白鶴灘水電站庫水溫度在線監測系統方案設計與應用

李君軍，王玉潔，段 杭，鄭曉紅

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.中國三峽建工(集團)有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

白鶴灘水電站是金沙江下游4級開發方案的第2級，壩址位于四川省涼山州寧南縣白鶴灘鎮與云南省昭通市巧家縣大寨鄉交界處，壩址上游距烏東德水電站壩址182 km，下游距溪洛渡水電站壩址195 km，距巧家縣城45 km，距寧南縣城65 km，距宜賓市約380 km。工程任務以發電為主，兼顧防洪、航運，以及促進地方經濟社會發展[1-3]。

白鶴灘水電站壩址以上流域面積43.03萬km2，多年平均流量4 170 m3/s。擋水壩采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834.0 m，最大壩高289.0 m，壩頂中心線弧長709.0 m。水庫正常蓄水位825.0 m，興利庫容190.06億m3，調節庫容104.36億m3，防洪限制水位785.0 m，防洪庫容75.0億m3，死水位765.0 m，庫容系數7.90%，具有年調節性能。電站裝機容量16 000 MW，保證出力5 470 MW，多年平均發電量624.43億kW·h。樞紐主要由攔河壩、泄洪消能建筑物和引水發電系統等建筑物組成[1-3]。

設計就白鶴灘水電站運行后對下泄水溫變化的影響程度，從進水口采用單層取水和分層取水2種不同方案進行了計算分析和預測，分析結果表明：白鶴灘進水口采用單層取水，金沙江下游4個梯級水電站(烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩)聯合運行時，與無白鶴灘水電站的3級聯合運行相比，白鶴灘運行使得向家壩水溫在5月、6月有1.2、1.5 ℃的溫降，而在12月～翌年3月平均上升2.1 ℃，其中2月溫升最大達2.5 ℃；白鶴灘采用疊梁門分層取水方案，金沙江下游4個梯級聯合運行時，與無白鶴灘的3級聯合運行相比，此方案使得向家壩水溫在5月、6月僅有0.3 ℃和1.0 ℃的溫降，較單層取水方案該2個月溫降貢獻值(1.2、1.5 ℃)分別改善了0.9 ℃和0.5 ℃，秋冬季疊梁門分層取水方案與單層取水方案溫降貢獻值相同[4-5]。

2 設計背景

白鶴灘水電站運行時下泄水溫平水年4月月均最大降幅為3.9 ℃，特殊邊界條件下月均最大溫降為5.6 ℃，電站運行使向家壩壩下水溫延遲幅度增加約1旬，可能對金沙江河段以及長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區的水生生態系統帶來不利影響。白鶴灘水電站工程采取疊梁門分層取水措施，以盡量減緩所產生的不利水溫影響。庫水溫度在線監測系統不僅可以全面掌握其水庫運行后水庫水溫、下泄水溫變化情況，而且為疊梁門運行效果研究提供基礎數據。因此，布置庫水溫度在線監測系統是有必要的[4]。

對于高壩大庫，由于水庫調節周期較長，水庫的溫度和原河流的水溫有很大的不同。庫水溫度和庫水位一樣，是大壩變形、滲流、應力的主要影響因素，也是大壩運行管理的重要依據，所以庫水溫度監測也是大壩安全監測系統的必設項目。

綜上所述，對白鶴灘水電站工程開展庫水溫度在線監測系統的設計和建設工作，無論從環境保護角度還是從了解水工建筑物運行工作狀態都具有重要意義和必要性。

3 方案設計

3.1 總體布置

根據白鶴灘水電站工程特點、計算成果及現場施工進度情況，庫水溫度在線監測系統由4部分組成，即庫區沿程垂向庫水溫度在線監測系統、取水口垂向庫水溫度在線監測系統、機組流道庫水溫度在線監測系統和壩下庫水溫度在線監測系統。其中，庫區沿程垂向庫水溫度在線監測系統在壩面、攔污漂、葫蘆口大橋和金東大橋各布置1個監測斷面；取水口垂向水溫監測系統在左岸永久供水取水塔、右岸進水塔(10號、12號、14號、16號)攔污柵各布置1個監測斷面；機組流道庫水溫度在線監測系統在左岸進水塔(1號、2號)進口流道及機組、右岸進水塔(14號、16號)進口流道及機組各布置1個監測斷面；壩下庫水溫度在線監測系統在壩下水文站布置1個監測斷面[6-9]。

