CN105588666A - 一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法及系统，所述方法是根据水库入库的洪水发生过程、发展过程及消亡过程实际，结合分层型水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域的河道纵向、断面垂向水温动态变化规律情况，对水库洪水冲击下水温动态变化的时间分布规律观测和空间分布规律观测，以及对水库洪水冲击下水温结构破坏效应河道横断面观测垂线的空间分布规律观测；所述系统是在坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区均布设有若干观测断面及观测垂线。本发明对提高河流、水库等水体的水温变化及分布规律系统观测工作技术水平、成果质量、以及推动行业技术进步具有重要意义。

Description

一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法及系统
技术领域
本发明属于水利水电工程水文观测技术领域，具体是涉及一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法及系统。
背景技术
水利水电工程等拦河水工建筑物成库后改变了水库库区的水文情势与水体环境，水库既调蓄水量又储存热量，可能会导致水库库区水体水温出现分层现象，河流水温分层型水库在纵向河道上一般分为坝前库段的水温分层区、水库库中的水温过渡区、水库库尾的水温混合区三个水温分布特性区域。我国关于水库水温分层结构定性研究方面，一般普遍采用经验公式—径流-库容比数法(即参数α-β法，又称库水替换次数法)来判定水库水温结构，经大量工程实践，该方法在判别水库水温结构中具有重要作用。
径流-库容比数法判定水库水温结构的指标为：
α＝多年平均年径流量/水库总库容
β＝一次洪水量/水库总库容
当α<10时为分层型；α>20时为混合型；10≤α≤20时为过渡型。
一般来说，影响水库水温结构的主要因素有：入库来水量及水温，水库规模—库容、库长、库深等，泥沙，太阳辐射热即气候特征，取水口的位置及水库的调度运用方式，库内水下建筑物影响等。根据径流-库容比数法可知，水库入库洪水对分层型水库库区的水温结构分布特性具有重要影响。其中：对于分层型水库，当β>1.0时，洪水对水温结构有影响，为临时混合型；当β<0.5时，洪水对水温结构无影响；当0.5<β<1.0时，洪水对水温结构有一定影响，但未破坏水温的分层结构。
目前，不同洪水入库过程对分层型坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域影响的机理研究很少，尤其是针对水温分层型水库在遭受洪水(一次洪水量在水温分层型水库总库容一半以上的洪水情况，即β>0.5)冲击情况下，其水库河道纵向上分区分布以及水库垂向断面上分层分布的水温结构破坏效应的观测研究，更是处于空白阶段，水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测的技术方法与要求缺乏相关导则或规范的有效统一，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、水库等水体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，不能很好的指导水利水电工程库区环境影响系统研究工作的科学开展。
因此，如何开展水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测，研究洪水过程对分层型水库坝前库段的水温分层区、水库库中的水温过渡区、水库库尾的水温混合区三个水温分布特性区域的影响机理，并为进行相关环境影响的系统研究作好技术支撑，是十分必要的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法及系统。根据水库入库的洪水发生、发展、消亡等不同过程实际，结合分层型水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域的河道纵向、断面垂向水温动态变化规律情况，对水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法作出要求，以提高水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测工作技术水平及成果质量，从而克服现有技术的不足。
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，该方法是根据水库入库的洪水发生过程、发展过程及消亡过程实际，结合分层型水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域的河道纵向、断面垂向水温动态变化规律情况，对水库洪水冲击下水温动态变化的时间分布规律观测和空间分布规律观测，以及对水库洪水冲击下水温结构破坏效应河道横断面观测垂线的空间分布规律观测，以确保水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测成果的系统性、代表性、可靠性；
所述水库洪水冲击下水温动态变化的时间分布规律观测，是指根据水温分层型水库入库的洪水发生、发展、消亡不同过程进行不同观测工作周期的水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测；
所述水库洪水冲击下水温动态变化空间分布规律观测，是指在水温分层型水库入库的洪水发生、发展、消亡全过程进行河道纵向不同观测断面，以及各断面上的横向观测垂线的水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测；
