第四章　地表水的合理利用

第一节　地表水的利用条件

作为城市给水水源的地表水主要有河流、湖泊、水库及海水等，地表水中的水流及其特性与建于其中的取水构筑物互相作用、互相影响。一方面，径流变化、泥沙运动、河床演变、冰冻情况、水质、河床地质与地形等一系列因素对于取水构筑物的正常工作条件及其安全可靠性有着决定性的影响；另一方面，取水构筑物的建立又可能引起地表水自然状况的变化，从而反过来又影响到取水构筑物本身及其他有关用水部门。因此，了解地表水的基本水文特征，全面综合地考虑地表水的取水条件，对于选择取水构筑物位置，确定取水构筑物形式、构造以及对取水构筑物的施工与运行管理都具有重要意义。

一、河流的利用条件

（一）河流的流量和水位条件

河流的水位、流量及流速等受季节变化较为明显，其年际间的悬殊差别和年内高度集中的特点不仅是水旱灾害的根本原因，也给水资源的开发利用带来较大影响。因此，水资源的综合开发和合理利用，应达到兴利避害的双重目的。影响河流径流的因素很多，主要有地区的气候、地质、地形、地下水、土壤、植被、湖沼等自然地理条件以及河流流域的面积与形状。考虑取水工程设施时，除须了解所在河流的一般径流特征之外，还须掌握下列有关的流量、水位特征值：①河流历年的最大（小）流量和最高（低）水位；②河流历年的月平均流量、月平均水位以及年平均流量和年平均水位；③河流历年洪峰及洪峰流量；④河流历年冬春两季流冰期的最大、最小流量及最高、最低水位；⑤潮汐、形成冰坝冰塞时的最高水位及相应的流量；⑥上述相应情况下河流的最大、最小和平均水流流速及其在河流中的分布状况；⑦考虑径流特征值的随机性，按水文分析中的有关方法，计算多年平均的水位、流量及不同设计保证率的水位、流量等。

（二）河流泥沙情况

多数河流含有大量泥沙，泥沙运动对取水工程设计、给水水源运行管理产生重大影响。河流中的泥沙状况受各种自然地理因素（如气候、土壤、地形、植被）、人类活动情况及河流自身状况的综合影响。河流中泥沙的来源有两方面：一方面主要来源于地面的侵蚀和冲刷，故气候因素对泥沙的形成起着重要作用，致使河流泥沙含量的季节性变化很大；另一方面来源于水流对河床和河岸的冲刷，这与河床质的组成有关。

多泥沙河流中水的浊度较高，特别是在洪水季节，泥沙过大时会直接影响取水构筑物的正常运行，这给取水构筑物的选型、结构、工艺设计带来严重挑战，也直接影响后序处理工艺的运行工况。

（三）河床演变

由于水流与泥沙的运动，常常发生河床演变。河流的泥沙运动实际上是河床与水流互相作用的一种表现形式。由于河流的径流情况和水力条件随时间和空间不断地变化着，因此河流的挟沙能力也在不断地改变。这样，在各个时期和河流的不同地点会产生不同的冲刷和淤积，从而引起河床形态不同程度的演变。

在环流的作用下，河床的形态演变有多种形式。按时间序列划分，可分为单向变形和往复变形两种。单向变形是在长时期内，河床缓慢地朝某一方向的发展变化趋势，如地壳隆起地区河流下切河床，某些河流下游河床的不断淤高等均是单向变形的典型实例。往复变形是在较短时期内河床周期性地冲淤变化，导致河床两岸均有不同程度侵蚀而致的变形，如洪水期和枯水期间某些河段的冲淤交替进行而改变河床。

河床形态演变按河床变形的方向考虑，可分为纵向变形和横向变形。纵向变形是沿流程纵深方向上的变形，表现为河床纵断面和横断面上的冲淤变化。横向变形是水流垂直方向上的变形，表现为河岸的冲刷和淤积，使河床平面位置发生摆动。一般这两种变形是交织在一起的。平原河流多发育于冲积平原的冲积层，按河流的平面形态与演变特点，可将河段分为顺直微弯型河段、弯曲型河段、分汊河段和游荡性河段四种基本类型。

由此可见，设计或使用取水构筑物时，应在掌握河流径流变化、泥沙运动情况的基础上，根据河流形态（如河流外形、沙洲或浅滩的形成、分布与变化、河床地形）、河床地质、支流汇入情况及人类活动的影响等预测河床演变趋势和速度。

（四）冰冻情况

在严寒地区河流可能会产生冰冻现象。河流的冰情是以冬季流冰、封冻和春季流冰期的一系列冰冻现象表征的。流冰及其碎冰屑极易黏附于进水口的格栅上，使进水口严重堵塞，严重时甚至使取水中断。流冰易在水流缓慢的河湾和浅滩处堆积，随着冰块数量增多、聚集和冻结而逐渐形成冰盖导致河流完全封冻。春季河流解冻时，通常多因春汛引起的河水上涨使冰盖破裂，形成春季流冰，其冰块的冲击、挤压作用往往极强，对取水构筑物的安全影响很大，有时冰块堆积于取水构筑物附近，可能堵塞取水口。

（五）河流的水质

河流的水质多变，受环境与季节影响十分明显。河流水质主要受自然因素和人为因素的影响。自然因素主要有气候、地形、土壤、地质构造、植被、湖沼等自然地理条件、径流情况及河流的补给条件等，人为因素如蓄水库、污水排放、耕地、流域内矿产资源的开发等。因此，在取水工程设计时，要十分重视环境调查工作，不仅掌握现状河流水质情况，还要根据未来自然环境变化、污染源分布规划等预测取水口及其保护区的水质变化规律。

