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.docx

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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

国家环境保护总局环境工程评估中心文件

环评函〔2006〕4号

关于印发《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）》的函

各有关单位：

为贯彻落实中央十六届五中全会提出的“在保护生态基础上有序开发水电”的要求，进一步规范水电水利建设项目水生生态与水环境影响评价工作，现将《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）》印发给你们，请参照执行。

附件：

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）

二○○六年一月十三日

主题词：

环保水电水利环评技术指南函

国家环境保护总局办公厅2006年1月16日印发

附件：

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）

一、河道生态用水量环境影响评价技术指南

（一）河道外植被生态需水量计算

1、直接计算法

根据某一区域某一类型植被单位面积的需水定额乘以其种植面积计算。

关键是确定不同类型植被在非充分供水条件下的需水定额。

2、间接计算法

在非充分灌溉条件下或水分不足时，采用改进的彭曼公式。

ET=ET0×Kc×f（s）

式中：

ET为作物实际需水量，mm；ET0为植物潜在腾发量，mm；Kc为植物蒸散系数，随植物种类、生长发育阶段而异，生育初期和末期较小，中期较大，接近或大于，通过试验取得；f（s）为土壤影响因素。

θ为实际平均土壤含水率，旱地为占田间持水率百分数，%；θc1为土壤水分适宜含水率，旱地为田间持水率的90%；θc2为土壤水分胁迫临界含水率，为与作物永久凋萎系数相对应的土壤含水率；α为经验系数，一般为～。

3、河道外植被生态需水量计算适用范围

直接计算法适用于基础工作较好的地区与植被类型，如绿洲、城市园林绿地等生态用水。

间接计算法适用于我国对植物生态需水量计算方法研究比较薄弱的地区及对植被的耗水定额难测定情况。

（二）维持水生生态系统稳定所需水量

维持水生生态系统稳定所需水量的计算方法主要有水文学法、水力学法、组合法、生境模拟法、综合法及生态水力学法。

1、水文学法

水文学法是以历史流量为基础，根据简单的水文指标确定河道生态环境需水。

国内最常用的代表方法有Tennant法及河流最小月平均径流法。

（1）Tennant法

①计算方法

根据水文资料以年平均径流量百分数来描述河道内流量状态。

②保护目标

鱼、水鸟、长毛皮的动物、爬虫动物、两栖动物、软体动物、水生无脊椎动物和相关的所有与人类争水的生命形式。

③计算标准

表1　保护鱼类、野生动物、娱乐和有关环境资源的河流流量状况

流量状况描述推荐的基流（10月～3月）（％平均流量）推荐的基流（4月～9月）（％平均流量）

泛滥或最大200（48—72／小时）

最佳范围60～10060～100

很好4060

好3050

良好2040

一般或较差1030

差或最小1010

极差0～100～10

④基本要求

a.根据不同区域、不同需水类型、不同保护对象，认真分析系列水文资料，进行相关河段数据分析，调整流量标准，使调整后的流量符合当地河流情况。

b.水生生物对流量的要求在不同季节有所不同，需要根据生态系统不同月份、不同季节对流量的要求，给出年内下泄流量过程线，与水生生物生境要求相符合。

⑤适用条件

作为河流进行最初目标管理、战略性管理方法使用。

（2）最小月平均径流法

①计算方法

以最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流基本生态环境需水量，即：

式中：

Wb为河流基本生态需水量，108m3；Qij为第i年j月的月平均流量，m3/s；n为统计年数，T为换算系数，值为×106s。

②假设条件

在该水量下，可满足下游需水要求，保证河道不断流。

③适用范围

适合于干旱、半干旱区域，生态环境目标复杂河流。

对生态环境目标相对单一地区，计算结果偏大。

2、水力学法

水力学法是以栖息地保护类型的标准设定的模型，主要有基于水力学参数提出的湿周法及R2-CROSS法。

（1）湿周法

①计算方法

湿周法采用湿周（见图1）作为栖息地的质量指标，绘制临界栖息地区域（通常大部分是浅滩）湿周与流量的关系曲线，根据湿周流量关系图中的转折点（如图2）确定河道推荐流量值。

