黃河上游梯級(jí)水庫(kù)群水溫原型觀測(cè)方案

王倩，牛樂(lè)，牛天祥，孫瑩

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安　710065)

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黃河上游梯級(jí)水庫(kù)群水溫原型觀測(cè)方案

王倩，牛樂(lè)，牛天祥，孫瑩

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710065)

黃河上游龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的格局已基本形成，根據(jù)龍羊峽水庫(kù)監(jiān)測(cè)資料，存在水溫分層、下泄低溫水的問(wèn)題。由于目前僅在龍羊峽間斷性監(jiān)測(cè)過(guò)水溫，缺乏梯級(jí)水庫(kù)水溫系統(tǒng)觀測(cè)，因此提出梯級(jí)水庫(kù)群水溫系統(tǒng)原型觀測(cè)方案，以期開(kāi)展黃河上游梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)行的水溫累積影響研究，為后續(xù)水電開(kāi)發(fā)水溫影響預(yù)測(cè)及減緩措施研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與科學(xué)支撐。

水溫；原型觀測(cè)；黃河上游；梯級(jí)水庫(kù)；累積影響

梯級(jí)水電站建設(shè)在帶來(lái)巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[1]。水溫是環(huán)境影響中重要的水質(zhì)要素和生態(tài)因子，近年來(lái)一直是水電規(guī)劃和單項(xiàng)工程環(huán)評(píng)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一[2]。黃河上游龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{河段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)龍—?jiǎng)⒑佣?的水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)已歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)，格局已基本形成。黃河上游梯級(jí)開(kāi)發(fā)在改變河道徑流的年內(nèi)分配和年際分配的同時(shí)，也相應(yīng)改變了水體的年內(nèi)熱量分配，引起水溫在流域沿程和縱向深度上的梯度變化[3]。在河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，水庫(kù)內(nèi)水體溫度不再均勻分布，而且水庫(kù)下泄的水流溫度也較建庫(kù)前發(fā)生較大改變，這些都可能給庫(kù)區(qū)及下游的水質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)一系列影響[4]。

梯級(jí)水庫(kù)對(duì)下游河道及庫(kù)區(qū)水溫影響因流域地理位置、水電開(kāi)發(fā)模式、水庫(kù)建設(shè)時(shí)序和規(guī)模的不同，其水溫影響存在時(shí)空的波動(dòng)性和累積性，比單獨(dú)水電工程項(xiàng)目更為復(fù)雜[5]，但大多數(shù)水庫(kù)水溫研究都基于數(shù)學(xué)模型[6-8]。雖然數(shù)學(xué)模型是研究水庫(kù)、河道水溫分布規(guī)律的重要工具，但原型觀測(cè)仍是了解水溫變化最直接有效的方法與途徑。目前，國(guó)內(nèi)原型觀測(cè)多為短歷時(shí)、單一水庫(kù)，缺乏對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群水溫的長(zhǎng)期系統(tǒng)性原型觀測(cè)研究，缺少水庫(kù)水溫與電站運(yùn)行調(diào)度的響應(yīng)關(guān)系及與河流水溫的同步觀測(cè)研究。本文通過(guò)對(duì)黃河上游已建梯級(jí)水庫(kù)水溫觀測(cè)情況的調(diào)查，提出梯級(jí)水庫(kù)群水溫系統(tǒng)原型觀測(cè)方案，以期開(kāi)展黃河上游梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)行的水溫累積影響研究，為后續(xù)水電開(kāi)發(fā)水溫影響預(yù)測(cè)及減緩措施研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與科學(xué)支撐。

1　已建梯級(jí)水庫(kù)水溫影響回顧分析

1.1已建梯級(jí)水電站概況

黃河上游龍—?jiǎng)⒏闪骱佣伍L(zhǎng)約502 km。該河段已建成龍羊峽、拉西瓦、尼那、李家峽、直崗拉卡、康揚(yáng)、公伯峽、蘇只、積石峽、炳靈、黃豐、劉家峽等12座水電站，在建大河家水電站是中國(guó)最大梯級(jí)水電站群之一。其中龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽和劉家峽水電站均為高壩大庫(kù)，龍羊峽水庫(kù)為具有多年調(diào)節(jié)能力的龍頭水庫(kù)，劉家峽水庫(kù)屬年調(diào)節(jié)型水庫(kù)，其余為日調(diào)節(jié)型水庫(kù)。

