CN105222922B - 一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，属于水电工程监测技术领域，包括水库坝前水体水温时间分布规律观测和水库坝前水体水温空间分布规律观测，水库坝前水体水温时间分布规律观测又包括水文年内垂向水温分布观测和日内水温时间分布规律观测；水库坝前水体水温空间分布规律观测又包括水温观测垂线布设和水温观测垂线上测点布设。本技术方案根据水文年内与日内的水库坝前水体垂向水温分布规律，充分考虑坝前水体流态分布情况、观测人员及仪器安全保障等因素，采用了水库坝前水体水温时间、空间分布规律观测方法，对水库坝前水体水温时空分布规律的观测进行了有效覆盖，确保了水库水温分布规律整体观测成果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于水电工程监测技术领域，涉及一种水库水体热量的时空分布特征，尤其是涉及一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法。
背景技术
修建水库一般使大坝上游流速减小、水深增加、水体增大，引起热量分布的改变，通常以温度来表示水库水体热量时空分布特征。水库水温的改变对水质以及库区和下游环境均会产生影响，因此对水库库区水体热量时空分布特征进行研究，有利于对库区生态环境进行有针对性的控制和改善。20世纪20年代，美国就开始了对水库水温进行系统的观测，40年代后，许多国家对水库水温的变化规律、水温对环境的影响、水温的控制和利用等方面都进行了深入的研究，而中国于60年代才开始开展这项研究工作，因此，我国的河流水库水温变化规律分布情况观测研究工作开展相对滞后，尤其是针对水库坝前水体水温时空分布规律及相关效应的观测研究更少，水库坝前水体水温时空分布规律观测的技术方法与要求缺乏相关导则或规范的有效统一，水库坝前水体水温时空分布规律观测成果质量普遍存在系统性、代表性、可靠性不强等问题，对提高我国河流水温变化规律数学模型研究、经验公式改进及其计算软件开发等工作的参考意义不大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，结合水文年内与日内的水库坝前水体垂向水温分布规律、坝前水体流态分布、观测人员及仪器安全保障等，对水库坝前水体水温时间、空间分布规律观测方法作出要求，以提高水库水温变化规律观测工作技术水平及成果质量。
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，包括水库坝前水体水温时间分布规律观测和水库坝前水体水温空间分布规律观测两个方面，所述水库坝前水体水温时间分布规律观测又包括水文年内垂向水温分布观测和日内水温时间分布规律观测两个方面；所述水库坝前水体水温空间分布规律观测又包括水温观测垂线布设和水温观测垂线上测点布设两个步骤；
(1)水库坝前水体水温时间分布规律观测
①水文年内垂向水温时间分布规律观测
在一个水文年内，分阶段测量水库坝前水体垂向水温分布：当所测水库库表、库底水体水温温差较小，处于无温跃层阶段，则每月观测1期，每期观测时间间隔不超过30天；当所测水库库表、库底水体水温出现一个温跃层，在该阶段每月至少进行2期观测，每期观测时间间隔不超过15天；当所测水库库表、库底水体水温出现两个温跃层，在该阶段每月至少进行3期观测，每期观测时间间隔不超过10天；
具体观测方法为：在大坝进水口附近指定观测点，采用水质监测仪置于进水口前指定观测垂线的待测点上，待仪器读数稳定，并自动记录垂向测点水温与水深数据后将探头移至下一测点，直至整条垂线观测完成；
②日内水温时间分布规律观测
观测周期根据水库所在地所处的季节、气候条件导致的不同阶段确定，每期现场施测应至少连续观测2天；观测频次则为每天昼间、夜间至少各观测1次，观测方法与步骤①中相同；
(2)水库坝前水体水温空间分布规律观测
①水温观测垂线布设：根据水库大坝及进水口前流场分布情况，分别在大坝进水口中心线附近、大坝中心线附近以及坝体主河道不同距离布设若干纵向、横向水温观测垂线，同时在大坝中心线外设置坝前水体水温日内变化观测垂线，各水温观测垂线的间距以确保对坝前水体垂向有效覆盖为宜；
②水温观测垂线上测点布设
分别在水温观测垂线水深方向的表层、温变层、同温层分别布设测点，并根据相邻测点间温差情况予以增设测点；各测点布设完毕后，观测读数并记录。
所述步骤(1)中，观测方法采用人工操作方式，将水温观测仪器置于水库坝前指定水温观测垂线的待测点上，停留至少15秒，待仪器读数稳定方可采集数据。
所述步骤(1)中，日内水温时间分布规律观测时，所述昼间与夜间的划分以日出、日落为划分界限，或规定其中昼间为每日06:00～22:00，夜间为22:00～06:00.
