河流的開發(fā)利用對水溫的影響研究

劉哲宇　郝星海

摘要：基于水的比熱特性，分析了水對氣候的調(diào)節(jié)作用和對降雨的影響，闡述了人類對河流的開發(fā)利用方式，進(jìn)而從河流水能利用與工業(yè)用水的角度，探討了建壩與溫排水對河流水溫的影響。

關(guān)鍵詞：水比熱；河流；開發(fā)利用；水溫

中圖分類號：X826

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944（2017）18004502

1引言

河流是人類生存與現(xiàn)代文明發(fā)展的基礎(chǔ)，人類通過開發(fā)利用河流來進(jìn)行水力發(fā)電、生活和工業(yè)供水、農(nóng)田灌溉等，河流水資源的開發(fā)利用與人類福祉息息相關(guān)＼[1＼]。隨著人類對河流開發(fā)利用程度的提高，由此引發(fā)的河流生態(tài)環(huán)境問題也日益受到人們的關(guān)注。河流的開發(fā)利用造成了河流生態(tài)環(huán)境的改變，如水量、水質(zhì)、水溫等，這些變化將直接或間接影響河流生物的多樣性和人類的生存條件。因此，人類在享受著河流開發(fā)利用帶來的巨大福利的同時，也應(yīng)該積極地修復(fù)造成的負(fù)面影響，限制人類對河流水資源的不合理開發(fā)利用，保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境＼[2＼]。水溫是河流健康最為重要的水質(zhì)要素，對水的物理、化學(xué)性質(zhì)的影響顯著，是河流生態(tài)系統(tǒng)重要的環(huán)境條件，對水生生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)作物灌溉都有不同程度的影響＼[3＼]，河流的開發(fā)利用對水溫的影響研究目的是保護(hù)河流水資源，防止水質(zhì)惡化，使河流水資源能得到持續(xù)利用。

2水的比熱特性對降雨的影響

比熱是熱力學(xué)中常用的一個物理量，表示物體吸熱或散熱能力。比熱越大，物體的吸熱或散熱能力越強(qiáng)。它指單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高或下降單位溫度所吸收或放出的熱量。水的比熱容較大，地球上的水資源是巨大的熱量儲藏庫，對調(diào)節(jié)地球表面的溫度起到了重要的作用＼[4＼]。

海洋與陸地的溫度差異就是水的比熱特性影響的重要結(jié)果，進(jìn)一步對我國季風(fēng)氣候的形成起著很大的作用。我國位于亞歐大陸東部，東臨太平洋，西南有印度洋。由于大陸與海洋對于太陽輻射熱量吸收與釋放的速度不同，大陸表面多為泥沙巖石，夏天，陸地吸熱快，放熱慢，就形成一個相對的熱源，溫度上升快，所以近地面的空氣膨脹上升，近地面空氣密度小，形成低壓，即陸地是熱低壓。而海洋吸熱慢，升溫慢，形成相對的冷源，海洋表面的空氣冷卻下沉，密度增大，形成高壓，即海洋是一個冷高壓。在同一個水平面上，就形成了氣壓差，高壓區(qū)的空氣自發(fā)流向低壓區(qū)的，形成了風(fēng)，夏季風(fēng)自海洋吹入大陸，即所謂季風(fēng)。一年中由于海洋與陸地吸收太陽輻射熱量的不同，氣壓差有著明顯的變化，冬半年盛行從極地大陸吹來的冬季風(fēng)，氣候寒冷而干燥；夏半年則有暖濕的夏季風(fēng)帶來豐沛降雨，氣候悶熱而潮濕。冬季風(fēng)與夏季風(fēng)的變化，基本上確定了我國各地區(qū)降雨量的分布＼[5＼]。

3人類對河流的開發(fā)利用

河流的補(bǔ)給源泉為降雨產(chǎn)生的徑流，在水流與地形落差、地質(zhì)條件的綜合作用下，孕育了千姿百態(tài)的大小河流，如我國的青藏高原，平均海拔4000m以上，長江、黃河都發(fā)源于這里。奔騰不息的河流是人類及眾多生物的生棲之地，也是哺育人類歷史文明的偉大搖籃。從世界地圖上可以看到，尼羅河、幼發(fā)拉底河和底格里斯河、印度河和恒河、黃河，分別縱橫在埃及、巴比倫（今伊拉克一帶）、印度和中國，在人類史冊上都留下了哺育人類文明發(fā)展的印跡。

