水利水电工程水温影响预测及技术复核要点

祁昌军，陈凯麒，曹晓红，翟媛，吴玲玲

(1.环境保护部环境工程评估中心，北京　100012； 2.水电环境研究院，北京　100012；3.水利部水利水电规划设计总院，北京　100011)



水利水电工程水温影响预测及技术复核要点

祁昌军1,2，陈凯麒1,2，曹晓红1,2，翟媛3，吴玲玲1

(1.环境保护部环境工程评估中心，北京100012； 2.水电环境研究院，北京100012；3.水利部水利水电规划设计总院，北京100011)

水库水温预测是水利水电工程环评报告中难度较大、技术性较强的工作，开展技术复核可以从技术层面客观、公正地评价环评报告中环境影响预测部分的预测方法和评价结论。通过分析水库水温预测存在的问题，结合水利水电工程水温影响预测研究工作及技术评估要求，依据地表水环境影响评价技术导则，同时结合水利水电工程环评及技术审查要求，提出水库水温预测及技术复核要点，并进一步提出水库水温预测研究工作的几点想法，以期为水利水电工程水温预测及技术评估提供参考。

水利水电；水温预测；技术复核；环评

大深型水库水温分层及其低温水下泄是水利水电工程建设引起的重要环境问题之一，也是环境影响评价和技术审查重点关注的内容[1-2]。水库库区水温及下泄水温预测也是水利水电工程环境影响评价报告或相关专题中技术难度较大的一项内容，其预测结论直接影响到环评报告对工程实施后影响的评价及相应环保措施设计的合理性、有效性。从环评及技术评估实际情况来看，水库水温预测是水利水电工程环评工作中容易出现误差甚至错误的部分，该部分内容在技术评估过程中也较难准确把握。

本文基于水利水电工程水温影响预测研究工作总结，结合环境保护部环境工程评估中心技术复核要求，提出水库水温预测及技术复核要点，以期为水利水电工程水温预测及技术评估提供参考。

1　技术复核总体要求

为客观、公正地评价环评报告中预测部分的预测方法和评价结论，环境保护部环境工程评估中心逐步对环评文件中预测部分内容提出技术复核的要求。环评技术复核是指依据国家相关环境管理要求和技术导则规范，针对重点项目环评报告书中有关环境影响预测与评价部分开展的技术性复核分析的过程。

开展技术复核并非是抛开原环评报告的预测过程和结果重新进行评价分析，而是从技术层面客观、公正地评价各环评报告中环境影响预测部分的预测方法和评价结论，杜绝在环境影响预测过程中出现“假数真算”、“真数假算”的不良现象，同时也可以弥补长期以来技术评估过于依赖专家主观判断的不足。

技术复核的基本原则是以环评报告中的环境影响预测部分内容及建模、预测内容为基础，以国家现行技术导则规范为依据，对预测过程和结果进行计算对比与验证，重点针对环评报告中环境影响预测所采用的技术方法、预测模型、基础数据、模型参数及预测结论进行分析与评价，提出环评报告中环境影响预测部分结论是否可信的结论[3-4]。

2　水库水温预测存在的问题

水库水温预测与一般水质预测不同，水温变化可简单描述为水体作为受热、传热的载体，在水动力、气温和水温的交互影响下发生的水体纳热、散热及热量传输过程。影响水温预测结果的因素很多，如水库运行调度方式、水电站调节性能、入流和出流、气温、风速、太阳辐射、支流汇入、上游梯级电站下泄水温等因素[5]。另外，在使用数值模型计算时，模型选用、参数选取、边界条件、初始水温、网格尺度、时间步长、地形概化等对水温计算结果都有重要影响[6]。总结以往环评技术评估和技术复核工作，水利水电工程环评水温影响预测主要存在以下几个方面的问题。

2.1建模基础资料不全

水库水温模型建模基础资料主要包括水文资料、气象资料、地形资料和工程设计资料4大类。水文资料主要有库尾入流、支流汇入、发电出流、泄洪出流、弃水流量、电站运行水位、入流水温等；气象资料主要有气温、太阳辐射量、日照时数、相对湿度、风速、风向等；地形资料主要有库区大断面地形、水库水位-库容-面积曲线；工程设计资料主要有发电取水口分布位置、取水口底板高程、取水口数量及尺寸、泄洪孔底板高程及尺寸、分层取水设施设计及运行方案等。由于建模涉及基础资料较多，对于大型水利水电工程，在可研设计阶段相关水文、气象等资料比较详细，而对于一般水利水电工程，尤其是在新疆、西藏等实测资料匮乏的地区，建模所需基础资料往往难以保障，导致所建模型无法反映模拟对象的客观情况。

