白鹤滩水电站库水温度在线监测系统方案设计与应用

李君军，王玉洁，段 杭，郑晓红

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.中国三峡建工(集团)有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概况

白鹤滩水电站是金沙江下游4级开发方案的第2级，坝址位于四川省凉山州宁南县白鹤滩镇与云南省昭通市巧家县大寨乡交界处，坝址上游距乌东德水电站坝址182 km，下游距溪洛渡水电站坝址195 km，距巧家县城45 km，距宁南县城65 km，距宜宾市约380 km。工程任务以发电为主，兼顾防洪、航运，以及促进地方经济社会发展[1-3]。

白鹤滩水电站坝址以上流域面积43.03万km2，多年平均流量4 170 m3/s。挡水坝采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程834.0 m，最大坝高289.0 m，坝顶中心线弧长709.0 m。水库正常蓄水位825.0 m，兴利库容190.06亿m3，调节库容104.36亿m3，防洪限制水位785.0 m，防洪库容75.0亿m3，死水位765.0 m，库容系数7.90%，具有年调节性能。电站装机容量16 000 MW，保证出力5 470 MW，多年平均发电量624.43亿kW·h。枢纽主要由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等建筑物组成[1-3]。

设计就白鹤滩水电站运行后对下泄水温变化的影响程度，从进水口采用单层取水和分层取水2种不同方案进行了计算分析和预测，分析结果表明：白鹤滩进水口采用单层取水，金沙江下游4个梯级水电站(乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝)联合运行时，与无白鹤滩水电站的3级联合运行相比，白鹤滩运行使得向家坝水温在5月、6月有1.2、1.5 ℃的温降，而在12月～翌年3月平均上升2.1 ℃，其中2月温升最大达2.5 ℃；白鹤滩采用叠梁门分层取水方案，金沙江下游4个梯级联合运行时，与无白鹤滩的3级联合运行相比，此方案使得向家坝水温在5月、6月仅有0.3 ℃和1.0 ℃的温降，较单层取水方案该2个月温降贡献值(1.2、1.5 ℃)分别改善了0.9 ℃和0.5 ℃，秋冬季叠梁门分层取水方案与单层取水方案温降贡献值相同[4-5]。

2 设计背景

白鹤滩水电站运行时下泄水温平水年4月月均最大降幅为3.9 ℃，特殊边界条件下月均最大温降为5.6 ℃，电站运行使向家坝坝下水温延迟幅度增加约1旬，可能对金沙江河段以及长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区的水生生态系统带来不利影响。白鹤滩水电站工程采取叠梁门分层取水措施，以尽量减缓所产生的不利水温影响。库水温度在线监测系统不仅可以全面掌握其水库运行后水库水温、下泄水温变化情况，而且为叠梁门运行效果研究提供基础数据。因此，布置库水温度在线监测系统是有必要的[4]。

对于高坝大库，由于水库调节周期较长，水库的温度和原河流的水温有很大的不同。库水温度和库水位一样，是大坝变形、渗流、应力的主要影响因素，也是大坝运行管理的重要依据，所以库水温度监测也是大坝安全监测系统的必设项目。

综上所述，对白鹤滩水电站工程开展库水温度在线监测系统的设计和建设工作，无论从环境保护角度还是从了解水工建筑物运行工作状态都具有重要意义和必要性。

3 方案设计

3.1 总体布置

根据白鹤滩水电站工程特点、计算成果及现场施工进度情况，库水温度在线监测系统由4部分组成，即库区沿程垂向库水温度在线监测系统、取水口垂向库水温度在线监测系统、机组流道库水温度在线监测系统和坝下库水温度在线监测系统。其中，库区沿程垂向库水温度在线监测系统在坝面、拦污漂、葫芦口大桥和金东大桥各布置1个监测断面；取水口垂向水温监测系统在左岸永久供水取水塔、右岸进水塔(10号、12号、14号、16号)拦污栅各布置1个监测断面；机组流道库水温度在线监测系统在左岸进水塔(1号、2号)进口流道及机组、右岸进水塔(14号、16号)进口流道及机组各布置1个监测断面；坝下库水温度在线监测系统在坝下水文站布置1个监测断面[6-9]。

3.1.1 库区

为全面掌握白鹤滩水库运行后对库水温度的影响范围，结合库区场地地质条件、运行期日常巡查维护便利性及库区附近桥梁等建筑物分布情况，在距离白鹤滩坝址约110.0 km的金东大桥两岸桥墩附近、距离白鹤滩坝址约40.0 km的葫芦口大桥两岸桥墩附近、坝前约1.5 km的两岸拦污漂附近各布置1条垂向水温测线(见图1)。金东大桥的两岸测线因河谷较宽，故水温测线的布置深度范围在720.0 m高程至正常蓄水位825.0 m高程间，测点按2 m间隔分布；拦污漂和葫芦口大桥的2条测线因河谷较窄，故水温测线的布置深度范围在670.0 m高程至正常蓄水位825.0 m高程间，测点分布的密度同坝面垂向水温测线；上述共计布置392支温度计。

