水文学原理湖泊与水库.ppt

第十二章 湖泊与水库,环境与资源科学系主讲人：代 稳,内 容： 12.1 湖泊、水库的形成与形态特征 12.2 湖水的物理、化学性质 13.3 湖水运动及湖泊水库水量平衡 13.4 湿地水文 重 点： 湖泊水库淤积与岸变； 影响湖岸与库岸演变的因素 难 点： 库岸演变,湖泊：陆地表面洼地积水形成的比较宽广的水域现代地质学定义：陆地上洼地积水形成的、水域比较宽广、换流缓慢的水体汉语定义：湖与泊共为陆地水域，但湖指水面有芦苇等水草的水域，泊指水面无芦苇等水草的水域 水库：利用天然洼地或适宜的河谷封闭而形成的人工湖泊 塘、堰：容量较小的天然或人工湖、库12.1 湖泊、水库的形成与形态特征,一 、湖泊、水库的形成,湖泊是由湖盆、湖水和水中所含物质——矿物质、溶解质、有机质和水生生物等组成的统一体湖泊的形成有多种多样形式，但是，不论湖泊是怎样形成的，它都必须具备两个最基本条件：一是洼地即湖盆二是湖盆中所蓄积的水体因此在地理学中通常以湖盆的成因作为湖泊分类的主要依据近年来在湖泊分类时又考虑到致使湖盆积水的主导因素，因为只有积水的洼地才称为湖泊水库，一般的解释为“拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，可以利用来灌溉、发电、防洪和养鱼。

它是指在山沟或河流的狭口处建造拦河坝形成的人工湖泊水库建成后，可起防洪、蓄水灌溉、供水、发电、养鱼等作用有时天然湖泊也称为水库（天然水库） 水库规模通常按库容大小划分， 分为小型、中型、大型等二、湖泊、水库的形态特征,湖泊、水库的形态特征,湖泊、水库的形态特征主要：长度、宽度、深度、面积和容积等可采用具有等深线或等高线的地形图来确定1）长度L,湖泊长度指连接湖面边界两个相距最远点间的湖内最短距离2）宽度B,湖泊宽度分最大宽度Bm和平均宽度B 最大宽度Bm：垂直于湖泊水库长度线方向的两岸间最大的距离 B=A/L 式中，A为湖泊水库面积，L为湖长3）深度H,湖泊深度分最大深度Hm和平均深度H 最大宽度Hm：湖泊（水库）最高水位与湖（库）底最深点的高差 H=V/L 式中，V为湖泊（水库）容积，A为湖泊（水库）面积4）水面面积A,湖泊（水库）的水面面积随水位（或水深）变化，最高水位时的面积为其最大面积 不同水位的面积可由地形图量出5）容积V,湖泊（水库）的容积随水位（或水深）变化，最高水位时的面积为其最大面积 不同水位的容积可由地形图量出水位～容积曲线 水位～面积曲线,（6）湖底平均坡度J,J=h/A() 式中，V为湖泊水库容积，A为湖泊水库面积。

7）湖盆形状系数Kr,Kr=A/Hml0 式中，A为湖泊（水库）面积，Hm为湖泊（水库）最大深度，l0为湖岸线长 8）湖泊补给系数K0,K0=AF/A 式中，AF为湖泊（水库）集水面积，A为湖泊（水库）面积9）岸线发展系数Km,岸线发展系数Km表示岸线的发展程度，常用岸线长度l0与等于湖泊面积的圆面积的周长之比来确实 思考一下，请同学们用表达式把这句话表示出来12.2 湖水的物理、化学性质,湖水的透明度 湖泊的水色 湖水的温度 湖水的化学成分,湖水在风力、水力坡度力和密度梯度力及气压突变等的作用下，处在不断地运动的状态中 湖水运动具有两种形式： 周期性升降波动：如波浪、波漾运动； 非周期性的水平流动：如湖流、混合、增减水等12.3 湖水运动及湖泊水库水量平衡,一、湖水的运动,湖水的混合——湖中的水团或水分子在水层之间相互交换的现象 热量、动量、质量、溶解质 趋于均匀 表层辐射能传到深处 湖底的营养盐传到表层 混合方式：紊动混合和对流混合 各水层密度差异越大，湖水混合阻力就越大，这种阻力称为湖水的稳定度一）湖水的混合:,整体或局部水域，发生周期性的摆动；摆动的轴心称波节，波节处无水面升降运动，如N点。

