东江水电站水温预测模型回顾评价

东江水电站水温预测模型回顾评价

薛联芳’

（中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙４１００１４）

摘要：本文利用东江水库建库前后水温实测成果，分析了东江水库和下游水温时空变化特征，对比环境影响报告书水温预测结果，对报告书所采用的预测方法和模型进行了分析与评价。认为东江水电站环境影响评价所采用的预测模型和方法是合理的，但应用时要注意各种模型的使用条件和预测对象的特征，此外，下泄流量等工程基础资料对下游水温预测结果影响较大，应确保其准确性。关键词：水温模型回顾评价

ＡＲｅｔｒｏｓｐｅｃｔｉｖｅＳｔｕｄｙｏｆＷａｔｅｒＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤｒｅｄｉｃｔｉｎｇＭｏｄｅｌｓｏｆ

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‘作者简介：薛联芳，１９６４年７月，男，汉族，福建省上杭县，教高，硕士。

１９９

一、刖

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置

水温是重要的水化学因素和生态因子，随着许多高坝大库的建成投产，特别是一些调节性能好的深水水库，水库水温呈稳定分层型，影响水库水质；其下泄的低温水极大地改变了天然河流的水温分布，一方面形成低温冷害，给下游农业灌溉和水生生态环境带来不利影响；另一方面，低温水又是二种资源，合理利用将给企业带来经济效益，因此，水库及下游水温是水电工程建设中重要的环境影响因素。为了准确计算水库下泄低温水的时空变化，许多学者对此进行了大量的研究，提出了各种计算水温的方法，这些方法主要归结为两大类，即数学模型法和经验公式法，前者通过分析影响水温的主要因子，根据热量、质量平衡原理建立数学模型，具有一定的普遍性，但资料要求也较高，计算较为复杂；后者计算简单，但往往存在局限性，精度也较差。为了解决水温计算复杂性、精确性和普遍性的矛盾，许多学者对数学模型进行简化处理，得出各种简化模型。本文利用东江水电站建库前后水温实测成果，分析了东江水库和下游水温时空变化特征，对比环境影响报告书水温预测结果，对各种预测方法和模型进行了分析与评价。认为东江水电站环境影响评价所采用的预测模型和方法是合理的，但应用时要注意各种模型的使用条件和预测对象的特征，此外，下泄流量等工程基础资料对下游水温预测结果影响较大，应确保其准确性。

工程概况及资料来源

东江水电站位于湖南省湘江支流耒水上游资兴市境内，坝址以上集水面积４７１９ｋｍ２，多年平均水量４５亿ｍ３，水库正常蓄水位２８５ｍ，相应面积１６０ｋｍ２，库容８１．２亿ｍ３，坝前最大水深１４１ｍ，具有多年调节性能。工程以发电为主，兼有防洪、航运、供水、水库养殖等综合效益，电站装机４台，总容量５０万ｋＷ，年发电量１３．２亿ｋＷ．ｈ。

东江水库库区由资兴江库区和来水干流库区两部分组成，资兴江库区类似湖泊，

长４０ｋｍ，宽１＂－６ｋｍ，水深１００＂～１４０ｍ，库容占总库容的６０％以上。耒水干流库区坝前

最大水深１４１ｍ，长约７２ｋｍ，水面狭窄，为河道型，水库概况见图ｌ。

电站于１９８６年８月２日下闸蓄水，１９８９年９月基本完建。１９９２年７月水库蓄至２８３ｍ。东江水电站下游９ｋｍ处，建有小东江反调节水库，主要保证东江水电站在系统中调峰和满足下游工农业用水要求。

东江水电站是我国开展水利水电工程环境影响评价的试点项目之一，在建库前开展了大量的环境现状调查、监测和环境影响预测评价方法研究工作，较为系统地提出了水利水电过程环境影响评价的内容、程序和具体预测评价方法，其中，水温预测既采用了各种经验公式，同时也在国内首次将数学模型应用于工程实践，为了检验预测成果，从建库前１９８３年开始至建库后１９９４年１２月，进行了长达１２年的环境生态跟踪监测和调查工作，采用点与面、长期与短期监测相结合的办法，共设置各类监测站（点、断面）