1.2已建梯級(jí)水庫(kù)水溫觀測(cè)背景

黃河上游已建梯級(jí)水庫(kù)群均為高寒區(qū)水庫(kù)，這些水庫(kù)除春夏季水溫分層外，還存在冬季冰封期水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)呈逆溫分布、年內(nèi)會(huì)發(fā)生春秋兩次大翻轉(zhuǎn)等特征。目前，人們對(duì)熱帶和溫帶地區(qū)的水庫(kù)水溫開(kāi)展了大量研究，基本掌握了這些水庫(kù)的水溫演變規(guī)律及機(jī)理，但在高寒地區(qū)的水庫(kù)水溫研究成果較少，主要是由于高寒地區(qū)涉及氣壓低、空氣稀薄、晝夜溫差大等特殊氣候條件，還可能存在復(fù)雜的冰情問(wèn)題。而我國(guó)水利建設(shè)逐漸向高海拔、高緯度的寒帶地區(qū)推進(jìn)，開(kāi)展高寒地區(qū)水庫(kù)水溫研究迫在眉睫。因此，本方案擬選擇我國(guó)黃河上游已建的典型高寒地區(qū)大型水庫(kù)進(jìn)行水溫原型觀測(cè)，以研究分析高寒地區(qū)大型水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及演變規(guī)律與機(jī)理。研究成果對(duì)高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義，并為高寒地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)提供重要的技術(shù)支撐。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，黃河上游龍—?jiǎng)⒑佣沃挥旋堁驆{水庫(kù)在壩前和庫(kù)中開(kāi)展過(guò)水溫原型觀測(cè)，李家峽、拉西瓦、公伯峽等水庫(kù)均尚未開(kāi)展。龍羊峽水庫(kù)水溫觀測(cè)從1986年開(kāi)始，采用人工觀測(cè)，每月觀測(cè)1日，1日監(jiān)測(cè)1次。而龍—?jiǎng)⒑佣紊形撮_(kāi)展過(guò)系統(tǒng)的水庫(kù)群水溫觀測(cè)工作。

1.3已建梯級(jí)水庫(kù)水溫影響分析

根據(jù)收集到的龍羊峽水庫(kù)2009年10月至2010年9月的水溫觀測(cè)資料(2010年3月儀器故障，未監(jiān)測(cè))，現(xiàn)對(duì)龍羊峽水庫(kù)壩前水溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖1所示。

圖1　龍羊峽水庫(kù)典型日壩前實(shí)測(cè)水溫曲線Fig.1　The typical daily measured water temperature curve in front of Longyangxia Reservoir

從圖1中可以看出，龍羊峽水庫(kù)在2009年12月至2010年2月水庫(kù)水溫為逆分層分布，2010年5—10月為典型性正分層分布，春季4月和秋季11月是轉(zhuǎn)換過(guò)渡期。水庫(kù)在春季下泄水溫較天然水溫有不同程度的降低。

2　梯級(jí)水庫(kù)群水溫原型觀測(cè)方案

2.1觀測(cè)水庫(kù)的選擇

根據(jù)黃河上游梯級(jí)電站建設(shè)格局，選取不同調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)進(jìn)行水溫觀測(cè)。主要選取具有多年調(diào)節(jié)性能的龍頭水庫(kù)龍羊峽和具有日調(diào)節(jié)性能的拉西瓦、李家峽、公伯峽高壩大庫(kù)進(jìn)行觀測(cè)?？紤]到貴德濕地對(duì)下泄低溫水的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)選擇庫(kù)容較小、最大壩高僅為45.5 m的康揚(yáng)水電站進(jìn)行水溫監(jiān)測(cè)，以研究高壩大庫(kù)下泄低溫水經(jīng)貴德濕地調(diào)節(jié)后的變化情況。

2.2觀測(cè)點(diǎn)位的選擇

根據(jù)大型水庫(kù)的水溫結(jié)構(gòu)特征，初步擬定在各水庫(kù)庫(kù)中、壩前、壩后設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)位。觀測(cè)點(diǎn)位沿水深方向每隔5 m設(shè)置一個(gè)水溫探測(cè)器，表層水加密布置。具體監(jiān)測(cè)方案如表1所示。

