利用氣象因子估算天然河道水溫的新公式

1、文章編號 :100923087 (2006) 0120001204利用氣象因子估算天然河道水溫的新公式李克鋒1 ,郝紅升1 ,莊春義2 ,蒲靈1(1 . 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室 ,四川 成都 610065 ;2 . 四川省水利水電勘測設(shè)計研究院 ,四川 成都 610072)摘 要 :結(jié)合某流域水溫原型觀測資料 ,通過分析水溫與氣溫 、太陽輻射 、濕度和風(fēng)速之間的相關(guān)關(guān)系 ,采用最小二乘法建立了水溫與氣溫 、濕度和風(fēng)速三者之間的多變量函數(shù)方程式 ,提出了一種利用氣象因子估算天然河道水溫 的新公式 。研究成果可用于缺乏水溫監(jiān)測資料河流的水溫估算 ,為流域開發(fā)的環(huán)境影響評價

2、提供科學(xué)依據(jù) 。 關(guān)鍵詞 :水溫 ;氣溫 ;相對濕度 ;風(fēng)速中圖分類號 : tv124文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :aa ne w method f or predicting water temperature of river byusing meteorological factorsl i ke2f eng1 , hao hong2sheng1 , zhuan g chun2yi2 , pu l ing1(1 . state key lab. of hydraulics and mountain river eng. , sichuan univ. , chengdu 610065 ,china ;2

3、 . water resources and hydropower investigation , design and research inst . of sichuan province ,chengdu 610072 ,china)abstract :on the basis of the field data of water temperature , a new formula for estimating water temperature of river byusing meteorological factors is put forward by using the m

4、ethod of least squares. the new formula can be used to estimate the water temperature of river where there is no water temperature monitoring data , and can provide the scientific founda2 tion for environmental impact assessment of river basin development .key words :water temperature ; air temperat

5、ure ; humidity ; wind speed水溫是一個十分重要的水質(zhì)因素 。一方面水溫與其它水質(zhì)要素有著密切的聯(lián)系 ,如生化耗氧和復(fù) 氧過程都與水溫有關(guān) ; 另一方面水溫與水生生態(tài)有著更加密切的關(guān)系 ,如水體中的魚類及其它水生生 物對水溫都非常敏感 。為了預(yù)測水溫的變化規(guī)律 ,許多學(xué)者進(jìn)行過研 究 ,提出了各種計算方法 ,這些方法主要可以歸結(jié)為 經(jīng)驗公式法和數(shù)學(xué)模型法 。隨著計算機(jī)和數(shù)值計算方法的發(fā)展 ,數(shù)學(xué)模型法越來越多的應(yīng)用于工程實際 ,但是該方法要求輸入的基本數(shù)據(jù)較多 ,計算也較 為復(fù)雜 。為了解決水溫計算的復(fù)雜性和普遍性的矛盾 ,過去也有許多學(xué)者通過對大量實測水溫資料的 統(tǒng)計

6、分析 ,提出了各種經(jīng)驗公式 。其中 ,運用氣象因 子估算水溫的經(jīng)驗公式較為常見 。然而 ,在以往的 研究中 ,很多經(jīng)驗公式只是單一的考慮了氣溫對水 溫的影響1 ,或者將氣溫與水溫的關(guān)系粗略的假定 為線性關(guān)系2 - 3 。作者通過對某流域水溫原型觀測和氣象資料的 統(tǒng)計分析 ,綜合考慮了氣溫 、風(fēng)速和相對濕度對水溫 的影響 ,并根據(jù)它們之間的相關(guān)關(guān)系 ,運用非線性函收稿日期 :2005 - 06 - 20基金項目 :國家自然科學(xué)基金資助項目 (50279025)作者簡介 :李克鋒 (1965 - ) ,男 ,教授. 研究方向 :環(huán)境水力學(xué).數(shù)進(jìn)行擬合 ,得出了一種利用氣溫 、風(fēng)速和相對濕度估算水溫