3.1.1 庫區

為全面掌握白鶴灘水庫運行后對庫水溫度的影響范圍，結合庫區場地地質條件、運行期日常巡查維護便利性及庫區附近橋梁等建筑物分布情況，在距離白鶴灘壩址約110.0 km的金東大橋兩岸橋墩附近、距離白鶴灘壩址約40.0 km的葫蘆口大橋兩岸橋墩附近、壩前約1.5 km的兩岸攔污漂附近各布置1條垂向水溫測線(見圖1)。金東大橋的兩岸測線因河谷較寬，故水溫測線的布置深度范圍在720.0 m高程至正常蓄水位825.0 m高程間，測點按2 m間隔分布；攔污漂和葫蘆口大橋的2條測線因河谷較窄，故水溫測線的布置深度范圍在670.0 m高程至正常蓄水位825.0 m高程間，測點分布的密度同壩面垂向水溫測線；上述共計布置392支溫度計。

圖1 庫區水溫監測范圍示意

3.1.2 取水口

根據現場施工進度，在左岸永久供水取水塔(2條)和右岸進水塔(10號、12號、14號、16號各1條)布置6條水溫測線。其中，左岸永久供水取水塔水溫監測范圍為757.0～824.0 m高程，測點沿深度方向由疏漸密布置，800.0 m高程以上范圍垂向按4 m間隔設測點，800.0 m高程以下范圍垂向按2 m間隔設測點，共計布置54支溫度計；右岸10號、12號、14號、16號進水塔攔污柵墩迎水面水溫監測范圍為737.0～825.0 m高程，按疊梁門的運行特點，測點在764.0 m高程以下范圍和800.0 m高程以上范圍垂向均按4 m間隔布置，在764.0～800.0 m高程范圍垂向按2 m間隔布置，共計布置了128支溫度計。

3.1.3 壩面

根據現場大壩澆筑面貌，在大壩泄洪影響區范圍以外的14號、24號壩段壩面各布置1條水溫測線，這樣既可監測靠近上游壩面的庫水溫度，又可監測混凝土上游壩體內溫度。14號、24號壩段測線的測點分布在625.0～825.0 m高程范圍。各測線上的測點根據庫水溫度特點按高程方向由密漸疏布置，即700.0 m高程以上范圍按2 m間隔設測點；700.0 m高程以下范圍按5 m間隔設測點，共計布置158支溫度計。

3.1.4 機組流道

在左岸1號及2號、右岸14號及16號進水塔進口流道及機組沿水流方向各設一條流道水溫監測測線，各測點分布在進水塔檢修閘門槽后、尾水連接管(尾水管檢修閘門室和尾水調壓室之間)內、尾水出口附近處，共計布置12支溫度計。

3.1.5 壩下

白鶴灘水文站位于壩址右岸下游4.5 km處，已有水位、流量、降水、泥沙以及水溫監測項目，其中水溫為人工測量，難以滿足實時在線監測要求，因此在該水文站處布置1條垂向水溫測線。考慮到該水文站斷面水體摻混，不存在分層現象，故水溫在線監測系統分布在578.5～618.5 m高程范圍，垂向按10 m間隔設置測點，共計5支溫度計。

3.1.6 水溫監測自動化系統總體結構

水溫監測自動化系統總體結構主要由自動化數據采集系統、信息管理系統構成，其中自動化數據采集系統主要功能是準確采集分布在各部位的溫度計，并將數據傳輸到指定的存儲設備上，按照一定的格式進行存儲；信息管理系統主要功能是對所有水溫監測數據等相關資料進行科學有序的管理、整理整編與分析，并對最終分析成果、原始信息等以可視化的方式輸出，同時還具有報警和定時上報功能。