图1 库区水温监测范围示意

3.1.2 取水口

根据现场施工进度，在左岸永久供水取水塔(2条)和右岸进水塔(10号、12号、14号、16号各1条)布置6条水温测线。其中，左岸永久供水取水塔水温监测范围为757.0～824.0 m高程，测点沿深度方向由疏渐密布置，800.0 m高程以上范围垂向按4 m间隔设测点，800.0 m高程以下范围垂向按2 m间隔设测点，共计布置54支温度计；右岸10号、12号、14号、16号进水塔拦污栅墩迎水面水温监测范围为737.0～825.0 m高程，按叠梁门的运行特点，测点在764.0 m高程以下范围和800.0 m高程以上范围垂向均按4 m间隔布置，在764.0～800.0 m高程范围垂向按2 m间隔布置，共计布置了128支温度计。

3.1.3 坝面

根据现场大坝浇筑面貌，在大坝泄洪影响区范围以外的14号、24号坝段坝面各布置1条水温测线，这样既可监测靠近上游坝面的库水温度，又可监测混凝土上游坝体内温度。14号、24号坝段测线的测点分布在625.0～825.0 m高程范围。各测线上的测点根据库水温度特点按高程方向由密渐疏布置，即700.0 m高程以上范围按2 m间隔设测点；700.0 m高程以下范围按5 m间隔设测点，共计布置158支温度计。

3.1.4 机组流道

在左岸1号及2号、右岸14号及16号进水塔进口流道及机组沿水流方向各设一条流道水温监测测线，各测点分布在进水塔检修闸门槽后、尾水连接管(尾水管检修闸门室和尾水调压室之间)内、尾水出口附近处，共计布置12支温度计。

3.1.5 坝下

白鹤滩水文站位于坝址右岸下游4.5 km处，已有水位、流量、降水、泥沙以及水温监测项目，其中水温为人工测量，难以满足实时在线监测要求，因此在该水文站处布置1条垂向水温测线。考虑到该水文站断面水体掺混，不存在分层现象，故水温在线监测系统分布在578.5～618.5 m高程范围，垂向按10 m间隔设置测点，共计5支温度计。

3.1.6 水温监测自动化系统总体结构

水温监测自动化系统总体结构主要由自动化数据采集系统、信息管理系统构成，其中自动化数据采集系统主要功能是准确采集分布在各部位的温度计，并将数据传输到指定的存储设备上，按照一定的格式进行存储；信息管理系统主要功能是对所有水温监测数据等相关资料进行科学有序的管理、整理整编与分析，并对最终分析成果、原始信息等以可视化的方式输出，同时还具有报警和定时上报功能。

本工程的水温监测自动化系统采用现场监测站和中心管理站两层次构架(见图2)，传输利用大坝智能网络与4G网络相结合的方式。现场监测站主要作用是数据采集装置对温度计进行数据采集、存储、电源管理及监测数据上传和接收中心管理站上位机的控制指令；中心管理站主要作用是工作站和服务器通过信息管理系统对现场监测站自动采集、人工测读的数据、相关的文档资料进行集中统一管理，通过信息管理系统进行监测资料的初步分析和发布工作，并根据初步分析成果反馈给相关部门，同时具有远程服务功能。

图2 水温监测自动化系统网络结构

3.2 安装埋设

3.2.1 库区垂向库水温度计

库区(拦污漂、葫芦口大桥和金东大桥)垂向库水温度计采用浮漂温度深度一体式的垂向水温测线安装方式，即将各组垂向水温测线上的温度计在空旷地带提前按设计高程进行捆绑，之后固定在φ10 mm高强度钢丝绳上，在各测线上每隔一段距离放置1支水位计(用于校核温度计高程)，将绑扎好的温度链放入PVC网纹软管内(以减少库底摩擦阻力)，之后在钢丝绳的中部和底部各固定一个30～50 kg配重块，最后将垂向温度测线固定在漂浮船上(漂浮船通过钢丝绳与江底的锚固墩基座连接)。此外，在安装有温度计或水位计部位的软管局部开口，同时采用土工布或其他透水保护装置安装在开口部位，以确保温度计及水位计与库水充分接触(见图3)。

图3 浮漂温度深度一体式安装示意(单位：m)