１１７个（见图２），取得了大量实测数据、图片和文字资料。１９９卜１９９１年和１９９３年分别在

水库坝前、厚玉、滁口和电站下游东江镇（距坝址１０ｋｍ）、永兴县城（距坝址６０ｋｍ）、末

阳县城（距坝址１２６ｋｍ）设立水温观测断面（点）进行观测，并收集了建库前后水文

站、气象站观测资料和电站运行资料，为开展水温预测模型回顾分析评价积累了宝贵的

数据。

图１东江水库环境监测断面（站）布置

２０１

东江水电站水库温度场分析

（一）水温垂向分布

图２为东江水库坝前、厚玉、滁口断面１９９３年实测年平均水温垂向分布，可见，大坝和厚玉断面年平均水温垂向分布非常接近，呈现典型分层型水库特征，水温随深度增加迅速降低，库表与库底（７０ｍ深）水温差分别为８．５℃和７．９℃。但是，滁口断面水温随深度变化很小，几乎可视为等温层，库表与库底温差仅为ｌ℃，这是由于水库特殊的形状和干、支流来水量差别很大而造成的。东江水库蓄水区主要集中在资兴江、旧市、厚玉盆地，该支流年入库水量不到总入库水量的３５％，但库容却占总库容的８０％以上；干流水库形状为河道型，库容不到总库容的２０％，而入库水量却占总入库水量的６５％以上，从而造成坝前、厚玉断面水温稳定分层，而滁口断面受入库来水，尤其是洪水的影响而打破水温分层状态，成为混合型。

１２０

１４

１６

１８

２０２２２４２６

２８水温，℃

ｌＯ

２０暑

聪３０＊

４０

５０

６０

７０

（ａ）年平均水温（ｂ）坝前各月水温

图２东江水库年平均水温随深度变化

（二）水平分布

对比坝前断面左、中、右测点不同水深的水温，基本趋于等温分布，同一水层水温

变化在０．１４－－－０．６＂Ｃ，库底水温由于库盆的影响，相差要大些。因此，可以认为水体温度

在水平方面基本成等温分布。

（三）纵向分布

对比分析１月、７月坝前一厚玉一滁口纵断面水温分布，厚玉与坝前水温相差不大，

基本处于等温状态。１月，滁口与坝前表面水温相差０．９＂Ｃ，且随着水深增加而逐渐减

小，至水深３５ｍ处，基本处于等温状态。７月，滁口与坝前表面水温虽然只相差０．３℃，但由于滁口断面水温分层属于混合型，水温随深度变化小，从而使水温纵向分布由水平状向倾斜状发展，至水深６０ｍ处，滁口与大坝水温相差达１５．４＂Ｃ。

四、水库水温预测模型回顾评价

（一）年平均水温

１．库表水沮

在东江水库环境影响评价中，曾采用入库来水热量平衡法、气温一水温相关图法、

界面热量平衡法预测东江水库年平均库表水温，预测结果与实测水温比较见表ｌ，可见，预测值与实测值非常接近，说明所采用的方法是正确可行的。

表１

东江水库坝前库表水温预测值与实测值比较表

预

测

值

实测值

２１．Ｏ

项目

来水热量平衡法

２１．２

相关法

２０．５

界面热量平衡法

２１．２

ｉ平均

２１．０

误差

Ｏ．０

水锄℃

２．库底水温

库底水温受纬度、水深、水下建筑物、泥沙淤积和库底泥（石）温等的影响，东江水库为泥沙淤积量小的深水水库，因此，前两项因子对库底水温影响较大。在环境影响评价中，根据相关法、经验估算法、经验公式法预测东江水库库底平均水温分别为１２℃、１０．６＂Ｃ、７．５℃，平均值为１０．０℃。与实测值１２．５℃比较，相关法精度最高，预测值与实测值相差仅０．５℃：经验公式法精度较差，这可能是由于该公式是以丹江口等纬度较高的水库实测水温资料拟合而得，不适于应用到纬度较低的东江水库所致。

３．各深度年平均水温

在环境影响评价中，根据库表水温、库底水温预测结果，采用“水科院”经验公式和矩法预测东江水库年平均水温随深度变化，预测值与实测值比较见表２。由表可见，预测值与实测值在水库表层基本一致，但随着水深增大，误差值也越大，至水深５０ｍ以下误差达一２．５℃，这主要是由于预测时所采用的库底水温与实测库底水温存在误差所致。若将实测库表、库底水温代入原预测公式，其计算值与实测值非常紧接，除个别外，大部分误差＜Ｏ．１℃，说明只要正确地确定水库年平均库表、库底水温，采用上述方法预测水库各深度年平均水温精度较高，有较好的适应性，从而也说明在环境影

响评价中所采用的方法是正确的，这些方法能够比较精确地模拟东江水库年平均水温

随深度变化。

（二）月平均水温

１．月平均库表面水温

如上所述，库表水温主要受气候条件的影响，环境影响评价中根据类比法和热平衡法预测东江水库库表月平均水温，预测结果与实测值比较见表３，由表可见，预测值与实

测值最大误差为２＂Ｃ，出现在８月，其余各月误差有正有负，绝对值一般为Ｏ．５～１．７＂Ｃ。‘若将建库后同期各月平均气温、太阳辐射、总云量、蒸发量、风速等基础资料分别代入

