祁昌軍，陳凱麒，曹曉紅，翟媛，吳玲玲

(1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京　100012； 2.水電環(huán)境研究院，北京　100012；3.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京　100011)

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水利水電工程水溫影響預(yù)測及技術(shù)復(fù)核要點

祁昌軍1,2，陳凱麒1,2，曹曉紅1,2，翟媛3，吳玲玲1

(1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京100012； 2.水電環(huán)境研究院，北京100012；3.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京100011)

水庫水溫預(yù)測是水利水電工程環(huán)評報告中難度較大、技術(shù)性較強(qiáng)的工作，開展技術(shù)復(fù)核可以從技術(shù)層面客觀、公正地評價環(huán)評報告中環(huán)境影響預(yù)測部分的預(yù)測方法和評價結(jié)論。通過分析水庫水溫預(yù)測存在的問題，結(jié)合水利水電工程水溫影響預(yù)測研究工作及技術(shù)評估要求，依據(jù)地表水環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則，同時結(jié)合水利水電工程環(huán)評及技術(shù)審查要求，提出水庫水溫預(yù)測及技術(shù)復(fù)核要點，并進(jìn)一步提出水庫水溫預(yù)測研究工作的幾點想法，以期為水利水電工程水溫預(yù)測及技術(shù)評估提供參考。

水利水電；水溫預(yù)測；技術(shù)復(fù)核；環(huán)評

大深型水庫水溫分層及其低溫水下泄是水利水電工程建設(shè)引起的重要環(huán)境問題之一，也是環(huán)境影響評價和技術(shù)審查重點關(guān)注的內(nèi)容[1-2]。水庫庫區(qū)水溫及下泄水溫預(yù)測也是水利水電工程環(huán)境影響評價報告或相關(guān)專題中技術(shù)難度較大的一項內(nèi)容，其預(yù)測結(jié)論直接影響到環(huán)評報告對工程實施后影響的評價及相應(yīng)環(huán)保措施設(shè)計的合理性、有效性。從環(huán)評及技術(shù)評估實際情況來看，水庫水溫預(yù)測是水利水電工程環(huán)評工作中容易出現(xiàn)誤差甚至錯誤的部分，該部分內(nèi)容在技術(shù)評估過程中也較難準(zhǔn)確把握。

本文基于水利水電工程水溫影響預(yù)測研究工作總結(jié)，結(jié)合環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心技術(shù)復(fù)核要求，提出水庫水溫預(yù)測及技術(shù)復(fù)核要點，以期為水利水電工程水溫預(yù)測及技術(shù)評估提供參考。

1　技術(shù)復(fù)核總體要求

為客觀、公正地評價環(huán)評報告中預(yù)測部分的預(yù)測方法和評價結(jié)論，環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心逐步對環(huán)評文件中預(yù)測部分內(nèi)容提出技術(shù)復(fù)核的要求。環(huán)評技術(shù)復(fù)核是指依據(jù)國家相關(guān)環(huán)境管理要求和技術(shù)導(dǎo)則規(guī)范，針對重點項目環(huán)評報告書中有關(guān)環(huán)境影響預(yù)測與評價部分開展的技術(shù)性復(fù)核分析的過程。

開展技術(shù)復(fù)核并非是拋開原環(huán)評報告的預(yù)測過程和結(jié)果重新進(jìn)行評價分析，而是從技術(shù)層面客觀、公正地評價各環(huán)評報告中環(huán)境影響預(yù)測部分的預(yù)測方法和評價結(jié)論，杜絕在環(huán)境影響預(yù)測過程中出現(xiàn)“假數(shù)真算”、“真數(shù)假算”的不良現(xiàn)象，同時也可以彌補(bǔ)長期以來技術(shù)評估過于依賴專家主觀判斷的不足。

技術(shù)復(fù)核的基本原則是以環(huán)評報告中的環(huán)境影響預(yù)測部分內(nèi)容及建模、預(yù)測內(nèi)容為基礎(chǔ)，以國家現(xiàn)行技術(shù)導(dǎo)則規(guī)范為依據(jù)，對預(yù)測過程和結(jié)果進(jìn)行計算對比與驗證，重點針對環(huán)評報告中環(huán)境影響預(yù)測所采用的技術(shù)方法、預(yù)測模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模型參數(shù)及預(yù)測結(jié)論進(jìn)行分析與評價，提出環(huán)評報告中環(huán)境影響預(yù)測部分結(jié)論是否可信的結(jié)論[3-4]。

