FCD11050 FCD 水利水电工程 初步设计阶段 水库水面蒸发、水温分析计算 大纲范本 水利水电勘测设计标准化信息网 1997年8月 水电站技术设计阶段 水库水面蒸发、水温分析计算大纲 主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员: 勘测设计研究院 年 月 目 次 1. 引 言 4 2. 设计依据文件和规范 4 3. 基本资料 5 4. 水库水面蒸发分析计算 5 5. 水库水温分析计算 8 应提供的设计成果 11 1 引 言 1.1 工程概况 工程水库区地处北纬 ～ 、东径 ～ 之间，行政区隶属 省(区) 市(县)。工程开发任务以 为主兼顾 、 、 等综合利用的水利水电枢纽。最大坝高 m，正常蓄水位 m，总库容 万m3，电站总装机 MW，防洪库容 万m3。 1.2 基本要求 SGJ214(83《水利水电工程水文计算规范》和DL5021(93《水利水电工程初步设计报告编制规程》对水面蒸发、水温分析计算的基本要求为： (1) 根据工程水库的自然地理条件、水库特性、运行调度原则，进行典型水库和参证水面蒸发站的选择，以及工程水库水面蒸发和水库水温分析计算方法及主要关系系数选择。 (2) 结合工程水库附近已建水库的水面蒸发资料和水温资料论证本工程计算成果的合理性及可靠性。 2 设计依据文件和规范 2.1 有关本工程(或水文专业)的文件、报告 (1) 可行性研究阶段水文分析专题报告； (2) 可行性研究报告； (3) 可行性研究报告审批文件； (4) 初步设计任务书、项目卷册任务书及其他专业对本专业的要求。 2.2 主要设计规范 (1) SDJ214(83 水利水电工程水文计算规范； (2) DL5021(93 水利水电工程初步设计编制规程； 2.3 主要参考文献及有关项目观测规范 (1) 水文测验手册(第三册：资料整编和审查)； (2) 地表水资源调查和统计分析技术细则； (3) 计算依据已建水库和测站有关文献及沿革； (4) 地面气象观测规范； (5) 水面蒸发观测规范； (6) 水温观测规范。 3 基本资料 3.1 水库概况 水库为 型水库。水库由 河和主要支流 、 、 等汇成。正常蓄水位 m，相应库容 万m3，水库面积 km2，水面宽 m～ m，库区长度为 km。坝前最大水深 m。水库运行中多年平均库区库面面积 km2。水库运行调度原则和泄水规模 。 3.2 水面蒸发资料 (1) 库区或库区附近地区，大于或等于10m2等大型蒸发池及一般蒸发器皿观测场的自然地理条件，历年观测场建设、观测器皿类型、大小、结构、形状、安装方式和观测方法，观测记录，整编资料成果。 (2) 库区或库区附近地区，各种水面蒸发器皿与大型观测池对比观测资料及其折算系数分析成果。 (3) 1980年全国水资源综合调查中，库区所属流域机构或省、市采用的水面蒸发计算的折算系数和水面、陆面蒸发量等值线图等资料。 (4) 水面蒸发资料系列应在10年以上，不足10年则应通过插补，延长到10年。 提示：(1)收集资料时应十分注意各不同年、月设计依据的池、站的器皿类型、大小、结构、形状、安装方式和观测方法，注意观测池、站的自然地理条件与本库区的差异。如与SDJ214(83附表4.2所列的器皿的类型及安装方式，以及自然地理条件差别过大时，对折算系数应进行分析研究或修正。 (2)缺少蒸发器(皿)观测资料的地区，可采用间接途径去推求水面蒸发值。但在工程设计阶段，需设站观测，以对原推算成果进行检验。   3.3 水温资料 (1) 工程坝址上、下游附近水文测站天然河道水温观测资料和岸上同期的气温观测资料； (2) 库区附近或邻近流域已建参证水库的水温观测和统计分析资料、参证水库下游河道水文测站建库前后的水温观测资料和统计分析资料； (3) 已建参证水库坝址或库区附近的同期气温观测资料； (4) 水温资料系列应在5年以上，不足5年的则应通过插补延长到5年。 4 水库水面蒸发分析计算 4.1 水库水面蒸发分析计算的内容 (1) 典型蒸发池、站的选择； (2) 典型蒸发池、站各不同类型蒸发器皿的水面蒸发系数分析、选定及其多年平均年、月蒸发量系列计算； (3) 工程水库区陆面蒸发量的计算； (4) 水库增损深度计算。 