黃河上游梯級水庫群水溫原型觀測方案

王倩，牛樂，牛天祥，孫瑩

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安　710065)

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黃河上游梯級水庫群水溫原型觀測方案

王倩，牛樂，牛天祥，孫瑩

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065)

黃河上游龍羊峽—劉家峽河段梯級開發的格局已基本形成，根據龍羊峽水庫監測資料，存在水溫分層、下泄低溫水的問題。由于目前僅在龍羊峽間斷性監測過水溫，缺乏梯級水庫水溫系統觀測，因此提出梯級水庫群水溫系統原型觀測方案，以期開展黃河上游梯級水庫群聯合運行的水溫累積影響研究，為后續水電開發水溫影響預測及減緩措施研究提供基礎數據與科學支撐。

水溫；原型觀測；黃河上游；梯級水庫；累積影響

梯級水電站建設在帶來巨大社會效益和經濟效益的同時，對生態環境也產生了深遠的影響[1]。水溫是環境影響中重要的水質要素和生態因子，近年來一直是水電規劃和單項工程環評中的重點內容之一[2]。黃河上游龍羊峽—劉家峽河段(以下簡稱龍—劉河段)的水電梯級開發已歷經半個世紀，格局已基本形成。黃河上游梯級開發在改變河道徑流的年內分配和年際分配的同時，也相應改變了水體的年內熱量分配，引起水溫在流域沿程和縱向深度上的梯度變化[3]。在河段梯級開發過程中，水庫內水體溫度不再均勻分布，而且水庫下泄的水流溫度也較建庫前發生較大改變，這些都可能給庫區及下游的水質及生態系統帶來一系列影響[4]。

梯級水庫對下游河道及庫區水溫影響因流域地理位置、水電開發模式、水庫建設時序和規模的不同，其水溫影響存在時空的波動性和累積性，比單獨水電工程項目更為復雜[5]，但大多數水庫水溫研究都基于數學模型[6-8]。雖然數學模型是研究水庫、河道水溫分布規律的重要工具，但原型觀測仍是了解水溫變化最直接有效的方法與途徑。目前，國內原型觀測多為短歷時、單一水庫，缺乏對梯級水庫群水溫的長期系統性原型觀測研究，缺少水庫水溫與電站運行調度的響應關系及與河流水溫的同步觀測研究。本文通過對黃河上游已建梯級水庫水溫觀測情況的調查，提出梯級水庫群水溫系統原型觀測方案，以期開展黃河上游梯級水庫群聯合運行的水溫累積影響研究，為后續水電開發水溫影響預測及減緩措施研究提供基礎數據與科學支撐。

1　已建梯級水庫水溫影響回顧分析

1.1已建梯級水電站概況

黃河上游龍—劉干流河段長約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、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最大梯級水電站群之一。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，龍羊峽水庫為具有多年調節能力的龍頭水庫，劉家峽水庫屬年調節型水庫，其余為日調節型水庫。

1.2已建梯級水庫水溫觀測背景

黃河上游已建梯級水庫群均為高寒區水庫，這些水庫除春夏季水溫分層外，還存在冬季冰封期水庫水溫結構呈逆溫分布、年內會發生春秋兩次大翻轉等特征。目前，人們對熱帶和溫帶地區的水庫水溫開展了大量研究，基本掌握了這些水庫的水溫演變規律及機理，但在高寒地區的水庫水溫研究成果較少，主要是由于高寒地區涉及氣壓低、空氣稀薄、晝夜溫差大等特殊氣候條件，還可能存在復雜的冰情問題。而我國水利建設逐漸向高海拔、高緯度的寒帶地區推進，開展高寒地區水庫水溫研究迫在眉睫。因此，本方案擬選擇我國黃河上游已建的典型高寒地區大型水庫進行水溫原型觀測，以研究分析高寒地區大型水庫水溫結構及演變規律與機理。研究成果對高寒地區生態環境保護具有重要意義，并為高寒地區水資源開發提供重要的技術支撐。

根據現場調查情況，黃河上游龍—劉河段只有龍羊峽水庫在壩前和庫中開展過水溫原型觀測，李家峽、拉西瓦、公伯峽等水庫均尚未開展。龍羊峽水庫水溫觀測從1986年開始，采用人工觀測，每月觀測1日，1日監測1次。而龍—劉河段尚未開展過系統的水庫群水溫觀測工作。

1.3已建梯級水庫水溫影響分析

根據收集到的龍羊峽水庫2009年10月至2010年9月的水溫觀測資料(2010年3月儀器故障，未監測)，現對龍羊峽水庫壩前水溫進行統計分析，如圖1所示。

圖1　龍羊峽水庫典型日壩前實測水溫曲線Fig.1　The typical daily measured water temperature curve in front of Longyangxia Reservoir