2　水庫水溫預(yù)測存在的問題

水庫水溫預(yù)測與一般水質(zhì)預(yù)測不同，水溫變化可簡單描述為水體作為受熱、傳熱的載體，在水動力、氣溫和水溫的交互影響下發(fā)生的水體納熱、散熱及熱量傳輸過程。影響水溫預(yù)測結(jié)果的因素很多，如水庫運行調(diào)度方式、水電站調(diào)節(jié)性能、入流和出流、氣溫、風(fēng)速、太陽輻射、支流匯入、上游梯級電站下泄水溫等因素[5]。另外，在使用數(shù)值模型計算時，模型選用、參數(shù)選取、邊界條件、初始水溫、網(wǎng)格尺度、時間步長、地形概化等對水溫計算結(jié)果都有重要影響[6]?？偨Y(jié)以往環(huán)評技術(shù)評估和技術(shù)復(fù)核工作，水利水電工程環(huán)評水溫影響預(yù)測主要存在以下幾個方面的問題。

2.1建?；A(chǔ)資料不全

水庫水溫模型建?；A(chǔ)資料主要包括水文資料、氣象資料、地形資料和工程設(shè)計資料4大類。水文資料主要有庫尾入流、支流匯入、發(fā)電出流、泄洪出流、棄水流量、電站運行水位、入流水溫等；氣象資料主要有氣溫、太陽輻射量、日照時數(shù)、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等；地形資料主要有庫區(qū)大斷面地形、水庫水位-庫容-面積曲線；工程設(shè)計資料主要有發(fā)電取水口分布位置、取水口底板高程、取水口數(shù)量及尺寸、泄洪孔底板高程及尺寸、分層取水設(shè)施設(shè)計及運行方案等。由于建模涉及基礎(chǔ)資料較多，對于大型水利水電工程，在可研設(shè)計階段相關(guān)水文、氣象等資料比較詳細(xì)，而對于一般水利水電工程，尤其是在新疆、西藏等實測資料匱乏的地區(qū)，建模所需基礎(chǔ)資料往往難以保障，導(dǎo)致所建模型無法反映模擬對象的客觀情況。

2.2缺乏模型驗證資料

模型率定、驗證是數(shù)值模擬工作的關(guān)鍵內(nèi)容。在對擬建水庫水溫預(yù)測之前，需選取同一流域、位置相近(最理想情況)的已建水庫作為驗證水庫，并且兩個水庫的規(guī)模、調(diào)節(jié)性能、運行調(diào)度方式相似，已建水庫具有較為詳實的實測水溫資料。國內(nèi)已逐步開展水庫水溫原型觀測工作，積累了部分水溫實測資料，但在已開展的水溫觀測工作中，存在觀測方案、測量儀器以及觀測精度不統(tǒng)一等問題，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的整理缺乏系統(tǒng)性。另外，受環(huán)評工作周期限制，預(yù)測所需的實測資料，尤其是模型的重要邊界條件、驗證數(shù)據(jù)等，無法在短期內(nèi)實測獲得，只能通過概化、簡化處理，影響預(yù)測結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。水溫預(yù)測中出現(xiàn)的主要問題有：驗證水庫選取不合理；驗證水庫實測水溫資料不足，無法滿足模型驗證需求；典型時期如封冰期、雙躍溫層期未驗證。

2.3計算范圍概化不合理

模型計算范圍應(yīng)包括擬建水庫全庫區(qū)、主要匯入支流及壩下河段。下泄水溫沿程恢復(fù)預(yù)測應(yīng)在考慮下游河道主要環(huán)境敏感目標(biāo)的前提下，合理延長模擬河道長度至下泄水溫恢復(fù)到天然河道水溫。如擬建水庫上下游有梯級電站，應(yīng)考慮梯級電站下泄水溫累積影響。水溫預(yù)測中出現(xiàn)的主要問題有：庫區(qū)范圍計算不完整，未考慮主要支流，導(dǎo)致模擬庫容比實際庫容小，影響水體納熱、散熱能力；下泄水溫預(yù)測未考慮下游河道主要生態(tài)敏感目標(biāo)，如魚類棲息地、產(chǎn)卵場，水溫減緩措施效果及閾值不明確。