图1湿周的定义图2湿周流量关系

②制约条件

湿周法受河道形状影响较大，三角形河道湿周流量关系曲线的增长变化点表现不明显；河床形状不稳定且随时间变化的河道，没有稳定的湿周流量关系曲线，也没有固定的增长变化点。

③适用范围

适用于河床形状稳定的宽浅矩形和抛物线型河道。

（2）R2-CROSS法

①计算方法

采用河流宽度、平均水深、平均流速及湿周率指标来评估河流栖息地的保护水平，从而确定河流目标流量。

其中：

湿周率指某一过水断面在某一流量时的湿周占多年平均流量满湿周的百分比。

②计算标准

表2R2-Cross法确定最小流量的标准

河宽（m）平均水深（m）湿周率（％）平均流速（m／s）

～50

～～50

～～50～60

～～≥70

③限制条件

a.不能确定季节性河流的流量。

b.精度不高：

根据一个河流断面的实测资料，确定相关参数，将其代表整条河流，容易产生误差，同时，计算结果受所选断面影响较大。

c.标准单一：

三角形河道与宽浅型河道水力参数采用同一个标准。

d.标准设定范围较小：

标准设定范围在河宽为18m～30m。

④适用范围

非季节性小型河流。

同时，为其它方法提供水力学依据。

3、组合法（水文—生物分析法）

（1）计算方法

采用多变量回归统计方法，建立初始生物数据（物种生物量或多样性）与环境条件（流量、流速、水深、化学、温度）的关系，来判断生物对河流流量的需求及流量变化对生物种群的影响。

（2）研究对象

鱼，无脊椎动物（昆虫、甲壳纲动物、软体动物等）和大型植物（高等植物）。

（3）适用条件

适用于受人类影响较小的河流。

4、生境模拟法

（1）计算方法

根据指示物种所需的水力条件的模拟，确定河流流量。

假设水深、流速、基质和覆盖物是流量变化对物种数量和分布造成影响的主要因素。

调查分析指示物种对水深、流速等的适宜要求，绘制水深、流速等环境参数与喜好度（被表示为0～1之间的值）之间的适宜性曲线。

将河道横断面分隔成间隔为ｗ的ｎ个部分单元（见图3），根据适宜性曲线确定每个分隔部分的环境喜好度，即水位喜好度（Sh）、流速喜好度（Sv）、基质喜好度（Ss）、河面覆盖喜好度（Sc）。

根据下列公式计算每个断面、每个指示物种的权重可利用面积（WUA），其中Ai为宽度为ｗ，长度为两个相邻断面距离的阴影部分的水平面积。

ＷＵＡ=

计算不同流量下的WUA，绘制流量与WUA曲线，WUA越大，表明生物在该流量下对生境越适宜。

（2）适用条件

河流主要生态功能为某些生物物种的保护。

5、综合法

（1）计算方法

以BBM法为代表，从河流生态系统整体出发，根据专家意见综合研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系。

（2）限制条件

资源消耗大，时间长，一般至少需要2年时间。

（3）适用范围

综合性、大流域生态需水研究。

6、生态水力学法

（1）计算方法

通过水生生物适应的水力生境确定合适的流量，属于生境模拟法。

假设水深、流速、湿周、水面宽、过水断面的面积、水面面积、水温是流量变化对物种数量和分布造成影响的主要水力生境参数；急流、缓流、浅滩及深潭是流量变化对物种变化造成影响的主要水力形态。

模型分三大块（见图4），一是河道水生生境描述，该模块调查分析水生生物对水深、流速等水力生境参数的最基本生存要求；分析水温变化对水生生物的影响；分析水生生物对急流等水力形态的基本生存要求。

二是河道水力模拟，利用水力学模型对研究河段进行一维～三维水力模拟，计算不同流量时研究河段内各水力生境参数值的变化情况。

分析一、二两个模块，制定水力生境指标体系。

三是河道水生生态基流量的决策，由水文水资源、水力、环评、水生生态工作者依据水力生境指标体系，结合河道的来水过程、当地的社会经济发展状况及政策综合确定河道生态基流量。