二）湖泊波漾,波节两边水面交替发生顺向的倾斜； 水位垂直升降变化的最大幅度处称波腹，即ab和cd湖泊的波漾基本上是单节的，也有双节或多节的，如图：,影响波漾波腹大小、周期长短的主要因素：湖盆形态、面积、湖水深度面积小、深度大的湖泊，通常波漾摆动快、周期短、水位变幅也大； 反之则周期长、变幅小日内瓦湖湖长72公里，平均水深173米，其波漾平均周期为73分钟，最大波腹可达2米；,匈牙利的巴拉顿湖长76公里，平均水深仅3米，其波漾平均周期长达10—12小时；,（三） 湖泊增减水,由于强风或气压骤变引起的漂流，使湖泊： 迎风岸水量聚积，水往上涨（增水）， 背风岸水往下降（减水） 一岸增水，一岸减水，造成两岸水位差，湖面变成倾斜状态，在水下形成与漂流流向相反的补偿流洱海： 平均水深：10.2米 增减水水位变幅：8-9厘米,太湖： 平均水深：1.9米 增减水水位变幅：20-30厘米,增减水的主要特征是水位的变化，决定于风力的强弱、湖盆的形态、湖水的深度（反比关系）等，通常浅水湖远大于深水湖：,（四）水库异重流,是两种比重不同的流体相汇合，由于比重的差异而发生的相对运动 在运动过程中，各层流体能保持其原来的特性，不因交界面上的紊动作用而发生全局性的掺混现象。

水流比重差异多数是由于水温、含沙量、溶解质的含量不同所致： 温差异重流常见于热电站冷却水的引水口； 盐水异重流常见于入海河口； 浑水异重流则主要发生在河流入库处1.水库异重流的形成： 挟沙水流进入水库壅水段后（A点），由于水深增加，流速减低，水流所挟带的泥沙不断向底部沉降A,,向底部沉降的泥沙，较粗的部分将就地落淤，形成三角洲淤积； 较细的则由于沉降速度小，还能继续保持悬浮状态B点以后，形成一个明显的清浑水交界面，这时该区段内出现两种比重不同的流体，在重力作用下，潜入底部的水流携带着所剩下来的悬浮物质，以一定的速度向前运动，形成异重流B,由于异重流在向水库区运动的过程中，将带动一部分交界面上的清水相随同行，因而其表层就会出现相反方向的补偿流 这种补偿流的回流将推动水面的漂浮物质向B点附近聚集，这就是水库异重流产生的一个标志B,1、形成水库异重流的根本原因：清浑水的重量差2、据研究，入库浑水的含沙量大于库水含沙量千分之一即可产生异重流，而浑水含沙量大于10—15公斤/米3时，异重流才比较稳定；3、组成异重流泥沙的颗粒一般要细小，通常以d=0.01毫米的粒径为界限粒径采取异重流排沙：如果入库浑水能持续不断，库底又有足够坡降，则异重流能在水库中长距离运行，以至到达坝前。

此时如果坝体底孔开启，异重流可排出水库2. 水库异重流的特性异重流发生后，由于异重流体受到上层清水的包围，并受上层流体的浮力作用，故异重流体的有效重力（重力与浮力之差）大大减小据研究，浑水的有效重力为原重力的1%—1‰由于重力作用大大削弱，使惯性力的作用显得十分突出1）相对突出的惯性力作用，使异重流能够轻易超越障碍及爬高，这是一般水流运动做不到的2）由于重力作用减弱，阻力作用也显得十分突出，故异重流的运动速度是很小的，通常只及一般水流的1/10—1/30二、湖泊、水库水量平衡与调节作用,（一）湖泊、水库的水量平衡 1、湖泊的水量平衡： 湖泊水量的变化过程，可用水量平衡方程式来表示： Vp+VRd1+VRg1=VE+VRd2+VRg2+Vq±△V左：湖面降水量，入出湖地表径流量，入出湖底下径流量； 右：湖面蒸发量，工农业用水量，湖水贮量该变量2、我国主要湖泊的水量平衡,1）从湖水补给（收入）看：湿润的东部平原区： 入湖地表径流量VRd1占湖泊总补给水量比重很大干旱半干旱的西北内陆地区： 湖面降水及入湖地下径流占据了一定比重2）从湖水的消耗（支出）看：外流湖泊：以出湖地表径流量VRd2为主；内陆湖泊：入湖水量几乎全为湖泊蒸发所消耗。

