布不均丰水年洪涝灾害严重 1994年洪灾直接经济损失1750多亿元 1998年洪灾直接经济损失2550多亿元枯水年干旱灾害严重,哈尔滨、北京、武汉、广州降水量年变化柱状图,我国降水的时间变化,降水较多的月份，广州为_月，武汉为_月，北京为_月，哈尔滨为_ 月。,4、5、6、7、8、9,3、4、5、6、7、8,7、8,7、8,哈尔滨、北京、武汉、广州降水量年变化柱状图,四地降水量的季节变化共同点_,明显的差异是_。,夏秋多，冬春少,越往北雨季越
4、短，降水集中程度越高,我国降水的时间变化,中国水资源特点工农业用水不均,农业用水占7080%农业用水浪费大 城市与工业缺水600座城市有300多缺水100多座严重缺水,中国水资源特点5个不协调（1）,水资源与人口分布不相协调黄淮海三流域片占全国34.7%的人口人均水资源量低于1000m3。水资源与生产力布局不相协调东、中、西经济带的GDP比例4:2:1东、中、西经济带的水资源比例1:1:2水资源与耕地资源分布不相协调北方耕地占65%，灌溉面积占59%，水资源量20%。,中国水资源特点5个不协调（2）,水资源与其他矿产资源分布不相协调山西、宁夏煤炭资源丰富，每百元矿产资源潜在价值拥有水资源量仅为
5、全国的1/40。水资源时空分布与生态环境需求不相协调,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,二、取水工程,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,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
6、原西部的岷江上，建于公元前256年，是中国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
7、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
8、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
9、)，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
10、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,三、南水北调工程,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448亿立方米，其中东线148亿立方米，中线130
11、亿立方米，西线170亿立方米。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。,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
12、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，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
13、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
14、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
15、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
16、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米（其中过黄河段3450米，邙山隧洞段长800米，在黄河底部最大埋深35米，最小埋深23米），单洞直径7米，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
17、，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”。,四、环境水利与可持续发展,环境水利（Environmental Water Conservancy）研究水利与环境之间的关系，以发挥水利优势，减免不利影响，保护和改善环境。环境水利学-是研究水资源开发利用和兴建水利工程过程中出现的环境问题，并使水利建设与环境保护协调发展的学科，是支撑环境水利的理论基础和技术体系,按环境要素分,按人类活动分,按造成污染的性质、来源分,环境污染的分类,（1）发展是必需的。（2）自然环境必需保护。（3）保护环境和发展经济是同一个问题的两个方面。“环
18、境”是我们大家生活的地方；发展是在这个环境中为改变我们的命运，我们大家应做的事情。两者不可分割。（4）可持续发展是人类进入21世纪的头号大问题，是人类走向未来美好生活的正确选择。（5）可持续发展的定义：持续发展是既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。（载我们共同的未来）,名词解释,可持续发展,生态系统资源与环境,社会系统,经济系统,自然再生产,人力再生产,物质再生产,科技,21世纪议程揭示可持续发展战略实质,治理前：自然河道,治理后：经济断面河道,主要包括：水质管理，调控水资源以提高自净能力，水污染源管理，水资源保护区管理，水质预测预报，水质调度，防治水体富营养化，改
19、善水生物生境的管理等.,环境水利的基本内容,环境影响评价,环境影响-是指人类活动（经济、政治、社会）导致的环境变化以及由此引起的对人类社会的效应。我国80年代初开始环境影响评价工作。,五、生态水工学,生态水工学的特点：工程理念和技术方法：从减轻水利工程对水体生态系统负面影响来探讨水利工程 基本原理：研究水域生态系统的特点；不同区域水文与水质因子与生物群落的相关关系；水利工程与水域生态系统的交互作用；生态型水利工程对生态系统补偿的原理和机制等。遵循生态系统规律：自我设计、自我组织、自我修复、自我净化,长江洞庭湖堤防与自然环境极不协调的混凝土护坡,硬质化的堤防,人与自然和谐相处 是生态水工学的指导
20、思想,未来的水利工程既能够实现人们期望的开发利用水的功能价值，又能兼顾建设一个健全的河流湖泊生态系统，实现水的可持续利用。未来的水利工程不仅是满足人们对水需求的工程，也是有利于改善和恢复健全生态系统的工程，是有利于环境保护可持续发展的工程。,水环境保护,我国与西方国家在水环境保护方面起码有几十年的差距。尽管发展阶段不能超越，但是，我们仍然可以借鉴西方国家的经验和教训，少走弯路。对于大量的新建工程，要改进水利工程的规划、设计理念和技术，使工程设施在满足社会需求的同时，尽量减少对河流生态系统的破坏。在规划设计阶段就要考虑如何最大限度减少对于河流生态系统的胁迫，这样作是一种经济的技术路线。如同不能走
21、“先污染，后治理”老路一样，对于河流生态系统也不能走“先破坏，后补偿”的老路。,各种尺度的水环境恢复案例，在德国越来越多见，并同时具有保证防洪安全（滞洪）、景观的功能。,营造滨河湿地环境,河流生态建设的重点有两项：生物栖息地建设；河流自然水文条件的改善。,对于水文条件改善问题，近年来我国水利界开展了不少讨论和开展若干示范项目，比如最小生态需水量问题、河湖治污、改善生态调水行动等。其中，对于改善水库调度方式适应珍稀鱼类生存等，尚未见有研究报道。河流生物栖息地建设问题，无论是对河流管理者或是研究者来说，都是一个新课题。,所谓栖息地建设主要是恢复河流形态的多样性，保持河流的蜿蜒，在河流纵向和横向都保持多样性，防止渠道化。另外要保持河流的纵向连续性和侧向联通，创造生态系统的物种流、能量流、营养物质循环以及生物竞争的条件。,谢谢！,