本工程的水溫監測自動化系統采用現場監測站和中心管理站兩層次構架(見圖2)，傳輸利用大壩智能網絡與4G網絡相結合的方式。現場監測站主要作用是數據采集裝置對溫度計進行數據采集、存儲、電源管理及監測數據上傳和接收中心管理站上位機的控制指令；中心管理站主要作用是工作站和服務器通過信息管理系統對現場監測站自動采集、人工測讀的數據、相關的文檔資料進行集中統一管理，通過信息管理系統進行監測資料的初步分析和發布工作，并根據初步分析成果反饋給相關部門，同時具有遠程服務功能。

圖2 水溫監測自動化系統網絡結構

3.2 安裝埋設

3.2.1 庫區垂向庫水溫度計

庫區(攔污漂、葫蘆口大橋和金東大橋)垂向庫水溫度計采用浮漂溫度深度一體式的垂向水溫測線安裝方式，即將各組垂向水溫測線上的溫度計在空曠地帶提前按設計高程進行捆綁，之后固定在φ10 mm高強度鋼絲繩上，在各測線上每隔一段距離放置1支水位計(用于校核溫度計高程)，將綁扎好的溫度鏈放入PVC網紋軟管內(以減少庫底摩擦阻力)，之后在鋼絲繩的中部和底部各固定一個30～50 kg配重塊，最后將垂向溫度測線固定在漂浮船上(漂浮船通過鋼絲繩與江底的錨固墩基座連接)。此外，在安裝有溫度計或水位計部位的軟管局部開口，同時采用土工布或其他透水保護裝置安裝在開口部位，以確保溫度計及水位計與庫水充分接觸(見圖3)。

圖3 浮漂溫度深度一體式安裝示意(單位：m)

3.2.2 取水口垂向庫水溫度計

取水口垂向水溫測線的安裝方式在結構混凝土內距表面15 cm處預埋若干根φ50 mm鍍鋅鋼管作為水溫觀測主管，同時在各主管側壁迎水面安裝若干根觀測支管，且在各觀測支管內布置溫度計，其中觀測支管直徑及材質與觀測主管相同(見圖4)。

圖4 取水口垂向庫水溫度計安裝示意

3.2.3 機組流道庫水溫度計

根據現場安裝條件，進水塔檢修閘門槽后的溫度計安裝在已預埋結構混凝土內的水位觀測管內，與管內水位計共用一根觀測管；尾水連接管和尾水出口的溫度計直接埋設在結構襯砌混凝土內5 cm深度處。

3.2.4 壩面垂向庫水溫度計

為避免壩內埋管方式可能產生大壩滲透通道的風險，故采用在壩表面固定水溫測線的安裝方式，即在2個壩段水溫監測范圍626.32～825.00 m高程表面平行布置8根φ48.3 mm不銹鋼管作為水溫觀測主管，各主管通過每間隔2 m的預埋不銹鋼板加扁鋼的方式固定，同時在各主管對應水溫測點安裝高程位置分叉處斜向設置用于安裝溫度計的φ33.7 mm不銹鋼管作為水溫觀測支管，每根主管布置6～12根支管(見圖5)。

圖5 壩面庫水溫度計安裝示意(單位：m)

3.2.5 壩下庫水溫度計

壩下水溫測線利用水文站已有的水尺觀測梯道，在梯道側面固定1根φ60 mm不銹鋼管作為水溫觀測管，在鋼管表面按10 cm間距梅花形設置直徑為10 mm的透水孔，在管內安裝溫度計進行觀測。

4 應用效果

4.1 庫區垂向庫水溫度

本工程在2021年4月初導流底孔下閘蓄水，庫區(攔污漂、葫蘆口大橋和金東大橋)垂向庫水溫度在線監測系統在蓄水后即2021年6月份投入正常觀測，觀測頻次為每1小時一次。2021年7月份(水庫蓄水至775 m高程)的1日、10日、20日、30日庫區各斷面垂向水溫分布見圖6，攔污漂在2021年6月～11月的1日、10日、20日、30日垂向水溫分布見圖7。