所述水库洪水冲击下水温结构破坏效应河道横断面观测垂线的空间分布规律观测，是指在水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的各观测断面横向上进行各条观测垂线布设及各观测垂线具体测点布设；
所述各观测断面横向上各条观测垂线布设，是指根据各观测断面宽度及观测工作精度要求，在各观测断面上布设水库洪水冲击下水温结构破坏效应水温动态变化观测垂线；
所述各观测垂线具体测点布设，是指根据观测断面深度实际，在水库洪水冲击下水温结构破坏效应水温动态变化观测垂线上布设具体水温测点。
所述水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法还包括水库洪水冲击下水温结构破坏效应的河道纵向不同观测断面的空间分布规律观测、水库坝前水温分层区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测、水库库中水温过渡区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测及水库库尾水温混合区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测。
所述水库洪水发生过程水温动态变化时间分布规律观测，是指根据水库及流域洪水预报情况，在水库一次洪水起涨发生前期、发生后期的一定时间段内，分别进行坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向、断面垂向水温观测。
所述水库洪水发展过程水温动态变化时间分布规律观测，是指根据水库洪水发生实际，在洪水起涨发生后至出现该次洪水过程最大洪峰的一定时间段内，分别进行坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向、断面垂向水温观测。
所述水库洪水消亡过程水温动态变化时间分布规律观测，是指根据水库洪水发生实际，在该次洪水过程最大洪峰出现后直至洪水消落的一定时间段内，分别进行坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向、断面垂向水温观测。
所述水库洪水冲击下水温结构破坏效应的河道纵向不同观测断面的空间分布规律观测，是指根据观测水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域实际，进行洪水全过程河道纵向不同观测断面水温动态变化空间分布规律观测；所述水库坝前水温分层区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测，是指在水库坝前水温分层区根据该次洪水冲击后上游洪水水体或水库水体浑浊区扩散与发展情况，进行河道纵向水温动态变化空间分布规律观测断面的布设，以观测水库洪水冲击下水温结构破坏的消弱效应；所述水库库中水温过渡区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测，是指在水库库中水温过渡区全范围进行河道纵向水温动态变化空间分布规律观测断面的布设，以观测水库洪水冲击下水温结构破坏发展效应；所述水库库尾水温混合区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测，是指在水库库尾水温混合区进行河道纵向水温动态变化空间分布规律观测断面的布设，以观测水库洪水入库水温分布情况。
一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测系统，包括依次相连的水库坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区，所述坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区均布设有若干观测断面及观测垂线，并在每条观测垂线上设置有相应的测点，在测点处安装有水温观测仪器。
所述观测断面的布设根据坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区的区域特性与水库水温分布特征突变情况确定，其中，水库坝前水温分层区的观测断面布置间距为4km～10km；库中水温过渡区的观测断面布置间距为19km～36km；库尾水温混合区的观测断面布置间距为10km。
所述观测垂线在各观测断面上的布设根据各断面横向河道宽度及观测工作精度特性确定，每个观测断面的深弘线或中泓线上设置一条观测垂线；各垂线上的测点根据各垂线的实际确定，且每一条垂线的具体测点数目均不一，根据观测水深，各垂线的测点至少为1个。
所述水温观测仪器采用能自动记录水深、水温等参数的仪器，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0.3米及以上，工作深度范围0～500米。
本发明的有益效果是：
采用本发明所述的水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，对提高我国河流、水库等水体的水温变化及分布规律系统观测工作技术水平及成果质量，克服现有技术的不足，进一步提升我国河流、水库等水体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研究工作水平，推动行业技术进步具有重要意义，经济、社会、环境效益显著。
与现有技术相比，本发明系统考虑了水库入库的洪水发生、发展、消亡等不同过程，以及观测工作精度、观测工作代表性等实际，提出了水库洪水冲击下水温动态变化的时间分布规律观测、空间分布规律观测，以及水库洪水冲击下水温动态变化观测垂线、垂线测点布设等观测方法与技术要求，对水温分层型水库在洪水冲击下的水温结构破坏效应进行了全面、有效覆盖，确保了水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测成果的系统性、代表性、可靠性。
附图说明
