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摘要:
水庫水溫預測是水利水電工程環評報告中難度較大、技術性較強的工作，開展技術復核可以從技術層面客觀、公正地評價環評報告中環境影響預測部分的預測方法和評價結論。通過分析水庫水溫預測存在的問題，結合水利水電工程水溫影響預測研究工作及技術評估要求，依據地表水環境影響評價技術導則，同時結合水利水電工程環評及技術審查要求，提出水庫水溫預測及技術復核要點，并進一步提出水庫水溫預測研究工作的幾點想法，以期為水利水電工程水溫預測及技術評估提供參考。
關鍵詞:
水利水電;水溫預測;技術復核;環評
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引起的重要環境問題之一，也是環境影響評價和技術審點關注的內容［1－2］。水庫庫區水溫及下泄水溫預測也是水利水電工程環境影響評價報告或相關專題中技術難度較大的一項內容，其預測結論直接影響到環評報告對工程實施后影響的評價及相應環保措施設計的合理性、有效性。從環評及技術評估實際情況來看，水庫水溫預測是水利水電工程環評工作中容易出現誤差甚至錯誤的部分，該部分內容在技術評估過程中也較難準確把握。本文基于水利水電工程水溫影響預測研究工作總結，結合環境保護部環境工程評估中心技術復核要求，提出水庫水溫預測及技術復核要點，以期為水利水電工程水溫預測及技術評估提供參考。
1技術復核總體要求
為客觀、公正地評價環評報告中預測部分的預測方法和評價結論，環境保護部環境工程評估中心逐步對環評文件中預測部分內容提出技術復核的要求。環評技術復核是指依據國家相關環境管理要求和技術導則規范，針對重點項目環評報告書中有關環境影響預測與評價部分開展的技術性復核分析的過程。開展技術復核并非是拋開原環評報告的預測過程和結果重新進行評價分析，而是從技術層面客觀、公正地評價各環評報告中環境影響預測部分的預測方法和評價結論，杜絕在環境影響預測過程中出現“假數真算”、“真數假算”的不良現象，同時也可以彌補長期以來技術評估過于依賴專家主觀判斷的不足。技術復核的基本原則是以環評報告中的環境影響預測部分內容及建模、預測內容為基礎，以國家現行技術導則規范為依據，對預測過程和結果進行計算對比與驗證，重點針對環評報告中環境影響預測所采用的技術方法、預測模型、基礎數據、模型參數及預測結論進行分析與評價，提出環評報告中環境影響預測部分結論是否可信的結論［3－4］。
2水庫水溫預測存在的問題
水庫水溫預測與一般水質預測不同，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生的水體納熱、散熱及熱量傳輸過程。影響水溫預測結果的因素很多，如水庫運行調度方式、水電站調節性能、入流和出流、氣溫、風速、太陽輻射、支流匯入、上游梯級電站下泄水溫等因素［5］。另外，在使用數值模型計算時，模型選用、參數選取、邊界條件、初始水溫、網格尺度、時間步長、地形概化等對水溫計算結果都有重要影響［6］。總結以往環評技術評估和技術復核工作，水利水電工程環評水溫影響預測主要存在以下幾個方面的問題。
2.1建?；A資料不全
水庫水溫模型建?；A資料主要包括水文資料、氣象資料、地形資料和工程設計資料4大類。水文資料主要有庫尾入流、支流匯入、發電出流、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、相對濕度、風速、風向等;地形資料主要有庫區大斷面地形、水庫水位-庫容-面積曲線;工程設計資料主要有發電取水口分布位置、取水口底板高程、取水口數量及尺寸、泄洪孔底板高程及尺寸、分層取水設施設計及運行方案等。由于建模涉及基礎資料較多，對于大型水利水電工程，在可研設計階段相關水文、氣象等資料比較詳細，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，建模所需基礎資料往往難以保障，導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、驗證是數值模擬工作的關鍵內容。在對擬建水庫水溫預測之前，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，并且兩個水庫的規模、調節性能、運行調度方式相似，已建水庫具有較為詳實的實測水溫資料。國內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一等問題，內業數據的整理缺乏系統性。另外，受環評工作周期限制，預測所需的實測資料，尤其是模型的重要邊界條件、驗證數據等，無法在短期內實測獲得，只能通過概化、簡化處理，影響預測結果的科學性、準確性。水溫預測中出現的主要問題有: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