2.4下泄水溫計算方法需改進(jìn)

水庫下泄水體為壩前不同層水體混合后的下泄，其下泄水溫為不同層水體摻混后的水溫(不考慮下泄過程中的能量損失)。環(huán)評報告中，下泄水溫預(yù)測方法大多為直接選取與發(fā)電取水口高程同層的壩前水溫作為下泄水溫，該方法給下泄水溫預(yù)測結(jié)果帶來一定誤差。

2.5模型預(yù)測缺乏規(guī)范指導(dǎo)

《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地面水環(huán)境》(HJ/T 2.3—1993)給出了適用于河、湖、海灣的水質(zhì)污染物預(yù)測模式，但未提出水庫水溫預(yù)測方法、模型及方程原理。2006年，原國家環(huán)境保護(hù)總局印發(fā)了《水電水利建設(shè)項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價技術(shù)指南(試行)》，提出了水庫垂向水溫和下泄水溫數(shù)學(xué)模擬方法，對水庫水溫預(yù)測工作及技術(shù)評估工作起到重要指導(dǎo)作用。但相關(guān)導(dǎo)則、指南均未對水溫數(shù)值模擬的建模過程、基礎(chǔ)資料、率定和驗證、參數(shù)選取、時間和空間尺度提出具體要求，使得實際工作中水溫數(shù)值模擬工作尺度不一、深淺不同，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的合理性無法準(zhǔn)確判定。

3　水庫水溫預(yù)測及技術(shù)復(fù)核要點

依據(jù)地表水環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則，同時結(jié)合水利水電工程環(huán)評及技術(shù)審查要求，水庫水溫預(yù)測及評價部分應(yīng)明確以下幾方面內(nèi)容。

3.1計算方法選擇

水庫水溫預(yù)測首先應(yīng)對水庫水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡易判別，方法主要有：α-β指數(shù)法、密度佛汝得數(shù)法等。在對水庫水溫結(jié)構(gòu)初步判別的基礎(chǔ)上開展水溫預(yù)測，方法主要有：東勘院法、朱伯芳法、統(tǒng)計法、李懷恩公式等經(jīng)驗公式，以及垂向一維模型、立面二維模型和三維模型等數(shù)學(xué)模擬方法。經(jīng)驗公式是研究人員在國內(nèi)外多座水庫實測資料的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，有其適應(yīng)性和實用價值。但經(jīng)驗法反映的是水溫變化的統(tǒng)計性規(guī)律，缺乏對水溫變化規(guī)律的深入研究，在應(yīng)用上有一定局限性。數(shù)學(xué)模型則可以在一定程度上彌補(bǔ)經(jīng)驗法的不足，可考慮氣象、水文等交互過程，缺點是所需資料較多、操作過程復(fù)雜。

根據(jù)水庫水溫結(jié)構(gòu)判別結(jié)果，對于完全混合型且下游無生態(tài)敏感目標(biāo)的水庫，水庫水溫可采用經(jīng)驗公式預(yù)測。對于水溫穩(wěn)定分層的水庫，應(yīng)根據(jù)水庫形態(tài)特征、調(diào)節(jié)性能及下游生態(tài)敏感目標(biāo)等進(jìn)行數(shù)值模擬：縱向尺度較小且流動相對較緩的水庫水溫可采用垂向一維模型計算；水流和水溫橫向變化不大的河道型水庫水溫可采用立面二維模型計算；湖庫型水庫水溫若采用三維模型計算，垂向網(wǎng)格尺度應(yīng)能體現(xiàn)躍溫層的變化，計算結(jié)果可用垂向一維模型對比驗證。當(dāng)計算硬件、資料豐度和研究人員操作能力等條件滿足時，原則上應(yīng)盡量采用二維或三維模型進(jìn)行水溫預(yù)測。