圖6 2021年7月庫區不同日期、不同部位垂向水溫分布

圖7 攔污漂不同日期典型垂向水溫分布

從圖6可知，7月份金東大橋(距白鶴灘壩址約110 km)附近的平均庫水溫度相對較低，其平均庫水溫度低于攔污漂(距白鶴灘壩址約1.5 km)和葫蘆口大橋(距白鶴灘壩址約40 km)附近的平均庫水溫度約2～3 ℃；攔污漂和葫蘆口大橋除表面水溫兩者最大相差約4 ℃外[10-15]，其余深度水溫較接近。攔污漂、葫蘆口大橋和金東大橋這3個部位的垂向水溫測線沿深度方向的變化規律基本一致，即從表面至水深約7 m水溫下降梯度大，水深7～55 m水溫保持在23 ℃，水深約55～110 m水溫又有一個比表面相對較小的下降梯度，水深110 m以下水溫約在19～22 ℃之間。各條垂直線的溫差主要發生在水深20 m以上及水深80 m以下，兩段水深范圍內的最大溫差約4 ℃。

從圖7可知，攔污漂附近在2021年6月～11月間水面最大的水溫月差約為8 ℃，在水深160 m處的最大水溫月差約為4 ℃[10-15]。同一斷面在水深110～160 m范圍大多表現出水溫變化較小，不同月份的最大溫差約4 ℃[10-15]。同一斷面從水面至水深110 m范圍水溫變化規律有所差異。

4.2 壩前(壩面、左右岸取/進水口)垂向庫水溫度

4.2.1 壩面垂向庫水溫度

2021年4月水庫蓄水以來，第一階段即在4月～6月期間，水位上升了140 m，壩面垂直庫水溫度測點沒有觀測成果。從2021年7月開始觀測，其水位、溫度、環境溫度的測值過程線見圖8。

圖8 2021年7月～2022年8月壩面典型水溫與上游水位、環境溫度測值過程線

第二階段即在2021年7月～9月期間，水位上升了45 m，從圖8可知，各測線沿深度方向水溫受水深增加影響表現出不同程度的溫升趨勢。圖8中TKL代表壩面庫水溫度計的編號，阿拉伯數字從小到大代表測點沿水深方向從低高程到高高程。

第三階段即在2021年9月～2022年3月期間，水位下降了30 m，為786.89 m。從圖8可知，各測線沿深度方向水溫受水深減小及環境溫度降低綜合影響下表現出下降趨勢，即各測線在2021年10月初不同深度水溫下降(降幅程度與水深關系與第二階段成果一致)到20 ℃后，基本以相同遞減速率降低到15 ℃，期間環境溫度降低了13.8 ℃(環境溫度為17 ℃)。

綜上所述，上游水深及環境溫度是影響壩面垂向水溫的主要因素。在高溫季節、水深增加情況下，淺部垂向水溫變化較明顯；在低溫季節、水深減小情況下，不同深度垂向水溫變幅較接近。

4.2.2 左岸取水塔(壩前約50 m)庫水溫度

左岸取水塔庫水溫度從2021年7月開始觀測，其水位、溫度及氣溫測量過程線圖見圖9。從圖9可知，在第二階段水位上升期間，各測線水溫基本不受影響，僅在2021年7月～8月中旬，不同深度水溫略上升1 ℃后呈同速率下降趨勢，至2022年1月初不同深度水溫約降低7℃(水溫約17.5 ℃)，期間環境溫度降低了11.4 ℃(環境溫度為14.1 ℃)。

圖9 2021年7月～2022年1月左岸取水塔典型庫水溫度與上游水位、環境溫度測值過程線

由上述可知，環境溫度是影響左岸取水塔(壩前約50 m)庫水溫度的主要因素，不同深度垂向水溫隨環境溫度影響變幅較接近。

4.2.3 右岸進水口庫水溫度

右岸10號、12號、14號、16號進水口庫水溫度從2021年11月開始觀測，測量過程線見圖10。從圖10可知，各進水口測線水溫變化規律(圖10b)與壩面庫水溫度(圖9b)變化規律相似，即各測線沿不同深度方向水溫受水深減小及環境溫度降低綜合影響下表現出同速率下降趨勢。