所述步骤(2)中，水温观测垂线上测点布设时，水库表层内的测点布设在水库运行水位水面以下0.5米；水库温变层内的测点沿垂线水深方向每间隔2.0米布设1个，若两相邻测点之间温差超过0.3℃，在该两相邻测点间增加测点；水库同温层内的测点沿垂线水深方向每间隔5.0米布设1个，当两相邻测点之间温差超过0.2℃时，在该两相邻测点间增加测点。
所述步骤(1)和步骤(2)中采用的水温观测仪器需要能自动记录水深、水温等参数，水温传感器的分辨率为0.01℃及以上，精度为±0.15℃及以上，量测范围-5～100℃，水深传感器精度为0.3m及以上，工作深度范围0～500m。
所述步骤(1)中，观测时，需在水温观测仪器上捆绑设置铁锤以作为配重，保证仪器在水中位置的稳定性。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，根据水文年内与日内的水库坝前水体垂向水温分布规律，充分考虑坝前水体流态分布情况、观测人员及仪器安全保障等因素，采用了水库坝前水体水温时间、空间分布规律观测方法，对水库坝前水体水温时空分布规律的观测进行了有效覆盖，确保了水库水温分布规律整体观测成果的系统性、代表性、可靠性。
附图说明
图1为红水河龙滩水电站坝前水体水温时空分布规律观测垂线分布图。
图中：1-第一水温观测垂线，2-第二水温观测垂线，3-第三水温观测垂线，4-水温日内变化观测垂线，5-第四水温观测垂线，6-第五水温观测垂线，7-第六水温观测垂线，8-水电站大坝，9-水电站进水口。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
本发明所述的一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，结合水文年内与日内的水库坝前水体垂向水温分布规律进行水文年内、日内不同时段的坝前水体水温分布规律原型观测；其包括水库坝前水体水温时间分布规律观测和水库坝前水体水温空间分布规律观测两个方面，所述水库坝前水体水温时间分布规律观测又包括水文年内垂向水温分布观测和日内水温时间分布规律观测两个方面，水文年内垂向水温分布观测一般考虑按照时间段划分，并充分考虑该事件段内水体状态为无温跃层、有温跃层两种垂向水温分布工况，日内水温时间分布规律观测则重点在于一天内的时间划分，合理安排观测的时间点；所述水库坝前水体水温空间分布规律观测又包括水温观测垂线布设和水温观测垂线上测点布设两个步骤。下面对各个观测步骤及要点进行详细描述：
(1)水库坝前水体水温时间分布规律观测
①水文年内垂向水温时间分布规律观测
在一个水文年内，分阶段测量水库坝前水体垂向水温分布：当所测水库库表、库底水体水温温差较小，处于无温跃层阶段，则每月观测1期，每期观测时间间隔不超过30天；当所测水库库表、库底水体水温出现一个温跃层，在该阶段每月至少进行2期观测，每期观测时间间隔不超过15天；当所测水库库表、库底水体水温出现两个温跃层，在该阶段每月至少进行3期观测，每期观测时间间隔不超过10天；
具体观测方法为：采用人工操作方式，在大坝进水口附近指定观测点，采用水温监测仪置于进水口前指定观测垂线的待测点上，停留至少15秒，待仪器读数稳定，并自动记录垂向测点水温与水深数据后将探头移至下一测点，直至整条垂线观测完成，回收探头，并现场备份观测仪器相关数据。观测时，需在水温观测仪器上捆绑设置铁锤以作为配重，以保持观测垂线线型，从而保证仪器在水中位置的稳定性；除此之外，在施测中要确保并维持各条水温观测垂线位置的精确性，还可采取激光测距望远镜定位、机械动力式观测船调整等方式，当水温观测垂线偏移超过允许范围时，及时调整观测垂线位置。
②日内水温时间分布规律观测
日内水温时间分布规律观测时，所述昼间与夜间的划分以日出、日落为划分界限，或规定其中昼间为每日06:00～22:00，夜间为22:00～06:00.