（2）指标体系

枯水期指标体系：

①沿程水力生境参数：

统计水力参数在不同区间段的河段长度，及每个区间河段长度占整个河段长度的百分比，避免因计算出的某一河段参数偏低，而该段在整个河段中所占比重非常小，单凭最低值进行判断所造成的失误。

②水面面积：

统计不同流量情况下水面面积大小及占枯水期多年平均流量情况下水面面积的百分比。

③水力形态：

统计不同流量时缓流、急流、较急流、较缓流的段数、累计河段长度及每种形态河段长度占总河段长度百分比。

统计不同流量时浅滩及深潭的个数。

年内变化指标体系：

④水温：

各月水温沿程变化图，在出现极端水温断面处，列出不同流量情况下各月水温值。

⑤典型断面水深等水力生境参数年内变化：

在有较大支沟汇入断面，比较水力生境参数的年内变化。

（3）指标标准

表3生态水力学法确定大型河流最小流量的水力生境参数标准

生境参数指标最低标准累计河段长度的百分比

最大水深鱼类体长的2～3倍95%

平均水深≥95%

平均速度≥s95%

水面宽度≥30m95%

湿周率≥50%95%

过水断面面积≥30m295%

水面面积≥70%

水温适宜鱼类生存、繁殖

生境形态指标概念界定

急流平均流速≥1m/s段数无较大变化，急流、较急流段累计河段长度减少＜20%。

较急流平均流速s～1m/s

较缓流平均流速在s～s

缓流平均流速≤s

深潭最大水深≥10m个数无较大变化

浅滩河岸边坡≤10°，5m范围内水深≤

（4）适用条件

适用于大中型河流内的水生生物生态流量的计算。

对中型河流，上述标准适当降低。

（三）维持河流水环境质量的最小稀释净化水量

1、7Q10法

采用90％保证率最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值。

2、稳态水质模型

以河流的每一个排污口为河段分界线，将河流概化为多个河段，对一般内陆河段，污染物允许排放量的公式为：

对潮汐河段和河网化河段，污染物允许排放量的公式为：

对整个河段，总允许纳污量W等于各河段允许纳污量Wi之和。

式中：

Wi为河段i污染物允许排放量，g/s；CS为从某断面流出的污染物浓度必须满足的水环境质量标准，mg/L；Q0为上游来水流量，m3/s；qi为河段i污水流量，m3/s；C0为上游来水中的污染物浓度，mg/L；K为污染物衰减系数，d-1；xi为河段i混合过程段长度，m；u为水体平均流速，m/s；Ex为纵向分散系数，cm2/s。

3、环境功能设定法

根据河流水质保护标准和污染物排放浓度，推算满足河流稀释、自净等环境功能所需水量的方法。

将河流（河段）划分为i个小段，将每一小段看作一个闭合汇水区，根据水量平衡法及水质模型，计算每一段的河道需水量Qvi（i=1,2,…,n,），然后对其求和，即得整个河流（河段）的环境需水量。

其中,Qvi必须同时满足下列方程：

式中：

λ为河流稀释系数；Qwi为i小段合理的污水排放总量，指达标排放的废污水量；Qni（p）为不同水文年（如多年平均、枯水年、平水年）设定保证率（指月保证率，如p0=90%、p0=80%等）下，i小段的河道流量。