3.2.2 取水口垂向库水温度计

取水口垂向水温测线的安装方式在结构混凝土内距表面15 cm处预埋若干根φ50 mm镀锌钢管作为水温观测主管，同时在各主管侧壁迎水面安装若干根观测支管，且在各观测支管内布置温度计，其中观测支管直径及材质与观测主管相同(见图4)。

图4 取水口垂向库水温度计安装示意

3.2.3 机组流道库水温度计

根据现场安装条件，进水塔检修闸门槽后的温度计安装在已预埋结构混凝土内的水位观测管内，与管内水位计共用一根观测管；尾水连接管和尾水出口的温度计直接埋设在结构衬砌混凝土内5 cm深度处。

3.2.4 坝面垂向库水温度计

为避免坝内埋管方式可能产生大坝渗透通道的风险，故采用在坝表面固定水温测线的安装方式，即在2个坝段水温监测范围626.32～825.00 m高程表面平行布置8根φ48.3 mm不锈钢管作为水温观测主管，各主管通过每间隔2 m的预埋不锈钢板加扁钢的方式固定，同时在各主管对应水温测点安装高程位置分叉处斜向设置用于安装温度计的φ33.7 mm不锈钢管作为水温观测支管，每根主管布置6～12根支管(见图5)。

图5 坝面库水温度计安装示意(单位：m)

3.2.5 坝下库水温度计

坝下水温测线利用水文站已有的水尺观测梯道，在梯道侧面固定1根φ60 mm不锈钢管作为水温观测管，在钢管表面按10 cm间距梅花形设置直径为10 mm的透水孔，在管内安装温度计进行观测。

4 应用效果

4.1 库区垂向库水温度

本工程在2021年4月初导流底孔下闸蓄水，库区(拦污漂、葫芦口大桥和金东大桥)垂向库水温度在线监测系统在蓄水后即2021年6月份投入正常观测，观测频次为每1小时一次。2021年7月份(水库蓄水至775 m高程)的1日、10日、20日、30日库区各断面垂向水温分布见图6，拦污漂在2021年6月～11月的1日、10日、20日、30日垂向水温分布见图7。

图6 2021年7月库区不同日期、不同部位垂向水温分布

图7 拦污漂不同日期典型垂向水温分布

从图6可知，7月份金东大桥(距白鹤滩坝址约110 km)附近的平均库水温度相对较低，其平均库水温度低于拦污漂(距白鹤滩坝址约1.5 km)和葫芦口大桥(距白鹤滩坝址约40 km)附近的平均库水温度约2～3 ℃；拦污漂和葫芦口大桥除表面水温两者最大相差约4 ℃外[10-15]，其余深度水温较接近。拦污漂、葫芦口大桥和金东大桥这3个部位的垂向水温测线沿深度方向的变化规律基本一致，即从表面至水深约7 m水温下降梯度大，水深7～55 m水温保持在23 ℃，水深约55～110 m水温又有一个比表面相对较小的下降梯度，水深110 m以下水温约在19～22 ℃之间。各条垂直线的温差主要发生在水深20 m以上及水深80 m以下，两段水深范围内的最大温差约4 ℃。

从图7可知，拦污漂附近在2021年6月～11月间水面最大的水温月差约为8 ℃，在水深160 m处的最大水温月差约为4 ℃[10-15]。同一断面在水深110～160 m范围大多表现出水温变化较小，不同月份的最大温差约4 ℃[10-15]。同一断面从水面至水深110 m范围水温变化规律有所差异。

4.2 坝前(坝面、左右岸取/进水口)垂向库水温度

4.2.1 坝面垂向库水温度

2021年4月水库蓄水以来，第一阶段即在4月～6月期间，水位上升了140 m，坝面垂直库水温度测点没有观测成果。从2021年7月开始观测，其水位、温度、环境温度的测值过程线见图8。

图8 2021年7月～2022年8月坝面典型水温与上游水位、环境温度测值过程线

第二阶段即在2021年7月～9月期间，水位上升了45 m，从图8可知，各测线沿深度方向水温受水深增加影响表现出不同程度的温升趋势。图8中TKL代表坝面库水温度计的编号，阿拉伯数字从小到大代表测点沿水深方向从低高程到高高程。

第三阶段即在2021年9月～2022年3月期间，水位下降了30 m，为786.89 m。从图8可知，各测线沿深度方向水温受水深减小及环境温度降低综合影响下表现出下降趋势，即各测线在2021年10月初不同深度水温下降(降幅程度与水深关系与第二阶段成果一致)到20 ℃后，基本以相同递减速率降低到15 ℃，期间环境温度降低了13.8 ℃(环境温度为17 ℃)。

综上所述，上游水深及环境温度是影响坝面垂向水温的主要因素。在高温季节、水深增加情况下，浅部垂向水温变化较明显；在低温季节、水深减小情况下，不同深度垂向水温变幅较接近。