观测周期根据水库所在地所处的季节、气候条件导致的不同阶段确定，每期现场施测应至少连续观测2天；观测频次则为每天昼间、夜间至少各观测1次，观测方法与步骤①中相同；另外，进行日内垂向水温分布观测时应分别考虑在昼间、夜间加密观测，每次可安排多组观测船及人员同步观测。
(2)水库坝前水体水温空间分布规律观测
结合坝前水体流态分布情况、水库坝前水体垂向水温分布规律，并考虑施测精确性以及观测人员、仪器安全因素布设水温观测垂线及垂线上的测点。
①水温观测垂线布设：根据水库大坝及进水口前流场分布情况，分别在大坝进水口中心线附近、大坝中心线附近以及坝体主河道不同距离布设若干纵向、横向水温观测垂线，同时在大坝中心线外设置坝前水体水温日内变化观测垂线，各水温观测垂线的间距以确保对坝前水体垂向有效覆盖为宜；在垂线布设中应合理安排水温观测垂线与大坝、大坝进水口的距离，并采取激光测距望远镜定位水温观测垂线，水温观测垂线偏移超过安全范围时及时调整观测垂线位置，确保观测人员、仪器不受坝前水体流场影响而发生安全事故。
②水温观测垂线上测点布设
水温观测垂线上的垂向测点布设根据水库坝前水体垂向水温分布规律考虑，分别在水温观测垂线水深方向的表层、温变层、同温层分别布设测点，并根据相邻测点间温差情况予以增设测点；各测点布设完毕后，观测读数并记录。
水温观测垂线上测点布设时，水库表层内的测点布设在水库运行水位水面以下0.5米；水库温变层内的测点沿垂线水深方向每间隔2.0米布设1个，若两相邻测点之间温差超过0.3℃，在该两相邻测点间增加测点；水库同温层内的测点沿垂线水深方向每间隔5.0米布设1个，当两相邻测点之间温差超过0.2℃时，在该两相邻测点间增加测点。
本技术方案中采用的水温观测仪器需要能自动记录水深、水温等参数，水温传感器的分辨率为0.01℃及以上，精度为±0.15℃及以上，量测范围-5～100℃，水深传感器精度为0.3m及以上，工作深度范围0～500m；水温传感器无需校准，水深传感器可根据施测位置当地大气压予以现场校准。
实施例
以下结合红水河龙滩水电站实施实例对本发明方案作进一步详细说明。
(1)观测工作背景介绍
红水河龙滩水电站是国家实施西部大开发和“西电东送”战略的标志性工程，是红水河水电开发的骨干工程和龙头水库，工程主要开发任务为发电，兼有防洪、航运等综合效益。龙滩大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程382m，坝前坝底高程210m，最大坝高192m，坝顶长746.49m，水库正常蓄水位375m，相应库容162.1亿m3，死水位330m，相应库容50.6亿m3，水库具有年调节能力。现阶段，龙滩水电站装机容量为490万kW，共计7台发电机组(1-7号机组)，进水口中心线高程均为311.0m，底槛高程均为305.0m，引水管径为8.7～10.0m。
红水河龙滩水库库区水温结构变化规律系统观测研究是国内第一个针对特大型水库库区水温结构变化规律进行的长系列、大尺度系统同步原型观测的基础科学研究，获得了环境保护部、水利部的高度评价，对推动行业技术进步具有重要意义。
目前，研究成果已置于环境保护部国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室基础数据平台，为我国水库水温结构判别模型研究、水温预测经验公式改进研究、水库水温数学模型及其计算软件开发研究等提供了重要的科学依据。
(2)坝前水温垂向分布整体预测情况
根据水库坝前垂向水温分布整体预测成果可知：每年12月至2月，水库垂向水体接近同温分布，库表、库底水体水温温差较小；每年3月至6月，水库垂向水体出现一个温跃层，温跃层在水库表层至水下约40m，水面40m以下为滞温层；每年7月至9月，水库垂向水体会出现两个温跃层，第一个温跃层一般出现在水库表层至水下60m，第二个温跃层一般出现在水下60m至水下90m，水面90m以下为滞温层；每年10月至11月，水库垂向水体出现一个温跃层，温跃层在水库表层至水下约70m，水面70m以下为滞温层。
龙滩水电站大坝坝前深水区观测水深达165m，根据实施观测所处的季节及月份，结合坝前垂向水温分布整体预测成果，初步判断水体中存在温跃层的可能性以及存在温跃层的数量。根据坝前垂向水温分布整体预测成果判断，在正常蓄水位375m运行情况下，水库表层至水下90m的范围内多容易出现垂向水温变化较大的温变层，水下90m至库底区间水体则多为垂向水温变化较小的同温层。
(3)水库坝前水体水温时间分布规律观测