7、的新公式 。研究成果可用于無水溫監(jiān)測資 料河流的水溫估算 ,為流域開發(fā)的環(huán)境影響評價提 供科學(xué)依據(jù) 。影響天然水溫的主要氣象因子天然河流中水域表面溫度的變化 ,是水氣界面 復(fù)雜的熱力交換過程 。影響水溫的主要氣象因素 有 :氣溫 、太陽輻射 、相對濕度 、風(fēng)速 ,其影響程度各 不相同 。1 . 1 氣溫太陽短波輻射一部分被空氣中的氣體 、水蒸氣 及塵埃所吸收 ,使空氣增溫 ;另一部分到達(dá)水面被水 體表層所吸收 ,使水體增溫 ;太陽輻射熱是空氣和水 體的同一熱源 ,且兩者在獲得太陽輻射熱通量大小上為正相關(guān) ,即空氣獲得的太陽輻射熱量增大 ,水面 吸收太陽輻射熱量也隨之增大 ?？諝馐侵苯优c水體 相

8、接觸的 ,并且以長波輻射和感熱交換的方式直接 作用于水體 ,影響水面溫度的變化 ,因此 ,氣溫對水 溫的影響一般來說是最大的 ,而太陽輻射對水溫的影響可以考慮到氣溫的影響中 。本次觀測期內(nèi)多次 觀測氣溫與水溫的相關(guān)關(guān)系如圖 1 所示 。1圖 2 相對濕度與水溫的關(guān)系圖relationship bet ween humidity and water tempera2turefig. 2圖 3 風(fēng)速與水溫的關(guān)系圖relationship bet ween wind speed and water temper2aturefig. 3估算公式的推導(dǎo)在推求水溫與氣溫 、相對濕度和風(fēng)速的函數(shù)關(guān) 系式之前

9、 ,先設(shè)定它們之間的函數(shù)關(guān)系式的形式為 :t = f ( t , r ,) 。式中 , t 為水溫 , ; t 為氣溫 , ; r 為相對濕度 ,為 風(fēng)速 , m/ s 。通過對某流域干流及主要支流原型觀測資料和對應(yīng)的氣象站點的氣象資料的整理分析 , 發(fā)現(xiàn)在其 它條件不變的情況下 , 氣溫和相對濕度都與水溫成 正比例關(guān)系 , 而風(fēng)速與水溫成反比例關(guān)系 。因此 , 天2圖 1 氣溫與水溫的關(guān)系圖relationship bet ween a ir temperature and temperaturefig. 1water1 . 2相對濕度和風(fēng)速呈非線性函數(shù)關(guān)系 , 通過大量的試算并分析圖中數(shù)據(jù)

10、的變化規(guī)律 , 應(yīng)用最小二乘法擬合出氣溫單一因 子的計算公式 :根據(jù)各影響因素對水溫的影響程度不同及其他們與水溫的關(guān)系 , 將公式 ( 2) 、( 3) 、( 4) 代入公式 ( 1)中 , 最后確定了推求天然水溫的函數(shù)方程式 :f ( t) = 4. 717e0. 041 t式中 , t 為水溫 , ; t 為氣溫 , 。 在推導(dǎo)相對濕度單一因子的計算公式時 , 采用白振營推導(dǎo)的相對濕度計算公式2 的形式 。通過不同的濕度區(qū)實測數(shù)據(jù)分析和驗證 , 建立相對濕度單 一因子的計算公式 :( 1 + r2) 0. 781( 2)t = 4 . 717e0. 041 t(5)( 1 + 0. 325

11、2) 0. 0325以上估算公式中 ,若以每次改變某參數(shù) ( 10 %)的方法 ,作為靈敏度的分析 ,可以發(fā)現(xiàn)各參數(shù)對其計 算結(jié)果影響的大小有以下由大到小的排列順序 :氣溫 風(fēng)速 相對濕度 。這表明氣溫對水溫的影響程度 最大 。因此在使用此公式估算天然河流的水溫時必須要求氣溫的準(zhǔn)確度 ,同時注意到在氣候突變情況下 氣溫變化比較快 ,而水溫的變化比較慢 ,使用這種情 況下的測量氣溫會對計算結(jié)果造成很大誤差 。將公式 (5) 用于估算水文站 a 、b 、c 和 d 的日均 水溫 ,計算結(jié)果見表 1 ,計算值與實測值的對比見圖4 。 ( r) =式中 , r 為相對濕度 。( 1 + r2) 0.

