T/ACEF 121-2023 湖库水环境数值模型构建技术规范

ICS13.060.99

CCSN769

团体标准

T/ACEF121－2023

湖库水环境数值模型构建技术规范

Technicalstandardforestablishingmathematicalwaterenvironmentmodels

oflakeandreservoir

2023-12-20发布2024-01-01实施

中华环保联合会发布

T/ACEF121－2023

目次

前言.................................................................................................................................................1

1适用范围.......................................................................................................................................1

2规范性引用文件..........................................................................................................................1

3术语和定义..................................................................................................................................1

4湖库水环境数学模拟的基本流程..............................................................................................2

5模型的基础资料要求..................................................................................................................3

6湖库水体水动力学、水质状况初步分析..................................................................................4

7湖库水环境数值模型构建..........................................................................................................5

8模型参数的确定、率定与验证..................................................................................................6

9湖库水环境数学模拟及结果合理性分析..................................................................................7

附录A常用数学模型基本方程及解法...................................................................................9

附录B常见污染物转化过程的一般描述.............................................................................15

附录C湖泊（水库）营养状态评价.....................................................................................18

1

T/ACEF121－2023

前言

本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构

和起草规则》的规定起草。

本文件为首次发布。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利

的责任。

本文件由中华环保联合会提出并归口。

本文件主编单位：中国水利水电科学研究院。

本文件参编单位：长江水利委员会水文局、中水北方勘测设计研究有限责任

公司、黑龙江省水利科学研究院、浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计

研究院）、浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司、北京京创净源环境技术研

究院有限公司、南京雨后地软环境技术有限公司、重庆市水文监测总站（重庆市

水质监测中心）、新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司、中建智能技术有

限公司、中建生态环境集团有限公司、水利部牧区水利科学研究所（阴山北麓草

原生态水文国家野外科学观测研究站）、云南省水利水电勘测设计研究院、中国

电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司、陕西省水利电力勘测设计研究院、深圳

市环境科学研究院、江西省水务水科学检测研发有限公司、水利部珠江水利委员

会技术咨询（广州）有限公司、生态环境部华南环境科学研究所、无锡德林海环

保科技股份有限公司、云南农业大学、淮河水利委员会水文局（信息中心）、北

京爱特拉斯信息科技有限公司、西安理工大学、南宁师范大学、中华环保联合会

水环境治理专业委员会。

本文件主要起草人：刘畅、赵仕霖、刘晓波、王世岩、李昂、肖潇、李保、

何涛、贺金仁、高占平、王建慧、王文华、乔玉、王俊、邱朋朋、李其峰、蓝雪

春、顾华、左瑞亭、刘高飞、吴树宝、陈立娜、张大顺、孙鑫、刘伟、韩祯、马

旭、王亮、杜彦良、朱蓓、刘雨霏、郭梦京、赵银军、刘泽星、黄智华、刘力、

饶杰、傅雷、王文君、吴英杰、刘铁军、杨智、苏正猛、张亚、陈昱潼、赵玮、

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T/ACEF121－2023

孙超、王磊、许莉、许高平、王巍、郝芝建、李善综、曾祥云、孙前、陈仲晗、

李秋艳、胡明明、潘正国、王建雄、张金棚、刘阳、罗春辉、刘愿军、李伟。

2

T/ACEF121－2023

湖库水环境数值模型构建技术规范

1适用范围

本文件规定了当湖泊、水库开展以水质评估、分析、预测为目的数值模型选择、资料收

集、构建、率定验证、模拟计算及结果合理性分析等工作时的技术要求。

本文件适用于大型水库（含大型水电工程、大型水利枢纽工程）、深水型湖泊的水质演

化过程数值模拟相关工作。

本文件适用于湖泊、水库水质的常规数值分析、水质突发事件应急分析及水质专项研究

分析。

中小型水库、浅水湖泊可参照使用。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期

的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改单）适用于本文件。

GB3838地表水环境质量标准

GB/T25173水域纳污能力计算规程

SL/T278水利水电工程水文计算规范

NB/T10233水电工程水文设计规范

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

湖库水质waterqualityofreservoirsandlakes

湖泊、水库水体在环境作用下表现出来的综合特征，即水体的物理性质和化学成分。

3.2

1

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水质数值模型mathematicalmodelofwaterquality