3.2基本資料收集

水庫水溫預(yù)測的基礎(chǔ)資料包括地形、水文、河道水溫、氣象、電站運行調(diào)度、發(fā)電取水口和泄流孔口位置及尺寸、分層取水方案等多種要素。各項資料應(yīng)以實測和設(shè)計資料為依據(jù)，氣象資料應(yīng)采用水庫周邊氣象站臺資料經(jīng)高程修正后加權(quán)平均，入庫水溫資料應(yīng)收集上下游水文站資料進(jìn)行插補(bǔ)，或采用臨近河流水溫資料類比；入庫流量、發(fā)電流量、泄洪流量和水庫水位資料應(yīng)以設(shè)計資料為依據(jù)，符合水庫調(diào)度規(guī)程；采取分層取水措施的，應(yīng)收集分層取水進(jìn)水口型式、設(shè)計參數(shù)、運行方案等。

3.3預(yù)測范圍確定

水庫水溫預(yù)測及評價范圍主要包括3部分：庫區(qū)、主要入庫支流、壩下河段及生態(tài)敏感區(qū)域。庫區(qū)預(yù)測范圍應(yīng)包括從壩址至庫尾回水末端，回水變動區(qū)的庫尾河段不應(yīng)“舍棄”，該段的水動力和入庫水溫對整個庫區(qū)流場和溫度場的影響不可忽略；庫區(qū)主要支流的入流和入庫水溫應(yīng)根據(jù)實測資料確定，主要支庫不宜簡單概化為點源，支庫庫容的納熱、散熱能力應(yīng)計入模型；下游河段應(yīng)重點預(yù)測水溫影響的沿程恢復(fù)情況、到達(dá)生態(tài)敏感區(qū)域的水溫情況，有灌溉要求的，應(yīng)預(yù)測到達(dá)灌區(qū)的水溫恢復(fù)情況。

3.4驗證水庫選取

選用的驗證水庫在地理位置上應(yīng)靠近擬建水庫，以相同流域、相同緯度為宜，氣象要素、水面與大氣的熱交換等條件接近；驗證水庫的規(guī)模、調(diào)節(jié)性能和水溫結(jié)構(gòu)等相近；驗證水庫應(yīng)有較全的入庫、庫區(qū)及下泄水溫實測資料，如無全年的水溫實測資料，至少應(yīng)有春、夏、秋、冬每一季典型月水溫實測資料；所在區(qū)域如有封冰期，則封冰期至少有一個月的實測水溫資料。

3.5計算工況設(shè)計

工程運行后，水庫所在流域的水文、氣象等自然條件變化隨機(jī)，與工程設(shè)計階段模擬預(yù)測的支撐數(shù)據(jù)必然不同。數(shù)值模擬無法窮盡所有可能的工程運行和自然變化情況，但應(yīng)根據(jù)工程特點選取最具有代表性的計算工況。一般邊界條件應(yīng)考慮豐、平、枯典型年水文條件，加上多年平均狀況的氣象條件組合；對于大型水電站且下游有生態(tài)敏感目標(biāo)的，考慮歷史氣象條件、來水水溫及水庫調(diào)度運行等，為反映極端條件對水庫水溫及下泄水溫的影響，針對運行期的高水位、低氣溫、低來水溫度等條件，設(shè)置特殊邊界條件組合工況；擬建工程上游有已建、擬建電站的，應(yīng)計算梯級電站聯(lián)合調(diào)度下的水庫水溫分布情況，預(yù)測河段水溫的累積影響；采取分層取水措施的，應(yīng)考慮不同典型年下單層取水、分層取水水溫計算工況。

3.6模型計算時間

一般計算全年的水庫水溫變化情況。為消除模型初始場的影響，模型以同一年的水文、氣象等資料循環(huán)計算多年后，當(dāng)后一年與前一年的某一時刻溫度場、流場相比滿足相對誤差要求時，則認(rèn)為計算收斂，取后一年計算結(jié)果作為預(yù)測成果。