2.2缺乏模型验证资料

模型率定、验证是数值模拟工作的关键内容。在对拟建水库水温预测之前，需选取同一流域、位置相近(最理想情况)的已建水库作为验证水库，并且两个水库的规模、调节性能、运行调度方式相似，已建水库具有较为详实的实测水温资料。国内已逐步开展水库水温原型观测工作，积累了部分水温实测资料，但在已开展的水温观测工作中，存在观测方案、测量仪器以及观测精度不统一等问题，内业数据的整理缺乏系统性。另外，受环评工作周期限制，预测所需的实测资料，尤其是模型的重要边界条件、验证数据等，无法在短期内实测获得，只能通过概化、简化处理，影响预测结果的科学性、准确性。水温预测中出现的主要问题有：验证水库选取不合理；验证水库实测水温资料不足，无法满足模型验证需求；典型时期如封冰期、双跃温层期未验证。

2.3计算范围概化不合理

模型计算范围应包括拟建水库全库区、主要汇入支流及坝下河段。下泄水温沿程恢复预测应在考虑下游河道主要环境敏感目标的前提下，合理延长模拟河道长度至下泄水温恢复到天然河道水温。如拟建水库上下游有梯级电站，应考虑梯级电站下泄水温累积影响。水温预测中出现的主要问题有：库区范围计算不完整，未考虑主要支流，导致模拟库容比实际库容小，影响水体纳热、散热能力；下泄水温预测未考虑下游河道主要生态敏感目标，如鱼类栖息地、产卵场，水温减缓措施效果及阈值不明确。

2.4下泄水温计算方法需改进

水库下泄水体为坝前不同层水体混合后的下泄，其下泄水温为不同层水体掺混后的水温(不考虑下泄过程中的能量损失)。环评报告中，下泄水温预测方法大多为直接选取与发电取水口高程同层的坝前水温作为下泄水温，该方法给下泄水温预测结果带来一定误差。

2.5模型预测缺乏规范指导

《环境影响评价技术导则 地面水环境》(HJ/T 2.3—1993)给出了适用于河、湖、海湾的水质污染物预测模式，但未提出水库水温预测方法、模型及方程原理。2006年，原国家环境保护总局印发了《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)》，提出了水库垂向水温和下泄水温数学模拟方法，对水库水温预测工作及技术评估工作起到重要指导作用。但相关导则、指南均未对水温数值模拟的建模过程、基础资料、率定和验证、参数选取、时间和空间尺度提出具体要求，使得实际工作中水温数值模拟工作尺度不一、深浅不同，导致预测结果的合理性无法准确判定。

3　水库水温预测及技术复核要点

依据地表水环境影响评价技术导则，同时结合水利水电工程环评及技术审查要求，水库水温预测及评价部分应明确以下几方面内容。

3.1计算方法选择

水库水温预测首先应对水库水温结构进行简易判别，方法主要有：α-β指数法、密度佛汝得数法等。在对水库水温结构初步判别的基础上开展水温预测，方法主要有：东勘院法、朱伯芳法、统计法、李怀恩公式等经验公式，以及垂向一维模型、立面二维模型和三维模型等数学模拟方法。经验公式是研究人员在国内外多座水库实测资料的基础上总结出来的，有其适应性和实用价值。但经验法反映的是水温变化的统计性规律，缺乏对水温变化规律的深入研究，在应用上有一定局限性。数学模型则可以在一定程度上弥补经验法的不足，可考虑气象、水文等交互过程，缺点是所需资料较多、操作过程复杂。