河流從古至今為人類提供不可缺少的水資源，人類是在充分地接受河流的恩惠中走向繁榮的。在農(nóng)業(yè)文明時代，河水被用來農(nóng)田灌溉和居民用水，如鄭國渠，都江堰等聞名世界的水利灌溉工程。自工業(yè)革命以來，隨著城市人口的集中，水的需求量增加，開始在河流上大規(guī)模興建供水與大壩等水利工程，如南水北調(diào)工程，長江三峽水庫等。可見，人類對河流的開發(fā)利用分為河道內(nèi)的開發(fā)利用與河道外的開發(fā)利用，河道內(nèi)的開發(fā)利用包括水能利用與水體利用，如水力發(fā)電、航運(yùn)與水產(chǎn)養(yǎng)殖等，河道外的開發(fā)利用包括河道外農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水與居民用水等。河道內(nèi)的開發(fā)利用特點(diǎn)是需水而不消耗水，而河道外的開發(fā)利用是消耗性用水，但仍有一部分廢污水要排放到河流中。

在人類對河流的開發(fā)利用中，水力發(fā)電是一個特殊的用水部門，它利用天然水能生產(chǎn)電能。河流在地球引力作用下，自高處流向低處，相對于海平面而言，河流具有一定的勢能，而且水流有一定流速，具有一定的動能，這種勢能和動能組合成的水體能量即為水能。在天然狀況下，這種能量消耗用于克服水流摩擦阻力、沖刷河床等，人們進(jìn)行水能開發(fā)就是修建水電工程，將水能集中起來生產(chǎn)電能，用來改善人們的生活條件、發(fā)展生產(chǎn)等。發(fā)電后的水量仍下泄到河流中，可以供給其他用水部門利用。可見，人類對河流的開發(fā)利用盡可能充分發(fā)揮河流水資源的綜合利用價值。

4河流的開發(fā)利用對水溫的影響特征

人與河流都需要和諧發(fā)展，一方面，人類根據(jù)自己所需開發(fā)利用河流，另一方面，要求人們保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)，總體上不損害河流的自然功能，最終保障人的生存和發(fā)展。水溫是河流重要的物理性水質(zhì)指標(biāo)，它與其它水質(zhì)要素有著密切的聯(lián)系，如生化耗氧和復(fù)氧過程都與水溫有關(guān)；此外，水溫與水生生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)作物灌溉有著更加密切的關(guān)系，如水體中的魚類及其它水生生物對水溫都非常敏感，水稻不同生長期對水溫有不同的要求。

水是由氫、氧兩種元素組成的無機(jī)物，在常溫常壓下為無色無味的液體，溫度越低，其密度也逐漸增大，到時達(dá)到最大限度，溫度再低，密度反而逐漸小起來，直到結(jié)成了冰。水的這個特點(diǎn)，對于自然界各種水生生物有著重要的意義，因?yàn)楸人p，水結(jié)冰時，冰就浮在水面上，遮蓋了下面的水，使得下面的水溫不會太低，各種水生生物才能在水中生存下來。河流水溫的波動涉及到自然條件，人類活動等因素，影響水溫的自然因素主要有太陽輻射、氣溫與風(fēng)速，人類活動的影響主要是在河流上建壩以及工業(yè)溫排水。