4.2 水库水面蒸发量分析计算 4.2.1 对参证站水面蒸发基本资料复核 提示：(1)复核、了解参证站、池历年观测水面蒸发的仪器类型及安装方式与SDJ214(83附表4.2所列器皿及安装方式进行对照检查； (2)根据水面蒸发规范要求，对历年观测资料进行检查； (3)将参证站历年观测资料与邻近测站的观测成果进行对比检查； (4)通过上述基本资料审查，修正资料中存在的问题。   4.2.2 水面蒸发折算系数分析确定 提示：根据选定的水面蒸发计算(参证站)历年水面蒸发观测器皿类型和安装方式，以及各不同出处的水面蒸发折算系数，进行综合分析研究后，确定本工程水面蒸发采用的折算系数。   4.2.3 水面蒸发量计算 4.2.3.1 由蒸发皿观测资料推求库面蒸发量。 提示：(1)如所选的参证站的水面蒸发观测皿，为大于或等于10m2的大型蒸发池，则其观测资料可直接用于计算本工程水库的年、月水面蒸发量。 (2)如选用参证站的水面蒸发观测皿，为一般常用的蒸发器(E601、20cm和80cm的蒸发皿等)，则其观测资料必须经选定的折算系数进行改正，统一订正为大型蒸发池的蒸发量后，才进行本工程水库的年、月水面蒸发量计算。  4.2.3.2 缺少水面蒸发观测资料水库的水面蒸发量计算 提示：(1)根据1980年全国水资源调查研究中，流域机构或省(市)所拟定的“ 流域(或省)多年平均水面蒸发量等值线图”，按本工程库区所在图上的位置，读取水库中心点或几个代表点，采用其平均值作为本工程水库库面多年平均蒸发量； (2)借用邻近流域蒸发池的水面蒸发观测资料，在站点选择时，如果条件允许，选用的站点应在二个以上，在移用改正时，除考虑距离外，还要考虑地面高程和气候等的异同； (3)采用蒸发试验站的经验公式进行推算水面蒸发时，建议参照我国近年采用的经验公式，见SDJ214(83附录四。   4.3 水库蒸发增损分析计算 4.3.1 水库陆面蒸发量推求 提示：(1)如坝址以上流域的产流特性相近，且坝址以上流域面积不大，可取用以下简单的水平衡方程式推求： F陆=P－R 式中：F陆((坝址以上流域多年平均陆面蒸发量，mm； P((坝址以上流域多年平均降雨量，mm； R((坝址以上流域多年平均迳流深，mm。 (2)如坝址以上流域面积很大，且坝址以上各区的产流特征不一，则可移用靠近库区，且产流特性类似的迳流测站按上式推求库区陆面蒸发量。 (3)采用流域机构或省(市)拟定使用的全流域多年平均降雨量等值线图和迳流深等值线图时，采用水量平衡公式求出本工程库区陆面多年平均蒸发量。   4.3.2 水库蒸发增损分析计算 水库蒸发增损按下列公式推求： △E=E－E陆 (1) 式中：△E((水库库区多年平均蒸发增损深度，mm； E((水库库区多年平均水面蒸发深度，mm； E陆((建库前水库库区的多年平均陆面蒸发深度，mm。 W蒸=(h水－h陆)·(F库－f) (2) 式中：W蒸((增损水量，m3； F库((各月(季)平均水库面积，m2； f((建库前原有的天然河道水面面积，m2； h水((库区水面蒸发深度，m； h陆((库区陆面蒸发深度，m； 提示：(1)如水库水面面积变化不大或蒸发损失占年水量比重甚小时，可以用水库水位年内变化相应的平均面积代入公式(2)求得年蒸发损失。将蒸发损失水量平均分摊在每个月内，作为水库各月的蒸发损失水量。 (2)如水库蒸发损失水量较大、且各月蒸发损失水量相差较多，则应根据多年平均各月(季)水库面积及蒸发深度以(2)式按月(季)计算蒸发损失水量。 (3)如水库为年调节水库，可采用最大的年蒸发量来计算，而年内各月分配采用多年平均情况；对多年调节水库则采用多年平均蒸发量。年内各月分配同多年平均情况。  