图1为采用本发明对龙滩水库洪水冲击下水温结构破坏效应进行观测的观测断面布置图。
图中：1—龙滩水电站坝前600m观测断面，2—布柳河汇口上游1km支流观测断面，3—布柳河汇口上游1km干流观测断面，4—龙滩水电站大坝上游9km干流观测断面，5—龙滩水电站大坝上游18km干流观测断面，6—曹渡河汇口下游1km干流观测断面，7—曹渡河汇口上游1km支流观测断面，8—曹渡河汇口上游游1km干流观测断面，9—蒙江汇口下游1km干流观测断面，10—蒙江汇口上游1km支流观测断面，11—蒙江汇口上游游1km干流观测断面，12—龙滩水电站大坝上游40km干流观测断面，13—龙滩水电站大坝上游49km干流观测断面，14—龙滩水电站大坝上游58km干流观测断面，15—龙滩水电站大坝上游67km干流观测断面，16—龙滩水电站大坝上游76km干流观测断面，17—龙滩水电站大坝上游86km干流观测断面，18—龙滩水电站大坝上游96km干流观测断面，19—龙滩水电站大坝上游106km干流观测断面，20—龙滩水电站大坝上游116km干流观测断面，21—北盘江汇口下游1km干流观测断面，22—北盘江汇口上游1km支流观测断面，23—北盘江汇口上游游1km干流观测断面，24—龙滩水电站大坝上游150km干流观测断面，25—龙滩水电站大坝上游170km干流观测断面，26—龙滩水电站大坝上游194km干流观测断面，27—龙滩水电站大坝上游230km干流观测断面，28—龙滩水电站大坝上游240km干流观测断面，29—龙滩水电站大坝，30—平班水电站大坝。
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。
一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，该方法是根据水库入库的洪水发生过程、发展过程及消亡过程实际，结合分层型水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域的河道纵向、断面垂向水温动态变化规律情况，对水库洪水冲击下水温动态变化的时间分布规律观测和空间分布规律观测，以及对水库洪水冲击下水温动态变化观测垂线和垂线测点进行布设，以确保水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测成果的系统性、代表性、可靠性。
所述水库洪水冲击下水温动态变化的时间分布规律观测，是指根据水温分层型水库入库的洪水发生、发展、消亡不同过程进行不同观测工作周期的水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测。
所述水库洪水发生过程水温动态变化时间分布规律观测，是指根据水库及流域洪水预报情况，在水库一次洪水起涨发生前期、发生后期的一定时间段内，分别进行坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向、断面垂向水温观测。
所述水库一次洪水起涨发生前期一定时间段内的河道纵向、断面垂向水温观测工作周期，根据水库及流域洪水预报周期确定。洪水预报周期为短期预报的，即预见期在2天及以内的，应从预报的洪水起涨时间往前至少观测1天，每天观测1期(观测时间在08:00左右)；洪水预报周期为中期预报的，即预见期在3～10天的，应从预报的洪水起涨时间往前至少观测2天(观测周期间隔2天及以上)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)；洪水预报周期为长期预报的，即预见期在10天以上的，应从预报的洪水起涨时间往前至少观测3天(观测周期间隔3天及以上)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)。
所述水库一次洪水起涨发生后期一定时间段内的河道纵向、断面垂向水温观测工作周期，根据洪水起涨发生后至出现该次洪水过程最大洪峰的周期长短确定，以对洪水起涨初期水温观测进行有效覆盖为宜。洪水起涨发生后至出现该次洪水过程最大洪峰的周期在3天及以内的，应从预报的洪水起涨时间往后至多观测1天(至少包含该次洪水过程洪水起涨发生的当天)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)；洪水起涨发生后至出现该次洪水过程最大洪峰的周期在4～10天的，应从预报的洪水起涨时间往后至多观测2天(观测周期间隔1天及以上，至少包含该次洪水过程洪水起涨发生的当天)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)；洪水起涨发生后至出现该次洪水过程最大洪峰的周期在11天以上的，应从预报的洪水起涨时间往后至多观测3天(观测周期间隔2天及以上，至少包含该次洪水过程洪水起涨发生的当天)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)。
所述水库洪水发展过程水温动态变化时间分布规律观测，是指根据水库洪水发生实际，在洪水起涨发生后(不含洪水起涨初期)至出现该次洪水过程最大洪峰的一定时间段内，分别进行坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向、断面垂向水温观测。
所述洪水起涨发生后至出现该次洪水过程最大洪峰的周期在3天及以内的，应从预报的洪水起涨时间往后至少观测1天(至少包含该次洪水过程最大洪峰出现的当天)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)。
所述洪水起涨发生后至出现该次洪水过程最大洪峰的周期在4～10天的，应从预报的洪水起涨时间往后至少观测2天(观测周期间隔2天及以上，至少包含该次洪水过程最大洪峰出现的当天)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)。