（四）河道内输沙需水量

式中：

Wi为输沙用水量，m3；Si为多年平均输沙量，m3；cij为第i年j月的月平均含沙量，m3；n为统计年数。

（五）河道蒸发需水量

式中：

V为计算时段内水体的净蒸发损失量，m3；H0为计算时段内水面蒸发深度，m；A为计算时段内水体平均蓄水水面面积，m2；P为计算时段内降雨量，m。

二、低温水环境影响评价技术指南

（一）水库水温结构的判别方法

1、参数α—β判别法

判别式如下：

当α<10时，水库水温为稳定分层型；

当10<α<20时，水库水温为不稳定分层型；

当α>20时，水库水温为混合型。

对于分层型水库，如果遇到β>1的洪水，将出现临时混合现象；

但如果β<时，洪水对水库水温的分布结构没有影响。

2、Norton密度佛汝德数判别法

Norton密度佛汝德数判别公式为：

Fd=（LG/HV）（gG）-1/2

式中，Fd为密度佛汝德数；L、H、V分别为水库长度、平均水深和库容；Q为入库流量；g为重力加速度；G为标准化的垂向密度梯度（量级为10－31/m）。

Fd<时为稳定分层型；时为完全混合型。

3、水库宽深比判别法

水库宽深比判别法公式为：

R＝B/H

式中，B为水库水面平均宽度；H为水库平均水深。

当H>15m，R>30时水库为混合型；R<30时水库为分层型。

（二）水库垂向水温估算方法

1、类比法

采用类比法时，选用的参证水库在为之上应靠近该工程，以保证气象要素、水面与大气的热交换等条件相似；并保证水库工程参数、水温结构类型等相似；同时，参证水库还要有较好的水温分布资料。

2、中国水科院方法

1982年水科院结构材料所根据大量资料，拟合出计算水库年平均水温分布曲线的公式。

曲线由库表水温、变温层水温及库底水温三部分组成。

当确定了库表和库底水温后，可以用该曲线公式推算水库不同深度处的年平均水温分布。

计算公式为：

式中：

—从水面算起深度y处的多年平均水温（℃）；

—库底稳定低温水层的温度（℃）；

—温跃层厚度（m）；

—多年平均库表水温与库底水温的差值（℃）。

这种方法适用于计算年平均水温垂向分布，最好利用类比水库的表层水温、底层水温及温跃层厚度来计算，如果不能类比获得，可参照方法5进行估算。

3、水科院朱伯芳公式

通过对已建水库的实测水温的分析，水库水温存在一定的规律性：

（1）水温以一年为周期，呈周期性变化，温度变幅以表面为最大，随着水深增加，变幅逐渐减小；

（2）与气温变化比较，水温变化有滞后现象，相位差随着深度的增加而改变；（3）由于日照的影响，表面水温存在略高于气温的现象。

根据实测资料，1985年朱伯芳提出了不同深度的月平均库水温变化可近似用余弦函数表示：

式中，—水深（m）；

—时间（月）；

—水深y处在时间为τ时的温度（℃）；

—水深y处的年平均温度（℃）；

—水深y处的温度年变幅（℃）；

—水温与气温变化的相位差（月）；

—温度变化的圆频率，其中P为温度变化的周期（12个月）。

公式中水深y处的年平均温度的获得见方法5。

由于该经验公式是依据对国内外多个水库观测资料获得，而这些水库分布范围较广，因此该公式的适用范围也相对宽泛。

4、东勘院计算方法

《水利水电工程水文计算规范》（SL278—2002）中，对于水库垂向水温分布计算，推荐东北水电勘测设计院的方法。

计算公式如下：

，（4-1）

，，

。

（4-2）

式中：

Ty—水深y处的月平均水温（℃）；

T0—水库表面月平均水温（℃）；

y—水深（m）；

m—月份，1，2，3，……12；

Tb—水库底部月平均水温（℃）；对于分层型水库各月库底水温与其年平均值差别很小，可用年平均值代替；对于过渡型和混合型水库，各月库底水温可用（4-2）式计算，该式适用于23～44N地区，式中N为大坝所在的纬度，可通过查表获得，见《水利水电工程水文计算规范》。