表1 水库水面、陆面多年平均逐月蒸发量预估成果表 单位：mm 项 目 逐 月 蒸 发 量 年平均   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12   水面蒸发量               陆面蒸发量               5 水库水温分析计算 5.1 水库水温分析计算内容 (1) 工程水库水温计算参证站天然河道多年年、月平均水温，年、月最大、最小值，历年最大、最小值及其出现时间，以及工程设计所要求的其他特征值； (2) 工程水库水温预估典型水库的分析选择； (3) 根据选定的典型水库的水温实测资料，预估设计水库的年、月平均水温及其他设计需要的特征值； (4) 视工程水库设计需要，计算设计水库放流对下游河道水温影响长度和年、月平均水温。 5.2 水库水温预估的分析计算 5.2.1 设计水库坝址附近水文站天然河道水温特征值统计和岸上多年年、月平均气温及其特征值统计。 5.2.2 典型水库选定 提示：选取的典型水库应尽量靠近本水库，选取时应根据水库地理位置、地面高程，水库容积、库区长度和纵深，取水口位置，水库运行调度和入库流量大小，天然河道水温、泥沙等方面综合考虑后，选取与本工程水库相似的已建水库，作为本水库水温计算的典型水库。   5.2.3 水库水温预估 5.2.3.1 本工程水库水温结构计算 设计水库水温分布类型，目前多采用间接的(、(指标法进行设计水库水温结构判别：  (3) 式中：W((多年平均年入库总迳流量； V((总库容； Wc(( 一次入库洪水总量。 当((10、((0.5时为分层型；((20、((1.0时为混合型；10(((20、0.5(((1.0时为过渡型。对于分层型水库，如遇((1时的洪水则为临时性的混合型；((0.5的洪水，对于水温的结构无多大影响。 5.2.3.2 水库表层月平均水温预估 提示：(1)如选取的典型水库与本工程水库距离较近，其地理、气候条件基本相同，水库调节性能亦基本相同时，则可直接移用典型水库的表层水温和水面气温作为设计水库的表层水温和水面气温。 (2)如选取的典型水库距离设计水库比较远，其气候和地理条件存在一定差异时，则可根据典型水库的表层水温与水面气温关系，水面气温与岸上气温关系，以及典型水库岸上气温与设计水库岸上气温等关系，预估设计水库的表层水温。   5.2.3.3 库底多年平均水温预估 提示：一般库底水温明显受纬度、水深的影响，故可根据设计水库所处地理位置(经纬度)和水深，直接查SDJ214(83附图5.15取得设计水库底底多年平均水温。   5.2.3.4 水库水温垂直结构的预测 提示：水库水温垂直结构的预测，视水库设计需要而进行，预估的方法有类比法和经验公式法两种(祥见附录)。一般要求二种方法同时进行计算，经综合分析比较后确定采用值。   5.3 水库下游河道水温预估 工程水库放流对下游河道水温影响的预估，包括水库放流影响水温变化的河流长度和河道年、月平均水温等二个内容。 5.3.1 水库放流影响水温变化的河段长度预估 提示：受水库放流影响的河段长度一般采用如下两个公式进行预估，在无其他水源及支流来水影响的河段选用(4)式；当有支流来水影响或其他水源汇入时选用(5)式，并经综合比较分析后，确定取用值。  (4) 式中：X((影响长度，km； C ((水比热，J(kg(k)； (((水密度，g/m3； (((X区间的平均流速，m/s； D((X区间的河道平均水深，m； △(1 ((水库放流水温与天然河道水温之差值，℃。  (5) 式中：(((比例系数，可考虑为10cal/(m2(K(s)； (((比例系数，可考虑取50 cal/(m2(K(s)～100 cal/(m2(K(s); ((((平衡水温，℃ (((主流水温，℃； (t ((支流和其他来水的水温，℃； △(2 ((水库放流水温与天然河道水温差，℃。 其余符号与(1)式同。   5.3.2 水库下游河道年、月平均水温预估 提示：根据目前多个水库的实测水温资料统计分析，坝下河道水温与库内15m～20m水深处的水温变化有着良好的对应关系，由此可见，实际上可以通过对典型水库库内和坝址下游实测水温资料进行统计分析，在库内选择一个合理的代表层水温，作为坝下水温的预估值。对于距离坝址较远河段的水温，则一般是根据坝下建库前、后水温值，直接代入上述(4)、(5)式计算。 