黄河上游梯级水库群水温原型观测方案

王倩，牛乐，牛天祥，孙莹

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安　710065)



黄河上游梯级水库群水温原型观测方案

王倩，牛乐，牛天祥，孙莹

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065)

黄河上游龙羊峡—刘家峡河段梯级开发的格局已基本形成，根据龙羊峡水库监测资料，存在水温分层、下泄低温水的问题。由于目前仅在龙羊峡间断性监测过水温，缺乏梯级水库水温系统观测，因此提出梯级水库群水温系统原型观测方案，以期开展黄河上游梯级水库群联合运行的水温累积影响研究，为后续水电开发水温影响预测及减缓措施研究提供基础数据与科学支撑。

水温；原型观测；黄河上游；梯级水库；累积影响

梯级水电站建设在带来巨大社会效益和经济效益的同时，对生态环境也产生了深远的影响[1]。水温是环境影响中重要的水质要素和生态因子，近年来一直是水电规划和单项工程环评中的重点内容之一[2]。黄河上游龙羊峡—刘家峡河段(以下简称龙—刘河段)的水电梯级开发已历经半个世纪，格局已基本形成。黄河上游梯级开发在改变河道径流的年内分配和年际分配的同时，也相应改变了水体的年内热量分配，引起水温在流域沿程和纵向深度上的梯度变化[3]。在河段梯级开发过程中，水库内水体温度不再均匀分布，而且水库下泄的水流温度也较建库前发生较大改变，这些都可能给库区及下游的水质及生态系统带来一系列影响[4]。

梯级水库对下游河道及库区水温影响因流域地理位置、水电开发模式、水库建设时序和规模的不同，其水温影响存在时空的波动性和累积性，比单独水电工程项目更为复杂[5]，但大多数水库水温研究都基于数学模型[6-8]。虽然数学模型是研究水库、河道水温分布规律的重要工具，但原型观测仍是了解水温变化最直接有效的方法与途径。目前，国内原型观测多为短历时、单一水库，缺乏对梯级水库群水温的长期系统性原型观测研究，缺少水库水温与电站运行调度的响应关系及与河流水温的同步观测研究。本文通过对黄河上游已建梯级水库水温观测情况的调查，提出梯级水库群水温系统原型观测方案，以期开展黄河上游梯级水库群联合运行的水温累积影响研究，为后续水电开发水温影响预测及减缓措施研究提供基础数据与科学支撑。

1　已建梯级水库水温影响回顾分析

1.1已建梯级水电站概况

黄河上游龙—刘干流河段长约502 km。该河段已建成龙羊峡、拉西瓦、尼那、李家峡、直岗拉卡、康扬、公伯峡、苏只、积石峡、炳灵、黄丰、刘家峡等12座水电站，在建大河家水电站是中国最大梯级水电站群之一。其中龙羊峡、拉西瓦、李家峡、公伯峡和刘家峡水电站均为高坝大库，龙羊峡水库为具有多年调节能力的龙头水库，刘家峡水库属年调节型水库，其余为日调节型水库。

1.2已建梯级水库水温观测背景

黄河上游已建梯级水库群均为高寒区水库，这些水库除春夏季水温分层外，还存在冬季冰封期水库水温结构呈逆温分布、年内会发生春秋两次大翻转等特征。目前，人们对热带和温带地区的水库水温开展了大量研究，基本掌握了这些水库的水温演变规律及机理，但在高寒地区的水库水温研究成果较少，主要是由于高寒地区涉及气压低、空气稀薄、昼夜温差大等特殊气候条件，还可能存在复杂的冰情问题。而我国水利建设逐渐向高海拔、高纬度的寒带地区推进，开展高寒地区水库水温研究迫在眉睫。因此，本方案拟选择我国黄河上游已建的典型高寒地区大型水库进行水温原型观测，以研究分析高寒地区大型水库水温结构及演变规律与机理。研究成果对高寒地区生态环境保护具有重要意义，并为高寒地区水资源开发提供重要的技术支撑。

根据现场调查情况，黄河上游龙—刘河段只有龙羊峡水库在坝前和库中开展过水温原型观测，李家峡、拉西瓦、公伯峡等水库均尚未开展。龙羊峡水库水温观测从1986年开始，采用人工观测，每月观测1日，1日监测1次。而龙—刘河段尚未开展过系统的水库群水温观测工作。

1.3已建梯级水库水温影响分析

根据收集到的龙羊峡水库2009年10月至2010年9月的水温观测资料(2010年3月仪器故障，未监测)，现对龙羊峡水库坝前水温进行统计分析，如图1所示。

图1　龙羊峡水库典型日坝前实测水温曲线Fig.1　The typical daily measured water temperature curve in front of Longyangxia Reservoir