3.7庫區(qū)地形修正

在工程可研階段，庫區(qū)河道一般具有實測大斷面地形資料，實測斷面間距少則幾百米至1 km，多則數(shù)千米，無法完全反映全庫區(qū)地形情況。對于無實測地形資料的水庫，研究人員則采用網(wǎng)上下載的DEM地形資料，分辨率和準(zhǔn)確度無法保障。地形資料是模型計算最基礎(chǔ)和關(guān)鍵的資料之一，為保證地形的可靠性，在開始各工況水溫計算之前，應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計的水位-庫容-面積曲線進(jìn)行地形修正，以保證各水位下概化地形的庫容和面積與設(shè)計資料一致。

3.8庫區(qū)流場計算

水庫水溫分層是流體密度流現(xiàn)象的一種，水庫水溫分層的形成是庫區(qū)內(nèi)流場(包括來流和出流)、太陽輻射和界面熱交換共同作用的結(jié)果，這種分層現(xiàn)象其實是一種流場和溫度場都隨時間變化的平衡過程。水溫預(yù)測應(yīng)與流場耦合計算，計算結(jié)果應(yīng)首先分析流場，流場結(jié)果不符合一般物理規(guī)律，則應(yīng)調(diào)試模型重新計算。

3.9下泄水溫計算

庫區(qū)水溫預(yù)測值的準(zhǔn)確度是下泄水溫準(zhǔn)確預(yù)測的關(guān)鍵。應(yīng)合理率定水動力和熱平衡參數(shù)，準(zhǔn)確把握預(yù)測水庫庫區(qū)流場和溫度場的分布規(guī)律，確定年內(nèi)庫區(qū)水溫垂向分布結(jié)構(gòu)，通過分析流場分布規(guī)律，識別壩前取水層位置、厚度和層內(nèi)水溫，進(jìn)而分析下泄水溫的變化過程。預(yù)測結(jié)果應(yīng)選取有實測資料的水庫進(jìn)行對比，判斷預(yù)測結(jié)果的合理性。

4　結(jié)語

水庫水溫預(yù)測是水利水電工程環(huán)評報告中難度較大，技術(shù)性較強(qiáng)的工作，雖然《水電水利建設(shè)項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價技術(shù)指南(試行)》中對水溫預(yù)測部分的內(nèi)容提出了具有指導(dǎo)性的說明，但由于影響水庫水溫預(yù)測結(jié)果的因素很多，無論預(yù)測模型、水文條件、氣象條件、地形修正，還是預(yù)測范圍、參數(shù)率定、計算工況、下泄水溫計算方法等，都可能影響到預(yù)測結(jié)果的可靠性、合理性。鑒于此，對于水庫水溫預(yù)測研究提出以下幾點建議：

(1)開展全國水庫水溫調(diào)研、觀測資料收集工作，建立水庫水溫數(shù)據(jù)庫；統(tǒng)計分析全國水庫水溫時空變換一般性規(guī)律，繪制水庫庫表、庫底水溫等值線圖。

(2)基于水溫數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)值模擬方法率定不同類型典型水庫熱平衡參數(shù)，建立不同類型典型水庫水溫預(yù)測熱平衡參數(shù)參考值。

(3)開展分層取水措施效果評估研究，分析采取分層取水措施的水電站下泄水溫變化規(guī)律及下游生態(tài)環(huán)境變化情況。

(4)盡快制定水庫水溫原型觀測規(guī)范以及水庫水溫數(shù)值模擬指導(dǎo)規(guī)范。

(5)加快研究并推出水環(huán)境法規(guī)化模型，利用典型水庫實測資料驗證法規(guī)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]張士杰, 彭文啟. 流域梯級開發(fā)方案調(diào)整的水溫累積影響研究[J]. 水利學(xué)報, 2009, 40(10): 1 254-1 258.

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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

中國長江三峽集團(tuán)公司資助項目(0799556；0799564；0799558)

祁昌軍(1982—)，男，江蘇連云港人，工程師，碩士，主要從事環(huán)境影響評價和水環(huán)境模型研究，E-mail：qcj882@126.com

陳凱麒(1958—)，男，浙江人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水環(huán)境影響評價和數(shù)值模擬研究，E-mail：chenkq@acee.org.cn

10.14068/j.ceia.2016.03.001

X820.3；X143

A

2095-6444(2016)03-0001-04