表1　龍—?jiǎng)⒑佣嗡疁卦捅O(jiān)測(cè)方案表

2.3儀器設(shè)備的選擇

(1)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸水溫測(cè)試儀

對(duì)于水庫(kù)壩前、壩后水溫觀測(cè)，采用遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸水溫測(cè)試儀進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。該儀器可根據(jù)不同壩高、不同壩前壩后水深以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件定制，數(shù)據(jù)可靠性高，適合固定點(diǎn)位長(zhǎng)期水溫原型觀測(cè)研究。

>>黃河上游高寒區(qū)水電站地形條件復(fù)雜，壩前監(jiān)測(cè)需遠(yuǎn)離泄水洞及引水洞主流，尾水觀測(cè)點(diǎn)需選擇在水流穩(wěn)定、維護(hù)便利的區(qū)域。

(2)便攜式水溫傳感器

對(duì)于水庫(kù)水況條件差、遠(yuǎn)程水溫測(cè)試裝置安裝困難，但有條件通過(guò)漁船進(jìn)入庫(kù)區(qū)內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位，采用便攜水溫傳感器系統(tǒng)開(kāi)展人工定期監(jiān)測(cè)。

2.4觀測(cè)時(shí)段與頻次

根據(jù)黃河上游水溫發(fā)生分層的時(shí)段和特點(diǎn)以及水庫(kù)運(yùn)行方式，初步擬定開(kāi)展為期兩年的原型觀測(cè)。壩前和壩后水溫觀測(cè)：每年5—10月為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)段，該時(shí)段水溫測(cè)試儀2小時(shí)讀取1次數(shù)據(jù)；其他月份每天讀取4次數(shù)據(jù)。庫(kù)中點(diǎn)位，由于無(wú)法固定遠(yuǎn)程水溫測(cè)試儀，采用每月人工觀測(cè)1～3次。

2.5定期資料收集

為研究水庫(kù)水溫與電站運(yùn)行調(diào)度的響應(yīng)關(guān)系，以及河流水溫的沿程恢復(fù)情況，定期收集各水溫觀測(cè)水庫(kù)的逐日運(yùn)行調(diào)度資料和龍—?jiǎng)⒑佣嗡恼局鹑账疁赜^測(cè)資料。

3　總結(jié)與建議

黃河上游龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的格局已基本形成，但僅在龍羊峽開(kāi)展過(guò)間斷性水溫監(jiān)測(cè)，缺乏梯級(jí)水庫(kù)水溫系統(tǒng)觀測(cè)，缺少水庫(kù)水溫與電站運(yùn)行調(diào)度的響應(yīng)關(guān)系及與河流水溫的同步觀測(cè)研究。因此，本文提出梯級(jí)水庫(kù)群水溫系統(tǒng)原型觀測(cè)方案，為后續(xù)水電開(kāi)發(fā)水溫影響預(yù)測(cè)及減緩措施研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與科學(xué)支撐。

本方案已建電站庫(kù)區(qū)、壩前與尾水的水溫長(zhǎng)期原型觀測(cè)影響因素復(fù)雜，需選擇在水流穩(wěn)定、交通條件便利、易于維護(hù)的區(qū)域進(jìn)行。目前，實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題和難點(diǎn)，給水溫觀測(cè)的順利進(jìn)行造成一定困難。

(1)水溫觀測(cè)點(diǎn)布置

黃河上游高寒區(qū)水電站地形條件復(fù)雜，壩前監(jiān)測(cè)需遠(yuǎn)離泄水洞及引水洞主流，尾水觀測(cè)點(diǎn)需選擇在水流穩(wěn)定、維護(hù)便利的區(qū)域。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，龍羊峽壩前觀測(cè)點(diǎn)靠近進(jìn)水口，給水溫觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)造成一定困難。

(2)監(jiān)測(cè)儀器耐受性

本次原型觀測(cè)對(duì)水深要求較高，一般要求為100 m以上。監(jiān)測(cè)垂向溫度鏈的水深耐受性、水下穩(wěn)定性有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定。