描述水体中水质变化规律的数学表达式，以物质守恒原理为基础，反映污染物排放与水

体质量的定量关系，主要用于水体污染特性、水体纳污容量的研究和水质预测。

3.3

缺氧区anoxiczone

水体中的溶解氧（DO）浓度小于2.0mg/L的区域（参考美国环境保护署相关研究成果）。

4湖库水环境数学模拟的基本流程

湖库水环境数学模拟的基本流程主要包括现场调查和基础数据收集、模拟对象水动力学、

水质状况初步分析、数值模型的选择、构建、模型参数的确定、率定与验证、开展水环境质

数学模拟、模拟结果合理性分析等。

4.1现场调查和基础数据收集

针对需要开展数学模拟的湖库对象，开展必要的现场调查。根据数值模拟工作需要，开

展详细的基础数据收集。

4.2模拟对象水动力学、水质状况初步分析

针对需要开展数学模拟的湖库对象，开展水动力学、水质特征初步分析，结合模拟工作

的目的和需求，初步判断能体现模拟对象水动力学、水质特征的关键时段、过程和区域等。

4.3湖库水环境模拟数值模型选择

针对需要开展模拟的湖库对象及模拟工作目的，选择适当的水环境数值模型。

4.4数值模型的构建

根据模拟对象湖库的基本特征、模拟工作的技术要求，开展模拟区域的概化，确定模拟

工作的初始条件、边界条件、模拟工况、模拟精度等。

4.5湖库水环境数值模型参数的确定、率定与验证

确定模型所需的主要参数取值，选取区域实测水文、水质数据，对构建的数值模型开展

率定和验证工作，修正模型主要参数取值。

4.6湖库水体水环境数学模拟

在率定验证后的模型基础上，针对数学模拟的工作目的及设定模拟因子、边界条件，确

定模拟工况，对湖库水体水质开展数学模拟。

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4.7湖库水体水环境数学模拟结果合理性分析

对模型模拟的水质结果展开合理性分析，确定结果的可用性和准确性。

图1湖库水环境数学模拟基本流程图

5模型的基础资料要求

5.1基本要求

开展湖库水环境数学模拟前，应以湖库所在流域区域为重点，收集湖库所在流域区域的

基础资料，主要包括但不限于下列内容：湖库基本情况、自然地理、气象水文、湖库水下地

形、湖库水质状况、湖库水质管理要求、污染源基本情况等，具体的资料精度可根据模型构

建工作的需要进行确定。

5.2基础资料要求

5.2.1湖库基本情况资料主要包括湖泊地理位置、水库建设地点、湖库规模、水库开发方式、

湖库水文基本情况、水位变动特征、水库运行调度方案等。

5.2.2自然地理资料主要包括地形地貌图、水系图，河流特征，流域面积，土地利用，水资

源分区、水文地质资料等。

5.2.3气象水文资料主要包括湖库周边的气象与水文站名录和分布图及相应站点的气象水

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文资料，包括降水量、蒸发量，实测和天然径流系列、河流水沙参数等。