所述洪水起涨发生后至出现该次洪水过程最大洪峰的周期在11天以上的，应从预报的洪水起涨时间往后至少观测3天(观测周期间隔3天及以上，至少包含该次洪水过程最大洪峰出现的当天)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)。
所述水库洪水消亡过程水温动态变化时间分布规律观测，是指根据水库洪水发生实际，在该次洪水过程最大洪峰出现后直至洪水消落的一定时间段内，分别进行坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向、断面垂向水温观测。
a、该次洪水过程最大洪峰出现后直至洪水消落完全的周期在3天及以内的，应从该次洪水过程最大洪峰出现时间往后至少观测1天(至少包含该次洪水过程洪水消落完全的当天)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)。
b、该次洪水过程最大洪峰出现后直至洪水消落的周期在4～10天的，应从该次洪水过程最大洪峰出现时间往后至少观测2天(观测周期间隔2天及以上，至少包含该次洪水过程洪水消落完全的当天)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)。
c、该次洪水过程最大洪峰出现后直至洪水消落的周期在11天以上的，应从该次洪水过程最大洪峰出现时间往后至少观测3天(观测周期间隔3天及以上，至少包含该次洪水过程洪水消落完全的当天)，每天观测1期(观测时间在08:00左右)。
所述水库洪水发生过程、发展过程、消亡过程水温动态变化时间分布规律观测的工作总周期，应包括一次洪水发生、发展、消亡的全过程，且至少观测该次洪水过程起涨发生的前期、该次洪水过程起涨发生的当天、该次洪水过程最大洪峰出现的当天、该次洪水过程消落完全的当天4期。
所述水库洪水冲击下水温动态变化空间分布规律观测，是指在水温分层型水库入库的洪水发生、发展、消亡全过程进行河道纵向不同观测断面，以及各断面上的横向观测垂线的水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测。
所述水库洪水冲击下水温结构破坏效应的河道纵向不同观测断面的空间分布规律观测，是指根据观测水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域实际，进行洪水全过程河道纵向不同观测断面水温动态变化空间分布规律观测。具体河道纵向观测断面布设应根据水库三个水温分布特性区域分布及变化实际，同时兼顾观测范围的水库水温分布特征突变情况、观测工作精度、观测断面布设代表性等要求，对水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向不同观测断面水温动态变化空间分布规律的观测工作予以综合考虑，以有效掌握水库洪水冲击下河道纵向水温动态变化的空间分布规律特性。
所述水库水温分布特征突变情况，是指主要支流汇入、干流分叉、裁湾库段、局部地形突变(崩岸河段、淤积河段等)、涉水建筑物(桥渡工程、港埠工程、取调水构筑物工程等)等可能对水库回水区水温分布特征产生一定影响的因素与设施，上述水库水温分布特征突变处在布设观测断面时应予以重点关注。
所述观测工作精度，是指根据观测工作目标和技术要求，在观测范围加密或精简相关观测断面，但观测断面的具体布设应以确保观测成果对水库洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律特性进行有效覆盖为宜。水库库区长度在100公里以下的，观测断面间距宜为5～10公里；水库库区长度在100公里以上的，观测断面间距宜为10～20公里。对水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域交界范围水温分布及变化规律研究工作精度要求较高的，应在三个水温分布特性区域交界范围加密布设观测断面。
所述观测断面布设代表性，是指布设的观测断面应以满足水库洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律特性观测工作总体要求为宜，即全面考虑观测范围边界、观测对象的输入与输出影响涉及范围等因素，以提高水库洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律特性观测工作的实用性、通用性与衔接性。
所述水库坝前水温分层区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测，是指在水库坝前水温分层区根据该次洪水冲击后上游洪水水体或水库水体浑浊区扩散与发展情况，进行河道纵向水温动态变化空间分布规律观测断面的布设，以观测水库洪水冲击下水温结构破坏的“消弱”效应。水库洪水冲击范围至少会影响至水库库中及以下区域，至于是否影响至坝前水域，要根据坝前水域水体浑浊度予以判断。水库坝前水温分层区观测断面应至少应考虑两个控制断面，即坝前断面、水库设计最低运行水位对应断面，其余断面根据水库上游洪水与浑浊区分布情况具体确定。如水库坝前水温分层区较长或出现水温分布特征突变情况，则应根据观测工作需要增设断面。
所述水库库中水温过渡区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测，是指在水库库中水温过渡区全范围进行河道纵向水温动态变化空间分布规律观测断面的布设，以观测水库洪水冲击下水温结构破坏“发展”效应。水库库中水温过渡区观测断面应至少应考虑两个控制断面，即水库设计最低运行水位对应断面、水库设计最高运行水位对应断面。如库中水温过渡区较长或出现水温分布特征突变情况，则应根据观测工作需要增设断面。
