《湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)規(guī)范編制說明》

《湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)規(guī)范》

（征求意見稿）

編制說明

《湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)規(guī)范》編制組

二〇二三年八月

—、編制背景、目的和意義

自然環(huán)境下的湖庫水體，特別是具有污染型沉積物的湖庫水體，

在年內(nèi)熱分層期間將在底層水體及缺氧環(huán)境下產(chǎn)生嚴(yán)重的水污染問

題。

水體熱分層廣泛存在于自然界中，湖庫的這種穩(wěn)定的水溫分層結(jié)

構(gòu)將會使原有水體在物理、化學(xué)性質(zhì)及水生生物特征及分布上出現(xiàn)較

為明顯的變化。其中溶解氧是受到影響最為明顯且最為重要指標(biāo)之一。

在湖庫水體熱分層期間，溫躍層（Thermocline或Metalimnion）阻止

了湖庫表層與底層水體的上下?lián)交?，同時也將滯溫層（Hypolimnion）

與上層水體的大氣復(fù)氧及光合作用產(chǎn)氧作用隔離開來，滯溫層水體內(nèi)

部的溶解氧在有機質(zhì)分解和底部沉積物耗氧反應(yīng)的共同作用下逐漸

消耗，最終在湖庫下層水體形成穩(wěn)定的缺氧區(qū)域（Anoxiczone）。在

夏季，深水湖庫在滯溫層出現(xiàn)缺氧區(qū)是十分常見的現(xiàn)象。對于水體富

營養(yǎng)化程度較高、底部沉積物污染較嚴(yán)重的水體，有機質(zhì)含量及沉積

物的污染狀態(tài)是導(dǎo)致水體在分層期底部溶解氧消耗的重要主導(dǎo)因素，

也是導(dǎo)致水體底部出現(xiàn)穩(wěn)定缺氧區(qū)的主要原因。缺氧區(qū)將通過一系列

的生物化學(xué)過程導(dǎo)致湖庫底部水體的水質(zhì)下降，沉積物在缺氧狀態(tài)下

將釋放氨及磷酸鹽（內(nèi)部污染負(fù)荷釋放），加重湖泊的富營養(yǎng)化。在

缺氧環(huán)境下，鐵、錳化合物將被大量還原，化合物的溶解度增大，在

原好氧條件下被吸附和沉淀的磷將被釋放進(jìn)入水體，導(dǎo)致沉積物中的

磷向水體內(nèi)部擴散。對于水體中的氮元素，在水體溶解氧含量充足的

情況下，硝化作用將占據(jù)主導(dǎo)地位，有效的降低水體內(nèi)部氨氮濃度水

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平。而當(dāng)水體進(jìn)入?yún)捬醐h(huán)境后，硝化作用將受到明顯的抑制，反硝化

作用將占據(jù)主導(dǎo)地位。一方面水體內(nèi)的氨氮向硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化反應(yīng)受

?

阻，另一方面，在原硝化作用下形成的硝態(tài)氮（NO?）在反硝化形成

N2O和N2的同時，還會在硝態(tài)氮異化還原成銨及有機氮的氨化作用

下繼續(xù)生成氨氮，增加水體內(nèi)氨氮濃度。沉積物在缺氧環(huán)境下還可以

釋放金屬類元素（例如鐵和錳）和其他還原化合物（例如硫化物），

這些化合物將明顯降低水體環(huán)境質(zhì)量。鐵、錳均為典型的對氧化還原

十分敏感性的元素，還原條件下很容易由沉積物釋放進(jìn)入到上覆水體

中。在水體溶解氧充足的情況下，好氧環(huán)境將在一定程度上抑制鐵、

錳元素的釋放量。在缺氧區(qū)造成局部水體水質(zhì)下降的情況下，水體內(nèi)

的水生生物環(huán)境將受到較大影響。我國湖庫水體大部分均具備供水功

能，而湖庫供水的取水口一般均位于壩前的中下層位置，因此在缺氧

條件造成的局部水體水質(zhì)惡化將對湖庫水體供水功能造成嚴(yán)重影響。

同時，當(dāng)湖庫水體形成穩(wěn)定的溫度分層及缺氧區(qū)后，在熱分層穩(wěn)定期，

湖庫底部水體將會聚集大量的污染物質(zhì)和缺氧水體。在夏秋過渡期間，

氣溫逐漸下降，水體表層混合層（Epilimnion）水溫下降，與滯溫層

（Hypolimnion）水體的密度差異逐漸縮小，當(dāng)這一時期溫度下降過快

或湖庫水位變動過快時，就會在短時間內(nèi)出現(xiàn)較為強烈的“翻庫”現(xiàn)

象，此時滯溫層內(nèi)的大量污染物進(jìn)入水體中上層，大量消耗水體內(nèi)的

溶解氧，從而造成湖庫局部區(qū)域大面積水質(zhì)快速下降，嚴(yán)重影響水體

水質(zhì)及水生態(tài)系統(tǒng)健康。

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因此，湖庫水體在穩(wěn)定熱分層引起的水體缺氧現(xiàn)象將對水體水質(zhì)

