顏劍波，張德見，張侃侃

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙　410014)

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在線觀測系統(tǒng)在梯級(jí)電站水溫研究中的應(yīng)用

顏劍波，張德見，張侃侃

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙410014)

水溫是水電開發(fā)影響的一個(gè)重要環(huán)境因子，科學(xué)評(píng)價(jià)梯級(jí)電站開發(fā)對水溫的影響需全面了解各梯級(jí)水庫及下游水溫變化。由于常規(guī)水文站點(diǎn)空間分布的局限性，利用水文站水溫?cái)?shù)據(jù)往往不能滿足水溫影響評(píng)價(jià)要求，補(bǔ)充現(xiàn)場水溫觀測是獲取水溫?cái)?shù)據(jù)的主要途徑之一。通過對沅水流域梯級(jí)電站水溫影響進(jìn)行研究，分析流域水溫在線自動(dòng)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(dòng)觀測系統(tǒng)；梯級(jí)電站；水溫研究；沅水

隨著水電開發(fā)由單個(gè)電站向流域梯級(jí)開發(fā)推進(jìn)，水溫的累積影響引起廣泛關(guān)注，分析研究已建梯級(jí)電站水溫累積影響顯得十分重要[1]。目前研究梯級(jí)電站水溫累積影響主要有基于實(shí)測資料的調(diào)查研究方法[2]和數(shù)學(xué)模型方法[3]，均對水溫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(guān)要求。隨著水環(huán)境觀測設(shè)備和無線傳輸技術(shù)的進(jìn)步，水環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用越來越廣，目前實(shí)時(shí)在線監(jiān)測主要應(yīng)用在常規(guī)水文要素、水質(zhì)要素監(jiān)測上[4-6]。本文以沅水流域?yàn)槔?，說明水溫在線自動(dòng)觀測在梯級(jí)電站水溫影響研究中的應(yīng)用，分析流域水溫在線自動(dòng)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(jí)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(fā)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(guī)劃的13個(gè)梯級(jí)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(gè)水文站，其中進(jìn)行水溫觀測的有5個(gè)，由于梯級(jí)電站開發(fā)，部分水文站搬遷重建，目前進(jìn)行水溫觀測的僅有3個(gè)。為科學(xué)評(píng)價(jià)梯級(jí)電站建設(shè)對沅水干流水溫的影響，結(jié)合現(xiàn)有水溫觀測站分布情況，在沅水干流補(bǔ)充8個(gè)水溫自動(dòng)觀測站點(diǎn)，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(qiáng)溪庫尾、五強(qiáng)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(diǎn)，其他均為河道水溫觀測站點(diǎn)。

2　自動(dòng)觀測系統(tǒng)建設(shè)

2.1系統(tǒng)組成及功能

水溫自動(dòng)觀測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)測中心、水溫自動(dòng)觀測站、通訊設(shè)備組成。

數(shù)據(jù)監(jiān)測中心的通訊服務(wù)器主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)信息接收、校驗(yàn)分析、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)解碼、通信監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)編輯、實(shí)時(shí)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(wèi)星點(diǎn)對點(diǎn)等多種通訊方式。

水溫自動(dòng)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(shè)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?cái)嗝娲泶咕€處的水下各測點(diǎn)上。遙測終端采用超低功耗數(shù)據(jù)采集器，自動(dòng)采集各點(diǎn)水溫?cái)?shù)據(jù)，通過GPRS方式主信道發(fā)送(可選北斗衛(wèi)星通訊)，并且數(shù)據(jù)本地進(jìn)行U盤備份存儲(chǔ)。通信設(shè)備采用GPRS無線通信方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測中心。由于水溫監(jiān)測站的功耗很小，整套系統(tǒng)采用太陽能+光板的供電方式。

2.2傳感器布設(shè)方法

對于壩下河流或庫尾水溫自動(dòng)觀測站點(diǎn)，觀測氣溫并在水面以下0.5 m處布設(shè)溫度傳感器，為防止水下溫度探頭出現(xiàn)故障影響數(shù)據(jù)連續(xù)，采用主次溫度探頭進(jìn)行冗余備份。

對于三板溪壩前垂向深水水溫監(jiān)測站點(diǎn)，需根據(jù)觀測水體的最大水深，以及溫躍層可能出現(xiàn)的范圍，進(jìn)行水下溫度傳感器的具體布設(shè)。三板溪壩前水深超過140 m，為保證數(shù)據(jù)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(jìn)行溫度探頭布設(shè)。以浮標(biāo)船錨鏈系統(tǒng)為載體，每條垂線溫度鏈根據(jù)水溫梯度情況非等距布置多個(gè)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(gè)溫度探頭損壞，而影響其他溫度數(shù)據(jù)。垂向溫度傳感器的布設(shè)示意見圖1。