所述水库库尾水温混合区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测，是指在水库库尾水温混合区进行河道纵向水温动态变化空间分布规律观测断面的布设，以观测水库洪水入库水温分布情况。水库库尾水温混合区观测断面应至少考虑两个控制断面，即水库设计最高运行水位对应断面、水库设计最高运行水位对应断面上游5～10公里的库区上游河段断面。如水库设计最高运行水位对应断面上游5～10公里的库区上游河段出现水温分布特征突变情况时，则应根据观测工作需要增设观测断面；如观测水库与上游水库首尾衔接，则直接观测上游水库泄洪水体的表层水温。
所述水库洪水冲击下水温结构破坏效应河道横断面观测垂线的空间分布规律观测，是指在水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的各观测断面横向上进行各条观测垂线布设及各观测垂线具体测点布设。
所述各观测断面横向上各条观测垂线布设，是指根据各观测断面宽度及观测工作精度要求，在各观测断面上布设水库洪水冲击下水温结构破坏效应水温动态变化观测垂线。原则上每个观测断面的深弘线(或中泓线)上须设置一条观测垂线，如观测断面宽度大于200米，应根据观测工作精度要求增加垂线数目。增加的观测垂线宜由观测断面深弘线(或中泓线)为中心向两侧均匀、连续布设，并以控制观测断面水势变化转折点与断面边界为宜。
所述各观测垂线具体测点布设，是指根据观测断面深度实际，在水库洪水冲击下水温结构破坏效应水温动态变化观测垂线上布设具体水温测点。原则上分别在观测垂线水深方向的表层、温变层、同温层等予以布设测点，并根据相邻测点间温差情况予以增设测点。表层内的测点一般布设在水面以下0.5米；温变层内的测点一般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℃，则在区间增加测点；同温层内的测点一般沿垂线水深方向每间隔5.0米布设1个，若两相邻测点之间温差超过0.2℃，则在区间增加测点。
所述水库回水区垂向水温动态变化观测采用人工操作方式，将水温观测仪器置于指定水温观测垂线的待测点上，停留足够时间，一般至少15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，并现场备份观测仪器相关数据。水温观测仪器一般采用能自动记录水深、水温等参数的仪器，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0.3米及以上，工作深度范围0～500米；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。
所述水温观测仪器采用YSI6600多参数水质监测仪。
如图1所示，本发明所述的一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测系统，包括依次相连的水库坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区，所述坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区均布设有若干观测断面及观测垂线，并在每条观测垂线上设置有相应的测点，在测点处安装有水温观测仪器。
所述观测断面的布设根据坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区的区域特性与水库水温分布特征突变情况确定，其中，水库坝前水温分层区的观测断面布置间距为4km～10km；库中水温过渡区的观测断面布置间距为19km～36km；库尾水温混合区的观测断面布置间距为10km。
以龙滩水电站实施实例，如图1所示，南盘江与北盘江汇口至坝前库段(即坝前水温分层区)的观测断面(即断面1至断面21)的间距较密，其间距在4km(断面8与断面9库段间距)～10km(断面16至断面20库段间距)之间。该区域断面布设达到了水库坝前水温分层区观测断面“应至少应考虑两个控制断面”的要求，即坝前断面、水库设计最低运行水位对应断面；同时，该区域断面布设也考虑了龙滩水库坝前水温分层区较长，期间较大支流汇入的水温分布特征突变情况，增设了观测断面；
南盘江与北盘江汇口库段(即库中水温过渡区)断面(即断面23至断面27)间距较疏，在19km(断面23与断面24库段间距)～36km(断面26至断面27库段间距)之间；该区域断面布设达到了水库库中水温过渡区观测断面“应至少应考虑两个控制断面”的要求，即水库设计最低运行水位对应断面、水库设计最高运行水位对应断面；
龙滩水库库尾至上游平班水电站坝址库段(即库尾水温混合区)断面(即断面27至断面28)间距为10km。该区域断面布设达到了水库库尾水温混合区观测断面“应至少考虑两个控制断面”的要求，即水库设计最高运行水位对应断面、水库设计最高运行水位对应断面上游5～10公里的库区上游河段断面。
所述观测垂线在各观测断面上的布设根据各断面横向河道宽度及观测工作精度特性确定，每个观测断面的深弘线或中泓线上设置一条观测垂线，如观测断面宽度大于200米，应根据观测工作精度要求增加垂线数目。增加的观测垂线宜由观测断面深弘线或中泓线为中心向两侧均匀、连续布设，并以控制观测断面水势变化转折点与断面边界为宜。
以龙滩水电站实施实例，如图1所示，观测垂线的具体布设情况为：除龙滩水电站大坝上游240km干流观测断面(观测范围上边界)直接观测平班水库泄洪水体表层水温外，其余各观测断面均在相应断面的深弘线处设置了一条观测垂线。此外，南盘江、北盘江汇口及以下的水库干流观测断面(即图1中编号为1、3、4、5、6、8、9、11、12、13、14、15、17、18、19、20、21的观测断面)还以深弘线为中心，向两侧均匀、连续布设各1条观测垂线，各观测断面合计3条观测垂线，垂线间距200m。
所述垂线上的测点根据各垂线的实际确定，且每一条垂线的具体测点数目均不一，根据观测水深，各垂线的测点至少为1个，多则数十个，由于观测周期内各垂线水深是动态变化的，总测点在1000余个至2000余个之间动态变化，本发明在各垂线库表水体测点布设1个测点，即水面以下0.5m；温变层水体测点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；同温层水体测点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。