3）从湖水补给量地区分布看：极不平衡: 江淮流域的湖泊年补给量为5000—6000亿立方米， 东北、内蒙古的湖泊为100亿立方米， 新疆博斯腾湖为30亿立方米， 青藏高原的湖泊则更小我国湖泊补给水量年际变化较大： 丰枯水年的水量差一般多为2-5倍，洪泽湖可达23倍湖泊水量年内变化则更为显著： 最大入湖月径流量与最小入湖月径流量的比值，镜泊湖和乌伦古湖则可达100以上3、湖泊的换水周期及其意义,湖泊是换水缓慢的滞流水体； 湖泊换水周期的长短，可以作为判断能否引用湖水资源的一个参考指标：T=W / （Q×86400） T ——换水周期，以天计； W ——湖泊贮水量，以立方米计； Q——年平均入湖流量，以立方米/秒计东部平原五大淡水湖：换水周期均小于1年，入湖径流量大，湖水利用后，能很快得到恢复，不会引起生态环境的恶性循环布伦托海、羊卓雍湖、青海湖的换水周期分别大于8.5年、25.2年和60.4年，则不宜引用二）湖泊水库的调蓄作用,1、水库的调节: 运用水库蓄容径流的能力来抬高水位，集中落差，对入库径流在时程、地区、需要上重新分配，称水库调节； 防洪、灌溉、发电、航运； 水库的主要工作：如何合理调配水量； 日调节、年调节、多年调节,2、湖泊的调蓄作用,湖泊作为天然水库，除了能拦蓄本流域上游来水，减轻下游洪水的压力外，还可分蓄江河洪水，降低干流河段的洪峰流量，滞缓洪峰发生的时间，发挥调蓄作用。

以我国第二大淡水湖洞庭湖为例： 水源： 1、北有松滋、太平、藕池、调弦（已封堵）4口分泄长江水入湖（占入湖总水量37.7％）； 2、南、西有湘、资、沅、澧4大水系入汇（占53.9％）； 3、湖区四周中小河注入（占8.4％）； 各方水流入湖停蓄后，在湖区东北角经城陵矶出湖入长江 接纳4水、吞吐长江的洞庭湖，是调蓄长江中游干、支流洪水的重要的天然水库洞庭湖的削峰作用： 4水、4口的入湖洪水，经过洞庭湖调蓄，多年（1951—1983）平均削减了洪峰流量的28.4％；1954年最大削峰量可达20653立方米/秒，削减了入湖洪水的1/3，削减了长江干流约1/2的洪峰流量；因而洞庭湖的调蓄，对保护荆江大堤及武汉市的安全，发挥了巨大的作用几十年来，洞庭湖的调蓄能力在不断地减弱：湖区泥沙淤积，湖泊容积不断减少自然因素：湖区泥沙沉积人为因素：盲目围湖造田,,三、湖泊水库淤积与岸变,湖泊有其发生、发展与消亡的过程一）湖盆的演化（二）湖中生物的演化（三）影响湖岸与库岸演变的因素,1、湖底的沉积,湖底沉积物来源： 外界输入：泥沙、尘土、盐类，经径流或风力挟携入湖； 内部形成：湖岸崩塌的产物、湖水自身分解出来的盐类，水生生物残体。

随着湖底沉积过程的发展，湖底起伏逐渐变平2、湖岸的变形:,湖盆未充水前，具有相对稳定的 坡度；湖盆蓄水后，岸边土壤浸水， 引起湖岸变形 湖岸土层：波浪、湖流 崩塌、滑塌 滑塌物质一部分停积岸边，另一部分随湖流挟走，原岸线逐渐后退，该处形成侵蚀浅滩； 波浪搬运的物质在岸脚堆积，继续向湖心方向发展形成淤积浅滩二）湖中生物的演化,湖盆的演化、湖水水质的变化，必然使湖泊生物群落的组成结构、生物的种类、个数也相应发生变化 生物残骸与泥沙的沉积日积月累，环生草丛向湖心扩展，植物沿着全湖面从湖底露出水面，最终湖泊消亡成为沼泽二）影响湖岸与库岸演变的因素,自然因素：气候变化或盐分平衡发生变化如，气候变干，蒸发加强，盐分浓缩，碳酸盐型水 硫酸盐型水 氯化物型水 水量不断减少，各种盐类均可析出而沉积于湖底人为因素：工业废水、农田灌溉用水的排入，引起湖水性质的改变、演化湿地指天然或人工形成的沼泽地等带有静止或流动水体的成片浅水区，还包括在低潮时水深不超过6米的水域湿地与森林、海洋并称全球三大生态系统，在世界各地分布广泛湿地生态系统中生存着大量动植物，很多湿地被列为自然保护区12.4 湿地水文,一、湿地研究概述,。