该方法应用简单，只需知道库表、库底月平均水温就可计算出各月的垂向水温分布，而且库底和库表水温可由气温-水温相关法或纬度-水温相关法推算。

该方法适用于库容系数=调节库容/年径流量＞1的水库，对于库容系数≤1的水库，计算误差较大。

5、年平均水温的估算方法

在没有可类比的水库条件下，可采用估算的方法，获得水库表面年平均水温、库底年平均水温和任意深度的年平均水温。

（1）水库表层年平均水温T表估算方法

①气温与水温相关法

气温与水温之间有良好的相关性。

可根据实测资料建立两者之间的相关图，然后由气温推算出水库表层水温。

《水利水电工程水文计算规范》根据我国16座大中型水库的实测资料，点绘了多年平均气温与水库表面水温的相关关系图。

根据相关图用各梯级电站坝址和水库区的多年平均气温得到相应水库的表层年平均水温。

②纬度与水库表层水温相关法

水库水温与地理纬度的关系与气温相似。

纬度高，水温表层年平均水温就低；纬度低，水库表层年平均水温就高。

水库表层年平均水温随纬度变化的相关关系较好。

因此《水利水电工程水文计算规范》根据已建水库的实测资料，提供了水库表层年平均水温与地理纬度的相关图。

③来水热量平衡法

大型水库的热能主要来自两个方面，一是水库表面吸收的热能；二是上游来水输入的热能。

在河水进入水库之前，已经和大气进行了充分的热交换，已达到一定水温。

水气间的热交换基本达到平衡。

因此水库水温主要取决于上游来水的水温，上游来水温度可近似看作为库表水温。

这样就可以根据上游来水的流量和水温推算水库表层水温。

即：

式中：

T表—水库表层水温（℃）；

Qi—水库上游多年逐月平均来水量（m3/s）；

Ti—水库上游来水多年逐月平均水温（℃）。

④朱伯芳公式

对于一般地区（年平均气温10～20℃）和炎热地区（年平均气温20℃以上），这些地区冬季不结冰，表面年平均水温可按下式计算：

T表=T气+△b

式中，T表—库表面年平均水温（℃）；

T气—当地年平均气温（℃）；

b—温度增量，一般地区△b=2～4℃，炎热地区△b=0～4℃。

对于寒冷地区（年平均气温10℃以下），采用以下公式：

T表=T气修+△b，

T气修，

式中，T气修—修正年平均气温（℃）；Ti—第i月的平均气温，当月平均小于0℃时，Ti取0℃。

（2）水库底层年平均水温T底估算方法

①相关法

库底水温受地理纬度、水深、电站引水建筑物、泥沙淤积、海拔高度、库底温度等因素的影响，其中又以前两项因素的影响最大。

《水利水电水文计算规范》根据十余座水库的情况点绘了纬度、水温和水深三因素相关图。

可以采用该图查出拟建水库的库底年平均水温。

②经验估算法

由于库底水温较库表水温低，故库底水密度也较库表要大。

对于分层型水库来说，其冬季上游水温度为年内最低，届时水库表层与底层水温相差较小。

因此，库底水温可以认为近似等于建库前河道来水的最低月平均水温。

以此为依据，可以采用12月、1月和2月的上游来水月平均水温近似作为库底年平均水温,即：

T底≈（T12+T1+T2）/3。

式中，T12、T1和T2分别为12月、1月和2月的平均水温。

建议采用的库底年平均水温见下表：

建议采用的库底年平均水温表

气候条件严寒（东北）寒冷（华北、西北）一般（华东、华中、西南）炎热（华南）

T底（℃）4～66～77～1010～12

（3）任意深度年平均水温估算方法

由于年平均水温随水深而递减，令：

T底

在水库表面y=0时，有ΔT0=T表-T底，比值ΔT（y）/ΔT0随水深而递减。

根据一些水库实测资料整理分析，得到以下关系式：

c=（T底-bg）/（1-g）,g=

式中，b=T表；H—水库深度（m）。

有了水库表层、底部和任意深度的年平均水温的估算结果，就可以采用以上水科院公式和东勘院公式等方法，估算坝前水域垂向温度分布。

以上经验公式法是在综合国内外水库实测资料的基础上提出的，应用简便，但需要知道库表、库底水温以及其它参数等，而通过水温与气温、水温与纬度的相关曲线查出的库表和库底水温，精度不高，而且预测估算中没有考虑当地的气候条件、海拔高度、水温及工程特性等综合情况，因此预测结果精度相对较低。

水库水温的经验公式法只适用于水库水温的初步估算，对于重要工程还应采用更为精细的数学模型方法。

（三）水库垂向水温和下泄水温数学模拟方法

1、水库垂向一维水温数学模型

20世纪60年代末，美国水资源工程公司（WRE，Inc）的Orlob和Selna及麻省理工学院（MIT）的Huber和Harleman，分别独立地提出了各自的深分层蓄水体温度变化的垂向一维数学模型，即WRE模型和MIT模型。