(3)監(jiān)測(cè)過(guò)程質(zhì)量控制

擬委托黃河水電開(kāi)發(fā)有限公司大壩管理中心對(duì)各站點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行后期維護(hù)和數(shù)據(jù)采集，但由于測(cè)試條件復(fù)雜，觀測(cè)點(diǎn)儀器受水流影響被沖走導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等可能性極大，存在一定的測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)觀測(cè)中實(shí)際遇到的問(wèn)題，建議優(yōu)化觀測(cè)方案，同期收集壩體預(yù)埋水溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與壩前觀測(cè)點(diǎn)水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，若具有相似性，今后可直接利用壩體預(yù)埋水溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此外，建議增加庫(kù)尾和壩下沿程觀測(cè)點(diǎn)，以對(duì)照入庫(kù)水溫和沿程水溫變化趨勢(shì)。對(duì)于庫(kù)中等不便于人工定期采集數(shù)據(jù)的觀測(cè)點(diǎn)，建議采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)采集，可很大程度上減少原型觀測(cè)的工作量。

[1]劉蘭芬, 陳凱麒, 張士杰, 等. 河流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)水溫累積影響研究[J]. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2007, 5(3): 173-180.

[2]蔣立哲, 牛天祥, 馬俊杰, 等. 黃河上游調(diào)節(jié)性水庫(kù)對(duì)河段水溫的影響及其環(huán)境效應(yīng)分析[J]. 西北水電, 2010(3): 6-10.

[3]周孝德, 宋策, 唐旺. 黃河上游龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{河段梯級(jí)水庫(kù)群水溫累積影響研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 28(1): 1-6.

[4]Russell Preece. Cold water pollution below dams in New South Wales[J]. Water Management Division Department of Infrastructure, 2004(3): 1-31.

[5]李蘭, 李亞農(nóng), 袁旦紅, 等. 梯級(jí)水電工程水溫累積影響預(yù)測(cè)方法探討[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2008(6): 86-90.

[6]姚維科, 崔保山, 董世奎, 等. 水電工程干擾下瀾滄江典型段的水溫時(shí)空特征[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 26( 6) : 1 031-1 037.

[7]梁瑞峰, 鄧云, 脫友才, 等. 流域水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)水溫累積影響特征分析[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版, 2012,44(S2): 221-227.

[8]鄧云, 李嘉, 李克鋒, 等. 梯級(jí)電站水溫累積影響研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2008, 19(2): 273-279.

[9]寇曉梅, 牛天祥, 黃玉勝, 等. 黃河上游已建梯級(jí)電站的水環(huán)境累積效應(yīng)[J]. 西北水電, 2009(6): 11-14.

[10]蒲靈, 李克鋒, 莊春義, 等. 天然河流水溫變化規(guī)律的原型觀測(cè)方案研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2006, 43(3): 614-617.

[11]脫友才, 劉志國(guó), 鄧云, 等. 豐滿(mǎn)水庫(kù)水溫的原型觀測(cè)及分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2014, 25(5): 731-736.

The Prototype Observation Scheme for Water Temperature of Cascaded Reservoirs on Upper Yellow River

WANG Qian, NIU Le, NIU Tian-xiang, SUN Ying

(PowerChina Northwest Engineering Co., Ltd., Xi’an 710065, China)

The cascaded development patterns were basically formed for the Longyangxia-Liujiaxia on Upper Yellow River, and problems including water temperature stratification and discharge of low temperature water had arisen, according to the measured data of Longyangxia Reservoir. The current water temperature monitoring is only limited in Longyangxia and it is discontinuous, so that there is lack of monitoring data for water temperature system on cascaded reservoirs. In order to carry out the study on cumulative impact of water temperature during the combined operation of the cascaded reservoir group on Upper Yellow River, and provide basic data and scientific support for the prediction of water temperature impact and mitigation measures study for future hydropower development, this paper put forward a prototype observation scheme for water temperature of cascaded reservoirs.

water temperature; prototype observation; Upper Yellow River; cascaded reservoirs; cumulative impact

2016-02-27

王倩(1987—)，女，河南人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià)，E-mail：wangqian104@126.com

10.14068/j.ceia.2016.03.003

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0009-04