经上述理论预分析，又根据现场情况判断，龙滩水电站坝前进水口前水体流态复杂，考虑观测仪器安全及工作实际，采用多参数水质监测仪，该仪器能自动记录水库垂向水体的水深、水温等参数，其水温传感器的分辨率为0.01℃，精度为±0.15℃，范围-5～50℃，水深传感器的精度为0.3m，工作深度范围0～200m。水温传感器无需校准，水深传感器根据施测位置当地大气压予以现场校准。
龙滩水电站坝前水体水温时空分布规律观测采用人工方式进行操作。为保证坝前各水温观测垂线位置维持在预设位置，保障观测人员、仪器的安全，在多参数水温监测仪上捆绑设置10kg重的铁锤以作配重，观测船采取机械动力式，并配备安全员；将多参数水温监测仪探头置于进水口前指定观测垂线的待测点上，利用激光测距望远镜(量测范围10～1100m，量测精度±0.5m)予以确定观测垂线位置变化情况，位置偏移超过10m时由安全员提示观测船操作人员调整观测垂线位置；位置调整到位后，停留约20秒，待仪器读数稳定且自动记录垂向测点水温与水深数据后，将探头移至下一测点，直至整条垂线观测完成，回收探头，将监测仪主机与便携式计算机连接，将各垂线水温观测结果现场予以备份；整个观测过程中，同步记录观测时刻、位置及相应气温。
①水文年内垂向水温时间分布规律观测
经上述理论预分析，在一个水文年内，龙滩水库坝前水体垂向水温时间分布规律观测主要分为四个阶段，各阶段的具体水温观测周期及频次安排如下。
a.第一阶段(12月至2月)
该期间龙滩水库垂向水体接近同温分布，库表、库底水体水温温差较小；该期间每月观测一期，每期间隔27天。
b.第二阶段(3月至6月)
该期间龙滩水库垂向水体出现一个温跃层，温跃层在水库表层至水下40m，水面40m以下为同温层；该阶段的3月、4月每月观测一期，每期间隔27天，5月、6月每月观测两期，每期间隔15天。
c.第三阶段(7月至9月)
该期间龙滩水库垂向水体会出现两个温跃层，第一个温跃层一般出现在水库表层至水下60m，第二个温跃层一般出现在水下60m至水下90m，水面90m以下为同温层；该阶段每月观测三期，每期间隔10天。
d.第四阶段(10月至11月)
该期间龙滩水库垂向水体出现一个温跃层，温跃层在水库表层至水下70m，水面70m以下为同温层；该期间每月观测两期，每期间隔15天。
在一个水文年内，龙滩水库坝前水体垂向水温时间分布规律观测共计22期，各期均连续观测3天，在每天的03:00、15:00时各观测一次，不包括坝前水体垂向水温日内变化规律的观测。
②日内水温时间分布规律观测
龙滩水库坝前水体水温日内变化观测的具体观测周期及频次安排如下。
a.观测周期：与水文年内各阶段的水温分布观测周期安排一致，在一个水文年内，龙滩水库坝前水体水温日内变化观测共计22期，每期均连续观测3天。
b.观测频次：龙滩水库坝前水体日内水温变化规律观测为每3-4小时观测一次，即在每天的的00:00、03:00、06:00、09:00、12:00、15:00、18:00、22:00时各观测一次，每天共计8次，其中昼间4次、夜间4次。
(4)水库坝前水体水温空间分布规律观测
龙滩水库坝前水面宽度约1200m，发电机组进水口宽度约260m，其大坝中心线上游1100m与两侧400m内的区域为坝前深水区，最大深度可达165m。根据坝前水体流场分布情况，坝前水体水温空间分布规律观测垂线的布设具体如下。
①水温观测垂线布设
a.发电机组进水口前水体水温观测垂线布设
发电机组进水口附近区域水体流态复杂且不稳定，为保证施测精确性以及观测人员、仪器安全，如图1所示，在水电站进水口9中心线外120m处平行于进水口方向上等距布设3条水温观测垂线，即：第一水温观测垂线1、第二水温观测垂线2、第三水温观测垂线3，所述第一水温观测垂线1位于进水口中心线外120m右侧100m处，所述第二水温观测垂线2位于进水口中心线外120m处，所述第三水温观测垂线3位于进水口中心线外120m左侧100m处。
b.坝前水体水温日内变化观测垂线布设
为观测龙滩水电站坝前水体日内变化情况及分布规律，如图1所示，在水电站大坝8中心线外300m处布设1条水温日内变化观测垂线4。
c.坝前主河道水体水温观测垂线布设
为观测龙滩水电站坝前主河道水体水温分布规律，如图1所示，在龙滩水电站大坝中心线外500m处平行于大坝方向上等距布设3条水温观测垂线，即：第四水温观测垂线5、第五水温观测垂线6、第六水温观测垂线7，所述第四水温观测垂线5位于大坝中心线外500m右侧300m处，所述第五水温观测垂线6位于大坝中心线外500m处，所述第六水温观测垂线7位于大坝中心线外500m左侧300m处。
由此，共计在龙滩水电站坝前布设了7条水体水温观测垂线。