模型計算范圍應包括擬建水庫全庫區、主要匯入支流及壩下河段。下泄水溫沿程恢復預測應在考慮下游河道主要環境敏感目標的前提下，合理延長模擬河道長度至下泄水溫恢復到天然河道水溫。如擬建水庫上下游有梯級電站，應考慮梯級電站下泄水溫累積影響。水溫預測中出現的主要問題有:庫區范圍計算不完整，未考慮主要支流，導致模擬庫容比實際庫容小，影響水體納熱、散熱能力;下泄水溫預測未考慮下游河道主要生態敏感目標，如魚類棲息地、產卵場，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
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)。環評報告中，下泄水溫預測方法大多為直接選取與發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測結果帶來一定誤差。
2.5模型預測缺乏規范指導
《環境影響評價技術導則地面水環境》(HJ/T2.3—1993)給出了適用于河、湖、海灣的水質污染物預測模式，但未提出水庫水溫預測方法、模型及方程原理。2006年，原國家環境保護總局印發了《水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南(試行)》，提出了水庫垂向水溫和下泄水溫數學模擬方法，對水庫水溫預測工作及技術評估工作起到重要指導作用。但相關導則、指南均未對水溫數值模擬的建模過程、基礎資料、率定和驗證、參數選取、時間和空間尺度提出具體要求，使得實際工作中水溫數值模擬工作尺度不一、深淺不同，導致預測結果的合理性無法準確判定。
3水庫水溫預測及技術復核要點
依據地表水環境影響評價技術導則，同時結合水利水電工程環評及技術審查要求，水庫水溫預測及評價部分應明確以下幾方面內容。
3.1計算方法選擇
水庫水溫預測首先應對水庫水溫結構進行簡易判別，方法主要有:α-β指數法、密度佛汝得數法等。在對水庫水溫結構初步判別的基礎上開展水溫預測，方法主要有:東勘院法、朱伯芳法、統計法、李懷恩公式等經驗公式，以及垂向一維模型、立面二維模型和三維模型等數學模擬方法。經驗公式是研究人員在國內外多座水庫實測資料的基礎上總結出來的，有其適應性和實用價值。但經驗法反映的是水溫變化的統計性規律，缺乏對水溫變化規律的深入研究，在應用上有一定局限性。數學模型則可以在一定程度上彌補經驗法的不足，可考慮氣象、水文等交互過程，缺點是所需資料較多、操作過程復雜。根據水庫水溫結構判別結果，對于完全混合型且下游無生態敏感目標的水庫，水庫水溫可采用經驗公式預測。對于水溫穩定分層的水庫，應根據水庫形態特征、調節性能及下游生態敏感目標等進行數值模擬: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，垂向網格尺度應能體現躍溫層的變化，計算結果可用垂向一維模型對比驗證。當計算硬件、資料豐度和研究人員操作能力等條件滿足時，原則上應盡量采用二維或三維模型進行水溫預測。
3.2基本資料收集
水庫水溫預測的基礎資料包括地形、水文、河道水溫、氣象、電站運行調度、發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。各項資料應以實測和設計資料為依據，氣象資料應采用水庫周邊氣象站臺資料經高程修正后加權平均，入庫水溫資料應收集上下游水文站資料進行插補，或采用臨近河流水溫資料類比;入庫流量、發電流量、泄洪流量和水庫水位資料應以設計資料為依據，符合水庫調度規程;采取分層取水措施的，應收集分層取水進水口型式、設計參數、運行方案等。
3.3預測范圍確定
水庫水溫預測及評價范圍主要包括3部分:庫區、主要入庫支流、壩下河段及生態敏感區域。庫區預測范圍應包括從壩址至庫尾回水末端，回水變動區的庫尾河段不應“舍棄”，該段的水動力和入庫水溫對整個庫區流場和溫度場的影響不可忽略;庫區主要支流的入流和入庫水溫應根據實測資料確定，主要支庫不宜簡單概化為點源，支庫庫容的納熱、散熱能力應計入模型;下游河段應重點預測水溫影響的沿程恢復情況、到達生態敏感區域的水溫情況，有灌溉要求的，應預測到達灌區的水溫恢復情況。