热平衡法和类比法的计算公式，计算结果与实测值相比，误差值略有减小，最大误差为

１．６℃，出现在２月。分析原因，主要是由于类比法所用的直线回归方程在２月本身就有较大的误差。

表２

０ｍ

ｌｍ２０．７２１．Ｏ２０．９２１．０一Ｏ．１

５ｍ１９．２２０．５１９．９２０．３—０．４

建库前各深度年平均水温预测值与建库后实测值比较表

ｌＯｍ１８．Ｏ１９．２１８．６１９．０一Ｏ．４

１５ｍ１６．８１７．５１７．２１８．１—０．９

２０ｍ１５．５１５．７１５。６１７．１—１．５

２５ｍ１４．４１４．０１４．２

—

单位：℃

６０ｍ１０．２１０．１１０．２１２．７—２．５

７０ｍ１０．Ｏ１０．Ｏ１０。０１２．５—２．５

３０ｍ１３．５１２．６１３，ｌ１４．８—１．７

３５ｍ１２．６１１石１２。ｌ１４．１—２．Ｏ

４０ｍ１１．９１０．９１１．４１３．６一２．２

５０ｍ１０．９１０．２１０。６１３．１—２．５

水科院法预测值矩法预测值预测值平均实测值

误

２１．Ｏ２１．０２１．０２１．ＯＯ．０

１５．９—１．７

差

注：误差＝预测值一实测值．

衰３建库前月平均库表水温预测值与建库后实测值比较表

月

单位：℃

１ｌ１８．０２０．８１９．４１９．９一Ｏ．５

１２１３．６１６．４１５．０１６．１—１．１

份

ｌ１２．３１２．５１２．４１３．２一０．８

２１３．８１０．８１２．８１２．５—０．３

３１３．９１４．４１４．２１２．５１．７

４

５２４．１２４．７２４．４２３．９０．５

６２７．８２８．７２８．２２７．０ｌＴ２

７３０．９２８．４２９．６２８．８Ｏ．８

８３０．２３０．６３０．４２８．４２．Ｏ

９２７．３２７．９２７．６２７．６Ｏ．０

１０２２．３２７．４２４．８２３．６１．２

类比法预测值热平衡法预测值预测值平均实测值误

差

１９．４１９．１１９３１８．１１．２

注：误差＝预测位一实测值．

２．月平均库底水温

东江水库是多年调节的大型深水水库，库底各月水温变化很小，环境影响评价中采用类比法求出库底水温年变幅，用相位差公式计算库底水温相位差，然后根据年平均库底水温、年变幅及相位差，利用正弦函数法估算库底月平均水温，预测结果与实测值比较见表４。可见，预测值与实测值普遍相差较大，最大值为４．２。Ｃ，平均值为２．６℃，而且均为预测值小于实测值，这主要是由于预测时所采用的库底年平均水温与实测值误差较大所致，若将实测库底年平均水温代入公式计算，计算结果与实测值相比，其误差较表４小，最大误差为１．７℃，绝对值平均为０．９℃，属于温度波动范围，因此，环境影响评价中所用的方法是可行的，能较好地反映实际情况。

襄４东江水库建库前月平均库底水温预测值与实测值比较表

月份预测值实测值差值

ｌ９．２１２．７一３．５

２８．９１２．３—３．４

３８．８１１．８—３．０

４９．１１３．３—４．２

５９．６１３．Ｏ—３．４

６１０．３１２．７

７１０．８１２．５一１．７

８１ｌ。ｌ１２．３一１．２

９１１．２１２．２一１．０

１０１０．９１２．７一１．８

１１１０．４１２．５—２．１

单位：℃

１２９．８１２．８—３．０

—２．４

３．月平均水温随深度变化

在东江水电站环境影响评价中，曾于１９８５年、１９８６年分别采用东北勘测设计院拟合的经验公式和国外研究较成熟的一维扩散模型对东江水库各月平均水温随深度变化进行了预测，该公式和模型后来均成为《水利水电工程环境影响评价规范》的推荐模型。将两种模型预测结果与１９９３年坝前断面水温实测值比较见图３，由图可以看出，无论是经验公式还是数学模型，其预测结果与实测值均存在一定误差，尤其是秋、冬季１０月、１１月、１２月，在水深２０～５０Ｉｎ水层误差较大，最大误差值为６．４。Ｃ；表层与底层误差较小：此外，在４月、５月水深３０－－一５０ｒｎ出现误差次大值。从图还可看出，出现误差的时间和深度均有一定的规律性，因此，它是属于系统误差引起的。若将实测库表、库底水温代入经验公式，并将计算结果与实测值比较，大多数计算值误差小许多，但ｌＯ月、１１月水深