在河流上修建大壩，使原有河道變成了水庫，使水庫內(nèi)水位升高、 流速減緩，改變了原有天然河道的水溫；夏季，深水庫表層水溫高，底層水溫低，水溫分層將使水庫下層的水體水溫長年維持在較穩(wěn)定的低溫狀態(tài)。水的比熱較大，水庫具有儲熱保溫功能，使得水庫溫度變化滯后于環(huán)境的變化；水庫攔蓄的夏秋季高溫水體熱量保持至冬季，使得庫區(qū)秋冬季水溫升高＼[6＼]，以此類推，水庫攔蓄的冬季低溫水保持至春夏季，使得庫區(qū)春夏季水溫降低，下游河道水溫呈現(xiàn)冬季升高和夏季降低的均勻過程，較天然狀況存在滯后性。這些變化會對庫內(nèi)及壩下水生生物帶來不利影響，并對灌溉農(nóng)作物產(chǎn)生不利影響。

由于水的大比熱特性，工業(yè)上常常取用河流水作為冷卻水，如電廠冷卻水，來自各種工業(yè)過程的廢熱水，若不采取措施，直接排入河流，其水溫超過自然水溫，可能引起水溫升高，河水溫度越高，毒物作用越大＼[7＼]；而河水中的溶解氧含量卻隨著溫度的升高而降低。伴隨著河水溫度的上升，水生生物的新陳代謝速度呈加快趨勢，需氧量增加，當(dāng)水中溶解氧不能滿足魚類與水生生物的需求時，將危及魚類和水生生物的生長，甚至?xí)?dǎo)致魚類大量死亡。

5結(jié)語

水的比熱特性對我國季風(fēng)氣候的形成起著很大的作用，基本上確定了我國各地區(qū)降雨量的分布。降雨產(chǎn)生的徑流是河流的補(bǔ)給源泉，在水流與地形落差、地質(zhì)條件的綜合作用下，孕育了千姿百態(tài)的大小河流，奔騰不息的河流是人類及眾多生物的生棲之地。人類對河流的開發(fā)利用分為河道內(nèi)的開發(fā)利用與河道外的開發(fā)利用，河道內(nèi)的開發(fā)利用包括水能利用與水體利用，河道外的開發(fā)利用包括河道外農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水與居民用水。人與河流需要和諧發(fā)展，人類對河流的開發(fā)利用應(yīng)以總體上不損害河流的自然功能為前提，水溫是河流重要的物理性水質(zhì)指標(biāo)，人類開發(fā)利用河流對水溫的影響主要體現(xiàn)在河流上建壩以及工業(yè)溫排水，這些人類活動會對魚類和水生生物的生長、農(nóng)作物的灌溉帶來不利影響。河流的開發(fā)利用對水溫的影響分析將為避免水溫不利影響提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]

周端莊.世界河流開發(fā)與水資源利用＼[J＼].人民長江，1995，26（9）：73～79.

＼[2＼]常紅，楊旭東，任大光. 人類與河流的和諧發(fā)展＼[J＼]. 水利科技與經(jīng)濟(jì)，2008，14（3）：184～186.

＼[3＼]劉蘭芬，陳凱麒， 張士杰，等. 河流水電梯級開發(fā)水溫累積影響研究＼[J＼].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2007，35（3）：173～180.

＼[4＼]菲利普等著，王祖浩等譯. 化學(xué)概念與應(yīng)用＼[M＼].杭州：浙江教育出版社，2008：454～493.

＼[5＼]郝振純，李麗，王加虎，等.氣候變化對地表水資源的影響＼[J＼].地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2007，32（3） ：425～432.

＼[6＼]孫艷濤，王惠民，吳修鋒. 梯級開發(fā)對河流徑流過程和水溫過程均化作用的研究＼[J＼]. 長江流域資源與環(huán)境，2010，19（3）：335～339

＼[7＼]孫艷濤，王惠民，吳修鋒. 溫排水對水體生態(tài)環(huán)境影響的分析及處理＼[J＼]. 水資源保護(hù)，2008，24（2）：70～72.

Influence of River Development and Utilization on Water Temperature

Liu Zheyu， Hao Xinhai

（NO.1 Middle School Affiliated to Central China Normal University， Wuhan 430079，China）

Abstract： Based on the specific heat of water， the paper analyzed the effect of water on the climate and rainfall. It also depicted the development and utilization of human beings on the river. The influences of the dam and the hot water drainage on river water temperature were discussed in term of the river hydropower and industrial water use.

Key words： specific heat of water； river； development and utilization； water temperature