由上可知，本发明从空间上共计布设了28个观测断面、60条观测垂线，其中4条观测垂线为支流观测垂线、56条观测垂线干流观测垂线。
以下结合龙滩水电站实施实例对本发明方案作进一步详细说明如下：
(1)观测工作背景情况：
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。龙滩水电站坝址控制流域面积98500km2，多年平均径流量508亿m3，多年平均流量1610m3/s，龙滩大坝为碾压混凝土重力坝，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。
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较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科学依据。
(2)水库坝前水温垂向分布整体预测情况：
龙滩水电站坝址多年平均径流量508亿m3，正常蓄水位以下水库库容162.1亿m3，根据径流-库容比数法，龙滩水库水温结构为分层型。
根据龙滩水电站水库坝前垂向水温分布整体预测成果可知：每年12月至次年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，基本在水库表层至水下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10m，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，基本在水库表层至水下70m，水面70m以下为滞温层。
龙滩水电站大坝坝顶高程382m，坝前坝底高程210m，坝前深水区观测水深达165m，结合坝前垂向水温分布整体预测成果，在正常蓄水位375m运行情况下，水库表层至水下90m的范围(即高程285m～375m范围)基本为垂向水温变化较大的温变层，水下90m至库底区间水体(即高程210m～285m范围)基本为垂向水温变化较小的同温层。
(3)观测仪器及现场操作情况：
采用YSI6600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℃，工作范围-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。
龙滩水电站水库回水区垂向水温动态变化观测采用人工方式进行操作，将YSI6600多参数水质监测仪探头置于进水口前指定观测垂线的待测点上，停留足够时间(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。
为保证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YSI6600多参数水质监测仪上捆绑设置10kg重的铁锤以作配重，观测船采取机械动力式，设安全员利用尼康1200S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。观测时同步记录观测时刻、位置及相应气温。
(4)龙滩水库洪水冲击下水温结构破坏效应的时间分布规律观测：
2012年5月12日，根据龙滩水电站水情站洪水预报，2012年5月22日开始龙滩水库将迎来一次较大规模洪水过程，龙滩水库库区水温结构变化规律系统观测工作小组随即启动了该次水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测工作。
根据龙滩水电站水情资料统计，该次较大规模洪水过程实际历时17天，即2012年5月22日至6月7日，合计入库洪水量为121亿m3，按照径流-库容比数法计算的β值为0.746，即理论上该次洪水会对龙滩水库的水温结构有一定影响，但不至于破坏水温的总体分层结构，但至于破坏程度具体情况，要根据实际观测予以判断。
根据该次洪水发生、发展、消亡实际情况安排的具体观测周期如下：
①“该次洪水起涨发生前期”观测周期安排：
分别在5月16日、18日、20日观测3天，每天观测1期，从07:00开始观测。
②“该次洪水起涨发生后期”观测周期安排:
该次洪水起涨发生后至出现最大洪峰历时7天，即5月22日(该日平均入库流量1488m3/s)～28日(该日平均入库流量9645m3/s)。分别在5月22日、24日(该日平均入库流量4390m3/s)观测2天，每天观测1期，从07:00开始观测。
③“该次洪水起涨发生后至出现最大洪峰期间”观测周期安排：
分别在5月26日(该日平均入库流量6059m3/s)、28日观测2天，每天观测1期，从07:00开始观测。
④“该次洪水最大洪峰出现后至洪水消落完全期间”观测周期安排：
该次洪水最大洪峰出现后至洪水消落完全历时11天，即5月28日～6月7日(该日平均入库流量2080m3/s)。分别在6月1日(该日平均入库流量5182m3/s)、6月4日(该日平均入库流量3822m3/s)、6月7日观测3天，每天观测1期，从07:00开始观测。
由此，该次水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测工作周期合计23天，分别观测10天，每天观测了1期。
(5)龙滩水库洪水冲击下水温结构破坏效应的空间分布规律观测：
龙滩水库设计洪水位(即水库设计最高运行水位)377.26m时，水库回水长230km(大坝～南盘江干流库尾八渡滩头)，距离上游平班水电站大坝仅10km；龙滩水库设计死水位(即水库设计最低运行水位)330m时，水库回水长194km(大坝～南盘江干流库尾百地滩头)，距离上游平班水电站大坝46km。