在溫度鏈的最下端，安裝壓差式水位計(jì)，在采集溫度的同時(shí)，啟動(dòng)水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，便于后期資料整編時(shí)，觀察實(shí)際的水深數(shù)據(jù)以及溫度鏈的漂浮角度，進(jìn)行測深相對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)還原。

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

3　水溫觀測結(jié)果分析

3.1壩前垂向水溫分析

根據(jù)水庫垂向水溫觀測站點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)，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(jù)三板溪壩前垂向水溫觀測數(shù)據(jù)，三板溪7—10月壩前垂向水溫呈現(xiàn)典型的分層型水溫結(jié)構(gòu)。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(gè)觀測時(shí)段庫表和庫底水溫在8月相差最大，達(dá)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(jù)三板溪入庫斷面和壩下斷面水溫觀測站點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)，可方便分析入庫和出庫水溫變化及兩者之間的關(guān)系。三板溪6—10月出入庫水溫觀測數(shù)據(jù)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(nèi)，整個(gè)觀測期出庫水溫在20～22℃變化；入庫、出庫水溫差在8月份達(dá)到最大，相差最大時(shí)出庫水溫比入庫水溫低6.5℃。

在沅水水溫自動(dòng)觀測中，每個(gè)水溫測點(diǎn)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(guān)關(guān)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(guān)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(shí)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(shí)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(jù)流域多站點(diǎn)水溫同步在線觀測數(shù)據(jù)，可方便分析沿程水溫變化。沅水干流7個(gè)河道水溫觀測數(shù)據(jù)(不包括三板溪壩前垂向觀測點(diǎn))如圖5所示。梯級(jí)電站開發(fā)后，沅水干流水溫從三板溪庫尾至洞庭湖入湖口呈現(xiàn)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(diào)節(jié)型水庫，對水溫影響最大。三板溪下泄的低溫水經(jīng)過掛治、白市電站調(diào)蓄后，水溫上升約1.5℃；經(jīng)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(dá)桃源壩下時(shí)基本接近三板溪入庫水溫。

圖5　沅水干流典型時(shí)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(tǒng)安裝建議

水溫觀測不同于水位、水質(zhì)觀測，有其特殊性。在安裝沅水流域水溫自動(dòng)觀測系統(tǒng)前，對水溫觀測點(diǎn)進(jìn)行了充分的現(xiàn)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(dòng)的漁船布置，壩下水溫觀測一般依托電站水位井布置?？傮w上，水溫觀測布置應(yīng)遵循以下原則：水流交換條件較好，能代表河段主流水溫；運(yùn)行可靠，不容易被人為或水流破壞，安裝維護(hù)便利。

通過沅水水溫在線自動(dòng)觀測系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用實(shí)踐探索，提出以下建議：

(1)在水庫運(yùn)行調(diào)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(xiàn)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(dòng)連接處，需要加強(qiáng)防護(hù)并留足伸縮余量。

(2)監(jiān)測站建設(shè)盡量不要選擇在梯級(jí)電站壩上通航或漁業(yè)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(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和同步性，水溫自動(dòng)監(jiān)測站宜采用主備信道進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

(4)在水溫觀測站建設(shè)過程中主要面臨的是安裝及維護(hù)難題，在后續(xù)建設(shè)的流域水文測驗(yàn)設(shè)施(如水位井)中應(yīng)預(yù)留水溫觀測平臺(tái)，以便安裝水溫自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。

5　結(jié)語

水溫是水電開發(fā)影響的一個(gè)重要環(huán)境因子，科學(xué)評(píng)價(jià)水庫及下游水溫變化是做好水溫影響減緩措施設(shè)計(jì)的前提。由于常規(guī)水文站點(diǎn)空間分布的局限性，在關(guān)鍵斷面補(bǔ)充開展水溫觀測有利于全面準(zhǔn)確掌握水庫及下游水溫的時(shí)空變化，更好地滿足水溫影響評(píng)價(jià)和研究的需要。

隨著流域水利水電開發(fā)環(huán)境管理的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展，建立流域環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)是今后水利水電開發(fā)環(huán)境管理發(fā)展的趨勢。沅水流域水溫在線自動(dòng)觀測系統(tǒng)建設(shè)的探索實(shí)踐和應(yīng)用研究表明，水溫實(shí)時(shí)在線觀測是獲取上下游同步水溫?cái)?shù)據(jù)、評(píng)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(jí)開發(fā)水溫累積影響研究[J]. 中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2007, 5(3): 173-180.

[2]薛聯(lián)芳, 顧洪賓, 崔磊, 等. 紅水河干流梯級(jí)開發(fā)對水溫累積影響的調(diào)查研究[J]. 水力發(fā)電, 2010, 36(11): 5-8.

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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?yàn)樗娝こ汰h(huán)境保護(hù)，E-mail：691112653@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.03.010

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0035-04