5.2.4湖库形态资料主要包括湖（库）盆形态，湖库流态，湖泊水下地形基本特征，水下地

形或断面地形数据等。

5.2.5水环境基础资料主要包括湖库所在区域的国控、省控水质断面分布情况、水质状况、

达标情况、水功能区划及水质目标、排污口位置、排放特点、污水排放量、排放浓度、主要

污染物等。

5.2.6水资源开发利用资料主要包括湖库既有取水口、引水口、饮用水水源保护区基本情况、

湖库水资源开发利用情况、取用水户分布及开发利用情况，取用水过程等。

5.2.7一致性及可靠性分析。对收集的基础数据资料进行数据一致性分析。应明确模型采用

基础数据的来源，保证基础数据的可靠性。

6湖库水体水动力学、水质状况初步分析

6.1湖库水体水动力学状况分析

6.1.1应根据模拟湖库的水系、位置、面积、容积、几何形态、主要功能、人为运行调度方

式、所在区域气象特征等，初步分析湖库水动力学总体特征。

6.1.2展开分析的湖库水动力学总体特征可包括湖库水体的水量平衡状况和水动力学主要特

点。

6.1.3湖库水体的水量平衡状况包括水体的总容积、年内容积变化情况、水量补给来源、补

给方式和补给量，水量泄放去向、泄放方式和泄放量、水体蒸发渗漏量、水体置换率等。

6.1.4湖库水体的水动力学主要特点包括水体水面宽度、特征水位、年内水位和水面宽度变

化情况、水体总体流场分布特征、流动特征等。

6.1.5开展湖库水体水动力学状况分析时应特别关注可能引起水体水动力学显著变化的关键

区域，如水体汇合口、泄水口、地形显著变化处等。

6.2湖库水质状况初步分析

6.2.1应根据模拟湖库的来水水质状况、模拟水体水质状况、水功能区达标情况、水体主要

污染因子、水体汇水区污染特征、水体内源污染状况等，初步评估水体水质状况。

6.2.2应根据模拟湖库水体水动力学状况分析成果，结合模拟湖库水体污染特征、气象条件

（气温、风速、相对湿度等）等分析水体热分层状况、氧分层状况、污染物释放特征，判断

水体的水质影响敏感区，初步确定水质数值模拟应重点关注的区域。

6.2.3对于湖泊、水库水体分层情形，即湖库水质代表性指标（如水温、溶解氧或其他水质

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T/ACEF121－2023

指标）随水体深度而变化，呈层状分布的现象。可根据湖库水体自表层至底层的表层、跃层

和底层三个主要部分，在进行湖库水质状况初步分析时，应重点关注水体分层的年内分布时

间、水体垂向分层结构特征、不同水层的位置、厚度、水质因子指标的变化梯度等。

6.2.4对于水体缺氧状态导致磷、铁、锰等元素加速释放情况下，若水体内氨氮浓度明显上

升变化，在进行湖库水质状况初步分析时，应重点关注水体缺氧区的出现时间、位置、面积、

厚度等。

6.2.5应将影响水体水质状况的缺氧区作为湖库水质模拟的关键区域。

6.2.6在进行湖库水质状况初步分析时，可辅以现场监测的方式确定水体水质垂向层化状态、

缺氧区特征、水体主要污染状况等。

7湖库水环境数值模型构建

7.1模型的选择

7.1.1湖库水环境模型应优先采用数值解模型，在模拟湖库水域形态规则、水流均匀且排污

稳定时可以采用解析解模型。

7.1.2应根据模拟工作的目的、精度要求等选择合适的模型种类。

7.1.2.1当湖库水体水流交换作用较充分、污染物质分布基本均匀时可选用零维模型。

7.1.2.2污染物在断面上均匀混合的河道型水库宜选用纵向一维模型。

7.1.2.3垂向分层不明显的浅水湖库宜选用平面二维模型。

7.1.2.4存在垂向分层，水平（横向、纵向）分布差异不明显的深水湖库，宜选用垂向一维

模型。

7.1.2.5横向分布差异不明显，存在垂向分层及纵向差异的深水型湖库宜选用立面二维模型。

7.1.2.6垂向及水平分布差异明显的深水型湖库宜选用三维模型。

7.2模型初始条件的设定

7.2.1初始条件（水文、水质、水温等）设定应满足所选用模型的基本要求，需合理确定初

始条件，控制预测结果不受初始条件的影响。

7.2.2当初始条件对计算结果的影响在短时间内无法有效消除时，应延长模拟计算的初始时

间，必要时应开展初始条件敏感性分析。

7.3模型模拟因子的选择

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7.3.1应根据湖库现状情况下的水文基本特征或数学模拟工作的具体需求，确定模型的水文

模拟因子，可包括湖库水位（水深）、流速、流量与径流过程等。

7.3.2可结合湖库所在水环境控制单元或区域水环境质量现状，确定模型的水质模拟因子，

可包括水体常规水质因子、特征污染因子，也可根据数学模拟的具体要求选择因子。

7.3.3当湖库水体可能出现水体富营养化时，模拟因子还应包括与富营养化有关的因子（如

总磷、总氮、叶绿素a、高锰酸盐指数和透明度等）。

7.4模型边界条件及工况的设定

7.4.1模型水文边界条件：可根据湖库水环境数学模拟的需求设定相应的水文边界条件，水

文边界条件主要包括入湖（库）支流水量过程、降雨径流过程、湖（库）蓄水量变化过程、

湖（库）水位过程、湖（库）出水流量过程、湖库与地下水的水量交换过程等。为保证计算

结果安全，可采用湖库近10年最低月平均水位或90%保证率最枯月平均水位相应的蓄水量

或水库死库容相应的蓄水量作为不利枯水条件。

7.4.2模型水质边界条件：可根据湖库水环境数学模拟的需求设定相应的水质边界条件，水

质边界条件主要包括入湖库支流水质过程、湖库周边排污口排污过程、面源污染过程、湖库

水质变化过程、湖库内源污染释放过程，大气污染沉降过程，湖库与地下水的水质交换过程

等。水质边界条件应覆盖模拟范围内的所有与湖库水体水环境相关的污染源。当开展水质突

发事件应急分析时，还应包括水质突发事件排污边界条件。

7.4.3模型气象边界条件：可根据模拟范围内或附近的常规气象监测站点数据进行合理确定。

气象边界条件可采用多年平均气象资料或典型年实测气象资料数据。气象边界条件数据应包

括气温、相对湿度、日照时数、降雨量、云量、风向、风速等。

7.4.4可根据湖库水环境数学模拟的需求合理确定模拟计算工况。当应用模型进行湖库水质

预测预报时，应根据需求合理设定模型相关边界条件。

8模型参数的确定、率定与验证

8.1基本要求

8.1.1应在应用模型开展模拟工作前，确定模型主要参数取值。

8.1.2为保证湖库水环境数学模拟结果的准确性，在应用数值模型前应根据实测水文、水质

数据对模型关键水动力学、水质参数开展率定与验证。经过率定验证的数值模型方可