从图1中可以看出，龙羊峡水库在2009年12月至2010年2月水库水温为逆分层分布，2010年5—10月为典型性正分层分布，春季4月和秋季11月是转换过渡期。水库在春季下泄水温较天然水温有不同程度的降低。

2　梯级水库群水温原型观测方案

2.1观测水库的选择

根据黄河上游梯级电站建设格局，选取不同调节性能的水库进行水温观测。主要选取具有多年调节性能的龙头水库龙羊峡和具有日调节性能的拉西瓦、李家峡、公伯峡高坝大库进行观测。考虑到贵德湿地对下泄低温水的调节作用，同时选择库容较小、最大坝高仅为45.5 m的康扬水电站进行水温监测，以研究高坝大库下泄低温水经贵德湿地调节后的变化情况。

2.2观测点位的选择

根据大型水库的水温结构特征，初步拟定在各水库库中、坝前、坝后设置观测点位。观测点位沿水深方向每隔5 m设置一个水温探测器，表层水加密布置。具体监测方案如表1所示。

表1　龙—刘河段水温原型监测方案表

2.3仪器设备的选择

(1)远程实时传输水温测试仪

对于水库坝前、坝后水温观测，采用远程实时传输水温测试仪进行自动监测。该仪器可根据不同坝高、不同坝前坝后水深以及现场监测条件定制，数据可靠性高，适合固定点位长期水温原型观测研究。

>>黄河上游高寒区水电站地形条件复杂，坝前监测需远离泄水洞及引水洞主流，尾水观测点需选择在水流稳定、维护便利的区域。

(2)便携式水温传感器

对于水库水况条件差、远程水温测试装置安装困难，但有条件通过渔船进入库区内部进行监测的点位，采用便携水温传感器系统开展人工定期监测。

2.4观测时段与频次

根据黄河上游水温发生分层的时段和特点以及水库运行方式，初步拟定开展为期两年的原型观测。坝前和坝后水温观测：每年5—10月为重点监测时段，该时段水温测试仪2小时读取1次数据；其他月份每天读取4次数据。库中点位，由于无法固定远程水温测试仪，采用每月人工观测1～3次。

2.5定期资料收集

为研究水库水温与电站运行调度的响应关系，以及河流水温的沿程恢复情况，定期收集各水温观测水库的逐日运行调度资料和龙—刘河段水文站逐日水温观测资料。

3　总结与建议

黄河上游龙羊峡—刘家峡河段梯级开发的格局已基本形成，但仅在龙羊峡开展过间断性水温监测，缺乏梯级水库水温系统观测，缺少水库水温与电站运行调度的响应关系及与河流水温的同步观测研究。因此，本文提出梯级水库群水温系统原型观测方案，为后续水电开发水温影响预测及减缓措施研究提供基础数据与科学支撑。

本方案已建电站库区、坝前与尾水的水温长期原型观测影响因素复杂，需选择在水流稳定、交通条件便利、易于维护的区域进行。目前，实际观测过程中仍存在一些问题和难点，给水温观测的顺利进行造成一定困难。

(1)水温观测点布置

黄河上游高寒区水电站地形条件复杂，坝前监测需远离泄水洞及引水洞主流，尾水观测点需选择在水流稳定、维护便利的区域。经现场查勘，龙羊峡坝前观测点靠近进水口，给水温观测点的布设造成一定困难。

(2)监测仪器耐受性

本次原型观测对水深要求较高，一般要求为100 m以上。监测垂向温度链的水深耐受性、水下稳定性有待进一步实验确定。

(3)监测过程质量控制

拟委托黄河水电开发有限公司大坝管理中心对各站点监测仪器进行后期维护和数据采集，但由于测试条件复杂，观测点仪器受水流影响被冲走导致数据丢失等可能性极大，存在一定的测试风险。

针对观测中实际遇到的问题，建议优化观测方案，同期收集坝体预埋水温监测数据，与坝前观测点水温数据进行对比分析，若具有相似性，今后可直接利用坝体预埋水温监测数据。此外，建议增加库尾和坝下沿程观测点，以对照入库水温和沿程水温变化趋势。对于库中等不便于人工定期采集数据的观测点，建议采用无线数据传输方式进行观测数据采集，可很大程度上减少原型观测的工作量。

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

[5]李兰, 李亚农, 袁旦红, 等. 梯级水电工程水温累积影响预测方法探讨[J]. 中国农村水利水电, 2008(6): 86-90.

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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，工程师，硕士，主要研究方向为环境影响评价，E-mail：wangqian104@126.com

10.14068/j.ceia.2016.03.003

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0009-04