12、781( 3)對于計算風(fēng)速的公式 , 同樣采用白振營推導(dǎo)的風(fēng)速計算公式2 的形式 。通過不同的風(fēng)速實測數(shù)據(jù) 分析和驗證 , 建立風(fēng)速單一因子的計算公式 :() = ( 1 + 0 . 3252) 0. 0235式中 , 為風(fēng)速 , m/ s 。(4)表 1 實測值與計算值比較comparison of measured value with computed valueta b. 1觀測時間氣象參數(shù)自然水溫/ 測站觀測方式絕對誤差相對誤差/ %風(fēng)速/ (ms - 1)月日氣溫/ 濕度實測計算10101010101010202122232425261715. 113. 513. 915. 615

13、. 6160. 890. 890. 870. 870. 770. 850 . 81. 70. 71. 70. 31. 70. 70. 314 . 614. 2313. 5313 . 213 . 613 . 513 . 614. 7113. 7712. 5412. 9412. 6613. 6313. 370 . 11- 0 . 46- 0 . 99- 0 . 26- 0 . 940 . 13- 0 . 230 . 723 . 247 . 291 . 956 . 880 . 931 . 71a 站岸邊觀測101010101010102021222324252618. 917. 715. 415.

14、314. 516. 514. 80. 730. 710. 740. 740. 810 . 80. 78130. 301. 70014 . 41413 . 81414 . 214 . 213 . 514. 2012. 9812. 4712. 4212. 4813. 6512. 54- 0 . 20- 1 . 02- 1 . 33- 1 . 58- 1 . 72- 0 . 55- 0 . 961 . 417 . 279 . 6711. 2712. 123 . 857 . 09b 站岸邊觀測101010101010102021222324252618. 516. 215. 214. 51514. 2

15、13. 10. 680. 790 . 70 . 70. 680. 790. 691. 30. 72. 710. 71. 71. 311 . 911 . 711 . 811 . 912 . 111 . 61113. 4113. 3411. 6711. 5911. 7012. 1410. 831 . 511 . 64- 0 . 13- 0 . 31- 0 . 400 . 54- 0 . 1712. 7114. 001 . 082 . 573 . 314 . 661 . 57c 站岸邊觀測10101010101020212223242515. 516. 115. 714. 31312. 80. 54

16、0 . 50. 480. 520. 570. 660. 77. 36. 34. 73310 . 410. 2410. 4210. 0910 . 19 . 9810. 8410. 159 . 929 . 739 . 7010. 240 . 44- 0 . 09- 0 . 50- 0 . 36- 0 . 400 . 264 . 210 . 904 . 763 . 594 . 002 . 60d 站岸邊觀測 10 26 10 . 6 0 . 63 3 10 9 . 16 - 0 . 84 8 . 41 圖 4 實測值與計算值對比圖fig. 4 comparison of measured value

17、 with computed value從表 1 和圖 4 可以看出 ,計算值與實測值比較存在誤差 ,造成誤差的原因主要是測量誤差 ,同時在 進(jìn)行實際測量時由于出現(xiàn)氣候突變的特殊情況導(dǎo)致氣溫變化很大 ,而水溫的變化過程很慢 ,從而在計算 值與實測值之間出現(xiàn)較大的誤差 。估算公式計算值 的相對誤差一般都在 10 %以內(nèi) 。僅個別誤差超過10 %的 ,多發(fā)生在氣溫變化幅度較大的情況下 ,并且 絕對誤差很小 ,都在允許誤差范圍內(nèi) 。因此 ,該估算公式具有較高的精度 ,能夠滿足工程需要 ,可應(yīng)用于 缺乏水溫監(jiān)測資料的河流的水溫估算 。度 ,因此為了保證計算結(jié)果的精度 ,首先應(yīng)保證氣溫具有一定的可靠性

18、。參考文獻(xiàn) :1 daniel caissie , nassir el2j abi , mysore g satish. modelling ofmaximum daily water temperatures in a small stream using airtemperaturesj . journal of hydrology ,2001 ,251 :14 - 28.2 bai zhenying , a new formula for calculating water temperatureof lake or reservoir j . hydrology , 1999 ( 3) : 29 - 32. 白振營 . 一個計算湖泊 ( 水庫) 自然水溫的新公式 j .1999 (3) :29 - 32.水文 ,結(jié)論3通過對大量水溫觀測資料和氣象資料的統(tǒng)計分析 ,建立了天然水溫與氣溫 、相對濕度和風(fēng)速之間的 函數(shù)關(guān)系式 ,并利用實測資料對估算公式進(jìn)行了驗 證 。驗證結(jié)果表明 ,該估算公式計算值與實測值基 本吻合 ,可應(yīng)用于缺乏水溫監(jiān)測資料的河流的水溫 估算 。根據(jù)氣象因子的靈敏