在線觀測系統在梯級電站水溫研究中的應用

顏劍波，張德見，張侃侃

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙　410014)

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在線觀測系統在梯級電站水溫研究中的應用

顏劍波，張德見，張侃侃

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

水溫是水電開發影響的一個重要環境因子，科學評價梯級電站開發對水溫的影響需全面了解各梯級水庫及下游水溫變化。由于常規水文站點空間分布的局限性，利用水文站水溫數據往往不能滿足水溫影響評價要求，補充現場水溫觀測是獲取水溫數據的主要途徑之一。通過對沅水流域梯級電站水溫影響進行研究，分析流域水溫在線自動觀測的效果，并對開展流域水溫長期在線觀測提出建議。

水溫自動觀測系統；梯級電站；水溫研究；沅水

隨著水電開發由單個電站向流域梯級開發推進，水溫的累積影響引起廣泛關注，分析研究已建梯級電站水溫累積影響顯得十分重要[1]。目前研究梯級電站水溫累積影響主要有基于實測資料的調查研究方法[2]和數學模型方法[3]，均對水溫基礎數據有所要求。水文站是獲取水溫資料的主要途徑，但往往不能滿足相關要求。隨著水環境觀測設備和無線傳輸技術的進步，水環境實時在線監測技術應用越來越廣，目前實時在線監測主要應用在常規水文要素、水質要素監測上[4-6]。本文以沅水流域為例，說明水溫在線自動觀測在梯級電站水溫影響研究中的應用，分析流域水溫在線自動觀測的效果，并對開展流域水溫長期在線觀測提出建議。

1　梯級電站背景情況

沅水是洞庭湖水系“湘資沅澧”四水中水量最大的河流，也是我國十三大水電基地之一。沅水發源于貴州省東南部，自西南向東北至常德德山流入洞庭湖。沅水干流全長1 028 km，總落差1 033 m，德山以上流域面積90 000 km2。沅水左岸較大支流有酉水、武水、辰水、潕水，右岸較大支流有溆水、巫水、渠水。目前，沅水干流規劃的13個梯級電站中，除革東電站外，其他電站均已建成。

沅水干流在歷史上分布有7個水文站，其中進行水溫觀測的有5個，由于梯級電站開發，部分水文站搬遷重建，目前進行水溫觀測的僅有3個。為科學評價梯級電站建設對沅水干流水溫的影響，結合現有水溫觀測站分布情況，在沅水干流補充8個水溫自動觀測站點，從上游至下游分別是：三板溪庫尾、三板溪壩前、三板溪壩下、白市壩下、托口壩下、五強溪庫尾、五強溪壩下、桃源壩下。其中，三板溪壩前為水庫垂向水溫觀測站點，其他均為河道水溫觀測站點。

2　自動觀測系統建設

2.1系統組成及功能

水溫自動觀測系統由數據監測中心、水溫自動觀測站、通訊設備組成。

數據監測中心的通訊服務器主要負責實時信息接收、校驗分析、數據入庫、數據解碼、通信監測、數據查詢、數據編輯、實時告警及事件記錄等，并且具備接入包括GPRS、固定IP、郵件傳送、北斗衛星點對點等多種通訊方式。

水溫自動觀測站由測溫傳感器、遙測終端(RTU控制器)、太陽能供電等單元設備組成。測溫傳感器采用高精度單總線溫度傳感器，安裝在測溫斷面代表垂線處的水下各測點上。遙測終端采用超低功耗數據采集器，自動采集各點水溫數據，通過GPRS方式主信道發送(可選北斗衛星通訊)，并且數據本地進行U盤備份存儲。通信設備采用GPRS無線通信方式，將數據發送至監測中心。由于水溫監測站的功耗很小，整套系統采用太陽能+光板的供電方式。