根据水库水温结构判别结果，对于完全混合型且下游无生态敏感目标的水库，水库水温可采用经验公式预测。对于水温稳定分层的水库，应根据水库形态特征、调节性能及下游生态敏感目标等进行数值模拟：纵向尺度较小且流动相对较缓的水库水温可采用垂向一维模型计算；水流和水温横向变化不大的河道型水库水温可采用立面二维模型计算；湖库型水库水温若采用三维模型计算，垂向网格尺度应能体现跃温层的变化，计算结果可用垂向一维模型对比验证。当计算硬件、资料丰度和研究人员操作能力等条件满足时，原则上应尽量采用二维或三维模型进行水温预测。

3.2基本资料收集

水库水温预测的基础资料包括地形、水文、河道水温、气象、电站运行调度、发电取水口和泄流孔口位置及尺寸、分层取水方案等多种要素。各项资料应以实测和设计资料为依据，气象资料应采用水库周边气象站台资料经高程修正后加权平均，入库水温资料应收集上下游水文站资料进行插补，或采用临近河流水温资料类比；入库流量、发电流量、泄洪流量和水库水位资料应以设计资料为依据，符合水库调度规程；采取分层取水措施的，应收集分层取水进水口型式、设计参数、运行方案等。

3.3预测范围确定

水库水温预测及评价范围主要包括3部分：库区、主要入库支流、坝下河段及生态敏感区域。库区预测范围应包括从坝址至库尾回水末端，回水变动区的库尾河段不应“舍弃”，该段的水动力和入库水温对整个库区流场和温度场的影响不可忽略；库区主要支流的入流和入库水温应根据实测资料确定，主要支库不宜简单概化为点源，支库库容的纳热、散热能力应计入模型；下游河段应重点预测水温影响的沿程恢复情况、到达生态敏感区域的水温情况，有灌溉要求的，应预测到达灌区的水温恢复情况。

3.4验证水库选取

选用的验证水库在地理位置上应靠近拟建水库，以相同流域、相同纬度为宜，气象要素、水面与大气的热交换等条件接近；验证水库的规模、调节性能和水温结构等相近；验证水库应有较全的入库、库区及下泄水温实测资料，如无全年的水温实测资料，至少应有春、夏、秋、冬每一季典型月水温实测资料；所在区域如有封冰期，则封冰期至少有一个月的实测水温资料。

3.5计算工况设计

工程运行后，水库所在流域的水文、气象等自然条件变化随机，与工程设计阶段模拟预测的支撑数据必然不同。数值模拟无法穷尽所有可能的工程运行和自然变化情况，但应根据工程特点选取最具有代表性的计算工况。一般边界条件应考虑丰、平、枯典型年水文条件，加上多年平均状况的气象条件组合；对于大型水电站且下游有生态敏感目标的，考虑历史气象条件、来水水温及水库调度运行等，为反映极端条件对水库水温及下泄水温的影响，针对运行期的高水位、低气温、低来水温度等条件，设置特殊边界条件组合工况；拟建工程上游有已建、拟建电站的，应计算梯级电站联合调度下的水库水温分布情况，预测河段水温的累积影响；采取分层取水措施的，应考虑不同典型年下单层取水、分层取水水温计算工况。

3.6模型计算时间

一般计算全年的水库水温变化情况。为消除模型初始场的影响，模型以同一年的水文、气象等资料循环计算多年后，当后一年与前一年的某一时刻温度场、流场相比满足相对误差要求时，则认为计算收敛，取后一年计算结果作为预测成果。

3.7库区地形修正

在工程可研阶段，库区河道一般具有实测大断面地形资料，实测断面间距少则几百米至1 km，多则数千米，无法完全反映全库区地形情况。对于无实测地形资料的水库，研究人员则采用网上下载的DEM地形资料，分辨率和准确度无法保障。地形资料是模型计算最基础和关键的资料之一，为保证地形的可靠性，在开始各工况水温计算之前，应根据工程设计的水位-库容-面积曲线进行地形修正，以保证各水位下概化地形的库容和面积与设计资料一致。

3.8库区流场计算

水库水温分层是流体密度流现象的一种，水库水温分层的形成是库区内流场(包括来流和出流)、太阳辐射和界面热交换共同作用的结果，这种分层现象其实是一种流场和温度场都随时间变化的平衡过程。水温预测应与流场耦合计算，计算结果应首先分析流场，流场结果不符合一般物理规律，则应调试模型重新计算。