圖11 機組流道內典型水溫測值過程線

圖12 壩下典型垂向水溫測值過程線

綜上，上游水深及環境溫度是影響右岸進水口庫水溫度的主要因素，在低溫季節、水深減小情況下不同深度垂向水溫變幅較接近。

4.3 機組流道內水溫

機組流道位置較低，位于正常蓄水位以下約80 m，流道內的水溫測線受機組并網發電流道過水影響較小，蓄水前后的水溫較接近，溫度相差約1～3 ℃。

4.4 壩下垂向庫水溫度

壩下垂向庫水溫度在線監測系統與庫區垂向庫水溫度在線監測系統投入觀測時間一致，即在蓄水后2021年6月份投入正常觀測，觀測頻次為每1小時一次。近年壩下年平均水位分布在594.89～598.64 m之間，壩下水面以下578.50～588.50 m之間的垂向庫水溫度基本受發電進水口部位的水溫和氣溫影響而變化，且不同深度水溫變化較接近，沒有出現水溫分層現象。

4.5 庫區沿程庫水溫度分布比較

4.5.1 庫區至壩前順水流向沿程水溫分析

繪制2022年4月23日13∶00(此時上游水位為788.68 m，日平均氣溫為24.3 ℃)庫區至壩前順水流向沿程水溫垂向分布圖，由圖13可知：

圖13 典型日順水流向沿程水溫分布

(1)庫區至壩前水溫順水流方向沿程分布規律存在不均一性。即，順水流向金東大橋(距白鶴灘壩址約110 km)附近的平均庫水溫最低，攔污漂(距白鶴灘壩址約1.5 km)及壩前(14號、24號壩段壩面)附近的平均庫水溫次之，葫蘆口大橋(距白鶴灘壩址約40 km)附近的平均庫水溫最高。

(2)在水深分布較淺區域(如金東大橋水深約72 m)的垂向水溫分布較均一，在水深分布較深區域(如壩前水深約162 m)垂向水溫分布有所差異且存在分層現象。

4.5.2 壩前壩軸線向沿程水溫分析

繪制2022年3月1日13∶00(此時上游水位為789.02 m，日平均氣溫17.5 ℃)壩前壩軸線向各測線水溫垂向分布圖(見圖14)。由圖14可知：壩前壩軸線向沿程方向在淺部水深范圍(水面以下9 m深度)水溫存在分層現象且靠近庫岸側表現較明顯，在深部水深范圍(水面以下9 m至測線底部)水溫分布較均一。

圖14 典型日壩前壩軸線向沿程水溫分布

4.5.3 典型機組進水口至尾水出口沿程水溫分析

選擇典型機組(16號)繪制2022年1月11日至今，從機組進水口至尾水出口沿程水溫實時測值過程線圖(見圖15)。由圖15可知，16號進水口至尾水出口沿程水溫變化規律基本一致，且水溫較接近。其中，靠近進水口和尾水出口上游面的水溫相對稍高，流道襯砌內的水溫相對稍低，最高水溫和最低水溫相差約0.4 ℃。

圖15 16號進水口至尾水出口沿程水溫實時測值過程線

5 結 語

白鶴灘水電站庫水溫度在線監測系統是根據工程樞紐特性、計算成果及現場施工進展情況進行設計的。其監測范圍覆蓋庫區、壩前、壩內流道、壩下等區域，針對重點監測部位采取了同部位多條水溫測線和部分高程加密測點等布置方式，結合監測部位的建筑物特點采取不同的安裝埋設方式，同時還建立了水溫自動化系統實現全天候、全自動化地實時監測。庫水溫度在線系統的應用不僅為白鶴灘疊梁門分層取水措施研究提供基礎數據，而且減緩了工程建設所產生的不利水溫影響，為保證金沙江河段以及長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區的水生生態系統穩定提供了技術支撐。