造成明顯的不利影響，影響工程正常功能的發(fā)揮，同時還會給分層-混

合過渡期的水體水質(zhì)帶來較大的水環(huán)境惡化風(fēng)險。開展大型湖庫水環(huán)

境數(shù)值模擬，能夠從機理層面上對湖庫水體熱分析、缺氧區(qū)、污染釋

放過程的形成演化規(guī)律形成更為深刻的認(rèn)識，對缺氧區(qū)和水質(zhì)演化的

時空演化過程進(jìn)行更為清晰的定量化描述與預(yù)判，這對于提高湖庫水

體生態(tài)環(huán)境保護(hù)運行管理水平、抑制湖庫水體重大水質(zhì)問題、保持湖

庫健康運行、改善水體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

鑒于當(dāng)前湖庫水環(huán)境數(shù)值模擬形式多樣、方法各異，行業(yè)對開展

數(shù)值模擬的流程并不統(tǒng)一規(guī)范，通過制定《湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建

技術(shù)規(guī)范》團體標(biāo)準(zhǔn)，可以更好地指導(dǎo)行業(yè)內(nèi)湖庫水環(huán)境數(shù)值模擬工

作，是該項工作更加系統(tǒng)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

二、編制過程

2022年4月，中華環(huán)保聯(lián)合會正式批準(zhǔn)立項《湖庫水環(huán)境數(shù)值

模型構(gòu)建技術(shù)規(guī)范》團體標(biāo)準(zhǔn)。

2022年8月，完成湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)流程以及邊界

條件分析等工作。

2023年4月27日，中華環(huán)保聯(lián)合會線上組織召開了《湖庫水環(huán)

境數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)規(guī)范》團體標(biāo)準(zhǔn)編制啟動會議，成立了標(biāo)準(zhǔn)編制

組，長委水文局、黃河設(shè)計有限公司、中水珠江設(shè)計公司、中水北方、

云南省水利設(shè)計院、武漢大學(xué)、南昌工程學(xué)院、中水東北公司、廣西

環(huán)科院、浙江省水利水電勘測設(shè)計院等多家參編單位共同討論了湖庫

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水環(huán)境數(shù)值模擬的有關(guān)實踐情況，對標(biāo)準(zhǔn)的編制方向及編寫架構(gòu)進(jìn)行

了初步探討，并對編寫任務(wù)進(jìn)行了初步分工。

2023年7月23日，中華環(huán)保聯(lián)合會線上組織召開了《湖庫水環(huán)

境數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）技術(shù)審查會，來自生態(tài)環(huán)

境部環(huán)境規(guī)劃院、生態(tài)環(huán)境部環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)研究所、清華大學(xué)、中國環(huán)科

院、北京市環(huán)科院、北京師范大學(xué)、中科院生態(tài)環(huán)境中心、北京市水

務(wù)局等單位的專家參加了會議并成立了專家組，與會專家對本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)

容逐項進(jìn)行了審核討論，最后一致同意標(biāo)準(zhǔn)文本通過技術(shù)審查，并提

出了相關(guān)完善意見和建議。

目前，按照專家意見，本標(biāo)準(zhǔn)編制組在逐項核對、討論優(yōu)化等工

作基礎(chǔ)上，經(jīng)不斷修改完善，形成了本征求意見稿。

三、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容

3.1編制原則

1、本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)

準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的要求進(jìn)行編寫。

2、參照相關(guān)法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過程中著重考慮了科學(xué)

性、適用性和可操作性。

3.2標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)主要針對湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建的基本流程、基礎(chǔ)資

料收集、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建等進(jìn)行了規(guī)定，包括如下主要技術(shù)內(nèi)容：適

用范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬的基本

流程、數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)資料要求、湖庫水體水動力學(xué)、水質(zhì)狀況初

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步分析、湖庫水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)的確

定、率定與驗證、湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬及結(jié)果合理性分析以及附錄。

四、涉及專利情況

本標(biāo)準(zhǔn)不涉及任何已有的專利內(nèi)容，與國家及行業(yè)其他標(biāo)準(zhǔn)無知

識產(chǎn)權(quán)和專利沖突。

五、預(yù)期效果

本標(biāo)準(zhǔn)對湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建的基本流程、基礎(chǔ)資料收集、

數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、參數(shù)的率定驗證、模擬結(jié)果合理性分析等進(jìn)行了規(guī)范。

本標(biāo)準(zhǔn)的實施能夠有效引導(dǎo)湖庫水環(huán)境數(shù)值模擬工作更加規(guī)范化、標(biāo)

準(zhǔn)化、系統(tǒng)化，并指導(dǎo)湖庫水環(huán)境模擬工作的實施、推動行業(yè)的發(fā)展。

六、同類標(biāo)準(zhǔn)對比

經(jīng)本標(biāo)準(zhǔn)擬編制單位對國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的檢索，目前尚無上述類

似標(biāo)準(zhǔn)出臺。本