②水温观测垂线上测点布设
龙滩水库坝前布设的7条水体水温观测垂线上的测点布设具体为：
a.坝前库表水体测点布设：在水面以下0.5m布设1个测点。
b.坝前库表层至水下90m水体测点布设：沿水温观测垂线水深方向每间隔2.0m布设1个测点，若两相邻测点之间温差超过0.3℃，根据实际情况在区间增加测点。
c.坝前水下90m以下水体测点布设：沿水温观测垂线水深方向每间隔5.0m布设1个测点，若两相邻测点之间温差超过0.2℃，根据实际情况在区间增加测点。
各测点布设完毕后，观测读数并记录。
Claims (6)
1.一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，其特征在于：包括水库坝前水体水温时间分布规律观测和水库坝前水体水温空间分布规律观测两个方面，所述水库坝前水体水温时间分布规律观测又包括水文年内垂向水温分布观测和日内水温时间分布规律观测两个方面；所述水库坝前水体水温空间分布规律观测又包括水温观测垂线布设和水温观测垂线上测点布设两个步骤；
(1)水库坝前水体水温时间分布规律观测
①水文年内垂向水温时间分布规律观测
在一个水文年内，分阶段测量水库坝前水体垂向水温分布：当所测水库库表、库底水体水温温差较小，处于无温跃层阶段，则每月观测1期，每期观测时间间隔不超过30天；当所测水库库表、库底水体水温出现一个温跃层，在该阶段每月至少进行2期观测，每期观测时间间隔不超过15天；当所测水库库表、库底水体水温出现两个温跃层，在该阶段每月至少进行3期观测，每期观测时间间隔不超过10天；
具体观测方法为：在大坝进水口附近指定观测点，采用水质监测仪置于进水口前指定观测垂线的待测点上，待仪器读数稳定，并自动记录垂向测点水温与水深数据后将探头移至下一测点，直至整条垂线观测完成；
②日内水温时间分布规律观测
观测周期根据水库所在地所处的季节、气候条件导致的不同阶段确定，每期现场施测应至少连续观测2天；观测频次则为每天昼间、夜间至少各观测1次，观测方法与步骤①中相同；
(2)水库坝前水体水温空间分布规律观测
①水温观测垂线布设：根据水库大坝及进水口前流场分布情况，分别在大坝进水口中心线附近、大坝中心线附近以及坝体主河道不同距离布设若干纵向、横向水温观测垂线，同时在大坝中心线外设置坝前水体水温日内变化观测垂线，各水温观测垂线的间距以确保对坝前水体垂向有效覆盖为宜；
②水温观测垂线上测点布设
分别在水温观测垂线水深方向的表层、温变层、同温层分别布设测点，并根据相邻测点间温差情况予以增设测点；各测点布设完毕后，观测读数并记录。
2.根据权利要求1所述的一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，观测方法采用人工操作方式，将水温观测仪器置于水库坝前指定水温观测垂线的待测点上，停留至少15秒，待仪器读数稳定方可采集数据。
3.根据权利要求1所述的一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，日内水温时间分布规律观测时，所述昼间与夜间的划分以日出、日落为划分界限，或规定其中昼间为每日06:00～22:00，夜间为22:00～06:00。
4.根据权利要求1所述的一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，水温观测垂线上测点布设时，水库表层内的测点布设在水库运行水位水面以下0.5米；水库温变层内的测点沿垂线水深方向每间隔2.0米布设1个，若两相邻测点之间温差超过0.3℃，在该两相邻测点间增加测点；水库同温层内的测点沿垂线水深方向每间隔5.0米布设1个，当两相邻测点之间温差超过0.2℃时，在该两相邻测点间增加测点。
5.根据权利要求1所述的一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，其特征在于：所述步骤(1)和步骤(2)中采用的水质监测仪需要能自动记录水深、水温参数，水温传感器的分辨率为0.01℃及以上，精度为±0.15℃及以上，量测范围-5～100℃，水深传感器精度为0.3m及以上，工作深度范围0～500m。
6.根据权利要求1所述的一种水库坝前水体水温时空分布规律观测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，观测时，需在水质监测仪上捆绑设置铁锤以作为配重，保证仪器在水中位置的稳定性。
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