4.2.2 左岸取水塔(坝前约50 m)库水温度

左岸取水塔库水温度从2021年7月开始观测，其水位、温度及气温测量过程线图见图9。从图9可知，在第二阶段水位上升期间，各测线水温基本不受影响，仅在2021年7月～8月中旬，不同深度水温略上升1 ℃后呈同速率下降趋势，至2022年1月初不同深度水温约降低7℃(水温约17.5 ℃)，期间环境温度降低了11.4 ℃(环境温度为14.1 ℃)。

图9 2021年7月～2022年1月左岸取水塔典型库水温度与上游水位、环境温度测值过程线

由上述可知，环境温度是影响左岸取水塔(坝前约50 m)库水温度的主要因素，不同深度垂向水温随环境温度影响变幅较接近。

4.2.3 右岸进水口库水温度

右岸10号、12号、14号、16号进水口库水温度从2021年11月开始观测，测量过程线见图10。从图10可知，各进水口测线水温变化规律(图10b)与坝面库水温度(图9b)变化规律相似，即各测线沿不同深度方向水温受水深减小及环境温度降低综合影响下表现出同速率下降趋势。

图11 机组流道内典型水温测值过程线

图12 坝下典型垂向水温测值过程线

综上，上游水深及环境温度是影响右岸进水口库水温度的主要因素，在低温季节、水深减小情况下不同深度垂向水温变幅较接近。

4.3 机组流道内水温

机组流道位置较低，位于正常蓄水位以下约80 m，流道内的水温测线受机组并网发电流道过水影响较小，蓄水前后的水温较接近，温度相差约1～3 ℃。

4.4 坝下垂向库水温度

坝下垂向库水温度在线监测系统与库区垂向库水温度在线监测系统投入观测时间一致，即在蓄水后2021年6月份投入正常观测，观测频次为每1小时一次。近年坝下年平均水位分布在594.89～598.64 m之间，坝下水面以下578.50～588.50 m之间的垂向库水温度基本受发电进水口部位的水温和气温影响而变化，且不同深度水温变化较接近，没有出现水温分层现象。

4.5 库区沿程库水温度分布比较

4.5.1 库区至坝前顺水流向沿程水温分析

绘制2022年4月23日13∶00(此时上游水位为788.68 m，日平均气温为24.3 ℃)库区至坝前顺水流向沿程水温垂向分布图，由图13可知：

图13 典型日顺水流向沿程水温分布

(1)库区至坝前水温顺水流方向沿程分布规律存在不均一性。即，顺水流向金东大桥(距白鹤滩坝址约110 km)附近的平均库水温最低，拦污漂(距白鹤滩坝址约1.5 km)及坝前(14号、24号坝段坝面)附近的平均库水温次之，葫芦口大桥(距白鹤滩坝址约40 km)附近的平均库水温最高。

(2)在水深分布较浅区域(如金东大桥水深约72 m)的垂向水温分布较均一，在水深分布较深区域(如坝前水深约162 m)垂向水温分布有所差异且存在分层现象。

4.5.2 坝前坝轴线向沿程水温分析

绘制2022年3月1日13∶00(此时上游水位为789.02 m，日平均气温17.5 ℃)坝前坝轴线向各测线水温垂向分布图(见图14)。由图14可知：坝前坝轴线向沿程方向在浅部水深范围(水面以下9 m深度)水温存在分层现象且靠近库岸侧表现较明显，在深部水深范围(水面以下9 m至测线底部)水温分布较均一。

图14 典型日坝前坝轴线向沿程水温分布

4.5.3 典型机组进水口至尾水出口沿程水温分析

选择典型机组(16号)绘制2022年1月11日至今，从机组进水口至尾水出口沿程水温实时测值过程线图(见图15)。由图15可知，16号进水口至尾水出口沿程水温变化规律基本一致，且水温较接近。其中，靠近进水口和尾水出口上游面的水温相对稍高，流道衬砌内的水温相对稍低，最高水温和最低水温相差约0.4 ℃。

图15 16号进水口至尾水出口沿程水温实时测值过程线

5 结 语

白鹤滩水电站库水温度在线监测系统是根据工程枢纽特性、计算成果及现场施工进展情况进行设计的。其监测范围覆盖库区、坝前、坝内流道、坝下等区域，针对重点监测部位采取了同部位多条水温测线和部分高程加密测点等布置方式，结合监测部位的建筑物特点采取不同的安装埋设方式，同时还建立了水温自动化系统实现全天候、全自动化地实时监测。库水温度在线系统的应用不仅为白鹤滩叠梁门分层取水措施研究提供基础数据，而且减缓了工程建设所产生的不利水温影响，为保证金沙江河段以及长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区的水生生态系统稳定提供了技术支撑。