3.9下泄水温计算

库区水温预测值的准确度是下泄水温准确预测的关键。应合理率定水动力和热平衡参数，准确把握预测水库库区流场和温度场的分布规律，确定年内库区水温垂向分布结构，通过分析流场分布规律，识别坝前取水层位置、厚度和层内水温，进而分析下泄水温的变化过程。预测结果应选取有实测资料的水库进行对比，判断预测结果的合理性。

4　结语

水库水温预测是水利水电工程环评报告中难度较大，技术性较强的工作，虽然《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)》中对水温预测部分的内容提出了具有指导性的说明，但由于影响水库水温预测结果的因素很多，无论预测模型、水文条件、气象条件、地形修正，还是预测范围、参数率定、计算工况、下泄水温计算方法等，都可能影响到预测结果的可靠性、合理性。鉴于此，对于水库水温预测研究提出以下几点建议：

(1)开展全国水库水温调研、观测资料收集工作，建立水库水温数据库；统计分析全国水库水温时空变换一般性规律，绘制水库库表、库底水温等值线图。

(2)基于水温数据库，通过数值模拟方法率定不同类型典型水库热平衡参数，建立不同类型典型水库水温预测热平衡参数参考值。

(3)开展分层取水措施效果评估研究，分析采取分层取水措施的水电站下泄水温变化规律及下游生态环境变化情况。

(4)尽快制定水库水温原型观测规范以及水库水温数值模拟指导规范。

(5)加快研究并推出水环境法规化模型，利用典型水库实测资料验证法规化模型。

[1]QI Chang-jun, ZHAI Yuan, LU Bao-hong,etal. Research on Vertical Distribution of Water Temperature in Different Regulation Reservoirs[J]. Advanced Materials Research, 2014, 955-959: 3 190-3 197.

[2]张士杰, 彭文启. 流域梯级开发方案调整的水温累积影响研究[J]. 水利学报, 2009, 40(10): 1 254-1 258.

[3]丁峰, 李时蓓, 赵晓宏. 大气环境影响预测与评价编写及技术复核要点分析[J]. 环境监测管理与技术, 2008, 20(6): 65-68.

[4]丁峰, 伯鑫, 易爱华, 等. 大气环境影响评价技术复核规范与典型案例分析[J]. 环境污染与防治, 2014, 36(11): 92-99.

[5]QI Chang-jun, LU Bao-hong. Study of the temporal and spatial distribution of water temperature in Ertan Reservoir based on prototype observation[J]. Advanced Materials Research, 2014, 864-867: 2 278-2 287.

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Prediction of Impact on Water Temperature by Hydraulic and Hydro-power Engineering and Key Points in Technical Review

QI Chang-jun1,2, CHEN Kai-qi1,2, CAO Xiao-hong1,2, ZHAI Yuan3， WU Ling-ling1

(1.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China; 2.Institute of Hydropower and Environment Research, Beijing 100012, China; 3.China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100011, China)

Water temperature prediction of reservoir is a work of much difficulties and complex technical skills in the EIA reports of water conservancy and hydro-power engineering. Technical review can provide an objective and fair evaluation on the prediction approach and conclusions from a technical perspective. The problems in water temperature prediction of reservoir were analyzed, in consideration of the requirements on research and technical evaluation on water temperature prediction of hydraulic and hydro-power engineering, according to the technical guidelines of surface water environmental impact assessment. Meanwhile, on base of the requirements on environmental influence evaluation and technical review for hydraulic and hydro-power engineering, key points of prediction and technical review for water temperature of reservoir were raised. Further, some ideas on predication and research of water temperature of reservoir were given as references for prediction and technical evaluation of water temperature in hydraulic and hydro-power engineering.

water conservancy and hydro-power; water temperature prediction; technical review; EIA

2015-12-08

中国长江三峡集团公司资助项目(0799556；0799564；0799558)

祁昌军(1982—)，男，江苏连云港人，工程师，硕士，主要从事环境影响评价和水环境模型研究，E-mail：qcj882@126.com

陈凯麒(1958—)，男，浙江人，研究员，博士生导师，主要从事水环境影响评价和数值模拟研究，E-mail：chenkq@acee.org.cn

10.14068/j.ceia.2016.03.001

X820.3；X143

A

2095-6444(2016)03-0001-04