70年代中期和后期，美国的一些研究者又提出了另一类一维温度模型—混合层模型（或总能量模型），他们从能量的观点出发，以风掺混产生的紊动动能和水体势能的转化来说明垂向水温结构的变化，初步解决了风力混合问题。

（1）模型方程

一维模型是将水库沿垂向划分成一系列的水平薄层，假设每个水平薄层内温度均匀分布。

对任一水平薄层建立起热量平衡方程：

式中，T（℃）为单元层温度；Ti（℃）为入流温度；A（m2）为单元层水平面面积；B（m）为单元层平均宽度；Dz（m2/s）为垂向扩散系数；ρ（kg/m3）为水体密度；Cp（kJ/kg·℃）为水体比热；（W/m2）为太阳辐射通量；ui（m/s）为入流速度；uo（m/s）为出流速度；Qv（m3/s）为通过单元上边界的垂向流量。

在库表存在水气界面的热交换，表层单元的热量平衡方程为：

式中，（W/m2）为表层通过水气界面吸收的热量；V（m3）为单元层体积；TQv（℃）取值与Qv,N-1的方向有关，若Qv,N-1>0（向上），则TQv=TN-1，反之Qv,N-1<0（向下），则TQv=TN。

考虑水库入流、出流的影响，水面热交换，各层之间的热量对流传导、风的影响等。

（2）垂向一维模型适用条件

垂向一维水温模型综合考虑了水库入流、出流、风的掺混及水面热交换对水库水温分层结构的影响，其等温层水平假定也得到许多实测资料的验证，在准确率定其计算参数的情况下能得到较好的模拟效果。

但一维扩散模型（即WRE、MIT类模型）对水库中的混合过程特别是表层混合描述得不充分。

混合层模型对于风力引起的表面水体掺混进行了改进。

垂向一维模型忽略了各变量（流速、温度）在纵向上的变化，这对于库区较长、纵向变化明显的水库不适合。

而且垂向一维模型是根据经验公式计算的入库和出库流速分布，再由质量和热量平衡来决定垂向上的对流和热交换，这种经验方法忽略了动量在纵向和垂向上的输运变化过程，其流速与实际流速分布差异很大，应用于有大流量出入的水库将引起较大的误差。

另一方面一维模型的计算结果都对于垂向扩散系数非常敏感，垂向扩散系数与当地的流速、温度梯度相关，各种经验公式尚不具备一般通用性，流速的误差也将进一步影响垂向扩散系数的准确性。

因此垂向一维模型更适用于纵向尺度较小且流动相对较缓的湖泊或湖泊型水库的温度预测。

2、垂向二维水库温度模型

（1）模型方程

①状态方程：

对于常态下的水体，可忽略压力变化对密度的影响，密度与温度的关系可表示为：

式中：

β[1/℃]为等压膨胀系数；ρ[kg/m3]为密度；T[℃]为温度；ρs、Ts为参考状态的密度和温度。

对于天然水体，该函数关系可近似为

根据Boussinesq假定，在密度变化不大的浮力流问题中，只在重力项中考虑密度的变化，而控制方程的其它项中不考虑浮力作用。

②水动力学模型：

由于河宽变化对水面热量交换和热量向水下的传递都具有一定的影响，因此采用宽度平均的k-e紊流模型，在直角坐标系下水动力学方程分别为：

式中：

；为浮力项，该浮力项在稳定分层时可抑制紊动动能的生成，削弱热量向下的传递，是水库能保持稳定分层的重要因素；[m2/s]是分子粘性系数与紊动涡粘系数之和，；u、w[m/s]为纵向和垂向流速；p为压强；T[℃]为水温；B[m]为河宽；k为紊动动能；ε为紊动动能耗散率；、分别为紊动动能和耗散率的普朗特数，一般取和。

其它模型常数、的取值分别为、、。

热平衡方程：

式中是温度普朗特数，取；