２０～４０ｍ处误差仍较大，说明无论采用经验公式还是数值模型模拟计算东江水库各深度

月平均水温，均存在一定的误差。经验公式误差较大，可能是由于该公式是以新安江水库实测水温资料拟合而得，不适于水库特性与新安江不完全一致的东江水库所致：数学模型产生的误差主要是其参数不当所致。

间，月

．

１２

３

４

５６７８９ｔｏ

ｌｌ

１２时间，月

目

蟊

篙

（ａ）数值模型预测误差（ｂ）经验公式预测误差

图３东江水库各深度月平均水温预测误差

五、下游水温

（一）时空变化分析

图４为东江水库下游实测水温沿程变化，在冬季，即１２月、１月、２月出库水温高于建库前相应月份天然河道水温，库水从水库泄出后逐渐冷却，冷却速度随距大坝距离

增加而减缓，最后达到平衡水温；在其他月份，出库水温均低于相应月份天然河道水温，

从水库中泄出的低温水，在大气热交换、支流来水增温作用下逐渐升温，升温速度随距大坝距离增加而减少。至下游６６ｋｍ的永兴县，低温水影响大大减少，至下游距大坝约１２６ｋｉｎ

的未阳基本恢复。

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图４东江水库下游水温时空变化

（二）下游水温预测模型回顾评价

在东江水电站环境影响评价中，采用数学模型预测东江水库下泄低温水沿程变化，预测值与实测值比较见表５０

表５东江水库建库前下游水温沿程变化预测值与建库后实测值比较表

月份东江站差值永兴站差值耒阳站差值

注：差值＝预测值一实测值

３一０．５一１．Ｏ一１．１

４一Ｏ．３—Ｏ．７—０．３

５０．２０．０Ｏ．３

６０．３—２．３—１．５

７０．７２．４１．５

８—１．５—４．６—３．８

９

１０～２．０—４．５—４．７

１１—２．０—３．６—３．８

—１．７—５．４

—５．１

由表可见，在３～６月水温预测值与实测值比较接近，７～１０月相差较大，最大值５．４。Ｃ，且７月预测值大于实测值，８～“月正好相反。分析原因，主要是由于预测时采用的流量值与实际流量值相差较大而引起，因为流量越大，流速也越快，而河水水面面积增加量很小，即单位体积的河水流过单位长度距离所得到的外界传入的热量越少，水体升温也越慢。因此当流量Ｑ越大时，升温越慢，反之升温较快。若将同期实测流量、出库水温、气象资料代入模型并考虑下游支流来水热交换影响，计算值与实测值较为接近，最大误差为２．４℃，该误差值在水温日变化范围之内，证明环境影响评价中所采用的模型和计算方法是可行的。

六、结语

东江水库水温实测结果表明，水库水温在大部分库段呈稳定分层型，特别是在支流资兴江原旧市盆地库段，洪水对水温分层结构几乎无影响。但在干流滁口以上库段，分层结构不明显。水库水温分布在横向基本呈等温分布，在纵向存在一定差异，水库水温变化主要体现在垂向方向，随深度增加而降低，０＂－－５ｍ为表温层，水温随季节变化而变化，５＂－－＇４０ｍ为温跃层，该层水温随深度的变化最大，４０ｍ以下为滞温层，水温基本处于稳定状态。

水库下泄水水温全年基本稳定在１５℃左右，水温随下游沿程距离的变化呈指数曲线。至下游６５ｋｍ的永兴县，低温水影响大大减少，至下游距大坝约１２６ｋｍ的耒阳基本恢复。

通过对比蓄水前水温预测结果和建库后实测水温发现，其预测误差在水温日变化范围内，证明环境影响评价中所采用的预测模型和参数确定方法是适用的。但应用时要注意各种模型的使用条件和预测对象的特征，此外，下泄流量等工程基础资料对下游水温预测结果影响较大，应确保其准确性。

参考文献

［１］薛联芳．东江水库水温结构变化预测．中南水电，１９８６年增刊．［２］薛联芳．河流水温数学模型比较研究．水电站设计，１９９８（４）．［３］薛联芳．东江水库水温预测．水利电力部中南勘测设计院，１９８５．［４］李怀恩．水库水温和水质预测研究述评．陕西机械学院学报，１９８７（４）．［５］薛联芳．东江水电站对环境影响的研究．水电站设计，１９９７（３）．