3.4驗證水庫選取
選用的驗證水庫在地理位置上應靠近擬建水庫，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;驗證水庫的規模、調節性能和水溫結構等相近;驗證水庫應有較全的入庫、庫區及下泄水溫實測資料，如無全年的水溫實測資料，至少應有春、夏、秋、冬每一季典型月水溫實測資料;所在區域如有封冰期，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，與工程設計階段模擬預測的支撐數據必然不同。數值模擬無法窮盡所有可能的工程運行和自然變化情況，但應根據工程特點選取最具有代表性的計算工況。一般邊界條件應考慮豐、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敏感目標的，考慮歷史氣象條件、來水水溫及水庫調度運行等，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，應計算梯級電站聯合調度下的水庫水溫分布情況，預測河段水溫的累積影響;采取分層取水措施的，應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、氣象等資料循環計算多年后，當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，則認為計算收斂，取后一年計算結果作為預測成果。
3.7庫區地形修正
在工程可研階段，庫區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1km，多則數千米，無法完全反映全庫區地形情況。對于無實測地形資料的水庫，研究人員則采用網上下載的DEM地形資料，分辨率和準確度無法保障。地形資料是模型計算最基礎和關鍵的資料之一，為保證地形的可靠性，在開始各工況水溫計算之前，應根據工程設計的水位-庫容-面積曲線進行地形修正，以保證各水位下概化地形的庫容和面積與設計資料一致。
3.8庫區流場計算
水庫水溫分層是流體密度流現象的一種，水庫水溫分層的形成是庫區內流場(包括來流和出流)、太陽輻射和界面熱交換共同作用的結果，這種分層現象其實是一種流場和溫度場都隨時間變化的平衡過程。水溫預測應與流場耦合計算，計算結果應首先分析流場，流場結果不符合一般物理規律，則應調試模型重新計算。
3.9下泄水溫計算
庫區水溫預測值的準確度是下泄水溫準確預測的關鍵。應合理率定水動力和熱平衡參數，準確把握預測水庫庫區流場和溫度場的分布規律，確定年內庫區水溫垂向分布結構，通過分析流場分布規律，識別壩前取水層位置、厚度和層內水溫，進而分析下泄水溫的變化過程。預測結果應選取有實測資料的水庫進行對比，判斷預測結果的合理性。
4結語
水庫水溫預測是水利水電工程環評報告中難度較大，技術性較強的工作，雖然《水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南(試行)》中對水溫預測部分的內容提出了具有指導性的說明，但由于影響水庫水溫預測結果的因素很多，無論預測模型、水文條件、氣象條件、地形修正，還是預測范圍、參數率定、計算工況、下泄水溫計算方法等，都可能影響到預測結果的可靠性、合理性。鑒于此，對于水庫水溫預測研究提出以下幾點建議:
(1)開展全國水庫水溫調研、觀測資料收集工作，建立水庫水溫數據庫;統計分析全國水庫水溫時空變換一般性規律，繪制水庫庫表、庫底水溫等值線圖。
(2)基于水溫數據庫，通過數值模擬方法率定不同類型典型水庫熱平衡參數，建立不同類型典型水庫水溫預測熱平衡參數參考值。
(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律及下游生態環境變化情況。
(4)盡快制定水庫水溫原型觀測規范以及水庫水溫數值模擬指導規范。
(5)加快研究并推出水環境法規化模型，利用典型水庫實測資料驗證法規化模型。
作者：祁昌軍 陳凱麒 曹曉紅 翟媛 吳玲玲 單位：環境保護部環境工程評估中心 水電環境研究院 水利部水利水電規劃設計總院
參考文獻:
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