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

2　梯級水庫群水溫原型觀測方案

2.1觀測水庫的選擇

根據黃河上游梯級電站建設格局，選取不同調節性能的水庫進行水溫觀測。主要選取具有多年調節性能的龍頭水庫龍羊峽和具有日調節性能的拉西瓦、李家峽、公伯峽高壩大庫進行觀測。考慮到貴德濕地對下泄低溫水的調節作用，同時選擇庫容較小、最大壩高僅為45.5 m的康揚水電站進行水溫監測，以研究高壩大庫下泄低溫水經貴德濕地調節后的變化情況。

2.2觀測點位的選擇

根據大型水庫的水溫結構特征，初步擬定在各水庫庫中、壩前、壩后設置觀測點位。觀測點位沿水深方向每隔5 m設置一個水溫探測器，表層水加密布置。具體監測方案如表1所示。

表1　龍—劉河段水溫原型監測方案表

2.3儀器設備的選擇

(1)遠程實時傳輸水溫測試儀

對于水庫壩前、壩后水溫觀測，采用遠程實時傳輸水溫測試儀進行自動監測。該儀器可根據不同壩高、不同壩前壩后水深以及現場監測條件定制，數據可靠性高，適合固定點位長期水溫原型觀測研究。

>>黃河上游高寒區水電站地形條件復雜，壩前監測需遠離泄水洞及引水洞主流，尾水觀測點需選擇在水流穩定、維護便利的區域。

(2)便攜式水溫傳感器

對于水庫水況條件差、遠程水溫測試裝置安裝困難，但有條件通過漁船進入庫區內部進行監測的點位，采用便攜水溫傳感器系統開展人工定期監測。

2.4觀測時段與頻次

根據黃河上游水溫發生分層的時段和特點以及水庫運行方式，初步擬定開展為期兩年的原型觀測。壩前和壩后水溫觀測：每年5—10月為重點監測時段，該時段水溫測試儀2小時讀取1次數據；其他月份每天讀取4次數據。庫中點位，由于無法固定遠程水溫測試儀，采用每月人工觀測1～3次。

2.5定期資料收集

為研究水庫水溫與電站運行調度的響應關系，以及河流水溫的沿程恢復情況，定期收集各水溫觀測水庫的逐日運行調度資料和龍—劉河段水文站逐日水溫觀測資料。

3　總結與建議

黃河上游龍羊峽—劉家峽河段梯級開發的格局已基本形成，但僅在龍羊峽開展過間斷性水溫監測，缺乏梯級水庫水溫系統觀測，缺少水庫水溫與電站運行調度的響應關系及與河流水溫的同步觀測研究。因此，本文提出梯級水庫群水溫系統原型觀測方案，為后續水電開發水溫影響預測及減緩措施研究提供基礎數據與科學支撐。

本方案已建電站庫區、壩前與尾水的水溫長期原型觀測影響因素復雜，需選擇在水流穩定、交通條件便利、易于維護的區域進行。目前，實際觀測過程中仍存在一些問題和難點，給水溫觀測的順利進行造成一定困難。

(1)水溫觀測點布置

黃河上游高寒區水電站地形條件復雜，壩前監測需遠離泄水洞及引水洞主流，尾水觀測點需選擇在水流穩定、維護便利的區域。經現場查勘，龍羊峽壩前觀測點靠近進水口，給水溫觀測點的布設造成一定困難。

(2)監測儀器耐受性

本次原型觀測對水深要求較高，一般要求為100 m以上。監測垂向溫度鏈的水深耐受性、水下穩定性有待進一步實驗確定。

(3)監測過程質量控制

擬委托黃河水電開發有限公司大壩管理中心對各站點監測儀器進行后期維護和數據采集，但由于測試條件復雜，觀測點儀器受水流影響被沖走導致數據丟失等可能性極大，存在一定的測試風險。

針對觀測中實際遇到的問題，建議優化觀測方案，同期收集壩體預埋水溫監測數據，與壩前觀測點水溫數據進行對比分析，若具有相似性，今后可直接利用壩體預埋水溫監測數據。此外，建議增加庫尾和壩下沿程觀測點，以對照入庫水溫和沿程水溫變化趨勢。對于庫中等不便于人工定期采集數據的觀測點，建議采用無線數據傳輸方式進行觀測數據采集，可很大程度上減少原型觀測的工作量。

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[3]周孝德, 宋策, 唐旺. 黃河上游龍羊峽—劉家峽河段梯級水庫群水溫累積影響研究[J]. 西安理工大學學報, 2012, 28(1): 1-6.

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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，主要研究方向為環境影響評價，E-mail：wangqian104@126.com

10.14068/j.ceia.2016.03.003

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0009-04