龙滩水库库区无干流分叉、裁湾库段、局部地形突变(崩岸河段、淤积河段等)、涉水建筑物(桥渡工程、港埠工程、取调水构筑物工程等)，但库区汇入的支流较多，其中主要支流(即汇入的支流多年平均流量相对于干流汇入处断面的多年平均流量来说属不可忽略的，即支流汇入流量比例占干流汇入处流量比例至少应在二十分之一及以上的，或支流入汇断面的多年平均流量在小河流量标准15m3/s及以上的)由上至下依次有北盘江(大坝上游130km)、蒙江(大坝上游33.0km)、曹渡河(大坝上游27.0km)、布柳河(大坝上游1.2km)，均分布在龙滩水库的常年回水区库段。
根据以上龙滩水库实际情况，结合观测工作精度与观测断面布设代表性要求，如图1所示，设置的水库洪水冲击下水温结构破坏效应的空间分布规律观测断面共计28个。28个观测断面布置与龙滩水电站大坝29与平班水电站大坝30之间。其中：
南盘江与北盘江汇口至坝前库段断面间距较密，如图1中断面1至断面21所示，在4km～10km之间。其中4km为断面8与断面9的库段间距，10km为断面16至断面20的库段间距
南盘江与北盘江汇口库段断面间距较疏，如图1中断面23至断面27所示，在19km～36km之间。其中19km为断面23与断面24的库段间距，36km为断面26至断面27的库段间距。
如图1所示，断面具体布置如下：
1为龙滩水电站坝前600m观测断面，兼布柳河汇口下游600m干流观测断面，观测范围下边界；
2为布柳河汇口上游1km支流观测断面，观测洪水期支流入汇水温情况；
3为布柳河汇口上游1km干流观测断面；
4为龙滩水电站大坝上游9km干流观测断面；
5为龙滩水电站大坝上游18km干流观测断面；
6为曹渡河汇口下游1km干流观测断面；
7为曹渡河汇口上游1km支流观测断面，观测洪水期支流入汇水温情况；
8为曹渡河汇口上游游1km干流观测断面；
9为蒙江汇口下游1km干流观测断面；
10为蒙江汇口上游1km支流观测断面，观测洪水期支流入汇水温情况；
11为蒙江汇口上游游1km干流观测断面；
12为龙滩水电站大坝上游40km干流观测断面；
13为龙滩水电站大坝上游49km干流观测断面；
14为龙滩水电站大坝上游58km干流观测断面；
15为龙滩水电站大坝上游67km干流观测断面；
16为龙滩水电站大坝上游76km干流观测断面；
17为龙滩水电站大坝上游86km干流观测断面；
18为龙滩水电站大坝上游96km干流观测断面；
19为龙滩水电站大坝上游106km干流观测断面；
20为龙滩水电站大坝上游116km干流观测断面；
21为北盘江汇口下游1km干流观测断面；
22为北盘江汇口上游1km支流观测断面，观测洪水期支流入汇水温情况；
23为北盘江汇口上游游1km干流观测断面；
24为龙滩水电站大坝上游150km干流观测断面；
25为龙滩水电站大坝上游170km干流观测断面；
26为龙滩水电站大坝上游194km干流观测断面，水库设计最低运行水位对应断面；
27为龙滩水电站大坝上游230km干流观测断面，水库设计最高运行水位对应断面；
28为龙滩水电站大坝上游240km干流观测断面，直接观测平班水库泄洪水体表层水温，观测范围上边界。
(6))龙滩水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测断面各垂线布设：
除龙滩水电站大坝上游240km干流观测断面(观测范围上边界)直接观测平班水库泄洪水体表层水温外，其余各观测断面均在相应断面的深弘线处设置了一条观测垂线。此外，南盘江、北盘江汇口及以下的水库干流观测断面(即图1中编号为1、3、4、5、6、8、9、11、12、13、14、15、17、18、19、20、21的观测断面)还以深弘线为中心，向两侧均匀、连续布设各1条观测垂线(各观测断面合计3条观测垂线，垂线间距200m)。
由此，龙滩水库洪水冲击下水温结构破坏效应各观测断面布设的观测垂线合计60条，其中支流观测垂线4条、干流观测垂线56条。
(7)龙滩水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测垂线测点布设：
布设的60条水温观测垂线测点布设具体为：
库表水体测点布设：布设1个测点，即水面以下0.5m。
温变层水体测点布设：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。
同温层水体测点布设：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。

Claims (10)

1.一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，其特征在于：该方法是根据水库入库的洪水发生过程、发展过程及消亡过程实际，结合分层型水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域的河道纵向、断面垂向水温动态变化规律情况，对水库洪水冲击下水温动态变化的时间分布规律观测和空间分布规律观测，以及对水库洪水冲击下水温结构破坏效应河道横断面观测垂线的空间分布规律观测，以确保水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测成果的系统性、代表性、可靠性；
所述水库洪水冲击下水温动态变化的时间分布规律观测，是指根据水温分层型水库入库的洪水发生、发展、消亡不同过程进行不同观测工作周期的水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测；
所述水库洪水冲击下水温动态变化空间分布规律观测，是指在水温分层型水库入库的洪水发生、发展、消亡全过程进行河道纵向不同观测断面，以及各断面上的横向观测垂线的水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测；
所述水库洪水冲击下水温结构破坏效应河道横断面观测垂线的空间分布规律观测，是指在水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的各观测断面横向上进行各条观测垂线布设及各观测垂线具体测点布设；