2.2傳感器布設方法

對于壩下河流或庫尾水溫自動觀測站點，觀測氣溫并在水面以下0.5 m處布設溫度傳感器，為防止水下溫度探頭出現故障影響數據連續，采用主次溫度探頭進行冗余備份。

對于三板溪壩前垂向深水水溫監測站點，需根據觀測水體的最大水深，以及溫躍層可能出現的范圍，進行水下溫度傳感器的具體布設。三板溪壩前水深超過140 m，為保證數據的可靠性，采用三條水下專用垂線溫度鏈以及水下專用電纜進行溫度探頭布設。以浮標船錨鏈系統為載體，每條垂線溫度鏈根據水溫梯度情況非等距布置多個溫度探頭。由于溫度鏈采用單總線通訊，采用3條垂線，可以避免由于某個溫度探頭損壞，而影響其他溫度數據。垂向溫度傳感器的布設示意見圖1。

在溫度鏈的最下端，安裝壓差式水位計，在采集溫度的同時，啟動水位數據轉換，便于后期資料整編時，觀察實際的水深數據以及溫度鏈的漂浮角度，進行測深相對應的溫度數據還原。

圖1　垂向溫度傳感器布設示意圖Fig.1　Schematic diagram of vertical temperature sensor

3　水溫觀測結果分析

3.1壩前垂向水溫分析

根據水庫垂向水溫觀測站點收集的數據，可方便分析水庫水溫的垂向分布。三板溪水庫壩前典型月垂向水溫分布如圖2所示。根據三板溪壩前垂向水溫觀測數據，三板溪7—10月壩前垂向水溫呈現典型的分層型水溫結構。溫躍層分布在水下40～80 m范圍，80 m以下為滯溫層，庫底水溫變幅較小，保持在10～11℃。在整個觀測時段庫表和庫底水溫在8月相差最大，達16℃。

圖2　三板溪水庫壩前典型月垂向水溫分布Fig.2　The vertical water temperature distribution in front of the dam of Sanbanxi Reservoir in a typical month

3.2出入庫水溫分析

根據三板溪入庫斷面和壩下斷面水溫觀測站點收集的數據，可方便分析入庫和出庫水溫變化及兩者之間的關系。三板溪6—10月出入庫水溫觀測數據如圖3所示。由圖3可知，在6—10月，三板溪出庫水溫變化較小，出庫水溫日變化幅度在1℃以內，整個觀測期出庫水溫在20～22℃變化；入庫、出庫水溫差在8月份達到最大，相差最大時出庫水溫比入庫水溫低6.5℃。

在沅水水溫自動觀測中，每個水溫測點還布置了氣溫探頭，因此還可以分析表層水溫和氣溫的相關關系。以三板溪庫尾斷面為例，如圖4所示，入庫水溫主要受氣溫影響，兩者具有一定相關性。由于水體的比熱容比空氣大，水溫變化幅度比氣溫變化幅度要小。

圖3　三板溪水庫典型時段入庫水溫和出庫水溫對比Fig.3　The water temperature of inflow and outflow in Sanbanxi Reservoir during a typical period

圖4　三板溪庫尾斷面典型時段氣溫與入庫水溫對比Fig.4　The air and water temperature in the tail section of Sanbanxi Reservoir during a typical period

3.3沿程水溫變化分析

根據流域多站點水溫同步在線觀測數據，可方便分析沿程水溫變化。沅水干流7個河道水溫觀測數據(不包括三板溪壩前垂向觀測點)如圖5所示。梯級電站開發后，沅水干流水溫從三板溪庫尾至洞庭湖入湖口呈現先降后升的總體趨勢。三板溪作為龍頭水庫，也是干流唯一的多年調節型水庫，對水溫影響最大。三板溪下泄的低溫水經過掛治、白市電站調蓄后，水溫上升約1.5℃；經托口電站后可能受支流渠水匯入影響，水溫下降約1℃；托口下游干流水溫逐漸回升，到達桃源壩下時基本接近三板溪入庫水溫。

圖5　沅水干流典型時段的沿程水溫變化Fig.5　The water temperature change along Yuan River during a typical period