二、湖泊和水库的利用条件

（一）湖泊和水库的形态

湖泊的地貌形态由于水流、风、冰川、风浪、湖流、水生植物和动物的活动等的作用会发生演变。如在风浪作用下，湖的凸岸一般产生冲刷，而在湖的凹岸（湖湾）多产生淤积；从河流、溪沟中水流带来的泥沙，风吹来的泥沙，湖岸破坏的土石和水生动植物的尸体，都沉积在湖底，颗粒粗的多沉积在湖的沿岸区，颗粒细的则沉积在湖的深水区。

与湖泊不同的是，水库实际上是人工形成的相对封闭的水体，按其构造可分为湖泊式水库和河床式水库两种。湖泊式水库面积宽广，水深较大，库中水流和泥沙运动都接近于湖泊的状态，具有湖泊的水文特征；河床式水库淹没的河谷较狭窄，库身狭长弯曲，水深较浅，水库内水流泥沙运动接近于天然河流状态，具有河流的水文特征。

（二）湖泊和水库的容量

湖泊、水库的储水量与库容有关，也与湖面、库区的降水量、入湖（入库）的地面、地下径流量，以及湖面、库区的蒸发量、出湖（出库）的地面和地下径流量等因素有关。

水库具有防洪调度的功能，有些承担防洪任务较重的水库，在洪水季节一般降低水位而迎接洪水入库，这会影响取水工程的正常取水。因此，对于新建水库，要在水库设计之初就应将取水量、取水方式、取水要求的最低水位等一并考虑，通过扩大兴利库容保障取水；而对于改造利用的已建水库，则要掌握水库的设计功能，复核兴利库容、洪水水位、校核洪水位等参数，再结合水库的综合利用方式确定取水工程设计方案。

（三）湖泊和水库的水位

湖泊和水库的水位变化主要是由水量变化而引起，随着降水和入库径流量的变化，其年变化规律基本上属于周期性变化。如以雨水为补给的湖泊，一般最高水位出现在夏秋雨季，最低水位出现在冬末春初；干旱地区的湖泊和水库，其高水位一般出现在融雪及雨季期间，然后由于强烈的蒸发引起水位下降，甚至完全干涸。

湖泊中水的增减现象也是引起湖泊水位变化的一个因素。所谓增减水现象，是由于漂流（由于对湖面的摩擦力、与风同时产生的波浪的背压力）将大量的水从湖的背风岸迁移至湖的向风岸，结果在湖的背风岸引起水位下降，向风岸引起水位上升。在水深较大的湖泊，由于增减水现象的出现，还会在其水下形成与漂流方向相反的补偿流，如果补偿流的流势大，则湖泊水位变化较小。在有浅滩面积较大的湖岸，由于底部摩擦力的作用，补偿流的水量不足补偿增水现象水位升高所需要的水量，因此水位变化较剧烈，从而造成水浅滩大的湖湾向风岸。

（四）湖泊和水库的水质

湖泊、水库是以河流、地下水、地面径流作为补给水的，因此其水质与补给水来源的水质有密切关系。因而各个湖泊、水库具有不同的化学成分，甚至同一湖泊（或水库）的不同位置，其化学成分也不完全一样。

天然湖泊水中各主要离子间一般保持一定的比例关系，可以此说明湖泊的形成与演化进程。但由于污染物的进入增多，这种比例关系变得越来越无规律。但是，湖水水质化学变化常常具有生物作用，因此，可以用生物学指标特别是微生物指标考察湖水的质量演变。此外，有些水深较浅的湖泊，当冬季刮大风时湖水浊度可大大超过夏季暴雨时的湖水浊度。

水库的水质相对湖泊而言随着季节的变化较为明显，因为水库水要进行人为放水和蓄水的调度。许多水库还设计有主动排沙功能，坝下库底沉积的泥沙可通过冲沙装置主动排出，从而减少泥沙量，降低水的浊度。同时，由于调度过程中水的交替，使水中微生物生存环境发生改变，从而表现出不同于湖泊的微生物环境体系，水质也会有所不同。

三、海水的利用条件

海水水量很大，但它含有较高的盐分，一般为3.5％。盐分主要是氯化钠，其次是氯化镁和少量的硫酸镁、硫酸钙等。此外，海水的硬度很高。如不经处理，一般只宜作为工业冷却用水。

海水的成分使其具有较强的腐蚀性。但对不同的材料具有不同的腐蚀性能，如海水对碳钢的腐蚀率较高，对铸铁的腐蚀则较小。因此海水管道宜采用铸铁管和非金属管。

海生物对取水设施产生不利影响。如海红（紫贻贝）、牡蛎、海蛭、海藻等大量繁殖，造成取水头部、格网和管道阻塞，不易清除，对取水安全有很大威胁。特别是海红极易大量黏附在管壁上，使管径缩小，降低输水能力。

海水潮汐和波浪出现频繁。潮汐平均每隔12小时25分钟出现一次高潮，在高潮之后6小时12分钟出现一次低潮。在风的作用下，会引起海水的波浪。风力大，历时长，则会形成巨浪，产生很大的冲击力和破坏力。

此外，海滨地带会形成泥沙淤积。特别是淤泥质海滩，漂沙随潮汐运动而流动，可能造成取水口及引水管渠严重淤积。