所述各观测断面横向上各条观测垂线布设，是指根据各观测断面宽度及观测工作精度要求，在各观测断面上布设水库洪水冲击下水温结构破坏效应水温动态变化观测垂线；
所述各观测垂线具体测点布设，是指根据观测断面深度实际，在水库洪水冲击下水温结构破坏效应水温动态变化观测垂线上布设具体水温测点。
2.根据权利要求1所述的一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，其特征在于：所述水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法还包括水库洪水冲击下水温结构破坏效应的河道纵向不同观测断面的空间分布规律观测、水库坝前水温分层区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测、水库库中水温过渡区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测及水库库尾水温混合区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测。
3.根据权利要求1所述的一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，其特征在于：所述水库洪水发生过程水温动态变化时间分布规律观测，是指根据水库及流域洪水预报情况，在水库一次洪水起涨发生前期、发生后期的一定时间段内，分别进行坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向、断面垂向水温观测。
4.根据权利要求1所述的一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，其特征在于：所述水库洪水发展过程水温动态变化时间分布规律观测，是指根据水库洪水发生实际，在洪水起涨发生后至出现该次洪水过程最大洪峰的一定时间段内，分别进行坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向、断面垂向水温观测。
5.根据权利要求1所述的一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，其特征在于：所述水库洪水消亡过程水温动态变化时间分布规律观测，是指根据水库洪水发生实际，在该次洪水过程最大洪峰出现后直至洪水消落的一定时间段内，分别进行坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区的河道纵向、断面垂向水温观测。
6.根据权利要求2所述的一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，其特征在于：所述水库洪水冲击下水温结构破坏效应的河道纵向不同观测断面的空间分布规律观测，是指根据观测水库坝前水温分层区、库中水温过渡区、库尾水温混合区三个水温分布特性区域实际，进行洪水全过程河道纵向不同观测断面水温动态变化空间分布规律观测；所述水库坝前水温分层区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测，是指在水库坝前水温分层区根据该次洪水冲击后上游洪水水体或水库水体浑浊区扩散与发展情况，进行河道纵向水温动态变化空间分布规律观测断面的布设，以观测水库洪水冲击下水温结构破坏的消弱效应；所述水库库中水温过渡区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测，是指在水库库中水温过渡区全范围进行河道纵向水温动态变化空间分布规律观测断面的布设，以观测水库洪水冲击下水温结构破坏发展效应；所述水库库尾水温混合区洪水冲击下水温结构破坏效应河道纵向空间分布规律观测，是指在水库库尾水温混合区进行河道纵向水温动态变化空间分布规律观测断面的布设，以观测水库洪水入库水温分布情况。
7.一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测系统，其特征在于：包括依次相连的水库坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区，所述坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区均布设有若干观测断面及观测垂线，并在每条观测垂线上设置有相应的测点，在测点处安装有水温观测仪器。
8.根据权利要求7所述的一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测系统，其特征在于：所述观测断面的布设根据坝前水温分层区、库中水温过渡区及库尾水温混合区的区域特性与水库水温分布特征突变情况确定，其中，水库坝前水温分层区的观测断面布置间距为4km～10km；库中水温过渡区的观测断面布置间距为19km～36km；库尾水温混合区的观测断面布置间距为10km。
9.根据权利要求7所述的一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测系统，其特征在于：所述观测垂线在各观测断面上的布设根据各断面横向河道宽度及观测工作精度特性确定，每个观测断面的深弘线或中泓线上设置一条观测垂线；各垂线上的测点根据各垂线的实际确定，且每一条垂线的具体测点数目均不一，根据观测水深，各垂线的测点至少为1个。
10.根据权利要求7所述的一种水库洪水冲击下水温结构破坏效应观测方法，其特征在于：所述水温观测仪器采用能自动记录水深、水温等参数的仪器，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0.3米及以上，工作深度范围0～500米。
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