4　觀測系統安裝建議

水溫觀測不同于水位、水質觀測，有其特殊性。在安裝沅水流域水溫自動觀測系統前，對水溫觀測點進行了充分的現場查勘和比選。庫尾的水溫觀測一般依托相對固定但又能隨水位變化浮動的漁船布置，壩下水溫觀測一般依托電站水位井布置。總體上，水溫觀測布置應遵循以下原則：水流交換條件較好，能代表河段主流水溫；運行可靠，不容易被人為或水流破壞，安裝維護便利。

通過沅水水溫在線自動觀測系統的建設及應用實踐探索，提出以下建議：

(1)在水庫運行調度過程中，由于壩前、壩下水位變化幅度較大，水深水溫觀測很容易出現線纜纏繞、磨損甚至斷裂等問題。所以在安裝過程中，特別是在線纜活動連接處，需要加強防護并留足伸縮余量。

(2)監測站建設盡量不要選擇在梯級電站壩上通航或漁業捕撈的地方，防止線纜被拖走，避免造成人為損壞。

(3)為保證上下游各監測點數據的連續性和同步性，水溫自動監測站宜采用主備信道進行數據發送。

(4)在水溫觀測站建設過程中主要面臨的是安裝及維護難題，在后續建設的流域水文測驗設施(如水位井)中應預留水溫觀測平臺，以便安裝水溫自動監測系統。

5　結語

水溫是水電開發影響的一個重要環境因子，科學評價水庫及下游水溫變化是做好水溫影響減緩措施設計的前提。由于常規水文站點空間分布的局限性，在關鍵斷面補充開展水溫觀測有利于全面準確掌握水庫及下游水溫的時空變化，更好地滿足水溫影響評價和研究的需要。

隨著流域水利水電開發環境管理的標準化、規范化發展，建立流域環境綜合監測系統是今后水利水電開發環境管理發展的趨勢。沅水流域水溫在線自動觀測系統建設的探索實踐和應用研究表明，水溫實時在線觀測是獲取上下游同步水溫數據、評估流域水溫變化的有效方法。

[1]劉蘭芬, 陳凱麒, 張士杰, 等. 河流水電梯級開發水溫累積影響研究[J]. 中國水利水電科學研究院學報, 2007, 5(3): 173-180.

[2]薛聯芳, 顧洪賓, 崔磊, 等. 紅水河干流梯級開發對水溫累積影響的調查研究[J]. 水力發電, 2010, 36(11): 5-8.

[3]鄧云, 李嘉, 李克鋒, 等. 梯級電站水溫累積影響研究[J]. 水科學進展, 2008, 19(2): 273-278.

[4]楊鹍, 張茂林. 水質垂直剖面自動監測在水庫分層取水中的應用——以湖北赤壁市陸水水庫為例[J]. 人民長江, 2015, 46(4): 98-101.

[5]馬越,譚盼, 黃廷林, 等. 汾河水庫水源水質在線監測預警系統構建[J]. 水利科技與經濟, 2013, 19(1): 115-120.

[6]劉國富, 樓其祿, 周濤. 水庫調度實時在線監測報警系統研究[J]. 水電與新能源, 2013(5): 23-26.

Application on Automatic Observation System of Water Temperature in the Research of Water Temperature of Cascaded Hydropower Station

YAN Jian-bo, ZHANG De-jian, ZHANG Kan-kan

(PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

Water temperature is an important environmental factor for the development of hydropower development, and scientific evaluation of the impact on the water temperature of cascaded hydropower stations need the full understanding of variation in water temperature in cascaded reservoirs and downstream river. Due to the limitation of spatial distribution of the conventional hydrological station, the temperature data from hydrological station hardly meets the requirements for evaluating the impact of water temperature, so the main method to obtain the temperature data is to add on-site water temperature observation. Through the study of water temperature impact of cascaded hydropower station of Yuan River Basin, the performance of online automatic water temperature observation was analyzed, and suggestions were put forward to carry out long-term online observation of basin water temperature.

automatic observation system for water temperature; cascaded hydropower station; water temperature study; Yuan River

2016-02-27

顏劍波(1984—)，男，湖南邵陽人，工程師，碩士，主要研究方向為水電水利工程環境保護，E-mail：691112653@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.03.010

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0035-04