对水库下泄水温的预测也可采用图解法和经验公式法进行预估。 (1)图解法 该法假定条件较多，任意性较大，成果因人而异，一般较少采用。 (2)经验公式法(亦称为模型法)  (6) 式中：T((下泄水温，℃； Q1 ((当月平均入流量，m3/s； t1 ((当月入流平均水温，℃； Q2((上月库存计算流量，m3/s； t2((上月平均库水温，℃。 使用本公式时，应近似满足下列条件：水库水温呈均匀分布；影响泄水水温的库存水量为引水口以上的水量；忽略水汽之间的热量交换。   表2 水库下泄水温预估成果表 单位：℃ 项 目 逐月平均水温 年平均   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12   设计水库天然河道水温               典型水库移置水温               模型法预估水温               取用下泄水温               6 应提供的设计成果 提供的设计成果，主要是水库蒸发和水库水温计算报告及附表、附图等。 (1) 设计水库的蒸发计算报告。 设计水库水温结构预估报告。 附录A 水库水温垂直结构的预估 设计人员可根据工程水库的具体情况，选择使用以下提供的工程水库水温垂直结构预估计算方法和计算成果表格形式。 (1) 类比法： 该法是利用典型水库表层水温与各不同水深处的水温关系和设计水库气温与典型水库气温的关系，推算工程水库水温垂直结构。 基本公式： u = TY / T0 (A1) 式中：u ((比值系数； TY((水深Y处的月平均水温，℃； T0((水库表面的月平均水温，℃。 根据计算的各不同水深处的比值u，绘制水深H-u关系图，通过典型水库表面水温和气温关系及典型水库气温与设计水库气温关系，推求出设计水库水温垂直结构。 表A1 典型水库 年～ 年逐月沿水深平均水温成果表 单位：℃ 水 深 逐月平均水温 年平均   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12    表 层                m                m                表A2 水库表层逐月平均水温表 单位：℃ 项目月 逐月平均水温 年平均   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12   典型水库多年平均气温               典型水库多年平均水温                水库多年平均气温                水库多年平均水温                表A3 水库水温结构表 单位：℃ 水 深 逐月平均水温 年平均   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12    表 层                m                m                (2) 经验公式法 国内有多种经验公式，而经常采用的是东北院公式法。 基本公式：  (A2) 式中：T0((表层月平均水温，℃； Tb((底层月平均水温，℃； Y((计算水体温度的月平均水深，m； m((月份；m=1、2、3、……12； n、x((与m有关的参数； 提示：(1)当水库水温变化存在混合期时，水体温度沿深度基本无变化，即水体水温只受来水温度及库存水体的热状况影响而发生变化，则混合期数学模型如下： T=(W1t1+W2t2)/(W1+W2) (A3) 式中：W1 ((当月平均入库流量，m3/s； t1 ((当月入流平均水温，℃； W2 ((上月库存水量，m3/s； t2 ((上月水库平均水温，℃； T((水库月平均水温，℃。 (2)对分层型水库，各月库底水温与其年平均值差别较小，一般亦可取用平均值代替。对过渡型或混合型水库，则可根据SDJ214(83附图5.18直接查取其各月水库库底水温值。亦可采用公式Tb=T(b(KN计算。但本公式仅适用于北纬23(00(～44(00(的地区。参数T(b、K见SDJ214(83附表5.8。